基于地震波检测的管道安全预警系统
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摘要
目前,随着国民经济的高速发展,国民经济的各行业对能源特别是石油资源的需求越来越大。随着石油工业的发展,管道运输业由于其自身的特点已在油气运输中发挥着越来越重要的作用。由于种种原因,管道泄漏事故时有发生,这样会造成巨大的财产损失和环境污染。管道泄漏的监测与定位,是管道运输管理系统的重要组成部分,在维护管道安全,减少泄漏造成的损失方面发挥着重要的作用。目前,常用的管道泄漏监测方法主要是在管道发生泄漏后对泄漏进行报警和定位。
本文根据需要设计了一种基于对管道沿线地表的运动物体所产生的地震波信号进行采集和分析的预警系统,通过对地震波信号的处理和信号特征的分析实现对管道沿线的运动目标的实时监测,从而实现对管道安全构成威胁的行为进行早期监测、预警和定位,能有效的阻止人为破坏行为的发生,从而在一定程度上减小财产的损失和环境的污染。
首先,根据需要进行了系统的硬件设计,该系统能满足对极微弱的信号进行采集,并具有较强的抗干扰能力,使其能在环境复杂的野外正常工作;由于系统的工作特点的需要,在系统中采用了无线传输的方式对数据进行传输;由于整个系统长年工作在野外,因此该系统还满足了功耗低的要求。
其次,根据需要进行了系统的软件设计,对数据采集、数据的无线传输、数据在无线传输过程中的可靠性保证以及串行通信等系统主要任务的程序进行了设计。
最后,对采集到的数据进行处理和分析,从而实现了系统所需要实现的功能。对所采集到的信号进行信号衰减的补偿及降噪处理,以利于信号分析的需要。经过对信号进行过零数分析以及在频域上的分析,从而实现对运动目标的分类识别;运用时差算法和三角定位的方法实现对目标的定位和跟踪。
With the fast development of national economy, the demand of energy especially for oil resources in all industry is growing rapidly. With the development of oil industry, pipeline transportation industry has been playing more and more important role in oil and gas transportation because of its own unique features. Due to all kinds of reasons, Pipeline leakage accident happened frequently, which had lead to a great loss of property and serious environmental pollution. The inspection and orientation of pipeline leakage is a vital part of pipeline transportation management system, playing an important role in reducing loss caused by pipeline leakage. Presently, method for inspecting pipeline leakage is mainly to alarm and orientation once the leakage happens.
This paper is focus on designing a pre-warning system based on the collection of seismic waves due to the moving mobile along pipelines. By analyzing the seismic signals and its feature, it aims to the inspection of the moving mobile along pipelines, thus realizes the early inspection, alarm and location and prevents the man-made destruction so that reduces the property loss and environmental pollution.
The first step is to make the hardware design of the system. This system can and must have the ability to assemble extreme low power signal and have strong anti-jamming ability to run in complex environment. Specifically, the system introduces wireless transmission. Because the whole system should work in wild places for a long time, it should be designed to meet the low-consumption of power.
The second step is to make the software design of the system. Making the programs of gathering data, transmitting data, the security ensure in transmitting data and serial communication.
Finally, making an analysis of the collected signal can realize the function of the system. Making boost of the attenuation signal with noise reduction can meet the need of signal analysis. Making the analysis of the number of the pass zero and the analysis on the frequency field can realize the classified identification and localize track the target with time difference arithmetic and triangle location method.
本文根据需要设计了一种基于对管道沿线地表的运动物体所产生的地震波信号进行采集和分析的预警系统,通过对地震波信号的处理和信号特征的分析实现对管道沿线的运动目标的实时监测,从而实现对管道安全构成威胁的行为进行早期监测、预警和定位,能有效的阻止人为破坏行为的发生,从而在一定程度上减小财产的损失和环境的污染。
首先,根据需要进行了系统的硬件设计,该系统能满足对极微弱的信号进行采集,并具有较强的抗干扰能力,使其能在环境复杂的野外正常工作;由于系统的工作特点的需要,在系统中采用了无线传输的方式对数据进行传输;由于整个系统长年工作在野外,因此该系统还满足了功耗低的要求。
其次,根据需要进行了系统的软件设计,对数据采集、数据的无线传输、数据在无线传输过程中的可靠性保证以及串行通信等系统主要任务的程序进行了设计。
最后,对采集到的数据进行处理和分析,从而实现了系统所需要实现的功能。对所采集到的信号进行信号衰减的补偿及降噪处理,以利于信号分析的需要。经过对信号进行过零数分析以及在频域上的分析,从而实现对运动目标的分类识别;运用时差算法和三角定位的方法实现对目标的定位和跟踪。
With the fast development of national economy, the demand of energy especially for oil resources in all industry is growing rapidly. With the development of oil industry, pipeline transportation industry has been playing more and more important role in oil and gas transportation because of its own unique features. Due to all kinds of reasons, Pipeline leakage accident happened frequently, which had lead to a great loss of property and serious environmental pollution. The inspection and orientation of pipeline leakage is a vital part of pipeline transportation management system, playing an important role in reducing loss caused by pipeline leakage. Presently, method for inspecting pipeline leakage is mainly to alarm and orientation once the leakage happens.
This paper is focus on designing a pre-warning system based on the collection of seismic waves due to the moving mobile along pipelines. By analyzing the seismic signals and its feature, it aims to the inspection of the moving mobile along pipelines, thus realizes the early inspection, alarm and location and prevents the man-made destruction so that reduces the property loss and environmental pollution.
The first step is to make the hardware design of the system. This system can and must have the ability to assemble extreme low power signal and have strong anti-jamming ability to run in complex environment. Specifically, the system introduces wireless transmission. Because the whole system should work in wild places for a long time, it should be designed to meet the low-consumption of power.
The second step is to make the software design of the system. Making the programs of gathering data, transmitting data, the security ensure in transmitting data and serial communication.
Finally, making an analysis of the collected signal can realize the function of the system. Making boost of the attenuation signal with noise reduction can meet the need of signal analysis. Making the analysis of the number of the pass zero and the analysis on the frequency field can realize the classified identification and localize track the target with time difference arithmetic and triangle location method.
引文
[1]李春光,我国成品油管道运输的现状及发展思路,当代石油石化,2004.8:16~18
[2]宋艾玲,梁光川,王文耀,世界油气管道现状与发展趋势,油气储运,2006,25(10)
[3]王功礼,王莉,油气管道技术与发展趋势,石油规划设计,2004
[4]王朝辉,张来斌,夏海波,国内外油气管道检测技术的发展现状,油气储运,2001.1
[5]朱明霞,小型便携式地震动目标探测识别系统的实现:[硕士学位论文],南京;南京理工大学,2002
[6] Alex Pakhomov , Tim Goldburt , Field Testing of New Unattended Small Size Seismic Module for Various Target Detection , Proc .of SPIE Vol. 6394, 2006, 63950D-1~D-10
[7]聂伟荣,多传感器探测与控制网络技术:[博士学位论文],南京;南京理工大学,2001
[8]朱继南,张元寿,聂伟荣,多层介质中瑞雷波传播的数学模型,南京理工大学学报,2000,24(6):510~514
[9]蓝金辉,李虹,周兆英,目标地震动信号的特征提取及识别研究,振动与冲击,2001,20(4):42~44
[10]张卫平,王伟策,任意形状三阵员平面声被动目标定位分析,探测与控制学报,2003,25(3):54~57
[11]冯刚,景占荣,陈长兴,聂莹,三角定位测量参数选择研究,电子测量技术,2007,30(6):29~32
[12]王国涛,王东进,陈卫东,一种改进的距离差定位算法,系统工程与电子技术,2005,27(1):124~126
[13]朱朝辉,时差定位原理及应用,无线电工程,2006,36(8):51~52
[14]余静,游志胜,自动目标识别与跟踪技术研究综述,计算机应用研究,2005,第1期,12~15
[15]刘光林,刘泰生,高中录,李刚,姚光凯,地震检波器的发展方向,勘探地球物理进展,2003,26(3):178~185
[16]高华,地球物理勘探中新型地震检波器的研究:[硕士学位论文],天津;天津大学,2004
[17] Alex Pakhomov , Al Sicignano , Matt Sandy , Tim Goldburt , Current Seismic Sensor Issues for Defense and Security Applications , Proc. of SPIE Vol.5403 , 2004 , 576~581
[18] A. Pakhomov , D. Pisano , A. Sicignano , T. Goldburt , Testing of New Seismic Sensors for Footstep Detection and Other Security Applications , Proc. of SPIE Vol.5778 , 2005 , 422~433
[19]边环玲,楚泽涵,封锡强,地震检波器与地表耦合问题探讨,石油仪器,2001,15(3):5~7
[20]梁书毫,C8051F020MCU在高速数据采集系统中的应用,电气应用,2007,第4期,30~33
[21]袁立,陈乾坤,廖云聪,串接式无线数据传输系统的设计,仪器仪表用户,2007,第5期,21~22
[22]黄智伟,朱卫华,通用无线数据传输电路设计,仪表技术,2001,第5期,45~46
[23]赵辉,江冰,顾明,用NRF401芯片实现微机无线数据传输,河海大学常州分校学报,2002,16(2):41~45
[24]熊育信,何健鹰,聂菊根,一种新的数据采集与显示系统的设计与实现,计算机与数字工程,2005,34(1):122~124
[25]蒋博,NRF905的无线数据传输系统,工业仪表与自动化装置,2006,第3期,59~61
[26]李鹏,吕亮,谢仁宏,基于NRF905的无线数据传输设备设计,电子工程师,2007,33(3):28~31
[27]赫亮,无线数据传输系统的设计与实现,北京建筑工程学院学报,2005,21(3):46~49
[28]王彩荣,李晓毅,黄玉基,循环冗余校验方法研究,微机处理,2002,第2期,44~45
[29]赵希权,曾志新,李勇,循环冗余校验在单片机无线通信中的应用,单片机应用,2005,21(7):68~70
[30]柏华东,通信系统中循环冗余校验码算法分析和程序实现,华通技术,2006,第4期,15~18
[31]郭学彬,肖正学,张继春,刘泉,论爆破地震波在传播过程中的衰减特性,中国矿业,2006,15(3):51~54
[32]李振春,王清振,地震波衰减机理及能量补偿研究综述,地球物理学进展,2007,22(4):1147~1152
[33]付燕,人工地震信号去噪方法研究:[博士学位论文],西北工业大学,2002
[34]赵玉宝,小波变换在地震信号去噪中的应用研究:[硕士学位论文],中南大学,2005
[35]崔夏荣,基于小波变换的信号降噪,南平师专学报,2005,24(4):89-91
[36]蔡铁,朱杰,小波阈值降噪算法中最优分解层数的自适应选择,控制与决策,2006,21(2):217~220
[37]余晃晶,小波降噪阈值选取的研究,绍兴文理学院学报,2004,24(9):34~38
[38]赵海英,纪超辉,小波变换降噪技术及其在Matlab中的实现,网络信息技术,2006,25(2):54~55
[39]冯毅,王香华,小波变化降噪处理及其Matlab实现,数据采集与处理,2006,第21卷,37~39
[40]聂伟荣,朱继南,夏虹,地面运动目标分类的模式识别特征与评价,探测与控制学报,2002,24(3):25~28
[41]张国智,李京华,过零率检测算法在空中目标探测中的性能分析,弹箭与制导学报,2007,27(2):5~8
[42]白金星,赵子婴,王艳萍,脉搏波的小波变换过零点分析方法研究,医疗卫生设备,2006,27(1):3~4
[43]陈韶华,相敬林,刘科满,石杰,水中运动声源的过零检测技术分析,系统仿真学报,2007,19(13):3038~3041
[44]孔辉,叶菲,王杰贵,一种改进的过零检测分析方法,航天电子对抗,2007,23(4):50~52
[45]邱天爽,王宏禹,李小兵,张旭秀,孙永梅,高阶过零信号分析技术及其在脑损伤检测中的应用,国外医学生物医学工程分册,2002,25(3):107~111
[46]郭丹枫,庞兵,振动信号处理的时频域方法,哈尔滨理工大学学报,2007,12(4):15~17
[47]祁翔,基于MATLAB的系统频域分析的实现,井冈山学院学报,2007,28(12):59~61
[48] A. Pakhomov , A. Sicignano , M. Sandy , T. Goldburt , A Novel Method for Footstep Detection with an Extremely Low False Alarm Rate , Proc. of SPIE Vol.5090 , 2003 , 186~193
[49] Alex Pakhomov , Tim Glodburt , Seismic Signals and Noise Assessment for Footstep Detection Range Estimation in Different Environments , Proc. of SPIEVol. 5417 ,2004 , 87~98
[50]马春庭,李科杰,杜恩祥,瞿军,基于小波分析技术的战场地面目标定位处理技术研究,探测与控制学报,2003,25(3):37~40
[51]马春庭,郑坚,陈东根,崔亮,地面战场侦察系统多目标识别的评价指标,探测与控制学报,2006,28(1):6~9
[52]马春庭,张彦斌,高萍,郭德卿,时频分析在战场侦察多目标识别中的应用,军械工程学院学报,2004,16(1):30~34
[53]胡朝晖,汪浩生,隋永华,攻击机无源侦察定位原理研究,火力与指挥控制,2003,28(3):45~47
[54]黄登才,无源定位技术的电子站应用,雷达与电子站,2006,第2期,1~15
[55]陈玲,李少洪,无源测向时差定位算法研究,电子与信息学报,2003,25(6):771~776
[2]宋艾玲,梁光川,王文耀,世界油气管道现状与发展趋势,油气储运,2006,25(10)
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