供水管道泄漏檢測定位中的信號分析及處理研究.pdf

1、由于各種人為和自然因素,比如管道腐蝕、地質(zhì)沉降和城市建設(shè)等,城市供水管網(wǎng)泄漏事故時有發(fā)生,不可避免,若不能及時發(fā)現(xiàn)泄漏故障管道和確定管道泄漏位置,將造成大量水資源浪費。目前對壓力管道泄漏檢測與定位的主要研究工作集中在長輸油、輸氣管道上,研發(fā)了解決相應(yīng)實際問題的漏點發(fā)現(xiàn)和定位方法及儀器系統(tǒng)。由于供水管網(wǎng)與長輸油管道和輸氣管道在空間分布、構(gòu)成及工作條件上存在較大的差異,供水管網(wǎng)具有自身特點:1)管網(wǎng)空間分布復雜,主副及更次級管道組成一個復雜

2、的拓撲管網(wǎng)系統(tǒng),分支多、節(jié)點多;2)主副及更次級管道供水負荷不同,因此,在一個管網(wǎng)系統(tǒng)中的管道條件(如管內(nèi)供水壓力、管道材質(zhì)、管徑、管壁厚度、管道間接口形式和管道埋設(shè)條件等)復雜多變,主副及更次級管道條件差異較大;3)泄漏形式多種多樣,包括小孔、裂紋和管道接口破裂等。因此,通常用于輸油或輸氣管道的泄漏檢測與定位方法較難在供水管道上應(yīng)用。目前,基于泄漏聲信號處理的方法已廣泛應(yīng)用在供水管道泄漏檢測與定位中,主要的研究工作集中在泄漏聲信號的傳

3、播機理、各種時延估計定位算法優(yōu)化和泄漏檢測儀器系統(tǒng)構(gòu)建上,對泄漏聲信號產(chǎn)生機理、泄漏聲信號特征提取及辨識,以及解決我國供水管道泄漏檢測定位中所面臨的實際問題做的工作或研究較少,如傳統(tǒng)時延估計泄漏定位方法需要準確知道被測管道長度和泄漏聲傳播速度這兩個參數(shù),但在實際應(yīng)用中,兩參數(shù)存在較大誤差或難以獲得,常導致定位不準或錯誤。針對以上問題,論文主要研究工作如下:1.根據(jù)流體力學和計算流體動力學基本理論,分析了因泄漏引起的泄漏管段流場,認為因泄

4、漏引起的管內(nèi)空泡聲、湍流聲和湍流附面層脈動壓力是引起泄漏處管道振動的激勵源,分析了管道泄漏條件(開口大小、管內(nèi)壓力等)與空泡聲、湍流聲和湍流附面層脈動壓力間的關(guān)系;應(yīng)用薄殼振動理論研究了在上述激勵源下的管道振動特性。進行了泄漏聲產(chǎn)生機理實驗,驗證了管道泄漏條件與泄漏聲信號間的關(guān)系。2.從泄漏聲產(chǎn)生機理出發(fā),分析了管道泄漏處湍流擬序結(jié)構(gòu)與空泡間相互作用的機理,認為在該機理作用下,泄漏聲信號產(chǎn)生過程具有“不可重復”的特征;由于相關(guān)函數(shù)具有分

5、析時間序列擬序結(jié)構(gòu)的能力,且近似熵從統(tǒng)計的角度區(qū)別時間過程的復雜性,因此,提出將信號相關(guān)分析和近似熵理論相結(jié)合的方法,提取泄漏聲信號“不可重復”的特征,辨識管道泄漏故障發(fā)生;在實際檢測現(xiàn)場,由于各種管內(nèi)和管外固定聲源噪聲(如閥門噪聲、工地施工噪聲等)常導致泄漏誤判和漏點定位錯誤,重點分析了管內(nèi)固定噪聲源(閥門噪聲和接口噪聲)的產(chǎn)生機理和特征,為復雜干擾環(huán)境下的泄漏辨識提供理論支持。將提出的泄漏信號特征提取和辨識方法應(yīng)用于實際供水管道泄漏

6、檢測中,在各種管內(nèi)管外干擾源下,提出的方法與其他方法相比具有低的漏檢和誤檢率。3.闡述了廣義互相關(guān)、自適應(yīng)濾波等時延估計方法的基本原理及其在泄漏定位中的應(yīng)用,分析了這些傳統(tǒng)定位方法在實際泄漏點定位中存在的問題。4.研究了泄漏聲信號在以管道、管內(nèi)流體和管道埋設(shè)介質(zhì)等構(gòu)成的信道中傳播的特征,從而構(gòu)建了新的泄漏信號傳感模型;闡述了盲系統(tǒng)辨識基本原理,由于泄漏聲信號傳播信道是高階系統(tǒng),且信道間存在病態(tài)問題,因此,提出采用overlap-save

7、和相關(guān)函數(shù)配準原理構(gòu)建代價函數(shù),解決高階信道估計和信道間的病態(tài)問題;采用遺傳算法對多目標函數(shù)進行全局最優(yōu)化,避免梯度算法收斂陷入局部最小點,對泄漏聲信道辨識進行優(yōu)化。通過高階信道盲辨識仿真及實際泄漏聲傳播信道盲辨識,驗證了該方法的有效性。5.實際泄漏檢測定位環(huán)境中,不可避免存在干擾噪聲,尤其是各種突發(fā)干擾噪聲,分析了該類噪聲對泄漏聲傳播信道盲辨識的影響,提出了突發(fā)干擾噪聲抑制方法;借助泄漏聲信道盲辨識,研究了泄漏聲傳播速度與管道條件間的

8、關(guān)系,進而獲得一種不依賴聲傳播速度的泄漏定位方法;通過從辨識的泄漏聲傳播信道中提取新的定位參數(shù),獲得不依賴管道長度的泄漏定位方法。盲系統(tǒng)辨識與傳統(tǒng)時延估計泄漏定位方法實際應(yīng)用結(jié)果表明,盲系統(tǒng)辨識方法具有高于傳統(tǒng)定位方法的應(yīng)用優(yōu)勢和定位精度。6.應(yīng)用多功能、高性能的數(shù)字混合信號處理器構(gòu)成實時數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理嵌入式系統(tǒng),實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的分布采集;以性價比極高的便攜式個人計算機為儀器系統(tǒng)主機,采用虛擬儀器技術(shù),將泄漏聲信號特征提取及辨識方法、盲