一种基于数字孪生的燃气管网泄漏检测方法及系统与流程

本发明涉及燃气监测，具体是涉及一种基于数字孪生的燃气管网泄漏检测方法及系统。

背景技术：

1、燃气管网是城市供气系统的重要组成部分，管道泄漏不仅造成资源浪费，更可能引发火灾和爆炸等安全事故，因此需要及时发现并定位泄漏位置，目前，燃气管网泄漏检测主要采用红外气体成像方法，通过红外气体成像装置拍摄管道及管件所在区域，利用燃气对特定红外波段的吸收特性观测气体羽流；

2、然而，现有红外气体成像检测方法在实际应用中存在以下问题：一是红外图像容易受到阳光反射、设备振动和背景温度波动等环境因素干扰，产生与真实气羽形态相近的虚假差异信号，导致误报率较高；二是红外成像仅能观测到气体羽流的二维投影，难以确定气体逸出的具体构件位置和泄漏源强，尤其在管件密集区域存在构件遮挡和气羽交叉的情况，单纯依靠图像难以实现泄漏源的准确定位和定量估计；三是现有检测方案通常采用固定时段的图像或预设的静态基准进行差异比较，而管网运行工况和环境条件持续变化，固定基准容易因工况偏移而失效，导致漏检率和误报率升高；

3、因此，提出一种基于数字孪生的燃气管网泄漏检测方法及系统。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，提供一种基于数字孪生的燃气管网泄漏检测方法及系统，本技术方案解决了上述的现有检测方案存在的误报率高、泄漏源定位困难以及固定基准随工况偏移导致漏检误检、无法输出定量泄漏源强的问题。

2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于数字孪生的燃气管网泄漏检测方法，包括：

4、s1、获取管网拓扑、构件三维网格及图像采集装置位姿，构建数字孪生模型，将所述三维网格投影至图像平面，生成像素与构件编号、表面位置的映射表；

5、s2、获取管内压力、流量、燃气温度及环境风速风向，将其作为无泄漏边界条件输入所述数字孪生模型，生成当前视角的构件轮廓、遮挡区域及无泄漏图像基准，组成孪生参考特征图；

6、s3、采集连续红外气体图像，以所述构件轮廓为配准基准，将其与所述孪生参考特征图配准，并根据所述映射表计算各映射像素实测值与同一位置无泄漏图像基准值的归一化差值，剔除遮挡区域和非连续差异区域，形成候选气羽序列；

7、s4、提取所述候选气羽序列的区域形状、主运动方向、面积增长率及气羽根部位置，为各候选泄漏位置和候选泄漏源强建立候选源参数组，基于当前风速风向生成各气羽投影序列，并根据所述气羽投影序列与候选气羽序列在所述各特征上的差异计算匹配得分；

8、s5、将各候选源参数组的匹配得分按数值由大到小排序，当排序第一的匹配得分达到确认阈值，且排序第一与排序第二的匹配得分之差达到区分阈值时，将排序第一的匹配得分对应的候选源参数组确定为目标泄漏参数组，输出所述目标泄漏参数组对应的管网构件、泄漏位置和泄漏源强，并据此更新所述数字孪生模型的局部泄漏边界条件。

9、优选地，所述步骤s1，包括以下步骤：

10、获取图像采集装置的内参数和表示其位姿的外参数；

11、根据所述内参数和外参数将所述构件三维网格投影至图像平面；

12、按照各表面网格沿图像采集装置光轴方向的深度顺序确定可见表面网格；

13、为各有效投影像素记录对应的构件编号、表面位置和深度值，生成所述映射表。

14、优选地，所述步骤s2，包括以下步骤：

15、将管内压力、流量及燃气温度作为内部边界条件，将环境温度、风速、风向及构件表面换热参数作为外部边界条件；

16、在无泄漏状态下计算管网构件表面的无泄漏温度分布；

17、根据构件表面发射率、大气透过率及图像采集装置响应参数，将所述无泄漏温度分布转换为所述映射表中各像素在当前视角下的红外辐射基准值；

18、将所述红外辐射基准值与所述构件轮廓、遮挡区域组合为所述孪生参考特征图。

19、优选地，所述步骤s3，包括以下步骤：

20、将所述映射表中各像素的实测值与同一图像位置的无泄漏图像基准值之差的绝对值，除以所述无泄漏图像基准值与预设基准下限二者中的较大值，得到归一化差值；

21、将归一化差值达到差值阈值且位于遮挡区域之外的相邻像素连接为差异区域；

22、根据相邻帧差异区域的重叠率归一化值和质心距离反向归一化值，按照预设权重加权求和，得到时空关联值；

23、在包含n帧图像的检测窗口内，将出现帧数不少于m、相邻帧间时空关联值均达到关联阈值的差异区域按时间顺序关联，形成候选气羽序列，并将其余差异区域确定为非连续差异区域，其中，n和m均为正整数且m不大于n。

24、优选地，所述步骤s4，包括以下步骤：

25、根据候选气羽序列中各帧气羽区域的轮廓确定区域形状特征，根据连续帧气羽区域的质心位移向量确定主运动方向，并根据相邻帧气羽区域面积的变化量与前一帧面积的比值确定面积增长率；

26、在各帧气羽区域的边界点中选取沿所述主运动方向投影值最小的边界点作为上游边界点，自所述上游边界点沿与所述主运动方向相反的方向延伸至构件轮廓，将各帧中得到的首次相交位置的几何中心确定为气羽根部位置；

27、根据所述映射表将所述气羽根部位置映射至对应构件表面，并在所述对应构件表面确定候选泄漏位置；

28、根据管内压力、环境压力、燃气密度、孔口流量系数及候选泄漏孔径计算候选泄漏源强，并将候选泄漏位置与候选泄漏源强组合为候选源参数组。

29、优选地，所述步骤s4，还包括以下步骤：

30、将各候选源参数组作为泄漏源项，将当前风速及风向作为扩散边界条件，通过气体对流扩散模型生成与候选气羽序列各帧时刻对应的三维预测浓度场；

31、根据图像采集装置位姿，沿各像素视线对所述三维预测浓度场进行积分，并剔除被管网构件遮挡的浓度场部分，形成气羽投影序列；

32、将气羽投影区域与候选气羽区域的交集面积与并集面积的比值确定为形状一致度；

33、将主运动方向差值、面积增长率差值及气羽根部位置距离分别除以对应的允许差异上限，将所得比值大于1的按1计，以1减去处理后的比值，得到方向一致度、增长一致度及根部一致度；

34、对所述形状一致度、方向一致度、增长一致度及根部一致度加权求和，得到对应候选源参数组的匹配得分，其中，各一致度的权重之和为1。

35、优选地，所述步骤s5中，目标泄漏参数组的确定过程包括：

36、在每一包含n帧图像的检测窗口内，将各候选源参数组的匹配得分按数值由大到小排序，其中，n为正整数；

37、当排序第一的匹配得分达到确认阈值，且排序第一与排序第二的匹配得分之差达到区分阈值时，将排序第一对应的候选源参数组确定为窗口候选泄漏参数组；

38、当连续预设数量的检测窗口所确定的窗口候选泄漏参数组均包含同一候选泄漏位置，且各窗口候选泄漏参数组中的候选泄漏源强极差不超过源强稳定阈值时，将所述候选泄漏位置确定为泄漏位置；

39、以各检测窗口中排序第一的匹配得分在全部排序第一的匹配得分之和中的占比作为权重，对各窗口候选泄漏源强进行加权，得到目标泄漏源强，并将所述泄漏位置和目标泄漏源强组合为目标泄漏参数组。

40、优选地，所述步骤s5还包括以下步骤：

41、当排序第一的匹配得分未达到确认阈值时，将当前检测窗口确定为未确认泄漏状态，并保持所述数字孪生模型的局部泄漏边界条件不变；

42、当排序第一的匹配得分达到确认阈值，且排序第一与排序第二的匹配得分之差未达到区分阈值时，将当前检测窗口确定为候选冲突状态，保留排序第一和排序第二对应的候选源参数组，在当前检测窗口后追加预设数量的图像帧形成扩展检测窗口，基于所述扩展检测窗口更新候选气羽序列和气羽投影序列，并重新计算所保留候选源参数组的匹配得分。

43、优选地，在确定目标泄漏参数组后，包括以下步骤：

44、分别设置无泄漏参考分支和泄漏预测分支；

45、所述无泄漏参考分支保持无泄漏边界条件，并根据后续获取的管网运行参数和环境参数更新孪生参考特征图；

46、所述泄漏预测分支保持所述目标泄漏参数组中的泄漏位置不变，在以所述目标泄漏源强为中心的源强搜索区间内设置多个候选泄漏源强，生成对应的气羽投影序列，并与下一检测窗口的候选气羽序列进行匹配；

47、计算各候选泄漏源强对应的匹配得分并按数值由大到小排序，当排序第一的匹配得分达到确认阈值，且其与排序第二的匹配得分之差达到区分阈值时，利用排序第一对应的候选泄漏源强更新所述目标泄漏源强，并更新泄漏预测分支的局部泄漏边界条件。

48、一种基于数字孪生的燃气管网泄漏检测系统，包括：

49、数字孪生模型构建模块，用于获取管网拓扑、构件三维网格及图像采集装置位姿，构建数字孪生模型，将所述三维网格投影至图像平面，生成像素与构件编号及表面位置的映射表；

50、参考特征生成模块，用于获取管内压力、流量、燃气温度及环境风速风向，将其作为无泄漏边界条件输入所述数字孪生模型，生成当前视角的构件轮廓、遮挡区域及无泄漏图像基准，组成孪生参考特征图；

51、候选气羽形成模块，用于采集连续红外气体图像，以所述构件轮廓为配准基准与所述孪生参考特征图配准，根据所述映射表计算各映射像素实测值与同一位置无泄漏图像基准值的归一化差值，剔除遮挡区域和非连续差异区域，形成候选气羽序列；

52、候选源匹配模块，用于提取所述候选气羽序列的区域形状、主运动方向、面积增长率及气羽根部位置，为各候选泄漏位置和候选泄漏源强建立候选源参数组，基于当前风速风向生成气羽投影序列，并根据所述气羽投影序列与候选气羽序列在所述各特征上的差异计算匹配得分；

53、泄漏确认与更新模块，用于将各候选源参数组的匹配得分排序，根据确认阈值和区分阈值确定目标泄漏参数组，输出对应的管网构件、泄漏位置及泄漏源强，并更新所述数字孪生模型的局部泄漏边界条件。

54、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

55、本发明通过构建燃气管网数字孪生模型，根据当前管内压力、流量、燃气温度及环境风速风向实时生成无泄漏图像基准并组成孪生参考特征图，使检测基准能够随管网运行工况和环境条件动态更新，避免了固定基准因工况偏移导致的漏检和误报；通过建立像素与构件编号及表面位置的映射表，将实测红外图像与孪生参考特征图配准后计算归一化差值形成候选气羽序列，再结合不同候选泄漏位置和候选源强生成的气羽投影序列进行多维特征匹配，实现了从二维气羽观测到具体构件泄漏位置的准确溯源；通过匹配得分排序结合确认阈值和区分阈值的双重判定，以及跨检测窗口的稳定性验证，提高了泄漏确认的可靠性，同时能够输出定量泄漏源强，为应急处置和维修决策提供数据支撑。