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基于压缩感知的危化品管道泄漏监测：原理、应用与优化

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代工业的飞速发展，危化品的生产、储存和运输规模日益扩大，危化品管道作为一种高效、经济的输送方式，在能源、化工等领域得到了广泛应用。然而，由于管道长期受到腐蚀、外力破坏、材料老化等因素的影响，泄漏事故时有发生。危化品管道泄漏不仅会导致资源浪费和环境污染，还可能引发火灾、爆炸等严重的安全事故，对人民生命财产安全构成巨大威胁。

例如，2019年3月21日，江苏响水天嘉宜化工有限公司发生特别重大爆炸事故，事故的直接原因是该公司旧固废库内长期违法贮存的硝化废料持续积热升温导致自燃，燃烧引发硝化废料爆炸，事故共造成78人死亡、76人重伤，640人住院治疗，直接经济损失19.86亿元。又如，2020年8月4日，黎巴嫩贝鲁特港口发生了一起震惊世界的爆炸事故，事故的起因是港口仓库中储存的大量硝酸铵发生爆炸，造成了巨大的人员伤亡和财产损失，爆炸导致至少218人死亡，7000多人受伤，30万人无家可归，经济损失高达30-50亿美元。这些事故的发生，不仅给当地居民带来了巨大的痛苦，也给社会经济发展带来了严重的负面影响。

传统的危化品管道泄漏监测方法，如压力监测、流量监测、声学监测等，虽然在一定程度上能够检测到泄漏的发生，但存在检测精度低、误报率高、响应速度慢等问题，难以满足现代工业对危化品管道安全运行的要求。此外，随着管道输送距离的不断增加和管道网络的日益复杂，传统监测方法的数据采集和处理量也急剧增大，导致监测成本高昂，效率低下。

压缩感知技术作为一种新兴的信号处理技术，近年来在信号与信息处理领域得到了广泛的关注和研究。该技术打破了传统奈奎斯特采样定理的束缚，能够以远低于奈奎斯特采样率的采样方式对信号进行采样，并通过求解优化问题精确重构原始信号。压缩感知技术的出现，为危化品管道泄漏监测提供了新的思路和方法。将压缩感知技术应用于危化品管道泄漏监测，可以有效降低数据采集量和传输量，提高监测系统的效率和实时性，同时提高泄漏检测的精度和可靠性，减少误报和漏报的发生。

因此，开展基于压缩感知的危化品管道泄漏监测方法研究具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论意义上看，该研究有助于丰富和完善压缩感知理论在工程应用领域的研究内容，拓展压缩感知技术的应用范围；从实际应用价值上看，该研究成果将为危化品管道的安全运行提供有效的技术支持，有助于降低危化品管道泄漏事故的发生率，减少事故造成的损失，保障人民生命财产安全和生态环境安全。

1.2国内外研究现状

危化品管道泄漏监测技术的研究一直是学术界和工业界关注的重点。国内外学者和研究机构针对不同的监测需求和应用场景，提出了多种泄漏监测方法。

在国外，早期的研究主要集中在基于硬件的直接检测法，如美国Spectratrek公司开发的航空测量与分析装置，可装在直升机上对管道泄漏进行准确判断。随着自动化仪表和计算机技术的深入发展，各种基于软件的间接检测技术相继出现，如压力点分析法、特性阻抗检测法、互相关分析法、压力波法、流量差监测法、管道瞬变模型法等。其中，压力波法是利用管道泄漏时产生的负压波传播到上下游传感器的时间差来定位泄漏点，该方法具有响应速度快、检测灵敏度高等优点，但易受噪声干扰，且对管道工况变化较为敏感。管道瞬变模型法则是通过建立管道内流体的瞬变数学模型，将模型计算值与实际测量值进行比较来判断泄漏的发生，该方法检测精度较高，但模型的建立和求解较为复杂，计算量大，实时性较差。

在国内，管道泄漏监测技术的研究起步相对较晚，但发展迅速。早期主要采用人工巡线的方式，随着技术的进步，逐渐引入了各种先进的检测技术。例如，国内学者对基于声学法的泄漏检测技术进行了大量研究，利用声音传感器检测沿管壁传播的泄漏点噪声或流质在泄漏后产生的压力波信号，通过相关信号处理技术进行泄漏检测和定位，该方法泄漏检测率准确性高，定位精度高，但对于长输管道来说，沿途安装大量的传感器成本较高，在许多场合不太适宜。此外，国内还开展了基于机器学习和人工智能的泄漏监测方法研究，如支持向量机、神经网络等，通过对大量历史数据的学习和训练，实现对管道泄漏的智能检测和诊断，取得了一定的研究成果。

近年来，压缩感知技术作为一种新兴的信号处理技术，开始被应用于危化品管道泄漏监测领域。崔广伟等人根据压缩感知理论及管道泄漏信号特征，提出管道泄漏信号结构化测量矩阵部分重构（SRMPR）的压缩采样和检测定位方法，该方法以远低于Nyquist采样率对管道泄漏信号同步实现压缩采样，并在部分重构过程中实现泄漏检测定位。与传统相关定位法的仿真实验比较结果表明，当信号长度为4096时，SRMPR方法比传统相关定位方法精确度提高0.34%；当