（控制科学与工程专业论文）声信号检测与腐蚀模型法相结合的埋地水管sim系统研究.pdf

浙江人学博士学位论文 摘要 摘要 水管泄漏容易引起一系列的严重后果，对人们的日常工作、生活以及工业生产 等方面将产生重大影响，所以水管的泄漏检测已越来越引起广泛的注意。本文对目 前管道检测的前沿技术“埋地水管结构完整性监测( 鲫“c f “，日h f p 打y 研o h f 幻r f 馏， s ，m ) 系统”进行了深入研究。针对m 系统，本文着重研究了管道腐蚀模型的建 立和基于声信号的泄漏检测。对于腐蚀模型，提出了基于模糊半马尔科夫的水管腐 蚀模型，依靠这一模型可以有效地预测水管的未来信息；对于埋地水管泄漏的声信 号检测，分析了埋地水管泄漏信号的传播特性：提出了基于部分平移不变小波去噪 方法：用c f 胁馏p 粗糙集来识别埋地水管的泄漏信号；提出了小波包与e 法相 结合的泄漏点的定位方法。 本文的主要工作和创新点如下： ( 1 ) 提出了基于模糊半马尔科夫过程的埋地水管腐化模型，用以预测管道的未 来泄漏状况。埋地水管一般不容易发生泄漏，所以选择在什么时间来检测 水管是否发生泄漏是一个关键的问题，本文提出的基于模糊半马尔科夫过 程的埋地水管腐化模型的方法，将管道的年龄、状况、腐蚀的程度模糊化， 然后建立管道状况的转移矩阵，通过转移矩阵来计算管道在未来的状况。 本方法的优点是不需要太多的信息，而只需要知道管道当前的信息就可以 预测管道将来的情况，通过预测的信息，我们就可以判断管道在什么时间 段容易发生泄漏。 ( 2 ) 研究了埋地管道泄漏信号波的传播方程，泄漏信号频率特性以及衰减方 程。利用声信号进行水管泄漏检测存在一个问题，即水管的泄漏信号沿管 道传播的衰减问题，利用声信号检测是否能检测到泄漏信号。本文通过研 究埋地管道泄漏信号波传播方程，经过对现场实验采集的泄漏信号分析， 得出了泄漏信号一般处于低频( 1 0 0 0 h z 以下) 的结论。同时推导出了j = l 波 在低频下沿管道传输的衰减方程，研究表明泄漏信号是可以被声信号传感 器检测的。 ( 3 ) 研究了部分平移不变小波去噪方法，对埋地水管泄漏信号进行消噪，结合 实际情况，提出了埋地水管泄漏信号去噪效果的新评价标准：相关系数法。 针对常用的小波去噪方法的缺点和平移不变小波去噪方法平移量大的缺 点，本文提出了部分平移不变法。首先通过分析得出小波可以消除奇异点 处于中间位置时的g f 6 撕，接着介绍了奇异点的检测方法，最后详细阐述 了部分平移不变法，并根据实际情况给出了埋地水管泄漏信号去噪效果新 的评价标准。仿真和实际埋地水管泄漏检测实验表明，上述方法在减少平 移量的情况下也可以取得比较好的效果，同时提高了水管泄漏定位的精 度。 ( 4 ) 针对平常的些识别方法只能识别信号，而不能将水管信号的特征简化的 不足，提出了一种基于声发射传感器与c f 胁曙p 粗糙集的埋地水管泄漏 识别方法。这种方法首先用声学传感器采集数据，然后用e ( 经验模态 淅扛大学博士学位论文 分解方法) 和能量特征提取相结合的方法建立决策表，通过c 佟f 胁馏e 算法 将决策表离散化，最后通过粗糙集的约简来识别水管泄漏。实验表明，该 方法不但有效地识别水管泄漏，还能简化所用的特征，指出了信号的重要 频段，并能为后面的泄漏定位方法最佳频段的选择提供了依据。 ( 5 ) 针对水管泄漏定位的方法直接相关法受到噪声的影响，定位精度低，本 文分别提出了肋方法、小波包方法和前两者结果相融合的方法。肋 方法是通过勘4 d 将信号分解，然后通过能量特征提取选择有用的肌，f 段， 再对有用的n 伊段作相关分析，最后通过比较相关系数确定泄漏位置。 小波包的方法是通过小波包分解将其分为不同的频段，再基于能量特征的 提取选出有用的频段作互相关分析，最后通过比较相关系数来确定泄漏位 置。融合方法是将肋方法与小波包方法得到结果作融和，得出最有效 的结果。实验表明，融合方法的泄漏定位效果最好。 关键词：埋地管道，半m a r k 0 v 模型，部分平移不变，c h i m e r g e 粗糙集，小波包 分解，e m d ，s i m 系统 塑坚查堂堕圭兰垡堡壅查!里 a b s t r a c t s c i e n t i s t sh a v ep a ya t t e n t i o nt ot h em e a s u r e m e n to 士w a t e rp l p el e a k ， w h i c hh a sb r o u g h tas e r i e so fs e r i o u sa f t e r e f 诧c t si n c l u d i n gm ed a i l yl i v i n g ， w o r ka n di n d u s t r v t h ea d v a n c et e c h n o l o g yo fp i p ed e t e c t i o n ：s i m ( s t r u c t u r a l i n t e g r i t ym o n i t o r i n g ) s y s t e mi ss t u d i e di nt h i sp a p e r a i m e da tt h e s i ms y s t e m ，t h i sp a p e re m p h a s e so nt h em o d e l l i n gt h ep i p ed e t e r i o r a t i o na n d t h ea c o u s t i cs i g n a ld e t e c t i o n f u z z y b a s e da n dh a l fm a r k o vm o d e l i s p r e s e n t e di nt h em o d e l l i n gt h ep i p ed e t e r i o n a t i o n ，t h ef u t u r ei n f o r m a t i o nc a n b ef o r e c a s t e db a s e do nt h em o d e l i nt h e p i p e l e a k d e t e c t i o n ， t h e c h a r a c t e r s t i c so ft h eb u r i e dp i p el e a ks i g m a li sa n a l y s i e df i r s t l y ，t h e nt h e d e n o i s i n gm e t h o db a s e do np a r t i a lt r a n s l a t i o ni n v a r i a n c ei sp r e s e n t e d ，t h i r d l 、 t h el e a ks i g n a l sa r er e c o g n i s e db yc h i m e r g er o u 曲s e t ，f i n a l l y ，t h el e a kp o i m p i n p o i n tm e t h o do fc o m b i n a t i o no fw a v e l e ta n de m d i sp r e s e n t e d t h em a i nw o r k sa n di n n o v a t i o nm e t h o d sa r el i s t e da sf o l l o w s ： f1 ) ak e vq u e s t i o nt h a tw h e nt od e t e c tt h ew a t e rp i 口ei sp r e s e n t e db e c a u s eo f t h ef e w a p p e a r a n c e o fw a t e rp i 口e1 e a k a i m e da tm e s i t u a t i o n ， f u z z v b a s e da n dh a l fm a r k o vm o d e li sp r e s e n t e d t h ep i p ea g e ，s i t u a t i o n a n dd e g r e eo fd e t e r i o r a t i o na r ed e f u z z i e df i r s t l v ，t h e nt h eb u r i e dw a t e r p i p es i t u a t i o nt r a l l s f e rm a t r i xi ss e tu p ，t h ef u t u r es i t u a t i o no ft h eb u r i e d p i p ec a nb ef o r e c a s t e db a s e do nt h e ”a n s f e rm a t r i x t h ev i r t u eo ft h e m o d e li st h a tt h ef u t u r ei n f b r n l a t i o nc a nb ef o r e c a s t e do n l vb a s e do nt h e p r e s e n t l yi n f o r m a t i o n t h eo p t i m i z a t i o nd t 泣e c t i o nt i m ec a nb ed e t e r m i n e d b yt h i si n f o r m a t i o n ( 2 ) t h eb u r i e dp i p e t r a n s f e re q u a t i o n ，m ef r e q u e n c yc h a r a c t e ra n dm e a t t e n u a t i o ne q u a t i o no ft h el e a ks i g n a la r es t u d i e d q u e s t i o n st h a tt h e a t t e n u a t i o no f1 e a ks i g n a la n dw h e t h e rt h el e a ks i g n a lc a nb e d e t e c t e d e x i s t sb a s e do na c o u s t i cs i g n a ld e t e c t i o n t h ec o n c l u s i o nt h a tt h e f r e q u e n c yo fl e a ks i g n a li sb e l o w10 0 0h zi sa c h i e v e db yd i s c u s s i n gt h e t r a n s f b re q u a t i o na n dt h ea n a l y s i so ft l l el e a ks i g n a l ，t h e nt h ea t t e n u a t i o n e q u a t i o no fs = 1w a v ei sf o u n d ，t h el a t e rc o n c l u s i o np r o v e st h a tt h el e a k s i g n a lc a nb ed e t e c t e db a s e do na c o u s t i cs e n s o r s ( 3 ) t h eb u r i e dp i p el e a ks i g n a li sd e n o i s e db a s e do nt h em e t h o dt h a tt h e p a r t i a lt r a n s l a t i o ni n v a r i a n c ei ss t u d i e d ，a n dt h en e we v a l u a t i o ns t a n d a r d ( c r o s s c o r r e l a t i o n ) o ft h ee f 亿c to ft h eb u r i e dw a t e rp i p e1 e a ks i g n a l d e n o i s i n gi sp r o d u e d d e n o i s i n gb a s e do nw l v e l e tt r a n s f o 姗m a yb r i n g a r t i f a c t s ( g i b b s ) o ns i n g u l a r i t yo fs i g n a l b e c a u s eo fg r e a tc o m p u t a t i o n w o r ko ft h em e t h o d t r a b s l a t i o ni n v a r i a n c e 也a tc a ne l i m i n a t eg i b b s t h e p a r t i a lt r a n s l a t i o ni n v a “a n c ei sp r e s e n t e d w ef l r s t l yk n o w 浙江人学博士学位论文摘要 t h a th a a rw a v e l e tc a ne l i m i n a t eg i b b si ft h es i n g u l a r i t yi si nt h em i d d l eo f s i g n a lb ya n a l y s i so ft h eg i b b s ，t h e nt h em e t h o d 矗n d i n gt h e1 0 c a t i o no f s i n g u l a r i t y i s p r o d u c e d ，f i n a l l y t h e p a r t i a l t r a n s l a t i o ni n v a r i a n c ei s d e s c r i e di nd e t a “an e we v a l u a t i o ns t a n d a r do ft h ee f 话c to ft h eb u r i e d w a t e rp i p el e a ks i g n a ld e n o i s i n gb a s e do np r a c t i c a ls i t u a t i o ni sa l s o p r e s e n t e d s i m u l a t i o na n dp r a c t i c a le x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a td a n i a l t r a n s l a t i o ni n v a r i a n c ec a na c h i e v eg o o de f 艳c tw h i l er e d u c i n gt r a n s l a t i o n w o r k ，a n da l s oc a ni m p m v et h ep r e c i s i o no ft h ew a t e rp i p e1 e a kl o c a t i o n ( 4 ) a i m e da tt h er e c o g n i t i o nm e t h o d st h a tc a no n l yr e c o g n i s e ，a n dc a n n o t p r e d i g e s tt h ec h a r a c t e ro fl e a ks i g n a l ，am e t h o do f1 e a kr e c o g n i t i o nb a s e d o na c o u s t i cs e n s o ra n dc h i m e r g er o u g hs e tm e o r yi s p r o d u c e d t h i s m e t h o di sb a s e do nt h ed a t as a m p l e db ya c o u s t i cs e n s o r s ， a n dt h e d e c i s i o nt a b l ei se s t a b l i s t e db yc o m b i n i n gm ee m da n df e a t u r eo fp o w e r e x t r a c t i o n ，t h e nt h ed e c i s i o nt a b l ei sd i s c r e t i z e db yc h i m e r g ea r i t h m e t i c ， f i n a u yt h eb u r i e dw a t e rp i p el e a ki sr e c o g n i z e db yr e d u c t i o no fr o u 譬hs e t t h e o r y e x p e r i m e n t ss h o wt 1 1 a tt h em e t h o dn o to n l yr e c o g n i z e st h e1 e a k s i g n a l ，b u ta l s oc a na c h i e v et h ei m p o r t a n tf e q u e n c ys e c t sb yr e d u c t i o n t a b l e ，t h a tc a no f 艳rt h ep r o o ff b rt h el a t e rl e a kl o c a t i o n ( 5 ) a i m e da tt h ed i s a d v a n t a g e so fd i r e c tc r o s s c o r r e l a t i o nm e t h o dt op i n p o i n t t h el e a kp o i n t ，m e t h o d sb a s e do nw a v e l e t ，e m da n dt h em s i o no fw a v e l e t a n de m da r ep u tf o r w a r dt ol o c a t et h el e a kp o i n t t h ee m dm e t h o di s t h a tt h es i g 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p o s i o n ，e m d ，s i ms y s t e m 浙江大学博十学位论文：绪论 第一章绪论 摘要 本章介绍了声信号检测的主要内容和历程，阐述了对埋地水管进行结构 完整性监测( j 加甜c 砌朋，加f 曙，砂脚d ，2 f 幻，f g ，m ) 系统的研究的原因， 并简述了埋地水管田m 系统开展研究的方法。 本章主要内容 声信号检测技术的发展历程和现状 埋地水管& m 系统研究背景 国际国内研究状况和进展 论文主要内容 论文的主要创新点 浙江大学博士学位论文：绪论 1 1 声信号检测技术的发展历程和现状 长期以来，“声、光、电、化”被人们来概括自然科学，其中“声”在其中名列 榜首，这也说明了“声”在人们心中的地位。但“声”也确实是物理学中发展最早 的领域之一。声学【5 】就是声音的科学，主要是研究它的产生、传播、接收和相关效 应。最早被人认识的声音自然是人耳所能听到的“可听声”，既频率在1 6 f 或2 0 ) 上匕 到2 0 姚之间，人们所听到的声音只是实际声音的一部分，也可被称为可昕声部分； 不可听声音包括了频率在1 6 ( 或2 0 ) 胁以下( 次声) ，2 0 触以上( 超声) ，其介质可分 为气体、液体和固体。当材料受到外力或内力的作用而产生变形或断裂，以弹性波 形式释放出应力应变能的现象被称为声发射【6 】i ”1 似“s r f ce j ，l f s 5 f 鲫，爿日。声发射 是一种比较常见的物理现象，大多数金属材料塑性变形和断裂时都有声发射发生。 二十世纪五十年代末和六十年代，美国和日本许多工作者在实验室中作了大量工 作，研究了各种材料声发射源的物理机制，并初步应用于工程材料的无损检测领 域。二十世纪七十年代初，d “肝p g 删等人开展了现代声信号检测仪器的研制，他们 把仪器测试频率提高到1 0 0 k h z - 1 m h z 的范围内。八十年代初，美国朋c 公司将 现代微处理计算机技术引入声信号检测系统，设计出了体积和重量较小的第二代 定位声信号检测检测仪器，并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件，通 过微处理计算机控制，可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析 显示。进入九十年代，美国捌c 公司、美国d 公司、和中国广州声华公司先后 分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发 射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还 可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。 目前声信号检测己被广泛应用于许多领域，主要包括以下方面： ( 1 ) 石油化工工业【3 4 】：各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完 整性评价，常压贮罐底部、各种阀门、埋地管道的泄漏检测等。 ( 2 ) 电力工业：管道和阀门的检测和泄漏监测，汽轮机叶片的检测，汽轮机轴承 运行状况的监测和变压器局部放电的检测。 ( 3 ) 航天和航空工业【17 】i 储j 【”】：航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价， 航空器的时效试验和疲劳试验检测和运行过程中的在线连续监测等。 ( 4 ) 民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和 扩展的连续监视等。 ( 5 ) 交通运输业【2 4 】：长管拖车、公路和铁路槽车及船舶的检测和钦陷定位，铁路 材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车滚珠轴承和 轴颈轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测。 声发射检测具有以下一些优点： ( 1 ) 声发射检测到的信号不象超声或射线探伤来自无损检测仪，而是来自被测物体 2 浙江大学博士学位论文：绪论 的本身。 ( 2 ) 能够实现连续的在线监测，比较适用工业过程的在线监控。 ( 3 ) 稳定的缺陷不会发生声发射信号，而声发射检测方法对线性缺陷比较敏感，能 够探测出在外力作用下这些缺陷的活动情况。 ( 4 ) 由于一点法对安装的条件不高，可适应复杂的检测环境，能适应于非常规的环境， 如：高低温，核辐射，易燃，易爆的条件下。 但它同时也有一些缺点： ( 1 ) 检测到的信号容易受到环境噪声的污染，使得到的信号失真。 ( 2 ) 声信号在传播过程中所处环境复杂，波在传输过程中的衰减，反射等原因也 会使信号失真。 ( 3 ) 如何识别真实信号和混杂的信号 ( 4 ) 声信号中的定位问题，如管道泄漏中泄漏点的定位问题 1 2 埋地水管s i m 系统研究背景 管道运输是与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输业之一，管道在 输送液体、气体、浆体时，由于其具有输送平稳连续、安全可靠、不受污染、质 量易保证、物料损耗小、占地面积少，运输费用低等特点，所以管道运输在国民 经济和国防工业发展中发挥着熏要的作用。而水管则是市民在日常生活中接触最 多的管道，所以一旦管道发生损坏，影响最大的也是广大市民。具体受管道泄漏 影响的如下表1 1 和表1 2 所示： 表1 1 易受水管泄漏影响的区域 1 人口密集的地方 2 重要工业、国防和政府区域 重要的用水区域3 防火区域 4 医院 5 缺水的区域 l 工厂、商业和居住地 重要的区域2 高速、桥梁、隧道、地铁和机场 3 能源管线和光缆 1 大型管道 2 处于复杂地形带 特殊的区域3 交通繁忙的地方 4 偏远的地方 5 穿过河流的地方 6 处在特殊的温度条件下 浙江人学博士学位论文：绪论 表1 2 由水管泄漏引起的后果 健康和环境问题 经济上的问题 安全性和便利性 1 引起疾病爆发修理和维护需要的费用在公共安全上有： 2 饮用水的流失1 消防用水的损失 3 污水的流出2 因水灾、冰冻和水管破裂引 4 环境的退化起的交通事故 3 受到水管泄漏或维修时停止 供应给居民饮用水供应带来 不便 埋地水管田m 系统英文指的是j f r “c r “r d ，f 玎f e g ，砂肌d h f 幻r f 馏，即结构完整性监 测。s n f 系统就是对埋地水管进行系统检测、定位并对其目前腐蚀状况进行评估。 用通俗的话说就是让水管里的水自由地流向设计者设计的方向，中途没有水流出、 没有压力损失、没有污水进入。而如何保持埋地水管的j f ，“c ，“r 口，i 力f 曙r 砂，具体的 方法如以图i 1 所示： 否 图1 1 埋地水管的田吖系统 图1 1 说明了，附系统首先建立埋地水管的腐蚀模型来预测水管未来的状况， 然后通过模型来分析在未来的什么时候检测水管为最佳时间，如果没有到则继续等 待，如果时间到了则对水管进行检测，此时水管如果没有发生泄漏，则对水管重新 建模，但如果发生泄漏，则可以对水管进行如下处置： 为保持水管的j ，“c f “，甜f 胛r p g ，缈，就可以采取如下几种措施： ( 1 ) 如果对水管进行小修就可以阻止水管的腐蚀的速度，那么就可以先小修，迟 4 浙江人学博士学位论文：绪论 一点时间再进行大修。 ( 2 ) 对水管进行修理( r e p n l r ) 、复原( r e 蛔6 i “旭“d n ) 或更换( r e p f o c e m 8 f ) 等 法要根据具体分析的结果来决定。如果龇m 系统分析当前的水管的状况还 可以的话，那么r 3 法可以推迟进行。 对水管进行处理后，则可以用最新的数据对水管进行重新建模，以便找出下一 次检测的最佳时间。而本文对里肼系统的研究重点则放在用声信号检测技术来检测 埋地水管泄漏检测( 包括泄漏信号的传播、泄漏信号的消噪、泄漏信号的识别和泄漏 信号的定位) 和管道的腐蚀模型的建立。 1 3 国际国内研究状况和进展 国内的管道泄漏检测关注的主要还是输油和输气管道的泄漏监控研究，水管的 泄漏检测还没有引起大家的注意。目前天津大学、清华大学和石油大学都对油管的 泄漏作了一些研究。国外对水管的研究主要也集中在泄漏信号的传播机理等理论方 面如crf u l l e r 【8 9 】，jm m u g g l e t o n 【9 6 】【9 7 】和rl o n g 【儿9 2 】【9 3 】1 9 4 1 ，只有oh u n a id 【8 】1 9 】对水 管的泄漏作了大量的实验，得出了一些结论，但是其处理信号的方法只是局限于傅 立叶分析，未能对水管的泄漏信号作更进一步的分析。所以说埋地水管的泄漏信号 还需要在信号处理上作更深层次的分析，得出更多的结论。国内外研究进展和综述 详见第二章。 1 4 论文主要内容 对于埋地水管呈f m 系统的研究是目前管道检测技术的重要前沿，本文将管道腐 蚀模型与泄漏检测结合起来，通过模型来预测管道未来的状况，也通过模型选定最 佳时间对管道进行检测，并进行了相关的埋地水管泄漏检测的实验。主要内容如下： 第一章绪论。介绍了声信号检测的主要内容和历程，阐述了对埋地水管进行跚m 系统研究的原因，并筒述了埋地水管刚m 系统研究开展的方法。 第二章文献综述。详细介绍了管道泄漏检测技术的研究现状，对近年来发展的一 些新的检测方法和传感技术在该领域的应用进行了综述，同时介绍了声信号 检测信号处理方法：小波分析、肋、粗糙集和支持向量机的一些基本理论 和概念。 第三章基于模糊半马尔科夫过程的埋地水管腐化模型的研究。提出了建立模糊半 马尔科夫过程的埋地水管腐化模型的方法。此方法首先将管道的年龄、状况、 腐蚀的程度模糊化，然后建立管道状况的转移矩阵，通过转移矩阵，就可以 通过管道当前的状况预测出管道未来的状况。仿真结果表明此方法是可行的， 并为如何选择最佳检测时间提供依据。 第四章埋地水管泄漏信号传播机理研究。在埋地管道泄漏信号波传播方程的基础 上，讨论了s = ，波( 主要成分为流体波) 的特性，再经过现场实验采集的泄漏 信号分析，得出了泄漏信号处于低频。推导出了s = 波在低频下沿管道传输 浙江大学博士学位论文：绪论 的衰减方程，证实了泄漏信号是可以被声音传感器检测的，并为后面的传感 器的选择奠定了基础。 第五章基于部分平移不变的埋地水管泄漏信号小波阈值去噪方法。主要介绍了小 波变换去噪后在奇异点上出现了人为振荡现象( g f 6 6 s ) 。针对目前消除g f 6 缸 现象的方法平移不变法的平移量大，本文提出了部分平移不变法。首先通过 分析得出小波可以消除奇异点处于中间位置时的g f 6 拈，接着介绍了奇异点的 检测方法，最后详细阐述了部分平移不变法，并根据实际情况给出了新的评 价标准。仿真和实际埋地水管泄漏检测实验表明，上述方法在减少平移量的 情况下也可以取得比较好的效果，进而提高水管泄漏定位的精度。 第六章基于声发射传感器与c f 和馏p 粗糙集的埋地水管泄漏识别= 主要针对水管 泄漏检测，为了从不完整的信息中得出满意的诊断结果，提高泄漏识别率， 本文提出了一种基于声发射传感器与c 胁拖，g e 粗糙集的埋地水管泄漏识别 方法。这种方法首先用声学传感器采集数据，然后用e ( 经验模态分解方 法) 和能量特征提取相结合的方法建立决策表，通过c 厅舭憎p 算法将决策表 离散化，最后通过粗糙集的约简来识别水管泄漏。实验表明，该方法能有效 地识别水管泄漏类型，并能为后面的泄漏定位方法提供理论支持。 第七章e 彻与小波包相结合的埋地水管泄漏定位方法。分别提出了e 坳方法、 小波包方法和一种融合方法。肋方法是通过e 将信号分解，然后通过 能量特征提取选择有用的i m f 段，再对有用的i m f 段作相关分析，最后通过 比较相关系数确定泄露位置。小波包的方法是通过小波包分解将其分为不同 的频段，再基于能量特征的提取选出有用的频段作互相关分析，最后通过比 较相关系数来确定泄漏位置。融合方法是将e 方法与小波包方法得到结果 作融和，实验表明该方法是有效的。 第八章结论与未来的工作展望，本章对全文的工作进行了总结，并提出了进一步 研究的设想和建议。 本文主要工作如图1 2 所示 6 浙江大学博士学位论文：绪论 1 5 论文的主要创新点 图1 2 本文主要研究框架 ( 1 ) 提出了基于模糊半马尔科夫过程的埋地水管腐化模型，用以预测管道的未来 泄漏状况。埋地水管一般不容易发生泄漏，所以选择在什么时间来检测水管 是否发生泄漏是一个关键的问题，本文提出了建立模糊半马尔科夫过程的埋 地水管腐化模型的方法，将管道的年龄、状况、腐蚀的程度模糊化，然后建 立管道状况的转移矩阵，通过转移矩阵计算管道在未来的状况，它的优点是 不需要太多的信息，而只要知道管道当前的信息就可以预测管道将来的情 况，通过预测的信息，我们就可以选择管道在什么时间段容易发生泄漏的时 候来检测水管。 ( 2 ) 研究了埋地管道泄漏信号波的传播方程，泄漏信号频率特性以及衰减方程。 利用声信号进行水管泄漏检测存在一个问题，那就是水管的泄漏信号沿管道 传播的衰减问题，利用声信号检测是否能检测到泄漏信号。本文通过讨论埋 地管道泄漏信号波传播方程的基础上，再经过现场实验采集的泄漏信号分 析，得出了泄漏信号处于低频。推导出了s = 波在低频下沿管道传输的衰减 方程，证实了泄漏信号是可以被声信号传感器检测的，此结果并为后面的泄 漏定位时选择传感器提供了帮助。 ( 3 ) 研究了部分平移不变小波去噪方法，对埋地水管泄漏信号进行消噪，结合实 际情况，提出了埋地水管泄漏信号去噪效果的新评价标准：相关系数法。针对 常用的小波去噪方法的缺点和平移不变小波去噪方法平移量大的缺点，本文 提出了部分平移不变法。首先通过分析得出小波可以消除奇异点处于中间位 置时的g f 6 撕，接着介绍了奇异点的检测方法，最后详细阐述了部分平移不 浙江大学博士学位论文：绪论 变法，并根据实际情况给出了埋地水管泄漏信号去噪效果新的评价标准。仿 真和实际埋地水管泄漏检测实验表明，上述方法在减少平移量的情况下也可 以取得比较好的效果，并能同时提高了水管泄漏定位的精度。 ( 4 ) 针对平常的一些好的识别方法只能识别，而不能将水管信号的特征简化。本 文提出了一种基于声发射传感器与c f 胁曙口粗糙集的埋地水管泄漏识别方 法。这种方法首先用声学传感器采集数据，然后用e 伪( 经验模态分解方法) 和能量特征提取相结合的方法建立决策表，通过c f 胁憎p 算法将决策表离 散化，最后通过粗糙集的约简来识别水管泄漏。实验表明，该方法不但有效 地识别水管泄漏，还能简化所用的特征，指出了信号的重要频段，并能为后 面的泄漏定位方法提供依据。 ( 5 ) 针对水管泄漏定位的方法- 直接相关法受到噪声和声传播方式的影响，定位精 度低，本文分别提出了e 方法、小波包方法和一种融合方法。e m d 方法 是通过胧d 将信号分解，然后通过能量特征提取选择有用的n 扩段，再对 有用的n 妒段作相关分析，最后通过比较相关系数确定泄露位置。小波包的 方法是通过小波包分解将其分为不同的频段，再基于能量特征的提取选出有 用的频段作互相关分析，最后通过比较相关系数来确定泄漏位置。融合方法 是将矾徊方法与小波包方法得到结果作融和，得出最有效的结果。 浙江大学博士学位论文：文献综述 第二章文献综述 摘要 本章详细介绍了管道泄漏检测技术的研究现状，对近年来发展的一些新 的检测方法和传感技术在该领域的应用进行了综述，同时介绍了声信号 检测信号处理方法：小波分析、脚、粗糙集和支持向量机的些基本 理论和概念。 本章主要内容 直接检测法综述 间接检测法综述 信号处理方法综述 本章小结 浙江大学博士学位论文：文献综述 目前管道泄漏检测研究主要体现在两个方面：一检测方法，二对检测所得到信 息的处理和分析，也就是信号处理。其中第一方面主要包括直接检测法和间接检测 法。 2 1 直接检测法 2 1 1 水核查法( a u d i t s ) ： 目l j 爿“讲如法1 35 】可能是检查埋地水管是否有泄漏的最简单的方法。彳潮拈法就 是先确定某一区域，然后先估计这一区域在晚间最低消耗量，再测量实际的消耗， 通过比较，如果这两者有明显的差异，就可以认为这一带的水管发生了泄漏。4 “硪船 法一般将一个城市的水管分成若干区域，这样分段就可以相互比较，进一步就可以 确定那一段最有可能发生泄漏。4 “威船测量法有如下优点： ( 1 ) 可以对水管进行无损检测提供依据。 ( 2 ) 可以对城市的消防栓，居民消费模式，三通阀等一些情况及时更新。 ( 3 ) 顺便可以检查一下城市的消防栓当前情况，可以预防在有火灾时出现问题。 彳“西括测量法的主要缺点在于不能定位。 2 1 2 远场检测法( r e m o t ef i e l di n s p e c t i o n ) 远场检测法”叫口7 】pg 】目前己用在散热器，石油套筒的泄漏检测上。它目前已被当 作商业用途用在水管的泄漏检测上。远场检测法的原理图见图2 1 ，原理为：将发 射线圈放在水管里面，使它与水管的轴平行。将传感器也放在水管内。交流电流产生 的交流磁场由两个通道到达传感器。第一条通道是从管道里面通过管道，第二条通 道是从管外穿行，然后进入管道。在第一种情况下，磁力场衰减很快，第二种情况下， 磁力场在外部穿行时衰减的慢。那么我们可以比较衰减的快慢来判断，既由外管道进 入的衰减情况依靠管壁的厚度。这样从管壁的厚度来估计水管是否泄漏。远场检测 法的缺点为检测工具需要放置在管道内部且需要管道是空的，另外它的费用远远高 于水核查法。 图2 1 远场检测法的原理图 1 0 浙江大学博士学位论文：文献综述 2 1 3 磁通量检测法f 3 9 j ： 管道周围存在一个稳定的直流磁力场，磁力线沿着管道轴向传播。如果磁场足 够强，当管道有泄漏时，泄漏场就可以被管道内的传感器检测到。这项技术现在已 经广泛用于输气管道和输油管道中。它的缺点是此检测工具需要与管道紧密相连， 容易损坏管道，且限制于干净的管道。其原理图见图2 2 。 图2 2 磁通量检测法的原理圈 2 1 4 超音速法： 超音速法检测是通过一束连贯的声能量，其频率远远大于人耳能听到的频率范 围之外。声波穿过被测物体并返回其当前的状况。声波的一些能量可以通过接收器 被检测到，同时其余部分就会穿过新材料。超声检测现在已经应用的范围有：人体 成像、飞行器检测和油管道检测。这项技术可以检测到物体的凹陷处、裂痕处。目 前超声技术已用于商业检测油管线，还没有用在水管泄漏检测上。其用于水管检测 的缺点是：其漩涡在一定程度上引起超声束发散、衰减，可能使声束无法穿过管道， 信息返回更无从谈起。其原理图见图2 | 3 。 图2 3 超音速检测法的原理图 1 l 浙江大学博士学位论文：文献综述 2 1 5 腐蚀检测法： 腐蚀检测法有蹦y ( s o l f4 9 9 阳s s f v 阴e 鼬阮f “e ) 法，单电池检测法，土壤腐蚀分 析法和土壤电阻系数法。上述方法中，单电池检测法和土壤腐蚀分析法结合起来可 以迅速的判定那些地方的水管易受到腐蚀的影响。在单电池检测法提供水管的当前 状况的同时，土壤分析法可以查明那些区域的腐蚀细胞更容易滋生，既而能估计出 腐蚀率。当前对土壤腐蚀测试最常用的方法是由4 ，s d 形4 c ，d 蜊2 5 提出的确 1 0 点系统法。这种方法是基于对土壤的五种不同检测，如土壤电阻系数，p 值， 氧化性，硫化物的种类，潮湿程度。以上五种不同的土壤参数对土壤腐蚀法都起一 定的作用通过以上的土壤参数的对土壤的估计来获得翩矿。如果剐矿是不是1 0 点 或更多，则可认为当前的环境容易使水管产生腐蚀，但删矿处于领先地位或1 0 点 以下，则当前的腐蚀程度还并不是太严重，还弗不需要保护水管，水管的保护方法 有外保护层和阴级保护法。 2 1 6 基于光学的检测方法： 光学检测法1 4 7 l h8 】包括光学图象泄漏检测法和光纤泄漏检测法。管道内部与外部 环境的温度有明显差异，利用这一特点可以检测管道内外的温度来判断管道是否发 生泄漏。根据红外线辐射原理，通过红外摄像仪把温度分布转化为可见光图象，这 样就可以知道管道周围的温度分布，从而可以进行泄漏检测。光学检测法在国际上 目前处于领先的是澳大利亚的凡f “r f f 6 e 死c _ l 加f o 公司和英国的孙心s e n s d r 5 上加f f 耐公司。砌m ，ef f 6 p 死c h o ，d 公司的核心技术是光纤振动传感器，它利用普 通光纤作为传感介质，不需要对光纤进行特殊处理，也不需要在整根光缆上作加工 和改造，其只需要用三根光纤，其中二根用于传输光纤，一根用于定位光纤。场埔 即舳，s 三咖加d 公司是利用光时域反射技术开发的分布式光纤温度测试系统来检测 管道周围温度变化对管道进行泄漏检测。由于光时域反射技术采用的是光脉冲，因 此只能检测到静态损耗和变化缓慢的扰动，不能检测出瞬态的扰动，此时也就不能 对管道进行泄漏检测了。国内王延年( 2 0 0 3 ) 分别在光的入射端用光时域反射技术， 光的输出端用光功率测量来进行光纤上各点静态和动态损耗的检测和定位，最后通 过融合来判断管道是否泄漏。 2 2 间接检测法 2 2 1 流量平衡法 质量平衡原理，就是在同一时间间隔内流入管道中的流体流量减去流出量的变 化来判断是否泄漏由于实际所测的流量与流体的温度、压力、密度、粘度、管壁的 膨胀有关，这样流量法对任一扰动或管