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基于地震波的油氣管道安全監(jiān)測

文檔作者：汪向陽　陳世利文檔來源：天津大學精密儀器及光電子工程學院		點擊數：	更新時間： 2021年07月16日
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測試系統(tǒng)與組件
　　電　子　測　量　技　術
　　EL ECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY
第31 卷第7 期
2008 年7 月　
基于地震波的油氣管道安全監(jiān)測
汪向陽　陳世利
(天津大學精密儀器及光電子工程學院　天津　300072)
摘　要: 針對目前廣泛存在的油氣管道受到人為破壞的問題,本文提出了通過對管道周圍的人、車輛等發(fā)出的震動信
號進行采集,對信號特征進行分析,從而對目標進行分類識別,并根據信號到達各傳感器的時間差通過三角定位原理
實現對入侵目標的空間定位以及對目標的運動軌跡進行監(jiān)測,從而對管道安全構成威脅的行為進行早期監(jiān)測、定位和
預警。
關鍵詞: 管道; 地震動信號; 預警; 三角定位
中圖分類號: TP274. 2 　　　文獻標識碼: A
Security inspection of oil and gas pipel ine based on earthquake wave
Wang Xiangyang 　Chen Shili
(College of Precision Inst rument and Opto2elect ronics Engineering , Tianjin University , Tianjin 300072)
Abstract : Aiming at the man2made dest ructive problem on oil pipelines , this paper proposes method that is to collect
seismic signals and make analysis into it s characteristics , working out classified identification on them. Based on
t riangle location principle , this method can identify the interspaced location and monitor the t rack of the targetps
movement by analyzing time of the signalps arrival to these sense organs , finally make early monitor , localization and
advance alarm of the threat s to pipelineps safety.
Keywords : pipeline ; seismic signals ; advance alarm; t riangle location
0 　引　言
原油泄漏會造成巨大的經濟損失和環(huán)境污染, 近年
來我國的油氣管道嚴重受到以盜竊為目的的破壞, 對輸
油管道由于人為破壞造成的原油泄漏進行檢測, 已經成
為減少輸油系統(tǒng)經濟損失以及減輕環(huán)境污染的一個極其
重要的手段。目前常規(guī)的和常用的泄漏檢測一般只能在
事后對泄漏進行檢測和定位, 不能在管道安全受到威脅
或者正被破壞而尚未造成損失時就及時發(fā)現并準確定位,
這就需要對輸油管道周圍目標的活動進行實時監(jiān)測。因
此目前對油氣管道進行的泄漏檢測工作也由原來單純檢
測泄漏發(fā)展到對管道安全監(jiān)測預警技術的研究, 它能夠
對管道安全構成威脅的行為進行早期的監(jiān)測、定位以及
預警, 對管道安全運營具有重要意義。
1 　系統(tǒng)工作原理及結構
111 　工作原理
目標在地面上運動時對地面施以一定的激勵, 這種
激勵會引起地球介質的變形, 在地球介質中傳播即形成
地震波動信號, 本文就是通過對地面運動目標所產生的
地震彈性波的分析, 從而確定引起地震動目標的性質。
按照介質質點運動的特點和波的傳播規(guī)律, 地震波可以
分為體波和面波2 大類, 其中面波又分為瑞雷波和樂夫波
2 種, 研究表明當震源位于地表時, 瑞雷波由于具有能量
較強、在自由表面?zhèn)鞑デ揖嚯x較遠等特性更適合于遠距
離地面運動目標探測與識別的, 設置在一定遠處的地震
動傳感器可以檢測并采集到此信號[ 1 ] 。地面目標激勵產生
的震動信號, 主要受到目標質量、運動狀態(tài)、與傳感器
的距離以及地質條件等因素的影響。
管道安全監(jiān)測系統(tǒng)主要是監(jiān)測管道周邊的地面目標,
例如人、車輛等活動目標的情況, 并且能夠根據傳感器
檢測到的信號經過預處理、特征抽取、分類識別等區(qū)分
目標類別及其活動情況等, 根據信號產生的不同時間和
警戒等級判斷目標行動對管道安全的影響, 這樣能夠在
可能的破壞產生之前進行防范和預警。
112 　系統(tǒng)結構
為了能夠有效的采集地震動信號, 地震波檢測預警
系統(tǒng)由多個傳感器組組成, 每個傳感器組有各自的處理
單元, 其結構如圖1 所示。
在各種各樣的測控領域中, 傳感器所測得的信號通
常是用導線進行傳輸的。因此不得不通過鋪設電纜將采
集的數據傳送到遠在幾公里, 甚至幾十公里的數據管理
中心。這種傳輸方式常常會帶來電磁干擾和信號衰減。
另外鋪設專用電纜的造價太高, 長時間的存在地下會使
·121 ·
　第31 卷電　子　測　量　技　術
圖1 　傳感器組處理單元
線路的自檢和維護等帶來巨大的困難, 因此本系統(tǒng)采用
無線收發(fā)的模式, 不僅克服了以上缺點, 還大大提高了
傳輸的速率[ 2 ] 。整個系統(tǒng)的結構如圖2 所示。
圖2 　系統(tǒng)結構
113 　目標識別與定位原理
將采集到的地震動信號經過LabVIEW 處理后可以獲
取信號的特征, 通過對信號的振幅以及頻率等特征的分
析可以對目標進行分類識別[ 3 ] 。
在對目標進行定位時采用三角定位的原則[ 425 ] , 通過
對目標特征頻率出現時間的判斷, 就可以得出目標產生
的地震動信號到達各探測傳感器的時間差值, 利用此差
值就可以對入侵目標進行定位[ 6 ] , 定位系統(tǒng)原理如圖3
所示。
圖3 　三角定位原理圖
圖中S1 , S2 , S3 為傳感器組中處于正三角形頂點的
傳感器, 傳感器間距離為l , M 為檢測目標。在如圖所示
的直角坐標系中, 各點的坐標分別為S1 ( - l / 2 , -
3 l / 6) , S2 ( l / 2 , - 3 l / 6) , S3 (0 , 3 l / 3) 。震源到
各傳感器的距離分別為d1 , d2 , d3 。據圖有:
( x +
l
2
) 2 + ( y + 3 l/ 6) 2 = d1
2
( x -
l
2
) 2 + ( y + 3 l/ 6) 2 = d2
2
x2 + ( y - 3 l/ 3) 2 = d3
2 　　　　
(1)
假設地震波在地表介質中勻速直線傳播, 設速度為v ,
震源到達傳感器的時間分別為t1 , t2 和t3 , 則有以下關系:
d1 - d2 = ( t1 - t2 ) v =Δt12 v
d1 - d3 = ( t1 - t3 ) v =Δt13 v
d2 - d3 = ( t2 - t3 ) v =Δt23 v
(2)
式中: Δt12 , Δt13 , Δt23為地震波信號到達各傳感器的時間
差, 由信號的特征分析可以得出。又根據圖1 可得方
程組:
x = rcosθ
y = rsinθ
(3)
方程組(1) 經過泰勒展開并與方程組(2) , (3) 聯
立可以得出目標對象的定向和定位公式:
tanθ=
3
3 ·
Δt13 +Δt23
Δt12
r =
3l2 cosθsinθ
6 ( lcosθ- Δt12 v)
(4)
對目標對象在運動過程中產生的地震波信號進行連續(xù)
采集, 對目標對象在運動過程中產生的多個信號分別進行
處理并根據方程組(4) 計算出產生各個信號時目標的空間
位置, 從而實現對目標對象的運動軌跡進行監(jiān)測[7] 。
2 　實　驗
根據提出的算法采用該系統(tǒng)進行實驗對數據進行采
集和處理, 實驗中, 在自然土質路面放置多個傳感器采
集信號(多個傳感器采集信號有利于提高信號的信噪
比) , 傳感器采用地震波傳感器, 根據所采集的信號的頻
率的分布情況, 選擇了北京合康科技有限公司的GS2
20DX 傳感器( 如圖4 所示) , 其頻帶范圍為8 ～
1 500 Hz ,能有效地采集到所需要的信號[ 8 ] 。
圖4 　GS220DX傳感器
在實驗中, 為了獲得較好的信號, 傳感器的安置必須
與地面耦合好, 必須將傳感器盡可能正、直、緊的安置在
地表中[ 9] 。通過LabVIEW對地震動信號進行采集和處理。
·122 ·
　　　　　　　　汪向陽等: 基于地震波的油氣管道安全監(jiān)測第7 期
對采集的3 路信號通過LabVIEW 進行相關運算可得出3
路信號到達傳感器的時間差, 通過式(4) 可對目標對象進
行定位。由于不同目標產生的信號的特征頻率的范圍是不
同的, 可以通過對采集到的信號的特征進行分析從而對目
標對象進行分類識別[10] 。例如圖5 為經過處理的單個傳感
器接收到的人在草地行走的信號及其頻譜。
圖5 　經過處理后的腳步信號及其頻譜
表1 為對所測信號分析所得的不同對象的頻率分布情
況, 其中人離傳感器組的距離為3～6 m , 車離傳感器組
的距離為30 m 左右。
表1 　目標信號頻譜分析
對象峰值所在范圍/ Hz 振幅
環(huán)境噪聲5～30 20～30
人
草地行走5～30 30～50
硬地行走15～25 30～50
草地跑動10～40 100～200
車
小車勻速5～30 20～35
小車變速5～15 140～160
大車變速60～70 300～400
在實驗中, 采取多個傳感器可以提高信噪比, 改變
傳感器相互間得距離以獲得最好的試驗效果, 結果分析
相互距離在015～2 m 時效果較好。
預警系統(tǒng)的預警范圍受環(huán)境噪聲的影響非常大, 當
環(huán)境噪聲很大的時候, 正確預警的范圍只能達到2～3 m ,
當在非常安靜的環(huán)境條件下, 正確預警的范圍能達到
70～90 m甚至更大。
目標對象產生的信號的頻譜分析的峰值所處位置與
目標對象和傳感器之間的距離有關, 如表2 所示(實驗采
取單傳感器, 人員在硬地上行走) 。
表2 　信號與目標和傳感器距離的關系
目標與傳感器距離/ m 峰值/ Hz
5～15 大于35
10 60
大于30 小于30
小于3 小于35
3 　結　　論
針對我國目前油氣管道所面臨的遭受人為的嚴重破
壞的問題, 提出油氣管道地震波檢測預警系統(tǒng), 在系統(tǒng)
中, 通過對目標信號的特征進行分析從而對目標對象進
行分類識別, 通過LabVIEW 計算出震源所產生的信號到
達各傳感器的時間差通過三角定位原理可以確定目標對
象的空間位置。通過對實驗數據的分析表明本文所提的
方法可行。但是由于在三角定位原理的公式推導中采取
了近似的推導, 而且許多前提條件都是假設為理想狀
況[ 11 ] , 另外, 地質、環(huán)境等對信號的影響也很大, 因此
研究工作還有待進一步深入。
參考文獻
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作者簡介
汪向陽, 男, 1983 年4 月出生, 碩
士研究生, 主要研究方向為油氣管道安全
監(jiān)測。
E2mail : wang2xiang2yang @163. com
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