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基于Starview ICS系统的自适应卡尔曼滤波在管道泄漏检测中的设计与实现

基于Starview ICS系统的自适应卡尔曼滤波在管道泄漏检测中的设计...

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作者：郭晓晨吉林大学

学位级别：硕士

管道运输是一种常用且重要的运输方式,可以为国民经济发展提供基础运输支持。而在实践当中,因为管道面临着老化、人为破坏以及腐蚀等威胁,使得管道泄漏事故屡见不鲜,不但会形成经济损失,同时还对环境带来污染影响。国内原油成品油长输... 详细信息

管道运输是一种常用且重要的运输方式,可以为国民经济发展提供基础运输支持。而在实践当中,因为管道面临着老化、人为破坏以及腐蚀等威胁,使得管道泄漏事故屡见不鲜,不但会形成经济损失,同时还对环境带来污染影响。国内原油成品油长输管道长期存在利用隐蔽地道钻孔偷油盗油现象,各个输油企业遭受巨大损失,因此国内对高精度的管道泄漏检测系统存在巨大需求,企业的调控中心操作员使用泄漏监测系统除了监测管道突发泄漏,日常更加注重对偷油监测。虽然迄今为止尚未有任何软硬件可以完美解决偷油困扰,但负压波法是国内外应用最为广泛和实用的技术之一,在一定程度可以实现泄漏报警和定位,本文着重侧重其中的核心技术之一,即压力传感器信号的滤波技术—Kalman滤波法（Kalman Filter）。所以当前阶段,基于管道内部模型的Kalman滤波算法能够在管道泄漏与检测中发挥出较好作用,然而其算法模型过于复杂,需要有较大计算量,所以导致其实践应用有所限制;而基于管道信号模型的Kalman滤波算法虽然模型算法相对简单,但是本身存在一定的不确定性,信号抗干扰能力弱,所以泄漏报警的准确度不足,定位精度以及整体鲁棒性也不高。据此可知,针对Kalman滤波算法进行研究,提升模型准确性与信号抗干扰性,减少管道泄漏的误报率,可以对管道泄漏检测和定位产生重要意义,具备良好的理论与实践价值。国内主流的压降信号捕捉技术,无一例外全部采用优质的压力数值滤波技术实现。例如中加诚信采用小波处理方法（wavelet transformation）,天津大学采用Kalman滤波和小波变换综合方法,北京化工大学采用抗差Kalman滤波方法和新息序列法（innovation sequence）。以上各个方法各有所长,必须辅助配合其他工艺处理算法才可以发挥综合优势,单独评判任何一个滤波方法都是没有意义的。目前各个研究机构和企业单位为了降低泄漏检测系统漏报率和误报率,均把数值滤波技术作为重点研究方向。在本文当中,先是对基于滤波器的管道泄漏检测和定位方法进行分析,接着构建了基于历史工况的数据辨识管道模型,并且搭建了一个基于STARVIEW软件平台,在此基础上设计了自适应的Kalman滤波器管道泄漏检测与定位系统。研究自适应卡尔曼滤波在管道泄漏检测系统中的应用,明确具体配置情况,并结合实际运行环境来实现长输管道泄漏检测系统。分析如何实现工况数据采集,以及对泄漏情况进行判断和定位等。通过具体的实现,分析自适应卡尔曼滤波在管道泄漏检测系统当中的实际测试结果。实验研究结果显示,本文设计的基于Starview ICS系统的自适应卡尔曼滤波在管道泄漏检测与定位方法,可以有效提升滤波性能,确保系统能够对于模型的不确定性产生良好鲁棒性,以减小误报警率,其定位精度能够满足实践需求。

关键词： Starview ICS系统自适应卡尔曼滤波管道泄露监测

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基于倾斜光纤光栅传感特性研究

基于倾斜光纤光栅传感特性研究

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作者：钟建辉南昌大学

学位级别：硕士

倾斜光纤光栅(Titled Fiber Bragg Grating,TFBG)是一类具有特殊结构的光纤光栅,因其纤芯轴向与光栅栅面间存在一个倾斜角导致其耦合方式发生了改变,使其不仅具备普通布拉格光纤光栅的优点,还有着自己独有的优势。普通FBG对外界环境折... 详细信息

倾斜光纤光栅(Titled Fiber Bragg Grating,TFBG)是一类具有特殊结构的光纤光栅,因其纤芯轴向与光栅栅面间存在一个倾斜角导致其耦合方式发生了改变,使其不仅具备普通布拉格光纤光栅的优点,还有着自己独有的优势。普通FBG对外界环境折射率不敏感,而TFBG由于包层模的存在使其对外界环境折射率十分敏感;使用一支FBG无法解决温度应力等交叉敏感问题,而TFBG可以利用包层模的特性去解决这一难题。因此TFBG在传感等领域受到了科研工作者的广泛关注。本文主要对TFBG的耦合模理论、不同结构参量下光谱特性变化、传感特性进行了研究,并在这些研究的基础上,进一步提出了一种用于监测液体管道泄漏的方法和基于TFBG多参量测量方法。主要内容如下:1.介绍了光纤光栅的发展、分类和应用,并在光纤光栅的基础上进一步对倾斜光纤光栅的国内外发展现状及应用领域做了阐述。2.对光纤光栅与倾斜光纤光栅的写入方法进行了介绍,之后对光纤光栅的耦合模理论进行了详细的解释说明,并通过类比的方式推导出了倾斜光纤光栅的耦合模理论。3.利用光纤光栅仿真软件OptiGrating,仿真了TFBG不同结构参量对其透射光谱特性的影响,包括倾斜角、光栅长度、纤芯半径、光栅周期、光栅调制深度对透射光谱的影响;并对各结构参量间的相互补偿作用进行了总结,为写入符合条件的TFBG提供了一定的理论指导。4.通过理论推导、仿真分析以及实验验证的方式对TFBG的传感特性进行了研究,其中包括温度、应力以及外界环境折射率传感。研究发现:TFBG各模式谐振峰波长会随着温度或应力的变化而产生线性漂移,且各包层模式对温度或应力的灵敏度基本相同;对温度传感而言,纤芯模的灵敏感比各模式包层模要高;而对应力传感而言则正好相反,此时包层模的灵敏度要明显高于纤芯模;对折射率传感特性而言,TFBG各模式谐振峰波长会随着折射率的变大而逐渐向长波长方向漂移,另外,继续增大外界环境折射率,会导致TFBG从最高阶包层模开始出现截止现象。研究结果对TFBG传感器的研制具有一定的参考意义。5.提出了一种可用于管道泄漏监测(运输液体的折射率要大于等于包层模折射率)的TFBG传感器,并通过仿真和实验的方式进一步验证了此方法的可行性。并且,在第四章TFBG传感特性研究的基础上,提出了基于TFBG多参量测量的方法。6.最后对本文研究内容进行了总结以及对本文中的不足之处提出了一些改进的思路,并对接下来的工作进行了展望。

关键词：倾斜光纤光栅耦合模理论透射光谱传感特性管道泄露监测

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基于深度学习的石化码头火患排查系统研究

基于深度学习的石化码头火患排查系统研究

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作者：王其腾华北理工大学

学位级别：硕士

石化码头作为石油化工产品进出口的主要中转站,其生产安全问题受到人民及政府的高度关注。通过对国内外石化码头发生的事故进行分析可以发现,火灾及管道泄露引发的事故在众多事故诱占比很高。另外因石化码头存储物品的特殊性,在发生火... 详细信息

石化码头作为石油化工产品进出口的主要中转站,其生产安全问题受到人民及政府的高度关注。通过对国内外石化码头发生的事故进行分析可以发现,火灾及管道泄露引发的事故在众多事故诱占比很高。另外因石化码头存储物品的特殊性,在发生火灾事故后很容易造成连锁反应,对现场造成二次甚至多次伤害,故对石化码头进行实时火患排查是保证码头安全生产的重要手段。基于上述背景,对石化码头内隐患类型进行分析,选取了较为典型的火灾及管道泄露隐患进行研究,基于深度学习分别构建火源监测模型和管道泄露监测模型,并将其进行系统集成,构建石化码头火患排查系统。具体研究内容及结果如下:1)针对石化码头内火灾隐患实时监测问题,搭建基于卷积神经网络的石化码头火源监测训练模型,将构建的包含火灾、烟雾及烟头三类目标,共10599张图像的训练数据集输入模型训练网络进行训练,通过调整模型训练过程中相关参数,最终得到检测精度为89.45%的监测模型。2)通过对石化码头内的可燃介质进行分析,发现码头内最容易发生燃烧且会造成极大危害的是管道破损后泄露出的石化物质,故基于深度置信网络搭建管道泄露检测训练模型。通过Ansys Fluent软件对石化码头内典型管道结构进行数值模拟,获得管道正常及泄露两种工况下的运行状态数据101305条,对其进行去噪及预处理等操作后输入模型训练网络,分别设置网络层数为5、10、50、100和200,发现100层网络模型的检测精度较高,为72.21%。3)将石化码头火源监测模型及管道泄露监测模型进行系统集成,使用Py Qt在Ubuntu系统中完成石化码头火患排查系统的功能设计与实现,实现石化码头火患排查系统的快速部署。图37幅;表7个;参92篇。

关键词：石化码头火灾监测管道泄露监测深度学习

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