一种基于海底石油管道信息物理系统的溢油源检测方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于海底石油管道信息物理系统的溢油源检测方法，涉及海底管道信息物理系统溢油检测技术领域。该方法包括：建立海底管道石油传输模型；建立海底管道稳态模型；生成管道CPS模型；泄漏点初步定位；根据泄漏点处的性能指标判断初步定位的泄漏点位置是否准确，若不准确则进行修正；对不准确的泄漏点位置进行反复调整并仿真模拟；根据仿真结果与实施遥感观测值的失配率判断是否继续调整，无需调整后输出泄漏点的位置。本方法将海底输油管道稳态模型与遥感数据结合，从而集成为实现以海上石油CPS系统为代表的管道溢油检测的新方法。弥补了现有技术对溢油检测泄漏点定位精度低的不足。

A Method of Oil Spill Source Detection Based on Information Physics System of Submarine Petroleum Pipeline

The invention provides an oil spill source detection method based on the submarine oil pipeline information physical system, which relates to the oil spill detection technology field of the submarine oil pipeline information physical system. The method includes: establishing oil transmission model of submarine pipeline; establishing steady-state model of submarine pipeline; generating CPS model of pipeline; preliminary location of leakage point; judging the location of leakage point of preliminary location according to the performance index of leakage point, correcting if not accurate; repeatedly adjusting and simulating the location of inaccurate leakage point; remotely implementing according to simulation results. The mismatch rate of the sensory observation value judges whether to continue to adjust or not without the need to adjust the position of the output leakage point. This method combines the steady state model of submarine oil pipeline with remote sensing data, and integrates it into a new method for oil spill detection represented by offshore petroleum CPS system. It makes up for the deficiency of the existing technology in the low accuracy of leak location in oil spill detection.

【技术实现步骤摘要】
一种基于海底石油管道信息物理系统的溢油源检测方法
本专利技术涉及海底管道信息物理系统溢油检测
，具体涉及一种基于海底石油管道信息物理系统的溢油源检测方法。
技术介绍
管道运输作为重要的运输形式，在国民经济中具有举足轻重的战略地位。然而，管道泄漏频频发生造成了严重的经济损失和环境污染，因此管道泄漏检测与定位方法的研究有着重要的现实意义。虽然基于卫星遥感数据的管道泄漏检测与定位有一定的效果，但受卫星遥感数据较长的回访时间以及水下溢油模型的复杂性影响，现有技术在管道泄漏点精准定位方面还存在很大的不足。因此，基于海底复杂管网稳态模型的信息物理系统建模从而实现管道泄漏检测与定位的溢油检测方法显得尤为重要。海底管道信息物理融合系统的提出与发展为石油勘探、生产和管理提供了便利，为检测和降低海上石油泄漏风险的目标提供了新的思路和实现途径。信息物理系统(CPS)是将计算资源与物理系统深度融合所构成的新型系统，针对管道CPS的理论、模型、方法、算法和计算与实现工具等方面的研究有待进一步开拓和深入，从而实现将海底管道CPS模型与卫星遥感数据探测相结合，集成为实现以海上石油CPS系统为代表的管道溢油检测的新方法。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于海底石油管道信息物理系统的溢油源检测方法，利用卫星遥感数据以及前沿信息技术增强对海底输油管道系统的感知和控制能力，从而更加精准的识别泄漏点。为了实现上述目的，一种基于海底石油管道信息物理系统的溢油源检测方法，具体步骤如下：步骤1：将信息物理系统概念与海底输油管道系统特点相结合，提出海底管道信息物理系统架构，并建立海底管道信息系统模型；步骤1.1：建立海底石油管道稳态模型；步骤1.1.1：分析简单管道的瞬变流动过程，建立运动过程和连续方程的微分形式，从而建立管道传输模型；所述管道传输模型的公式如下：式中，P为断面平均压力，t为时间，L为位移，ρ为流体平均密度，a为流体与水平轴的角度，v为断面的平均流速，g为重力加速度，λ为水力摩阻系数，D为管道内径，Cv为管道中液体热能，T为流体温度，k为地面热导率，T(r)为温度函数，r为管道中某点距管径中心的径向距离；步骤1.1.2：根据管道传输模型，考虑连续性方程和运动方程，建立稳态管道模型；所述稳态管道模型的公式如下：式中，当a＝0时，表示无高程差影响，当a≠0时，表示有高程差影响；步骤1.2：针对通信网络的开放系统互联模型中的网络层和传输层分别建立网络层动态模型和传输层动态模型，对建立的所有动态模型的信息-能量流分布进行混成求解，建立管道信息系统模型；所述动态模型包括能量流计算模型、能量流向信息流转换模型、信息流计算模型和信息流向能量流转换模型；步骤1.2.1：建立能量流计算模型；所述能量流计算模型的公式如下：f(x(N+1)，u(N)，D(N+1)，p，A)＝0；式中，A为网络结构变量，p为网络原件参数，D为干扰变量，u为控制变量，x为依从变量，N为时标；步骤1.2.2：根据工业现场的控制需求建立能量流向信息流转换模型；所述能量流向信息流转换模型的公式如下：y(N)＝Hy·x(N)；式中，y(N)为虚拟信号，Hy为相应控制需求；步骤1.2.3：将动态模型中的信息流视为由根节点y到其他节点的信息映射，则动态模型末端叶节点及其他节点的信息分别记为z＝[z1，...，zn]T和w＝[wl，...，wl]T，得到动态模型信息流计算模型g(y(N))；所述动态模型信息流计算模型的公式如下：步骤1.2.4：将信息网络各叶节点信息z映射为实际的控制量u，建立信息流向能量流转换模型；所述信息流向能量流转换模型的公式如下：u(N)＝Eu·z(N)；式中，z(N)为节点信息，Eu为映射参数，u(N)为实际控制量；步骤1.2.5：选择各节点的阻塞窗口尺寸和各队列的尺寸作为动态模型的状态变量，各数据流的传输延迟和数据丢失率作为动态模型的输出，分析动态模型的信息-物理耦合特性，即对建立的所有动态模型的信息-能量流分布进行混成求解，建立管道信息系统模型；步骤1.3：将海底石油管道传输模型与管道信息系统模型联立得到管道信息物理系统模型：步骤2：根据管道稳态模型建立管道压力梯度分布曲线，对溢油源的位置进行估计，再根据建立的管道信息系统模型计算管道泄漏发生之后t时段内管道信息系统性能指标的时变路径；步骤2.1：根据监测管道两端的流量差对管道进行泄漏检测；所述对管道进行泄漏检测的公式如下：GM-GC＞σ；式中，GM为监测管道入口质量流量，GC为监测管道出口质量流量，σ为设定的报警阈值；步骤2.2：根据管道稳态模型建立管道压力梯度分布曲线，再根据管道压力梯度分布曲线中的拐点确定检测管道的泄漏位置；所述根据管道压力梯度分布曲线中的拐点确定检测管道的泄漏位置的公式如下：式中，Lr为管道泄漏源与管道首端之间的距离，Pq为稳态时管道泄漏发生后管道首段的压力，Pz为泄漏源处的压力，Qq为稳态时管道泄漏发生后管道首段的流量，Qz为泄漏源处的流量，L为管道总长度，ρ为流体平均密度，g为重力加速度，λ为水力摩阻系数，Δh＝Lsina，D为管道内径；步骤2.3：根据管道信息物理系统模型计算管道泄漏发生之后t时段内管道信息系统性能指标的时变路径；所述管道信息系统性能指标包括传输延时、数据丢失率；步骤3：判断管道信息系统性能指标的时变路径是否大于设定阈值，若是，则说明溢油源的位置不准确，继续步骤4，若否，则说明溢油源的位置准确，输出溢油源的位置；步骤4：对于每一个候选泄漏源，模拟一个溢油场景，使用迭代的方式计算漏油面积，并根据卫星遥感观测到的实际漏油面积判断是否对候选泄漏源的位置进行修正；步骤4.1：将遥感数据和地质参数作为输入，初始化漏油源的搜索范围和泄漏源的位置[POSmin，POSmax]、模拟次数k＝1；步骤4.2：根据步骤2估算得到的溢油点生成N个候选泄漏源示例{X1，X2，…XN}，其中，Xi为第i个泄漏源个体，i＝1，......，N，对于每一个候选泄漏源，通过模拟软件模拟一个溢油场景，通过模拟计算得到仿真结果{S(Xi)}＝{S(X1)，S(X2)，…，S(XN)}，并将仿真结果{S(Xi)}的值从小到大进行排列；步骤4.3：对生成的候选泄漏源示例进行第k次模拟，计算目标函数η的分位数，使得P(S(Xi)＜bk)＝η，其中，bk为目标函数最优值γ*在第k次模拟中的估计值，即用于比较的库函数值次序统计量的η分位数S(XηN)；步骤4.4：将第k次的仿真结果与遥感数据对比，对泄漏源的仿真结果进行评价，若泄漏源第k次的仿真结果与遥感数据接近，则将其作为高质量的样本存入候选集中；步骤4.5：从候选集中选择与遥感数据最接近的高质量样本继续步骤4.6，同时更新候选泄漏源示例；步骤4.6：判断第k次的仿真结果与遥感数据的差值是否小于设定阈值ε，若是，则输出泄漏源的位置，若否，则令k＝k+1，返回步骤4.2。本专利技术的有益效果：本专利技术提出一种基于海底石油管道信息物理系统的溢油源检测方法，将海底输油管道稳态模型与遥感数据结合，从而集成为实现以海上石油CPS系统为代表的管道溢油检测的新方法。弥补了现有技术对溢油检测泄漏点定位精度低的不足。附图说明图1为本专利技术实施例中基于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于海底石油管道信息物理系统的溢油源检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将信息物理系统概念与海底输油管道系统特点相结合，提出海底管道信息物理系统架构，并建立海底管道信息系统模型，具体方法如下：步骤1.1：建立海底石油管道稳态模型；步骤1.2：针对通信网络的开放系统互联模型中的网络层和传输层分别建立网络层动态模型和传输层动态模型，对建立的所有动态模型的信息‑能量流分布进行混成求解，建立管道信息系统模型；所述动态模型包括能量流计算模型、能量流向信息流转换模型、信息流计算模型和信息流向能量流转换模型；步骤1.3：将海底石油管道传输模型与管道信息系统模型联立得到管道信息物理系统模型：步骤2：根据管道稳态模型建立管道压力梯度分布曲线，对溢油源的位置进行估计，再根据建立的管道信息系统模型计算管道泄漏发生之后t时段内管道信息系统性能指标的时变路径；步骤3：判断管道信息系统性能指标的时变路径是否大于设定阈值，若是，则说明溢油源的位置不准确，继续步骤4，若否，则说明溢油源的位置准确，输出溢油源的位置；步骤4：对于每一个候选泄漏源，模拟一个溢油场景，使用迭代的方式计算漏油面积，并根据卫星遥感观测到的实际漏油面积判断是否对候选泄漏源的位置进行修正，具体方法如下：步骤4.1：将遥感数据和地质参数作为输入，初始化漏油源的搜索范围和泄漏源的位置[POSmin，POSmax]、模拟次数k＝1；步骤4.2：根据步骤2估算得到的溢油点生成N个候选泄漏源示例{X1，X2，…XN}，其中，Xi为第i个泄漏源个体，i＝1，......，N，对于每一个候选泄漏源，通过模拟软件模拟一个溢油场景，通过模拟计算得到仿真结果{S(Xi)}＝{S(X1)，S(X2)，…，S(XN)}，并将仿真结果{S(Xi)}的值从小到大进行排列；步骤4.3：对生成的候选泄漏源示例进行第k次模拟，计算目标函数η的分位数，使得P(S(Xi)＜bk)＝η，其中，bk为目标函数最优值γ...

【技术特征摘要】
1.一种基于海底石油管道信息物理系统的溢油源检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将信息物理系统概念与海底输油管道系统特点相结合，提出海底管道信息物理系统架构，并建立海底管道信息系统模型，具体方法如下：步骤1.1：建立海底石油管道稳态模型；步骤1.2：针对通信网络的开放系统互联模型中的网络层和传输层分别建立网络层动态模型和传输层动态模型，对建立的所有动态模型的信息-能量流分布进行混成求解，建立管道信息系统模型；所述动态模型包括能量流计算模型、能量流向信息流转换模型、信息流计算模型和信息流向能量流转换模型；步骤1.3：将海底石油管道传输模型与管道信息系统模型联立得到管道信息物理系统模型：步骤2：根据管道稳态模型建立管道压力梯度分布曲线，对溢油源的位置进行估计，再根据建立的管道信息系统模型计算管道泄漏发生之后t时段内管道信息系统性能指标的时变路径；步骤3：判断管道信息系统性能指标的时变路径是否大于设定阈值，若是，则说明溢油源的位置不准确，继续步骤4，若否，则说明溢油源的位置准确，输出溢油源的位置；步骤4：对于每一个候选泄漏源，模拟一个溢油场景，使用迭代的方式计算漏油面积，并根据卫星遥感观测到的实际漏油面积判断是否对候选泄漏源的位置进行修正，具体方法如下：步骤4.1：将遥感数据和地质参数作为输入，初始化漏油源的搜索范围和泄漏源的位置[POSmin，POSmax]、模拟次数k＝1；步骤4.2：根据步骤2估算得到的溢油点生成N个候选泄漏源示例{X1，X2，…XN}，其中，Xi为第i个泄漏源个体，i＝1，......，N，对于每一个候选泄漏源，通过模拟软件模拟一个溢油场景，通过模拟计算得到仿真结果{S(Xi)}＝{S(X1)，S(X2)，…，S(XN)}，并将仿真结果{S(Xi)}的值从小到大进行排列；步骤4.3：对生成的候选泄漏源示例进行第k次模拟，计算目标函数η的分位数，使得P(S(Xi)＜bk)＝η，其中，bk为目标函数最优值γ*在第k次模拟中的估计值，即用于比较的库函数值次序统计量的η分位数S(XηN)；步骤4.4：将第k次的仿真结果与遥感数据对比，对泄漏源的仿真结果进行评价，若泄漏源第k次的仿真结果与遥感数据接近，则将其作为高质量的样本存入候选集中；步骤4.5：从候选集中选择与遥感数据最接近的高质量样本继续步骤4.6，同时更新候选泄漏源示例；步骤4.6：判断第k次的仿真结果与遥感数据的差值是否小于设定阈值ε，若是，则输出泄漏源的位置，若否，则令k＝k+1，返回步骤4.2。2.根据权利要求1所述的基于海底石油管道信息物理系统的溢油源检测方法，其特征在于，所述步骤1.1包括以下步骤：步骤1.1.1：分析简单管道的瞬变流动过程，建立运动过程和连续方程的微分形式，从而建立管道传输模型；所述管道传输模型的公式如下：式中，P为断面平均压力，t为时间，L为位移，ρ为流体平均密度，a为流体与水平轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：马大中，徐临平，冯健，刘金海，汪刚，王晨阳，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21