长输管涵系统故障参数耦合特性及全频域辨识

长输管涵系统发生局部阻塞或泄漏故障将伴随工程灾害和资源浪费，通过分析有、无故障时系统的水力特性机理可使故障辨识成为可能。已有研究表明基于瞬变流分析辨识管道故障参数具有很大的研究和实用价值，但现有的频域检测方法往往忽略管道非恒定摩阻、未研究故障参数和管道非稳态摩阻的耦合特性、考虑的内外边界条件简单、辨识对象单一等。.本项目以输水工程管涵系统为背景，将提出一个新的、经过试验验证的故障辨识理论和解决方案，其研究内容是：(1)长输管涵系统故障参数的耦合特性；(2)复杂边界条件下故障辨识全频域数学模型；(3)故障参数耦合条件下多变量决策理论和模型；(4)全频域辨识理论检验和现场测试。创新点是：(1)发展长输管涵系统故障参数辨识的频域数学模型；(2)故障参数耦合特性和多变量决策理论及实现方法；(3)故障参数全频域检测的两步法。项目将重点解决当前小泄漏/阻塞孔难以准确检测的难题和现有瞬变法的一些不足。

输水工程管道故障检测是目前国际水利工程领域一个热门研究课题，基于瞬变时、频域法检测泄漏属于本领域的前沿。本文以输水工程长输管涵系统为背景，以瞬变检测法为基础，系统研究了长输管涵系统故障参数耦合特性及全频域辨识，旨在解决当前小泄漏孔难以准确检测的难题。通过探索性研究，在合理安排经费使用情况下，完成了任务书规定的各项任务。取得研究成果如下。.1、研究了不同泄漏位置、泄漏量大小对瞬变水击波衰减和畸变的影响，即当管道存在泄漏孔时，泄漏孔的两个参数直接影响着管道的系统特性。当阀门快速部分关闭时，泄漏将引起瞬变水击波每一个波峰、波谷处的不连续，反映在第一个水击增压波上，波形上间断点的位置决定泄漏位置，间断点衰减的幅值决定泄漏量。而在阀门慢关激励下，反映在水击波衰减畸变规律上，泄漏孔两个参数间存在“共轭”的现象，充分说明瞬变法检测泄漏快速扰动比缓慢扰动效果更加明显。.2、研究了利用阀门快速扰动产生的第一个压力波来辨识泄漏的方法－瞬变水击压力波法，推导出了单点泄漏量参数与衰减幅值之间的关系式，据此提出了管道泄漏时域辨识二步法：（1）故障参数的快速诊断和识别--利用阀门慢关对比分析水击波衰减畸变规律判断系统是否已经发生故障；（2）故障的定位和定量--利用有泄漏时水击第一个压力波畸变处表达的泄漏特征信息，即通过获得公式(2-25)中 的值实现泄漏位置的定位，由压力波衰减幅值 获得泄漏孔的大小。.3、首次尝试利用瞬变水击波波峰、波谷处表达的泄漏特征信息来进行多点泄漏的辨识，并理论推导出了各泄漏孔尺寸与水击波衰减幅值的关系式。.4、以IAB模型为基础，将泄漏参数反映在建立的瞬变流全频域数学模型中，得出了有无泄漏情况下管道任意位置处的传递函数及压头、流量表达式。提出了管道泄漏检测全频域法，即以实测和计算频域幅值的均方误差为目标函数，应用遗传优化算法求解目标函数，确定泄漏点和泄漏量。.5、对上述故障辨识方法进行了模型试验研究。验证了上述方法的有效性。