油气管道发生泄漏时，由于管道内外的压力差，泄漏点因流体(或气体) 介质损失而引起局部流体密度减小，出现瞬间压力下降，紧邻泄漏点的高压流 体分别从上下游两个方向迅速向低压的泄漏区填充，又引起泄漏点相邻区域的 压力降低，重复这个过程，就产生了沿管道分别向上下游传播的瞬态负压波。
在管道两端分别安装压力传感器捕捉瞬态负压波信号。泄漏位置不同，负 压波向上下游传播的距离不同，到达管道两端的时间差也不同，因此可以根据 负压波的传播速度和到达管道两端的时间差来确定泄漏点的位置。负压波法检 测管道泄漏的核心是负压波信号的识别。
识别负压波的方法很多，有时间序列分析法、残差法、长杆统计法、相关 分析法和小波变换分析法等。时间序列分析法是系统实时对管道两端压力梯度 信号的时间序列进行分析，根据一定的策略和设定的阈值进行预警和故障报警。 时间序列分析法检测泄漏的优点是速度快、灵敏度高，缺点是不能对泄漏定位， 常作为泄漏检测的辅助手段。基于Kullback信息测度的泄漏检测方法是一种典 型的时间序列分析法。相关分析法是通过计算管道两端压力变化信号的相关函 数来检测和定位泄漏。管道两端的负压波来自同一个泄漏源，具有相关性。没 有泄漏时，两端压力变化信号的相关函数很小或等于零；有泄漏时，相关函数 会明显增大。相关分析法的优点是简单实用、准确灵敏、计算量小，已被广泛 使用。小波变换分析法是根据小波变换原理，用小波分析工具对信号进行变换， 多尺度对信号进行分析。小波变换具有在时频域中观察信号局部特征的能力， 可以在细节上观察管道压力变化，凸显突变点(压力下降沿)，确定负压波到达 的时间。另外，也可以利用小波工具先对负压波信号进行分解，然后在细节上 利用相关分析法对管道两端的负压波进行相关分析，提高泄露检测的可靠性和 定位精度。
不仅管道泄漏产生负压波，泵站的正常操作(如开泵、停泵、调泵、切换 阀门、中间支线管道调节等)也会产生负压波，因此有效识别并消除泵站操作 产生的负压波的干扰是负压波法检测管道泄漏面临的一个难题。

针对上述现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于，提出一种基于定向 负压波识别技术的油气管道泄漏在线检测方法。
为了实现上述目的，本发明的技术思路是，在油气管道的每一个端口，各 按一定间距安装两个压力检测模块，用于采集在管道内传播的负压波；计算机 接收各压力检测模块输出的负压波信号，并根据各端口两个压力检测模块的输 出信号，生成两个新的特征信号，以判定该端口的负压波是来自管道方向还是 泵站方向；当所有端口的负压波均是来自管道方向且彼此相关时，计算机判定 管道发生了泄漏，用相关系数表示泄漏估计的置信度，并根据负压波到达各端 口的时间差估计泄漏的位置。上述检测方法既适用于单入口单出口管道泄漏的 在线检测，也适用于带支线多端口管道泄漏的在线检测，并且能够有效识别和 消除泵站操作产生的负压波的干扰。
本发明采用的技术方案是：
一种基于定向负压波识别技术的油气管道泄漏在线检测方法，包括以下步 骤：
1)在油气管道的每一个端口，各按照一定间距安装两个压力检测模块，用 于采集在管道内传播的负压波；
2)各压力检测模块和计算机相连，将采集的在管道内传播的负压波信号送 给计算机进行分析和融合；
3)根据各端口压力检测模块输出的负压波信号，计算机分别为每一个端口 生成两个新的特征信号，用于判断各端口的负压波是来自管道方向还是泵站方 向；
4)当油气管道所有端口的负压波均是来自管道方向且彼此相关时，计算机 判定管道发生了泄漏，用相关系数表示泄漏估计的置信度，并根据负压波到达 管道各端口的时间差估计泄漏点的位置。
所述的压力检测模块包括压力传感器、放大器、低通滤波器、模数转换器 和微处理器等单元；
管道内的压力信号经压力传感器转换成电信号，经放大、滤波、模数转换 和微处理器处理后，结果送给计算机；计算机首先对管道各端口的两个压力检 测模块送过来的数据进行分析和融合，确定是否包含负压波信号及其方向；然 后再将所有端口的处理结果进行分析和融合，判断管道是否发生了泄露及泄露 点的位置。
所述管道可以是石油管道，也可以是天然气管道，还可以是输送其它流体 或气体介质的管道。
本发明所述的管道泄漏检测方法不仅适用于单入口单出口管道泄漏的在线 检测，还适用于带支线多端口管道泄漏的在线检测，并且能够有效识别和消除 泵站操作产生的负压波的干扰。

图1是本发明的第一实施例的系统框图；
图2是本发明的第二实施例的系统框图。
下面结合附图和发明人依技术方案所完成的实施例，对本发明的原理作进 一步的详细描述，本发明不限于这些实施例。

本发明的基于定向负压波识别技术的油气管道泄漏在线检测方法，包括以 下步骤：
1)在油气管道的每一个端口，各按照一定间距安装两个压力检测模块，分 别用于检测端口附近管道内的压力变化，并采集在管道内传播的负压波；
油气管道发生泄漏时，由于管道内外的压力差，泄漏点因流体(或气体) 介质损失而引起局部流体密度减小，出现瞬间压力下降，产生沿管道分别向上 下游传播的瞬态负压波；另外泵站的正常操作也会产生沿管道传播的负压波。 在油气管道每一个端口附近的管道管壁上，各按照一定间距安装两个压力检测 模块，用于检测各端口管道内的压力变化，并采集在管道内传播的负压波。
2)各压力检测模块和计算机相连，将采集的在管道内传播的负压波信号送 给计算机进行分析和融合；
压力检测模块包括压力传感器、放大器、低通滤波器、模数转换器和微处 理器等单元。压力传感器安装在管壁上，将管道内的压力信号转换成电信号输 出到放大器；信号经放大器放大后输出到低通滤波器；低通滤波器的输出端接 到模数转换器；微处理器对模数转换器输出的数据进行归一化处理后送到计算 机进行数据分析和融合。
3)根据各端口压力检测模块输出的信号，计算机分别为每一个端口生成两 个新的特征信号，用于判断各端口的负压波是来自管道方向还是泵站方向；
由于在管道的每一个端口，两个压力检测模块采集的是同一管道相邻位置 的压力信号，因此两个压力检测模块的输出信号相关；同时由于两个压力检测 模块之间存在一定的距离，沿管道传播的负压波经过它们的时间不同，因此可 以根据两个压力检测模块检测到负压波时间的先后顺序确定负压波的传播方 向，即负压波是来自泵站方向还是来自管道方向。
4)计算机根据管道所有端口检测到负压波的时间和方向，判断管道是否发 生了泄露及其位置；
如果在管道各端口检测到的是经过不同传播路径的同一泄露(或泵站操作) 产生的负压波，则各压力检测模块的输出信号彼此相关。当且仅当只有所有端 口检测到的负压波信号均是来自管道方向，且彼此相关时，计算机判定管道发 生了泄露，并根据在各端口检测到负压波的时间确定泄露点的位置。
在油气管道每一个端口附近的管壁上，各按照一定间距安装了两个压力检 测模块；
每一个压力检测模块包括压力传感器、放大器、低通滤波器、模数转换器 和微处理器等单元。压力传感器安装在管壁上，将管道内的压力信号转放成电 信号输出到放大器；信号经放大器放大后输出到低通滤波器；低通滤波器的输 出端接到模数转换器；微处理器对模数转换器输出的数据进行归一化处理后送 到计算机进行数据分析和融合；
位于管道同一个端口的两个压力检测模块可以分别设置模数转换和微处理 器单元，也可以共享一组模数转换和微处理器单元；
各压力检测模块采集在管道内传播的负压波信号的采样频率相同，且不低 于20次/秒；
两个压力检测模块同时检测同一个端口附近管道内的压力变化，以判断管 道内是否有负压波信号及其方向；
当油气管道所有端口的负压波均是来自管道方向且彼此相关时，计算机判 定管道发生了泄漏，用相关系数表示泄漏估计的置信度，并根据负压波到达各 端口的时间估计泄漏点的位置；
对于单入口单出口管道，根据两个端口的负压波的传播方向，计算机判断 管道是否发生了泄露；根据在管道两个端口检测到负压波的时间差和负压波沿 管道传播的速度以及管道内介质的流速和方向，计算机估计管道发生泄露的位 置：
对于带支线多端口管道，根据各端口负压波的传播方向，计算机判断管道 是否发生了泄露；对于任意两个端口，根据负压波到达这两个端口的时间差， 以及负压波在这两个端口之间管道内的传播速度和介质的流速及方向，计算机 确定一个位置；这个位置或者是管道发生泄露的位置，或者是管道与支线管道 连接点的位置。
以下是发明人给出的实施例：
参见图1，图1是本发明的第一实施例的系统框图，该实施例中管道1是单 入口单出口的管道，输送的介质从始站21流向末站22。
在始站21附近管道1输入端11的管壁上，按照一定间距安装了压力检测 模块111和压力检测模块112。压力检测模块111和112的输出分别是管道1输 入端11附近两个相邻位置处的压力信号经调理放大后以相同采样速率和精度转 换成的数字信号序列Pi1(n)和Pi2(n)。
在末站22附近管道1输出端12的管壁上，按照一定间距安装了压力检测 模块121和压力检测模块122。压力检测模块121和122的输出分别是管道1输 出端12附近两个相邻位置处的压力信号经调理放大后以相同采样速率和精度转 换成的数字信号序列Po1(n)和Po2(n)。
压力检测模块111和112以及121和122中的信号采样速率均为f；
负压波在压力检测模块111和112安装位置之间管道内的传播时间为Ti， 压力检测模块111和112采集同一个负压波输出的数字信号序列Pi1(n)和Pi2(n) 之间的延迟等于Δni：
Δni＝Ti×f                                     (1)
负压波在压力检测模块121和122安装位置之间管道内的传播时间为To， 压力检测模块121和122采集同一个负压波输出的数字信号序列Po1(n)和Po2(n) 之间的延迟等于Δno：
Δno＝To×f                                        (2)
负压波在管道内的传播速度远大于介质的传输速度，因此，介质的传输速 度和方向对管道内负压波在压力检测模块安装位置之间传输时间的影响很小， 可以忽略。延迟Δni主要与负压波的传播速度、压力检测模块111和112安装位 置之间的距离、以及采样速率f有关；延迟Δno主要与负压波的传播速度、压力 检测模块121和122安装位置之间的距离、以及采样速率f有关。选择合适的 采样速率f以及压力检测模块111和112、121和122安装位置之间的距离使延 迟Δni和Δno是整数，并且使压力检测模块111和112与121和122安装位置之 间的距离相等，从而使Δni和Δno相等。
计算机3利用压力检测模块111和112输出的数字信号序列Pi1(n)和Pi2(n) 生成如下新的信号Pi(n)和Pi′(n)：
Pi(n)＝Pi1(n)-Pi2(n+Δni)                              (3)
Pi′(n)＝Pi2(n)-Pi1(n+Δni)                            (4)
Δni是常数，合成信号Pi(n)和Pi′(n)反映了管道输入端口11处压力信号的 动态变化，并具有以下特性：
(1)在管道处于稳态时，Pi1(n)和Pi2(n)基本一致，Pi(n)和Pi′(n)在能量 和幅值上分别是(或接近)0；
(2)对于来自上游泵站21操作产生的负压波，Pi′(n)是该负压波的差分信 号，Pi(n)在能量和幅值上是(或接近)0；
(3)对于来自管道1方向的负压波，Pi(n)是该负压波的差分信号；Pi′(n) 在能量和幅值上是(或接近)0。
合成信号Pi(n)和Pi′(n)可以作为判断输入端11附近管道内传播的负压波 是来自管道1方向还是来自上游泵站21方向的特征信号。
计算机3利用压力检测模块121和122输出的数字信号序列Po1(n)和Po2(n) 生成如下新的信号Po(n)和Po′(n)：
Po(n)＝Po1(n)-Po2(n+Δno)                             (5)
Po′(n)＝Po2(n)-Po1(n+Δno)                           (6)
Δno是常数，合成信号Po(n)和Po′(n)反映管道输出端口12处压力信号的动 态变化，并具有以下特性：
(1)在管道处于稳态时，Po1(n)和Po2(n)基本一致，Po(n)和Po′(n)在能量 和幅值上分别是(或接近)0；
(2)对于来自下游泵站22操作产生的负压波，Po′(n)是该负压波的差分信 号，Po(n)在能量和幅值上分别是(或接近)0；
(3)对于来自管道1方向的负压波，Po(n)是该负压波的差分信号，Po′(n) 在能量和幅值上分别是(或接近)0；
合成信号Po(n)和Po′(n)可以作为判断输出端12附近管道内传播的负压波 是来自管道1方向还是来自下游泵站22方向的特征信号。
利用管道输入端口11处的特征信号Pi(n)和Pi′(n)，以及管道输出端口12 处的特征信号Po(n)和Po′(n)，计算机3对管道内传播的负压波进行分类：
1)上游泵站操作产生的负压波：
上游泵站21操作产生的负压波沿管道1向下游传播。
在管道1输入端口11处，压力检测模块111和112采集到该负压波，输出 数字信号序列Pi1(n)和Pi2(n)。计算机3利用Pi1(n)和Pi2(n)生成的特征信号Pi′(n) 是该负压波的差分信号。
在管道1输出端口12处，压力检测模块121和122采集到该负压波，输出 数字信号序列Po1(n)和Po2(n)。计算机3利用Po1(n)和Po2(n)生成的特征信号Po(n) 是该负压波的差分信号。
因此，特征信号Pi′(n)和Po(n)均是上游泵站21操作产生的负压波的差分 信号。并且，负压波沿管道1向下游传播，从管道1输入端口11处到输出端口 12处的时间为T，特征信号Po(n)比Pi′(n)延迟了ΔnL：
ΔnL＝T×f                                                  (7)
Po(n+ΔnL)与Pi′(n)相关。
上游泵站21操作产生的负压波的识别方法如下：
如果在幅值和能量上，特征信号Pi′(n)远大于Pi(n)，Po(n)远大于Pi′(n)， 并且Po(n+ΔnL)与Pi′(n)的相关系数最大，则计算机3判定该负压波是上游泵站 21操作产生的负压波，置信概率为Po(n+ΔnL)与Pi′(n)的归一化相关系数。
2)下游泵站22操作产生的负压波：
下游泵站22操作产生的负压波沿管道1向上游传播。
在管道1输出端口12处，压力检测模块121和122采集到该负压波，输出 数字信号序列Po1(n)和Po2(n)。计算机3利用Po1(n)和Po2(n)生成的特征信号Po′(n) 是该负压波的差分信号。
在管道1输入端口11处，压力检测模块111和112采集到该负压波，输出 数字信号序列Pi1(n)和Pi2(n)。计算机3利用Pi1(n)和Pi2(n)生成的特征信号Pi(n) 是该负压波的差分信号。
因此，特征信号Po′(n)和Pi(n)均是下游泵站22操作产生的负压波的差分 信号。并且，负压波沿管道1向上游传播，从管道1输出端口12处到输入端口 11处的时间为T′，合成信号Pi(n)比Po′(n)延迟了ΔnL′：
ΔnL′＝T′×f                                          (8)
Pi(n+ΔnL′)与Po′(n)相关。
下游泵站22操作产生的负压波的识别方法如下：
如果在幅值和能量上，特征信号Pi(n)远大于Pi′(n)，Po′(n)远大于Po(n)， 并且Pi(n+ΔnL′)与Po′(n)的相关系数最大，则计算机3判定该负压波是下游泵 站22操作产生的负压波，置信概率为Pi(n+ΔnL′)与Po′(n)的归一化相关系数。
3)管道1泄漏产生的负压波：
管道1泄漏产生的负压波沿管道分别向上、下游传播。
在管道1输入端口11处，压力检测模块111和112采集到该负压波，输出 数字信号序列Pi1(n)和Pi2(n)。计算机3利用Pi1(n)和Po2(n)生成的特征信号Pi(n) 是该负压波的差分信号。
在管道1输出端口12处，压力检测模块121和122采集到该负压波，输出 数字信号序列Po1(n)和Po2(n)。计算机3利用Po1(n)和Po2(n)生成的特征信号Po(n) 是该负压波的差分信号。
因此，特征信号Pi(n)和Po(n)均是管道泄漏产生的负压波的差分信号。
管道1泄漏产生的负压波的识别和定位方法如下：
如果在幅值和能量上，特征信号Pi(n)远大于Pi′(n)，Po(n)远大于Po′(n)， 并且Pi(n+Δn)与Po(n)的相关系数最大，则计算机3判定该负压波是管道1泄 漏产生的负压波，置信概率为Pi(n+Δn)与Po(n)的归一化相关系数；泄漏的位 置13距离管道1输入端口11处的距离l等于：
$l=\frac{L}{2}+\frac{\mathrm{\Delta n}\times v_0}{2\times f}---\left(9\right)$
其中：L是管道1的长度，即管道1输入端口11到输出端口12之间的距离；V0 是负压波在管道1内传播的速度；f是压力检测模块111和112以及121和122 中的信号采样速率。
参见图2，图2是本发明的第二实施例的系统框图。第二实施例是在图1所 示第一实施例的基础上，在管道1的14位置接入一条支线管道4。支线管道4 将管道1中始站21输入介质的一部分输送到末站II 23，另一部分仍然输送到 末站22。
在始站21附近管道1输入端11的管壁上，按照一定间距安装了压力检测 模块111和压力检测模块112。压力检测模块111和112的输出分别是管道1输 入端11附近两个相邻位置处的压力信号经调理放大后以相同采样速率和精度转 换成的数字信号序列Pi1(n)和Pi2(n)。
在末站22附近管道1输出端12的管壁上，按照一定间距安装了压力检测 模块121和压力检测模块122。压力检测模块121和122的输出分别是管道1输 出端12附近两个相邻位置处的压力信号经调理放大后以相同采样速率和精度转 换成的数字信号序列Po1(n)和Po2(n)。
在末站II 23附近支线管道4输出端42的管壁上，按照一定间距安装了压 力检测模块421和压力检测模块422。压力检测模块421和422的输出分别是支 线管道4输出端42附近两个相邻位置处的压力信号经调理放大后以相同采样速 率和精度转换成的数字信号序列Ps1(n)和Ps2(n)。
压力检测模块111和112、121和122以及421和422中的信号采样速率 均为f。
负压波在管道内的传播速度远大于介质的传输速度，因此，介质的传输速 度和方向对管道内负压波在压力检测模块安装位置之间传输时间的影响很小， 可以忽略。对同一负压波信号，压力检测模块输出的数字信号序列之间的延迟 主要与负压波的传播速度、压力检测模块安装位置之间的距离、以及采样速率f 有关。
Δni是压力检测模块111和112输出的数字信号序列Pi1(n)和Pi2(n)之间的 延迟；Δno是压力检测模块121和122输出的数字信号序列Po1(n)和Po2(n)之间 的延迟；Δns是压力检测模块421和422输出的数字信号序列Ps1(n)和Ps2(n)之 间的延迟；选择合适的采样速率f以及压力检测模块111和112、121和122、 以及421和422安装位置之间的距离使延迟Δni、ΔNo和Δns是整数，并且使压 力检测模块111和112、121和122以及421和422安装位置之间的距离相等， 从而使Δni、Δno和Δns相等。
计算机3利用压力检测模块421和422输出的数字信号序列Ps1(n)和Ps(n) 生成如下新的信号Ps(n)和Ps′(n)：
Ps(n)＝Ps1(n)-Ps2(n+Δns)                             (10)
Ps′(n)＝Ps2(n)-Ps1(n+Δns)                           (11)
Δns是常数，合成信号Ps(n)和Ps′(n)反映了支线管道4输出端42处压力信 号的动态变化，并具有以下特性：
(1)在管道处于稳态时，Ps(n)和Ps′(n)基本一致，Ps(n)和Ps′(n)在能量 和幅值上分别是(或接近)0；
(2)对于来自下游泵站23操作产生的负压波，Ps′(n)是该负压波的差分信 号，Ps(n)在能量和幅值上是(或接近)0；
(3)对于来自支线管道4方向的负压波，Ps(n)是该负压波的差分信号； Ps′(n)在能量和幅值上是(或接近)0。
合成信号Ps(n)和Ps′(n)可以作为判断支线管道4输出端42附近管道内传 播的负压波是来自支线管道4方向还是来自下游泵站23方向的特征信号。
与图1第一实施例相同，计算机3利用压力检测模块111和112输出的数 字信号序列Pi1(n)和Pi2(n)生成新的信号Pi(n)和Pi′(n)，合成信号Pi(n)和Pi′(n) 可以作为判断输入端11附近管道内传播的负压波是来自管道1方向还是来自上 游泵站21方向的特征信号；利用压力检测模块121和122输出的数字信号序列 Po1(n)和Po2(n)生成新的信号Po(n)和Po′(n)，合成信号Po(n)和Po′(n)可以作为 判断输出端12附近管道内传播的负压波是来自管道1方向还是来自下游泵站22 方向的特征信号。
计算机3利用特征信号Pi(n)和Pi′(n)、Po(n)和Po′(n)、以及Ps(n)和Ps′(n)， 判断管道泄漏事件的规则如下：
如果在幅值和能量上，特征信号Pi(n)远大于Pi′(n)，Po(n)远大于Po′(n)， Ps(n)远大于Ps′(n)，计算机3判定管道发生了泄漏；
求Pi(n)与Po(n)的最大相关系数，并利用第一实施例公式(9)所述的泄 漏定位方法，求可能发生泄漏的位置；
求Po(n)与Ps(n)的最大相关系数，并利用第一实施例公式(9)所述的泄 漏定位方法，求可能发生泄漏的位置；
求Pi(n)与Ps(n)的最大相关系数，并利用第一实施例公式(9)所述的泄 漏定位方法，求可能发生泄漏的位置；
上述三个位置中，其中一个是支线管道4与管道1的连接点，另两个的值 是相同，即实际的泄漏位置。
情形1各特征信号在幅值和能量上表示各端口的负压波均来自管道方向：
在管道1的位置13处发生了泄漏，三个端口11，12和42的压力检测模块 接收到的负压波均是来自管道方向，特征信号Pi′(n)、Po′(n)和Ps′(n)在幅值 和能量上都很小，特征信号Pi(n)、Po(n)和Ps(n)分别是传播到不同端口的管道 13处泄漏产生的负压波的差分信号，源自于同一信号，它们彼此相关，计算机 3利用负压波到达各端口的时间差计算泄漏的位置。利用第一实施例公式(9) 所述的泄漏定位方法，计算机3利用特征信号Pi(n)和Po(n)相关结果得到的泄 漏位置是13；计算机3利用特征信号Ps(n)和Po(n)相关结果得到的泄漏位置也 是13；计算机3利用特征信号Pi(n)和Ps(n)相关结果得到的位置是14；位置14 是管道1与支线管道4的连接点，因此泄漏位置是13。
情形2特征信号在幅值和能量上表示负压波来自泵站方向：
末站22调阀产生的负压波。该负压波首先经过末站22附近的端口12，然 后沿管道传输到了另外两个端口11和42。
端口11和42的压力检测模块接收到的是来自管道方向的负压波，因此特 征信号Pi′(n)和Ps′(n)在幅值和能量上都很小；特征信号Pi(n)和Ps(n)分别等 于在端口21和42采集的来自管道方向(即来自末站22调阀产生)的负压波的 差分信号。特征信号Pi(n)和Ps(n)彼此相关。利用第一实施例公式(9)所述的 泄漏定位方法，计算机3利用特征信号Pi(n)和Ps(n)相关结果得到泄漏位置是 管道1与支线管道4的连接点14。
端口12的压力检测模块接收到的是来自泵站方向的负压波，特征信号Po′(n) 等于末站22调阀产生的负压波的差分信号；特征信号Po(n)在幅值和能量上都 很小，接近等于0。特征信号Po(n)分别与Pi(n)和Ps(n)不相关，管道1端口 12到11之间没有泄漏点；管道1端口12到14之间以及14到支线管道4端口 42之间没有泄漏点。特征信号Po′(n)与Pi(n)、Ps(n)相关，因此负压波来自末 站22。
综上所述，基于定向负压波识别技术和信号相关技术改进后的管道泄漏检 测方法不仅适用于单入口单出口管道泄漏的在线检测，还适用于带支线多端口 管道泄漏的在线检测，并且能够识别和消除泵站操作产生的负压波的干扰，提 高油气管道泄漏监测水平。