输油管道压力时间序列混沌特性研究

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1、第(3卷第!!期#$$&年!!月物理学报L1<)(3，K1)!!，K12M:NMO，#$$&!$$$9’#4$D#$$&D(（3!!）D*&*&9!$5EF57GHIJE5IJKJE5!#$$&E>;0)7>,P)I1B)"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""输油管道压力时间序列混沌特性研究!!）"!）!）#）刘金海张化光冯健!）（东北大学信息科学与工程学院，沈阳!!$$$%）#）（东北大学教育部暨辽宁省流程工业综合自动化重点实验室，沈阳!!$$$%）（

2、#$$&年’月#!日收到；#$$&年(月!#日收到修改稿）为了找出输油管道压力波动的内在动态特征，采用非线性的分析方法探讨了实测输油管道压力波动中存在混沌动态特性的可能性)以*个典型的输油管道压力实测数据集为研究对象，重构相空间、求得了分形维数和+,-./012指数谱、验证了数据的平稳性和非线性)通过对所得结果的分析，从理论上证明了输油管道压力信号具有严格混沌动态特性)为基于输油管道压力时间序列的研究提供了混沌理论基础)关键词：压力时间序列，+,-./012指数，分形维数，混沌!"##：$(%(，$(((，%3(#在实践中我们发现管道中的流

3、体呈现类似湍流!A引言的运动，湍流是一种典型的混沌现象)由于混沌系［(，*］统具有检测微弱信号能力，如果能够在输油管道随着世界范围内石油资源的紧缺，石油运输过中发现混沌特征，那么可以从混沌理论出发研究如程中的安全问题日益引起人们的重视)由于管道老何检测管道压力中的微弱信号，为利用混沌相关理化、泥石流、打孔盗油等原因，输油管道经常发生泄［3，&］论处理管道泄漏特别是小泄漏问题开辟一个新漏)为了及时发现泄漏，基于负压波、声波、光纤等的研究途径)所以，本文从压力时间序列的内在特［!］原理的实时泄漏检测系统被设计和应用)其中以性着手，研究输油管道压

4、力时间序列存在混沌特性负压力波为主要信号的输油管道泄漏故障诊断方法的可能性)是目前我国输油管道泄漏检测所用的主要方法)截判断时间序列是否是混沌时间序列需要满足一至#$$3年底，仅对中石化和中石油的初步统计就有［4，!$］系列的条件)这些条件涉及到时间序列的内在超过一万公里的输油管道上安装了基于负压波的泄动态特性和吸引子的熵和几何特性)根据输油管道漏故障诊断系统)该方法主要利用管段两端的瞬时压力时间序列的特点，这些条件可以归纳为四个主压力数据，通过压力的变化判断管道是否泄漏)这要的条件：种基于负压力波信号的分析方法对于泄漏量大于瞬!）时间序列

5、要足够长；时间序列的状态应该是时流量’C的泄漏可以实现较为准确的报警和定稳定的；由于实际采集的时间序列一般都含有噪声，位，但是很难检测较小的泄漏，导致在检测小泄漏时在研究混沌特性之前需要对实际数据滤波)经常漏报或者误报)基于上述原因，常用的相关函#）吸引子具有分形维数，主要表现是关联维是［#—%］数法、小波方法、人工智能方法等对于大的信号分数值，随着嵌入维的增长关联维会趋于一个常量)波动有效，但是在处理小泄漏的问题上效果不理想，’）计算出的+,-./012指数谱要满足：至少一个其根本原因是微弱的压力波动信号被噪声所掩盖而+,-./012指数

6、是正值；所有指数之和是负值；无法检测)+,-./012维数和关联维数接近)!国家自然科学基金（批准号：*$(’%$!$，*$(3#$3$，*$(#!$$’，*$33%$%&，*$33%$4’，*$3#&’$3），长江学者和创新团队发展计划，高校博士点基金（批准号：#$$3$!%($!(），辽宁省自然科学基金（批准号：#$$*#$!&），中国博士后科学基金（批准号：#$$*$%$$4*#），国家高技术研究发展专项（批准号：#$$*55$%6!&’），教育部流程工业综合自动化重点实验室开放课题基金（批准号：75+#$$($’）资助的课题)"89

7、:-;<：=>?<-/@!#*AB1:..期刘金海等：输油管道压力时间序列混沌特性研究-6-5!）时间序列应该是非线性的，这意味着理论上度，采样频率.—/012，本文中数据集的采样频率为（实际当中一般很难找到）通过微分方程才可以描述.12"由于采集到的数据可能受到温度、压变精度、它的时域行为"管道长度等多因素影响，为了所测得的数据具有普本文首先对待测数据集进行说明，并且根据数遍性，所取的数据集在时间、地点、温度等参数都不据集的特点对数据进行预处理；然后，对预处理后的尽相同，具体参数见表."数据集重构相空间；第四部分求解和分析了数据集的分形维

8、数；第五部对目标数据集的#$%&’()*指数进行了估计和分析；第六部分评估了数据集的平稳性和非线性；最后，给出了本文的研究结论"+,数据采集与预处理!"#"数据集说明本文中所用到