（水声工程专业论文）管道泄漏检测与定位的应用研究.pdf

a bs t r a c t n o w a d a y s ，t h ep r o b l e mt h a tt h ec i t yu n d e r g r o u n dt a pw a t e rp i p e l i n e sm a k e w a t e ri ss t i l las e r i o u si s s u ei nm a n yw a t e rs u p p l yc o m p a n i e sa n dr i c hf a m i l i e s a t t h es a n l et i m e ，t h ee q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g yo fw a t e r - s u p p l ye n t e r p r i s e sm o u r c o u n t r yi so u to fd a t e i ti se a r n e s t l yl o n gf o rs e e k i n ga i le c o n o m i c a la n de f f e c t i v e w a yf o ra l lt h e s es u p p l yw a t e re n t e r p r i s e s i no t h e rc o u n t r i e s ，t h em e t h o dw h i c h u s e ss i g n a lc o r r e l a t i o na n a l y s i st e c h n o l o g yt o d e t e c tp i p e l i n el e a kh a sb e e n d e v e l o p i n gr a p i d l y a tp r e s e n t ，t h i sk i n do f a c o u s t i cl e a kd e t e c t i o ne q u i p m e n th a s b e e nw i d e l yu s e df o rr o u t i n el e a k i n ge x a m i n a t i o nw o r ki ns o m ed e v e l o p e d c o u n t r i e sa n dh a sg o tg o o dr e s u l t s b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i so fc o r r e l a t e dl i t e r a t u r e ，t h et h e s i su s i n gv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yt od e s i g nt h es i g n a lc o r r e l a t i o na n a l y s i st e c h n o l o g y , w h i c h i su s e dt od e t e c tp i p e l i n el e a ka n df | xp o s i t i o n t h e n ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e s c h e m ei sd e s i g n e d w i t ht h eq u i c kd e v e l o p i n go fc o m p u t e r , i ti sp o s s i b l et ou s e s o f t w a r ea n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi m p r o v i n gt h ea c c u r a c y a n d r e s p o n s i b i l i t yo fl e a kd e t e c t i o na n dp o s i t i o n s e t t i n g ，c o m b i n gw i t ht h em e t h o d s u s e dt o d a y a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o dh a sb e t t e ra d a p t a b i l i t y t h et h e s i su s e dl a b v i e wt op r o c e s st h el e a ks i g n a la n da n a l y s i st h et i m e a n df r e q u e n c yd o m a i n ，t h e r e b yl o c a t i n gt h el e a kp o s i t i o ne x a c t l y l a b v i e wi s p o 、m ls o r w a r e ，w h i c hc a nb eu s e dw i t hm a t l a b t oe l i m i n a t en o i s eb yu s i n g w a v e l e tt r a n s f o r m t h et h e s i sa l s oa n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ft i m ed e l a ye s t i m a t i o n i ns o m et y p i c a la p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n dt h eu n i v e r s a lp r i n c i p l ea b o u tt h e s e l e c t i o no ft h em e t h o do ft i m ed e l a ye s t i m a t i o nw h e ni n v o l v e di nt h ed e s i g no f t h e1 e a kd e t e c t i o ns y s t e ma n da c t u a ld e t e c t i o n f i n a l l y , m a n ye x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n et ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h es y s t e m k e y w o r d s ：l e a kd e t e c t i o n ；c o r r e l a t e da n a l y s i s ；v i r t u a l w a v e l e tt r a n s f o r m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：兰益 日期： 2 印毛年3 月“1 3 嗡尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的提出和研究意义 永蔻生命之源，楚大邀然赋予人类嚣法替代的宝贵瓷源，健它是有限酶， 不是取之不尽用之不竭的，随着全球性环境污染的加刷及世界入翟的不断增 加，水姿源的紧张局势不断恶化。1 9 9 3 年1 月第4 l 届联合国大会做崽了 每年3 簧2 2 墨为“世界永圈”麴决定。这不仅说鹱水的阌题基引起了国际社 会的普遍关注，丽且也为全人类共同携手合理开发利用和保护水资源提供了 契枫。虽然我基是个承资源大番，健从久均这个焦度看，我嚣又是一个严重 缺水的国家，人均占有水量只有2 2 5 立方米，仅为世界人均水量的1 4 ，居 世界1 4 9 个雹家的第1 1 0 镳。我蓬的拳污染严重，全匿七大江河，五大潮漓 都遭受了不闭程度的污染，无一幸免。根据水利部( 2 1 世纪中国水供求分 析，2 0 1 0 年我嚣工业、农业、生活及生态环境总需求水量在中等干旱年为 6 9 8 8 亿立方米，缺永3 1 8 亿立方米驻1 。这表雳，2 0 1 0 年后我国将开始进入 严重缺水期。尽管如此，我国用水严重浪费，无论工农业用水，还是生活用 永，“跑、霉、滴、漏”现象隧楚可冤。漏水翔题已成舞我莺这个古老民获走 向不断进步的心腹之患。然而，经过净化处理和输配的自来水更是来之不易。 薪滋，世界各国都棼常重视叁寒永漏损控制工馋，将潺损量盼大小作为衡量 自来水管网技术和运行状况的一个重要指标。 随着管线的增多，管龄的增长，盘予麓工缺陷、腐蚀老纯等阅题期入为 破坏的原因，管道事敌频频发生，给入们的生命财产和生存环境造成了臣大 的威胁。世界管道工业史大量的数据表明：管道同世界上其他的事物样， 攀赦的发生都有称为“浴盆麓线羽的一般旒律。 图1 1 所示的浴弦曲线表明：在整个管道寿命区域内都有事故发生。事 教发生熬概率分为三个酚段：管道在运雩亍第一阶段( 裙生麓) 弱第三阶段( 衰 老期) 事故的概率较高，第二阶段( 稳定期) 概率较低，其原因是：初生期 管道在材凄、防腐层、焊麓等方面存在着未被检查发现的缺陷域壶予镶管终 业中造成的管体损伤，以及由于管道周围的环境未达到稳定，因而事故概率 比较高，但隧着时闻的延续，事故概率逐渐降低。在稳定期，由予管道周围 哈尔滨工程大学硕士学位论文 环境趋于稳定，在初生期造成事故的管道本身的一些缺陷也通过维修得到了 解决，事故率比初生期显著降低。在管道的衰老期，由于腐蚀磨损，管道趋 于老化，事故率上升。 失 败 率 l 拶 初生j羽 稳定期 i + 一3 5 4 0 年时间( t ) 图1 1 浴缸效应 我国供水管道存在管线长，管龄长( 很大一部分管道已有2 0 年以上) 的问题，很多管道遭受到腐蚀、磨损等自然或人为破坏，管道泄漏事故频频 发生。据统计，我国大中城市自来水漏失率大体在2 0 左右，同美国的8 、 日本的1 0 、法国的9 5 及德国的4 9 的漏失率相比，还存在很大的差距。 因此对城市供水管道泄漏的检测是不可忽略的。 泄漏控制和管理的经济效益是勿庸置疑的p 1 。以广州市为例，供水约为 3 0 0 万立方米天，若能节省5 的漏耗，能节省1 5 万立方米天供水，而修 建一个1 5 万立方米天产量的水厂，约需投资1 亿元人民币，建造期长达数 年，但要减少1 5 万立方米天的漏耗则容易得多，其费用仅为水厂投资的几 个百分点，周期仅几个月或几周。另外，自来水漏损一方面浪费了部分取水， 处理和输配的成本，另一方面还要额外增加投资用于增加水量，提高部分地 区得水压以及更换、维修破损管道及管道配件设施。而且，管道出现漏损而 长时间未被发现，则会由于泥土流失而使路面塌陷，影响建筑物和路面交通 安全，严重时会造成人员和物质损失。 自来水管道的泄漏检测和维修是城市给水工程中的一个重要环节，在我 国的城市给水系统中，每年因泄漏而造成的浪费相当惊人，使水资源本来就 缺乏的局面更加严重。尤其在一些历史悠久的老城市，管网系统的老化、布 2 哈尔滨- t 程大学硕十学位论文 局复杂，使漏点的判断和检测非常困难。目前我国大中城市中使用的检漏手 段基本上还是人工方法，由有经验的工人借助简单的听漏仪( 声音放大器) 沿管线路面逐米听测地下因漏损引起的声响。这种原始的人工听漏方法可靠 性低、抗干扰性差，需要耗费大量的人力，听漏经验的积累需长年的实践经 验且难以训练和传教。综合了信号检测、处理、传输、微机应用等技术的相 关检漏系统是目前最先进的管道检漏设备，在发达国家中这类系统得到了广 泛的应用，并有专门的检漏公司应用这种系统进行日常的检漏工程和技术服 务。我国一些大城市曾引进过若干国外的检漏仪，但价格昂贵，操作复杂， 性能也有很大的局限性，不太适用于我国城市管网的特点和复杂性，因此利 用率很低，而一些中小城市又无力购买这种价格昂贵的设备，针对这种情况， 本文设计了基于虚拟仪器的泄漏检测定位系统。并经过实验数据的校验，取 得了较满意的结果。 1 2 管道泄漏检测技术国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 管道泄漏检测应满足的要求 建立管道泄漏监测系统，及时准确报告泄漏事故的范围和程度，可以最 大限度地减少经济损失和环境污染及更大危险的发生，对一种泄漏检测方法 优劣或一个检漏系统性能的评价，应从以下几个方面加以考虑1 。 1 准确性。泄漏发生后，能够准确地测报出泄漏，不致因为操作失误和 设备故障等因素发出误报警； 2 灵敏性。检漏系统能检测出管道泄漏的大小范围，主要是多小的泄漏 量能够发出正确的报警提示； 3 实时性。理想的检漏系统能够在泄漏发生后，实时地检测出泄漏的发 生。以便操作人员即刻采取行动，减少损失。 4 定位精度高。长输管道穿越距离长，检漏系统要能够提供给操作人员 准确的泄漏点位置，以使维修人员尽快达到漏水点，进行补修作业。 5 易维护性。检漏系统装置维修调整容易。 6 性价比。性价比是指系统建设、运行及维护的花费与系统所能提供性 能的比值。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 对管道泄漏检测方法的研究已有几十年的历史，但由于检测的复杂性， 如管道输送介质的多样性，管道所处的环境的多样性，以及泄漏形式的多样 性( 渗漏、穿孔、断裂等) 使得目前还没有一种通用的方法解决管道泄漏探测 问题，在实际应用中，某一种泄漏检测方法或一个检漏装置不能同时满足所 有要求，一般在检测系统中将几种方法综合使用。由于管道泄漏检测是多领 域多学科知识的综合，各种检测方法在检测方式和技术手段方面差别较大。 到目前为止还没有对管道泄漏检测技术的系统分类方法，为了叙述上的简便 和理解上的直观，本文中将已有的各种泄漏方法分为以下几类州。 1 2 2 基于信号处理的方法 基于信号处理的方法不需要建立管道的数学模型，该方法主要包括压力 梯度法、流量平衡法、压力点分析法、负压波法和声相关分析方法等。 1 压力梯度法。压力梯度法是上个世纪八十年代末发展起来的一种技术， 它的原理是：在稳定流动的条件下，无泄漏发生时，管道内压力沿管道线性 变化，当发生泄漏时，漏点前的流量变大、坡降变陡，漏点后流量变小、坡 降变平，再次稳定后，管道内的沿线压力分布将呈折线变化，折点即为泄漏 点，据此可以找到泄漏点的位置。压力梯度法只需要在管道两端安装压力传 感器，但因为管道在实际运行中，沿线的压力梯度呈非线性分布，因此压力 梯度法的定位精度比较差，所以压力梯度法定位可以作为一个辅助手段与其 它方法一起使用采用这种方法时，需要将管道内的压力分布理想化为线性分 布，但实际情况下往往不是如此，因此，采用压力梯度法进行泄漏检测的定 位误差比较大。 2 流量平衡法。根据质量平衡原理，当管道无泄漏发生正常运行时，管 道的入口流量应该等于出口流量，根据管道出入口的流量是否相等来判断是 否发生泄漏。当发生泄漏时，在管道的入口与出口将形成明显的流量差。这 样方法原理很简单，但由于实际所观测流量与流体的温度、压力、密度等性 质及流体的状态有关，使得流量法对任意扰动或管道本身动力学变化都非常 敏感，易造成误检。通过对流量幅值的估计，基于流量不确定性的不同估计， 建立许多泄漏检测曲线，并与现场泄漏实测的曲线进行对照。这样，对流量 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不确定性的适当估计，泄漏流速在很大范围内的泄漏都能可靠地被检测到， 但这种方法不适合与自来水管检测。 3 压力点分析法( p p a ) 。当管道正常运行时，其压力与密度等呈现为连 续变化的稳定状态。一旦发生泄漏，泄漏点处出现压力突然下降，原来的稳 定状态就被破坏，管道便向新的稳定状态过渡。在这一过程中，将产生一沿 管道传输的扩张波，这种扩张波将引起管道内各点的处的压力的变化，并将 管道泄漏点的特征传递到信号检测点。在对检测到的信号进行分析处理后， 可以提取出压力信号变化的曲线，并与正常运行状态时的数据曲线比较，根 据两者之间的差别来判断管道内是否出现泄漏。 p p a 法只需要一个或几个检测点的压力信号，这种方法费用低，易于维 护，并且能够检测到较小量的泄漏。但是，这种方法不能对泄漏点进行精确 定位，因此应用范围较窄。 4 负压波法。当管道内某点发生泄漏时，在泄漏处会出现瞬态压力下降， 即产生负压波，这个负压波会以一定的速度沿着管道向两端传递。由于管线 的波导作用，这个负压波能够传播数十公里，并能够被设在管道两端的压力 传感器所捕获。根据首末两端捕获的负压波的时间差和负压波在管道中传播 的速度，即可以对泄漏点进行精确定位。 负压波法对硬件要求不高，不需要建立数学模型，计算量小，但要求泄 漏发生是快速的、突发性的，对于泄漏速度很慢的情况，就没有明显的负压 波。 5 声相关分析方法。当管道内液体泄漏时，由于管道内外的压力差，使 得泄漏的流体在通过漏点到达管道外部时形成涡流，这个涡流就产生了振荡 变化的压力或声波。该声波可以传播扩散返回泄漏点并在管道内建立声场， 泄漏点产生的声波以一定的速度沿管道向两端传播。声相关分析方法就是将 泄漏时产生的噪声作为信号源，通过声音传感器检测沿管壁传播的泄漏点噪 声，利用相关信号处理技术( 如相关分析法) 进行泄漏检测和定位。由于受 检测对象和应用环境的限制，对长距离管道检测，必须沿着管道安装许多声 音传感器。该方法的泄漏检测准确率高，定位精度高。采用声相关分析方法 判断泄漏和定位时，不需要建立复杂的数学模型，计算量小，并且可以检测 出小泄漏量。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 3 基于模型估计的方法 为了提高泄漏检测和定位的准确性，用模型在线观测管道的压力和流量 等参数，并与压力和流量的实测值比较来进行泄漏故障的诊断。该方法主要 有状态观测器法、系统辨识法、k a l m a n 滤波器法等。 1 状态观测器法。状态观测器法即建立管道内流体压力和流量的状态方 程，以被检测的两站压力为输入，对两站流量的实测值和观测值的偏差信号 采用适当的算法进行检漏和定位。该方法假定两站的压力不受泄漏量的影响， 所以仅适于小泄漏量情形。 2 系统辨识法。该法辨识出管道模型，并与管道实际值进行比较来进行 判漏。在管道完好的情况下，建立管道无故障模型和故障灵敏模型。基于故 障灵敏模型，用相关分析法实现泄漏检测；基于无故障模型，用适当的算法 进行定位。该法需在管道上施加m 序列激励信号，并假设两站的压力不受泄 漏量的影响，也仅适于小泄漏量情形。 3 k a l m a n 滤波器法。该法建立包含泄漏量在内的压力、流量状态空间离 散模型，以管道首末端的压力和流量作为输入，将整个管道空间定量划分为 若干段，在每一个分段点上设定压力、流量、泄漏量等3 个状态，并以各分 段点处的泄漏量作为输出，运用适当判别准则( 如k u l l b a e k 信息测度等) 就 可进行泄漏检测和定位。该法需要知道过程噪声的均值、方差等先验知识， 且检测与定位精度和等分段数有关。 1 2 4 基于知识的方法 基于知识的方法主要有模式识别法、神经网络法和诊断专家系统法等。 1 模式识别法。基于模式识别的方法原理是通过对泄漏产生的瞬态负压 波进行特征提取和结构模式识别，以此进行泄漏检测。泄漏引发的负压波与 调泵、调阀等引发的负压波波形特征有相当大的区别，采用模式识别的方法 对管道负压波进行描述，从而建立管道负压波形结构模式的分类系统，用于 区别管道正常调节状态和泄漏状态，可以有效地降低管道泄漏的漏报率和误 报率，提高泄漏检测系统的准确性。 2 神经网络法。基于人工神经网络检测管道泄漏的方法，能够运用自适 6 哙尔滨下程大学硕士学缀论文 应麓力学习管道的各种正况，对管道运行状况进行分类识剐，是种基于经 验的类似人类的认知过程的方法。理论分章斤和实践表明：这种检漏方法能够迅 速准确预报浅管道运彳亍情况，检溯管道运行故障。 3 诊断专家系统法。利用泄漏机理数学模型研制的泄漏诊断专家系统是 一类非常复杂的毒 线髋分布参数控制系统，其整个推理过程是经验知识、泄 漏模式、泄漏机理模裂、物理定律综合使用的过程。系统将深浅知识结合起 来，采用广度优先和深度优先榍结合，时阀推理帮实器重推理相结合的控制策 略，酋先完成管道最严蘑异常现象的广度搜索，然后进行深度优先搜索，宪 或基予经验知识的快速、有效的定性诊断，确定有无泄漏及可麓麴泄漏量。 默上介绍的泄漏检测方法是褥前出现较多、应用较为广泛的方法。可以着 出，这些方法大部分是基于现代控制理论和信号处理的方法。实际上国内外的 管道瀵漏检测方法酶研究一壹在进行，嚣前还没有种方法麓够取得十分完满 的效果，需要根据不同的情况，使用其中一种或几种方法联合进行检测。 从蓬外麓研究成果看，基于声学的噩襁关分析方法麴管道捡漏是一种薯荽 常有效的方法。市场上绝大部分的产品都是基于互相关分析法研制的。霞外 生产数字相关搜酶厂家帮产晶主要有：瑞士w a g a m e ta g 公司生产的 l o g3 0 0 0 相关测漏仪；英国r a d i o l o c a t i o n 公司生产的m c 6 、m c 7 型 相关测漏仪；加拿大e c h o l o g i c s 公镯的l e a k f i n d e r r t 型相关漏水检测 纹；瑞士g u t e r m a n n 公司肫a q u a s c a n 系列相关测漏仪等。星瘸生 产的泄漏检测仪器主要是昕音类的，如哈尔滨无线六厂生产的s j 伽i b 型 承漏检测搜； 瞬前的泄漏检测技术与定位技术难以很好的解决实际现场的检测灵敏度 与误报警之彝蕊矛盾及定整精度不高等阍题，特别是深埋藏帮小流量泄漏的 情况。随着控制理论、人工智能、传感器技术、通信技术和网络技术的发展， 长距离输送管道的泄漏检测和定位技术也隧之相疲发展。特别是近年来随着 计算枫技术的发展，滚漏检测翻定位技术从旱翘懿戳硬律力主的方法发展到 以软件为主、软件与硬件相结合的方法，充分利用了基于软件的方法能实现 在线实时检测、及时给懑报警信号帮基于硬件的方法有缀离麓定位精度窝较 低的误报率的特点，将二者进行优势互补，以克服单一检测方法的局限性， 提高管道管理的宣动纯永平，这是未来的总发震方淘p 。 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 长距离管道泄漏检测技术有如下发展趋势： 1 多种基于软件方法的融合。融合的目的是为了提高泄漏检测的灵敏度 和定位精度，如神经网络、模式识别与相关分析结合。 2 硬件上加强传感器技术的发展，如超声波传感器、光纤传感器等，特 别是光纤传感器是近年来发展的一个热点，不但可以实现物理量的检测，还 可以实现信号的传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性，更 好地将基于硬件和软件的方法有机地结合起来。 3 多泄漏点、多管耦合的管网泄漏检测与定位的研究。目前的管道泄漏 检测和定位技术的研究多是在单根管道上的单点泄漏的情况下进行的，而对 于单管多泄漏、多管耦合的泄漏研究还有待加强。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作是对埋地供水管漏损的定位软件系统的设计，拟分三个 部分进行研究： 1 对泄漏声信号的产生与传播进行分析。准确定位漏点须对漏损管道的 声信号进行研究，本文详细介绍了泄漏声信号在自来水管线中产生和传播的 机理。 2 基于功率谱的声信号频带确定。为适应泄漏声发射信号的中心频率在 不同的泄漏状态下发生改变后仍能分析泄漏信号，系统采用功率谱计算与小 波分解能量计算相结合的方法分析泄漏信号的中心频带，根据中心频带来确 定滤波参数、选择小波分解和提取泄漏信号的级数，从而达到了良好的滤波 和信号提取效果。 3 基于频谱互相关分析的信号检测。阐明了利用互相关分析法检漏的原 理；分析讨论了几种典型的应用环境下时延估计的原理并结合实验进行验证。 给出了在设计检漏系统和实际检测时，对时延估计方法进行选择和综合的一 般性原则。 4 定位系统的软件设计。介绍了虚拟仪器的概念，基于l a b v i e w 图形 化编程环境，自行设计了一套适应于泄漏信号处理的定位系统，对实验室模 拟的泄漏声信号进行了采集、时频域统计特征、泄漏信号的相关性作了详细 的分析；并运行小波阀值方法对泄漏声信号进行了有效的去噪处理。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章管道泄漏检测的理论研究 2 1 泄漏声信号的产生与传播 泄漏的一般定义是这样的：由于密闭的容器、管道、设备等内外两侧存 在压力差，因此在其使用过程中，内部介质在不允许流动的部分通过孑l 、毛 细管等缺陷渗出、漏失或允许流动的部位流动量超过允许量的一种现象，叫 做泄漏哆1 。管道中流体的泄漏，其主要特征是在泄漏处形成多相湍射流，这 一射流不但使流体的正常流动发生紊乱，而且与管道相互作用，在管壁上产 生高频压力波。管道漏水是一种承压状态下的水射现象嘲。当供水管道发生 漏水时，由于水喷出管道时与空气、泥沙等的撞击和摩擦，以及附壁现象、 卡尔曼涡流、边缘效应等，产生不同频率的振动，由此产生泄漏声信号。我 国的供水压力一般在0 2 - - 0 4 m p a 之间，以此泄漏声信号的振幅也比较大， 特别是在音频范围内。泄漏声信号会因管材、管厚、管径、水压、漏水孔的 形状等原因在频率和强度上有明显的差别。 泄漏声信号的频率往往不是单一的，我们可用如下数学模型来描述唧： 以 s ( f ) = a fc o s c o j t ( 2 1 ) i = 1 式中呸第i 个频率( 咀) 成分的振幅； n 频率成分的个数 在泄漏信号的n 个频率中，有一个主要频率，设为，它对应的振幅 是最大的。为了研究方便，且不失一般意义，我们略去其他次要频率成分， 则式2 1 可改写成： s ( t ) = a o c o s c o o t ( 2 2 ) 泄漏声信号的特征与管道漏点特征、管道材质、管道直径、管道流体流 量和压力等因素有关唧。塑料管道泄漏声信号的频率成分主要集中在5 h z 1 0 0 h z 的低频段，而铸铁等金属管道泄漏声信号的主要频率集中在2 0 0 h z 2 0 0 0 h z 这一较高频率段。当泄漏声信号经过远距离传播后，信号中的高频 成分随着泄漏声信号的传播距离的增加发生了较大的变化，由于管道对声信 号的吸收衰减作用，使得信号中的高频成分发生了畸变。同时管道之间的橡 胶和石棉接口对泄漏声信号也有衰减作用，使泄漏声信号能量在频域分布上 9 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 发生改变。 泄漏声信号主要由两条途径传播：一是通过周围介质向四周传播；二是 通过管壁向其两侧传播。由于传播介质的不同，噪声声波的传播速度差异很 大，特别是有漏水点向四周传播时比较复杂，一般只作定性分析，相比较而 言，泄漏声信号沿管壁的传播的速度比较简单，在一定的条件下比较稳定。 因为泄漏信号s ( t ) 是以一定速度v 从泄漏点向周围传播的，假设泄漏信号传 播到p 点所需时间为f 。，则： r f = 卫( 2 3 ) ， 1 ， 这里乙表示从泄漏点到p 点之间的距离。若在p 点设一个测漏传感器，那么 接收到的泄漏信号比泄漏点处的信号要滞后一段时间t 。，这样p 点的泄漏 信号为： ， s p ( t ，名) = a o s ( t f p ) = a o s ( t 一书 ( 2 4 ) v 考虑到泄漏信号在传播过程中，周围介质对它的能量会产生一定的吸收或衰 减作用，且这种衰减作用与传播距离有关，故式2 4 可改写为： s p ( t ，屹) = a o e 一声s p 一2 ) ( 2 5 ) v 式中p 周围介质对泄漏信号的衰减系数。 泄漏声信号的传播速度受管道材质、管道直径等因素的影响n 卅。泄漏声 信号传播的快慢决定于介质的可压缩性，即输水管道中的水介质的弹性系数。 输水管道中的水介质的弹性系数受到管壁限制，所以不等于开阔空间里的水 介质的弹性系数。实际上管壁并非绝对刚硬，而是具有一定的弹性和粘滞性， 并对管内声波的传播有一定的阻力。总之，声波在管中的传播速度受到管壁 的影响。泄漏声信号的在铸铁、钢等金属管道中传播速度比较快，而在p e 、 p v c 等塑料管中比较慢。在同一材质的供水管道中，随着管道直径的增加， 泄漏声信号的传播速度逐渐减小。不同管道材质和管径条件下泄漏声信号的 传播速度经验值如下表2 1 所示。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 不同供水管道上声音传播速度的经验值( m s ) 管径( 加m )铸铁钢铅铜 石棉水泥u p v c m d p e 1 8 1 4 5 51 4 0 51 2 2 01 3 5 01 2 6 0 5 4 03 8 0 2 51 4 3 51 3 8 51 2 0 01 3 3 01 2 4 05 3 03 6 0 3 21 4 2 0 1 3 7 01 1 8 01 3 1 01 2 3 0 5 1 03 5 5 3 81 4 0 51 3 4 91 1 7 01 3 0 01 2 1 04 9 53 5 0 5 01 3 8 51 3 2 411 5 01 2 8 011 8 04 7 53 3 5 6 51 3 5 51 2 9 211 2 51 2 5 5 1 1 5 3 4 6 53 2 5 8 01 3 2 41 2 7 81 1 0 01 2 3 01 1 3 54 6 03 2 0 1 0 01 2 9 51 2 6 71 0 7 01 2 0 011 0 73 7 63 1 0 1 2 51 2 7 31 2 5 01 0 4 011 7 011 0 33 7 3 3 0 0 1 5 01 2 5 01 2 3 41 0 2 01 1 5 01 0 9 73 7 02 9 0 2 0 0 1 2 1 41 2 2 41 0 0 01 1 3 01 0 5 0 2 9 42 7 0 2 5 01 1 8 91 2 0 79 8 01l1 01 0 4 92 6 8 2 6 0 3 0 01 1 6 71 2 0 09 7 011 0 09 8 12 5 02 4 0 4 0 011 5 211 9 2 9 4 01 0 7 09 7 5 2 3 52 3 0 5 0 01 1 3 81 1 5 39 3 01 0 6 09 5 32 2 0 2 2 0 2 2 相关检漏的理论依据 时域相关分析最主要的是利用数据产生的先后顺序，来研究信号自身或 两信号之间的相互关系，即自相关和互相关，它们是分析和处理信号的重要 手段。利用信号的自相关，可判定信号是否含有周期成分；利用信号的互相 关，可判定信号源位置、信号传播速度等。利用基于声学或电子学原理的测 量装置一般可确定管道或管道附近上有无漏点，并对漏点进行定位。声学测 漏法包括听音测漏法和声学相关法两种。利用昕音法可以很容易的找出露水 量大于o 3 m 3 h 的漏点，利用声学相关法可准确的找出漏水量低于0 3 m 3 h 的 漏点川。其检漏流程如图2 1 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 检漏前的准备工作 上 现场勘察 上 听音杆确定漏水管段 上 相关仪定位漏点位置 上 地面听漏仪确认漏点位置 上 i 钻孔或打地钎验证漏水点 上 开挖修复 上 出报告 图2 1 埋地管道检漏流程 运用相关辨识技术，对管道进行泄漏检测和漏点定位，是一项较为成熟 的检漏技术。它综合了信号检测、处理、传输和微机应用等技术，其应用取 得了较好的经济效益。管道相关检漏技术通过对泄漏引发的振动信号的处理 来完成检漏工作，根据管网系统中声信号产生和传播规律，对漏点声信号进 行检测并做相关分析，从而确定管网漏点位置。检漏原理如图2 2 所示，管 壁上漏点处的泄漏引起向漏点两侧管道中传播的声信号s ( t ) ，在a ，b 两处观 测点用传感器检测此泄漏信号。观测点处的水声声压信号为： 而( f ) = o q s ( t - t 1 )( 2 - 6 a ) x z ( t ) = 口2 s ( t t 2 ) ( 2 6 b ) 式中，如分别为管道内声波自漏点传播到测点a 和漏点b 所需的时 间，分别为相应的衰减因子。x l ( t ) ，x 2 ( t ) 分别为a ，b 两点所测的 信号，n = a txv 。 若已知五( f ) 与恐( f ) 的相对时延a t = f l - t 2 ，根据管中声速和己知的a ，b 两点的有效间距d 就可以决定漏点位置l 。 三= 圭( d - a t x 功( 2 - 7 ) 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中v 是流体声速，而时延f 可通过五o ) 和t o ) 的互相关分析确定，取足 够长的时间间隔t ，z ，0 ) 和而0 ) 间的互相关函数由下式定义： t t ( r ) = ( 1 ，) ft ( r k ( f + f ) d r ( 2 - 8 ) 图2 2 声相关检测原理图 设漏点声信号s ( t ) 为随机信号，互相关函数r 。( f ) 在f = a t 处有明显的 极大值，如图2 3 。因此，由墨。( r ) 一f 关系曲线的峰值位置就可以确定f 值， 从而根据式( 2 7 ) 可以确定漏点的位置。如果泄漏点在a ，b 两测试点之外， 则相对时延f 满足公式( 2 9 ) 。 f 世f d l v f 2 9 、 根据式( 2 7 ) n = d ，漏点的位置虽然不能够确定，但可以判断出在a ( 或 b ) 的外侧。 图2 3 互相关函数图 2 3 时延估计 时间延迟估计是近2 0 年来国际信号处理界的一个研究热点它在声纳、 雷达、生物医学和地球物理等领域都有重要的应用。时间延迟是表征信号 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的一个基本参量，对时间延迟及其有关参量估计的研究，一直是信号处理领 域中一个十分活跃的研究课题。时间延迟估计研究对信号处理、现代谱估计、 时间序列分析及相关技术等提出了新的要求，促进了这些学科和技术的进步。 2 3 1 时延估计的基本概念 所谓的时间延迟是指接收器阵列中不同接收器所接收到的同源带噪声信 号之间由于信号传输距离不同而引起的时间差。时间延迟估计是指利用参数 估计、信号处理理论和方法，对上述时间延迟进行估计和测定，并由此进一 步确定其他的有关参数，如信源目标的距离、方位、运动方向和速度等。 1 基本类型。根据目标信号源和检测系统的不同，时间延迟估计可以分 为：主动时间延迟估计和被动时间延迟估计。 主动时间延迟估计的典型例子就是主动雷达系统，雷达主动发出电磁波 搜寻目标，当信号遇到目标后，其中一部分信号发射回雷达接收系统，根据 信号发出时刻与返回时刻的时间差，就可以确定发射信号的目标方位、距离 等参量。 与主动时间延迟估计不同，被动时间延迟估计系统不主动发出信号，而 是接收目标发出的电磁波或声波去搜寻目标。这种方法不能控制接收信号的 大小。在本文中所讲述的类型就是被动时间延迟。 2 基本问题。时间延迟估计所要解决的基本问题就是：准确、迅速地估 计和测定接收器接收到的同源信号之间的时间延迟。由于在接收现场可能存 在各种噪声和干扰，接收到的目标信号往往淹没于噪声和干扰之中，因此， 对带噪声信号进行时延估计时，首先要排除噪声和干扰的影响，提高接收信 号的信噪比。 3 基本模型。在被动时间延迟估计问题中，通常都是假定信号在信道中 是以无色散球面波的形式传播的。为了便于分析和处理，常常将信号源和接 收器考虑在同一平面内。 时间延迟估计系统的基本模型为双基元模型，即有两个接收器，如图2 4 所示。图中a 、b 为相距为l 的两个接收器，s 为目标信源。设a 、b 接收 到的信号分别为五 ) 与x 2 ( t ) ： x a o ) = s o ) + p )( 2 - 1 0 a ) 1 4 哙尔滨工程大学琰七学位论文 恐( f ) = a s ( t - r ) + n 2 ( t ) ( 2 一l o b ) 式中，s q ) 为豳标信号，善为时延真值，磊为两信道接收信号的差异因子( 如 无差羿，a = 1 ) ，碡与镌国分剃茺接收割酶背景嗓声。通常骰竣葶囝、毪) 和n 2 ( t ) 均为实的正态平稳随机过程，且三者互不相关。蓍考虑离散系统，则 有 为( 彪 = s ( | j ) + 塌( 肺( 2 一l l a ) 恐( 妁= a s ( k - m ) + 恐( 蠡) 0 一l l b ) 式中膨为时延t 对应的采样点，即f = m f s ，两为系统的采样频率。式 ( 2 1 l a ) 和式( 2 1 l b ) 就是时延估计的二基元模型的数学表示。 ab 图2 4 双基元模型 2 。3 。2 时延馈计的方法 时间延遮是表征信号的一个基本参量。对于时间延迟的估计，已经提出 了许多时延估计的方法。其中，广义穗关法、广义相位谱法、广义双谱或离 阶累积量法和蠢适应法是几种基本的时延估计方法。这几种方法从不同的原 理出发，采用不同的手段褥到时延估值。 1 广义耩关时延估计。 广义时延估计法是一种最基本的时延估计方法，其基本思想是利用公式 ( 2 。1 1 ) 戆两个接收信号麓广义相关委数来菇计时闻延迟。所谓广义穗关蘧 数，就是对硝( 惫) 和( 彪) 求取相关之前，先对两路信号进行预滤波处理，它 等效于在频域痰鳇燕权处理，遮有莉予加强信号串源信号的谱分量，提高信 噪比，从而获得更高的时延估计精度。通常使用的广义加权方法有r o t h ( 以 p r r o t h 名字禽名) 加权、s c o t ( 平滑榻于变换 加权、p a t h 搬位交换) 加衩、m l ( 最大似然) 鸯籍权、h b ( 以。c h a s s a b 和r e b o u c h e r 二入名字命 名) 加权及维纳处理器( w p ) 加权等。 2 广义耪位谱时延镳计法。 在信号分析中，相位谱和幅度谱具有相同重要的地位。由维纳辛钦定理 可知，信号酶稠关函数与其功率谱是互为博立时变换。嚣姥，在对阕域壶相 1 5 哙尔滨工稷大学硕士学位论文 关函数得到的时延信息，同样可以在频域由功率谱的相位谱得到。也就是说， 信号之间的相似性，既可以用相关函数在时间域比较，也可以用功率谱密度 醋数在频域来院较。广义相位谱时延估计针对信号功率谱不够平坦对静时延 估计精度下降问题，采取对相位谱的回归直线进行加权平均，从而使时延估 计更加精确。 3 广义双谱时延估计法。 双谱定义蔻售号三阶累积基或三阶矩酶二维傅立时变换，帮 劣( 石，以) 燃r ( r ，p ) e x p ( 一j ( 2 z f v + 2 z f 2 p ) ) ( 2 一1 2 ) f = 矿； 式孛，露磊，磊) 表示双谱交数，霞 f ，虏表示信号的三除簌或三阶累计量。若 接收信号中s ( 尼) 为非正态分布的平稳随机序列，而确( k ) 和悠( 露) 为正态分布 统计独立的芷态隧规孝裂，薮鸯零均值平稳藏斯随机痔剃浆三阶矩恒炎零， 则信号而 ) 与x a k ) 之间的相似可用三阶矩或双谱来度量。这种方法可有效 黥消除正态噪声的影响，褥割较精确的融延估计值。利用广义双谱的时延彳古 计方法需要更长的数据和更大的计算量。 4 自适应时延估计法。 岗适疲滤波时延估计也称荛最小蚜方误差法，是基于癌适应滤波器瑚京 适应信号处理技术的，它是采用最小均方误差准则下的l m s 迭代算法。由于 惠适癍滤波器具有在矮优准捌控剩下，囊动调节鱼身结构和参数并实现最优 的特点，因此自适应时延估计系统和方法不依赖于有关信号和噪声的先验知 鼋避，丽且可以适用予信号统计特性变化熬时变环境。它的缺熹是：滤波器的 阶数不能太小，否则无法确定真实的时延值；迭代步长不能过小，否则计算 量大，收敛速度太慢；迭代步长不麓过大，孬受| l 会导致系统发数。 2 4 本章小结 本章梵全文酶理论基破，论文酶盛续设计开发应用都是依本章黔理论熟 识做指导进行的。侧重介绍了三个方面的原理知识，首先是声音在管道上的 传播机理，通过对该撬理的分析，得如泄漏信号的数学模型，该模型提供了 后续麴理论推导依据，同时还给出了泄漏信号沿管道传播的衰减公式以及管 道上传播速度的经验值；其次基于一般的测漏模式，利用泄漏信号的传播机 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 理，推导出普通意义下的相关函数表达式以及由表达式得出的漏点距离公式， 进而给出具有实际应用意义的相关法测漏公式；最后，详细介绍了时延估计 的概念，并简单介绍了几种时延估计的方法。 1 7 第3 章泄漏信号的处理 自来水管道泄漏检测系统中，信号处理部分是整个系统的关键核心环节。 由于存在环境噪声和系统的采样噪声，要求我们对采集的数字信号进行滤波 处理，提高信噪比。通过对采集的泄漏声信号进行f f t 分析和广义互相关 分析，得到泄漏卢信号的功率谱特征信息和双通道信号的时延信息。 3 1 功率谱 泄漏声发射信号通常具有很宽的频谱，既包括可听声波范围内的频率成 分，又包括超声频段内的频率成分。这些频率成分的信号或噪声都可能沿着 泄漏管道传播到检测传感器，因此，泄漏信号的频谱有丰富的频率成分。如 图3 1 所示，从0 - 1 0 k h z 频率范围都有一定的泄漏信号存在。我们知道，对 泄漏检测有意义的只是某一频段的信号，多余的信号不但无益，而且有害， 因此必须对检测的信号进行处理，去掉多余的成分，保留有用的成分。 频域研究的目的就是找出泄漏信号的主要频率带，然后运用适当的频率 提取方法将泄漏信号提取出来，或者是选择适当的滤波方法将次要的泄漏信 号和噪声信号滤除。从而使泄漏定位的准确性和可靠性得以提高。 罢0 0 0 0 2 图3 1 泄漏信号频谱图 确定性信号的傅里叶变换是将它分解成有限或无限多个简谐振动的叠 加，来揭示它的频谱结构。那么，对属于随机信号的泄漏声发射信号来说， 它的频谱结构是怎样的呢? 能否和确定性信号一样可以采用傅里叶变换来研 哈尔滨工程大学硕士学位论文 究它的谱结构呢? 随机信号由于它的持续期为无限长，因而它不满足绝对可积与能量可积 条件，因此它的傅里叶变换不存在，不能用它来确定此类信号的频谱。但自 相关函数作为随机信号的一个非常重要的统计特征却保存有该信号的一切频 率成分，同时以能量的形式保存了信号的幅值信息。而且随机信号的自相关 函数是一个确定函数，它