聲信號檢測與腐蝕模型法相結(jié)合的埋地水管SIM系統(tǒng)研究.pdf

1、水管泄漏容易引起一系列的嚴重后果，對人們的日常工作、生活以及工業(yè)生產(chǎn)等方面將產(chǎn)生重大影響，所以水管的泄漏檢測已越來越引起廣泛的注意。本文對目前管道檢測的前沿技術(shù)“埋地水管結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測(structuralintegritymonitoring，SIM)系統(tǒng)”進行了深入研究。針對SIM系統(tǒng)，本文著重研究了管道腐蝕模型的建立和基于聲信號的泄漏檢測。對于腐蝕模型，提出了基于模糊半馬爾科夫的水管腐蝕模型，依靠這一模型可以有效地預測水管的未來信

2、息；對于埋地水管泄漏的聲信號檢測，分析了埋地水管泄漏信號的傳播特性；提出了基于部分平移不變小波去噪方法；用ChiMerge粗糙集來識別埋地水管的泄漏信號；提出了小波包與EMD法相結(jié)合的泄漏點的定位方法。 本文的主要工作和創(chuàng)新點如下：(1)提出了基于模糊半馬爾科夫過程的埋地水管腐化模型，用以預測管道的未來泄漏狀況。埋地水管一般不容易發(fā)生泄漏，所以選擇在什么時間來檢測水管是否發(fā)生泄漏是一個關(guān)鍵的問題，本文提出的基于模糊半馬爾科夫過程

3、的埋地水管腐化模型的方法，將管道的年齡、狀況、腐蝕的程度模糊化，然后建立管道狀況的轉(zhuǎn)移矩陣，通過轉(zhuǎn)移矩陣來計算管道在未來的狀況。本方法的優(yōu)點是不需要太多的信息，而只需要知道管道當前的信息就可以預測管道將來的情況，通過預測的信息，我們就可以判斷管道在什么時間段容易發(fā)生泄漏。 (2)研究了埋地管道泄漏信號波的傳播方程，泄漏信號頻率特性以及衰減方程。利用聲信號進行水管泄漏檢測存在一個問題，即水管的泄漏信號沿管道傳播的衰減問題，利用聲信

4、號檢測是否能檢測到泄漏信號。本文通過研究埋地管道泄漏信號波傳播方程，經(jīng)過對現(xiàn)場實驗采集的泄漏信號分析，得出了泄漏信號一般處于低頻(1000Hz以下)的結(jié)論。同時推導出了s=1波在低頻下沿管道傳輸?shù)乃p方程，研究表明泄漏信號是可以被聲信號傳感器檢測的。 (3)研究了部分平移不變小波去噪方法，對埋地水管泄漏信號進行消噪，結(jié)合實際情況，提出了埋地水管泄漏信號去噪效果的新評價標準：相關(guān)系數(shù)法。針對常用的小波去噪方法的缺點和平移不變小波去

5、噪方法平移量大的缺點，本文提出了部分平移不變法。首先通過分析得出小波可以消除奇異點處于中間位置時的Gibbs，接著介紹了奇異點的檢測方法，最后詳細闡述了部分平移不變法，并根據(jù)實際情況給出了埋地水管泄漏信號去噪效果新的評價標準。仿真和實際埋地水管泄漏檢測實驗表明，上述方法在減少平移量的情況下也可以取得比較好的效果，同時提高了水管泄漏定位的精度。 (4)針對平常的一些識別方法只能識別信號，而不能將水管信號的特征簡化的不足，提出了一種

6、基于聲發(fā)射傳感器與ChiMerge粗糙集的埋地水管泄漏識別方法。這種方法首先用聲學傳感器采集數(shù)據(jù)，然后用EMD(經(jīng)驗模態(tài)分解方法)和能量特征提取相結(jié)合的方法建立決策表，通過ChiMerge算法將決策表離散化，最后通過粗糙集的約簡來識別水管泄漏。實驗表明，該方法不但有效地識別水管泄漏，還能簡化所用的特征，指出了信號的重要頻段，并能為后面的泄漏定位方法最佳頻段的選擇提供了依據(jù)。 (5)針對水管泄漏定位的方法-直接相關(guān)法受到噪聲的影響

7、，定位精度低，本文分別提出了EMD方法、小波包方法和前兩者結(jié)果相融合的方法。EMD方法是通過EMD將信號分解，然后通過能量特征提取選擇有用的IMF段，再對有用的IMF段作相關(guān)分析，最后通過比較相關(guān)系數(shù)確定泄漏位置。小波包的方法是通過小波包分解將其分為不同的頻段，再基于能量特征的提取選出有用的頻段作互相關(guān)分析，最后通過比較相關(guān)系數(shù)來確定泄漏位置。融合方法是將EMD方法與小波包方法得到結(jié)果作融和，得出最有效的結(jié)果。實驗表明，融合方法的泄漏定