供水管道泄漏信號處理與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李忠虎，劉一波，鄭欣欣，肖俊生

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，包頭 014010）

隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，美國國家儀器公司NI（National Instruments），提出了虛擬測量儀器概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使得計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。使得虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛[1]。

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱。它是一種基于G語言的32位圖形化編程語言，同時(shí)也是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。供水管道泄漏信號數(shù)據(jù)采集屬于微弱信號檢測。主要目的是在強(qiáng)噪聲背景下提取微弱的有用信號，這就要求傳感器有很大的靈敏度能感受微弱信號的變化。

②詠物言志類。據(jù)筆者統(tǒng)計(jì)，《卜算子》中雖沒有寫盡繁花，但所寫之花的種類也不在少數(shù)，達(dá)11種之多。其中，寫梅的作品便有37首，其中姜夔有詠梅八首。另直接標(biāo)有“詠梅”題目者，有陸游與朱淑真。在我國的傳統(tǒng)文化中，梅的凌寒獨(dú)放、堅(jiān)守本心為眾多讀書人所敬仰。陸游的《詠梅》即是如此，上闋寫盡梅花遭受的苦難，下闋借梅花吐露自己心中的愁緒——“無意苦爭春”。

因?yàn)槲⑷跣盘柡蛷?qiáng)噪聲干擾疊加在一起，所以在信號處理過程中就要用到小波去噪、傅里葉分析等，把這些軟件程序都集中在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)是：根據(jù)需要靈活定義儀器功能；可以多種方式顯示采集數(shù)據(jù)、對硬件的要求比較低、與其他儀器設(shè)備連接容易實(shí)現(xiàn)、有強(qiáng)大的圖形用戶界面，可以實(shí)時(shí)分析和處理[2]。

1 虛擬儀器測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以NI公司的LabVIEW2012作為開發(fā)平臺，輔以NI公司的PXI-6143同步數(shù)據(jù)采集卡作為硬件來實(shí)現(xiàn)該測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該板卡有8路同步數(shù)據(jù)采集模擬輸入通道，可以實(shí)現(xiàn)單、多通道的模擬信號采集，同時(shí)完成對信號的分析與處理。該測試系統(tǒng)的核心是可以在前面完成數(shù)據(jù)的同步采集、中期進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步分析和處理以及最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或者波形的同步輸出。虛擬儀器測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

六是移民遷安工作和諧高效。移民后續(xù)幫扶深入開展，“下基層、解民憂、辦實(shí)事”活動在中央電視臺新聞聯(lián)播專題報(bào)道。移民村社會管理創(chuàng)新工作深入推進(jìn)，384個(gè)重點(diǎn)移民村的管理創(chuàng)新全面實(shí)施，中央電視臺、中央人民廣播電臺分別進(jìn)行了專題報(bào)道。移民后期扶持項(xiàng)目計(jì)劃投資17.7億元，各項(xiàng)工作進(jìn)展順利。

圖1 虛擬儀器測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Virtual instrument measurement system structure diagram

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

實(shí)際測量系統(tǒng)不可避免地會涉及到數(shù)據(jù)存儲和管理問題，一般需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作。該程序設(shè)計(jì)主要是為操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理以及對泄漏歷史數(shù)據(jù)的查詢。在查詢模塊中，主要利用LabSQL完成對泄漏信號的添加、修改以及歷史信息的查詢功能[7]。管道泄漏查詢?nèi)绫?所示。

Mulligan動態(tài)松動術(shù)與Maitland關(guān)節(jié)松動術(shù)的不同：動態(tài)松動術(shù)強(qiáng)調(diào)患者在自然負(fù)重體位下，通過治療師的被動輔助，做無痛范圍內(nèi)的主動運(yùn)動，達(dá)到維持并擴(kuò)大關(guān)節(jié)活動范圍的技術(shù)[10]；關(guān)節(jié)松動術(shù)是通過徒手的被動運(yùn)動，治療師選擇不同振幅、不同速度的手法，達(dá)到改善關(guān)節(jié)運(yùn)動障礙或減輕關(guān)節(jié)疼痛的治療方法。Mulligan動態(tài)松動術(shù)與Kaltenborn Concept的不同：Kaltenborn在凹凸定律中進(jìn)行持續(xù)性的滑動，Mulligan在此基礎(chǔ)上加上關(guān)節(jié)主動運(yùn)動。Mulligan就是患者的主動活動和治療者的被動活動的聯(lián)合運(yùn)動[1]。

2.1 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主界面包括進(jìn)行泄漏檢測最基本的參數(shù)設(shè)置和信號處理單元。參數(shù)設(shè)置完成對管道參數(shù)的基本設(shè)置；小波去噪和時(shí)頻分析是對采集到的泄漏信號進(jìn)行分析和處理；數(shù)據(jù)存儲和查詢是對歷史數(shù)據(jù)管理與回放查詢；互相關(guān)是最后的漏點(diǎn)定位。系統(tǒng)主界面如圖2所示[3]。

（2）優(yōu)化商品的營銷策略，通過對用戶對電子商務(wù)平臺Web頁面的訪問，采集用戶各類評價(jià)數(shù)據(jù)，進(jìn)行挖掘分析?？梢猿浞至私庥脩粼谑褂蒙唐泛蟮恼媲懈惺?，從而優(yōu)化商品營銷的策略。針對不同的產(chǎn)品進(jìn)行制定不同的營銷策略，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同的產(chǎn)品優(yōu)惠、各類型促銷活動的策略方針，實(shí)現(xiàn)商品銷售利潤的最大化。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序框圖Fig.2 Block diagram of data acquisition program

2.2 小波去噪程序設(shè)計(jì)

在實(shí)際的供水管道泄漏檢測中，聲發(fā)射傳感器SR10采集到的泄漏信號往往包含其他成分，例如低頻諧波干擾和高頻噪聲、外部硬件電路的影響、電機(jī)震動等。本文專門設(shè)置了小波去噪程序，它的處理過程可分為3個(gè)步驟：1）小波分解：選擇適合供水管道泄漏的小波并確定它的分解層數(shù)，進(jìn)行分解計(jì)算；2）小波分解的高頻噪聲系數(shù)閾值量化：對各個(gè)分解尺度下的高頻系數(shù)選擇一個(gè)合適的閾值進(jìn)行量化處理；3）小波重構(gòu)：對最低層的低頻系數(shù)和各個(gè)層數(shù)的高頻系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)。使小波去噪盡可能地降低低頻諧波干擾和高頻噪聲。小波去噪波形如圖3所示[4]。

圖3 小波去噪處理波形Fig.3 Waveform of wavelet denoising processing

2）譯碼單元：對AHB-Lite下發(fā)的地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，并分派給相關(guān)的寄存器；將控制單元的處理的結(jié)果送回總線；譯碼單元包括數(shù)據(jù)輸入寄存器和控制寄存器，控制寄存器主要控制加速核的工作模式和標(biāo)志起始工作狀態(tài)。

2.3 時(shí)頻分析程序設(shè)計(jì)

全面落實(shí)黨對機(jī)構(gòu)編制工作的集中統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，精干設(shè)置各級政府部門及其內(nèi)設(shè)機(jī)構(gòu)，科學(xué)配置權(quán)力，減少機(jī)構(gòu)數(shù)量，簡化中間層次，推行扁平化管理，形成自上而下的高效率組織體系。

在傳統(tǒng)的信號處理過程中，時(shí)域和頻域分析法是觀察信號幅值和頻率的2種方式。它們之間是通過傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)的。時(shí)域和頻域的優(yōu)點(diǎn)在于從整體上觀察信號的時(shí)間、幅值和頻率的分布情況。而它們的缺點(diǎn)在于缺乏局部性信息，不能完全揭示幅值、頻率分量在同一幅圖中隨時(shí)間變化的情況[5]。因此，為了改善傳統(tǒng)的傅氏變換不能滿足局部性的信息，提出了全局性轉(zhuǎn)變?yōu)榫植啃缘恼f法，即用時(shí)間和頻率的聯(lián)合函數(shù)來表征信號，這就是時(shí)頻分析法。它的優(yōu)點(diǎn)在于將時(shí)間、頻率進(jìn)行了局部化，通過時(shí)間軸和頻率軸2個(gè)坐標(biāo)軸組成的時(shí)頻分析圖，可推測出全部信號在局部時(shí)域圖內(nèi)的頻率分布和組成，或者可得出全部信號的頻率帶在時(shí)間軸上的分布、排列情況。時(shí)頻分析程序如圖4所示。

圖3是在實(shí)驗(yàn)室搭建的3層管道泄漏信號處理系統(tǒng)采集到的波形，首端和末端是在打開2個(gè)漏點(diǎn)采集到的原始波形，從原始波形圖中可以看出泄漏信號包含很多諧波干擾、高頻噪聲和環(huán)境噪聲等。從去噪的結(jié)果圖中可以看出，小波去噪能有效地消除干擾和噪聲，并且很好地恢復(fù)原始信號波形，達(dá)到了預(yù)期去除噪聲的目的。因此，在實(shí)際管道泄漏信號處理過程中運(yùn)用小波去噪處理信號是可行的。

圖4 時(shí)頻分析程序框圖Fig.4 Time frequency analysis program diagram

從時(shí)頻分析圖中可以看出，原始波形圖經(jīng)過小波去噪再經(jīng)過傅里葉變換后的頻率主要集中在500 Hz～1000 Hz之間，大約是在750 Hz左右，而經(jīng)過查詢得知，泄漏信號的頻率大部分集中在50 Hz～2000 Hz的范圍內(nèi)，說明實(shí)驗(yàn)室搭建的管道泄漏系統(tǒng)比較符合實(shí)際要求。

為了在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證真實(shí)的管道泄漏信號的頻率與干擾大小的關(guān)系，人為制造了比較大的噪聲，得到的時(shí)域圖和頻域圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 有噪聲的振動信號時(shí)域圖Fig.5 Graphs the vibration signal noise

圖6 有噪聲的振動信號頻域圖Fig.6 Vibration frequency of the signal noise

該泄漏歷史查詢表格是在滿足 “采集人=劉一波”的情況下查到的管道泄漏情況，它的泄漏位置是距離首端傳感器的距離。經(jīng)過程序檢測到的泄漏位置與實(shí)際漏點(diǎn)位置誤差不大，滿足實(shí)際要求。

2.4 數(shù)據(jù)存儲和查詢程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集和信號處理系統(tǒng)以LabVIEW2012為軟件設(shè)計(jì)平臺，由同步數(shù)據(jù)采集卡PXI-6143和計(jì)算機(jī)組成。在供水管道上采集到的實(shí)時(shí)泄漏信號數(shù)據(jù)，直接通過數(shù)據(jù)采集卡傳入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對傳入進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波去噪、時(shí)域與頻域分析處理、顯示，并保存處理結(jié)果。該系統(tǒng)提供了良好的人機(jī)交互界面，主要包括3部分：1）數(shù)據(jù)采集界面，工作人員可以實(shí)時(shí)地在該面板上設(shè)置系統(tǒng)的采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)；2）小波去噪窗口，用戶可以在該面板上看到去噪后波形，同時(shí)可以設(shè)置信號頻率、截止頻率和階數(shù)；3）數(shù)據(jù)處理窗口，在該窗口上可以看到相關(guān)的數(shù)據(jù)處理波形。

表1 泄漏查詢表Tab.1 Leakage of the query table

從時(shí)域圖和頻域圖可以得出結(jié)論，當(dāng)有瞬時(shí)的干擾噪聲出現(xiàn)時(shí)（0.7 s）泄漏信號的幅值出現(xiàn)了明顯的波動，幅值突然增加到1附近，說明波形不平穩(wěn)，而在頻域圖（0.7 s）中，頻率同樣也出現(xiàn)了瞬時(shí)突變。綜合上述2幅圖說明，在有大的干擾噪聲存在時(shí)，供水管道泄漏信號表現(xiàn)出不平穩(wěn)的波形，說明外界干擾噪聲是一種波動的干擾噪聲，會引起管道泄漏信號的波動[6]。

3 互相關(guān)處理結(jié)果分析

信號的相關(guān)性是指某一個(gè)信號在2個(gè)不同時(shí)刻或者2個(gè)信號在同一時(shí)刻的近似程度。相關(guān)性大體分為自相關(guān)和互相關(guān)2種，自相關(guān)是測試信號中是否含有周期性或者從隨機(jī)信號中提取被淹沒的周期信號，以實(shí)現(xiàn)信號的提取與識別。互相關(guān)是測試2個(gè)信號的相關(guān)延時(shí)時(shí)間。本文主要利用互相關(guān)，同時(shí)結(jié)合下位機(jī)及相關(guān)算法對泄漏位置進(jìn)行相關(guān)定位[7]?；ハ嚓P(guān)分析圖如圖7所示。

為了驗(yàn)證互相關(guān)定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，筆者進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，每一次采樣頻率都設(shè)置為4000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為10000個(gè)。圖7為一次數(shù)據(jù)采集在經(jīng)過小波去噪、時(shí)頻分析等信號處理后，進(jìn)行的互相關(guān)預(yù)算結(jié)果，首端和末端分別對應(yīng)傳感器所檢測的波形。

圖7 互相關(guān)分析圖Fig.7 Correlation analysis chart

財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)是企業(yè)經(jīng)營活動中經(jīng)常面臨的問題，因此，為了提高國有企業(yè)經(jīng)營能力，減少資金成本的流失，就應(yīng)重視企業(yè)自身財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)防范能力的提高，以此來減少風(fēng)險(xiǎn)問題的出現(xiàn)和對企業(yè)造成的影響。在進(jìn)行企業(yè)的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)防范時(shí)，可以從以下幾方面進(jìn)行考慮：

在泄漏檢測實(shí)驗(yàn)中，通過安裝在管道兩端的傳感器來獲取泄漏信號。從圖7中可以看出，首端傳感器到達(dá)時(shí)間比末端傳感器到達(dá)時(shí)間要早5.5 ms，因此互相關(guān)的時(shí)延估計(jì)值為負(fù)數(shù)。實(shí)驗(yàn)室采用的管道內(nèi)徑為90 mm的鋼管道和內(nèi)徑為90 mm的PVC管道，2個(gè)傳感器相距21 m，根據(jù)互相關(guān)定位方法，傳感器1和傳感器2接收到的泄漏信號分別為

那么，2個(gè)泄漏信號的相關(guān)函數(shù)為

設(shè)泄漏信號的周期為T0=2π/ω0，那么將式帶入后可得

2路信號的相關(guān)函數(shù)可以認(rèn)為是由1個(gè)參數(shù)和1個(gè)sinc函數(shù)的乘積組成。所以當(dāng)式（4）成立時(shí)τm＝（rA-rB）/v，兩泄漏信號的最大相關(guān)延時(shí)，即相關(guān)函數(shù)峰值出現(xiàn)的時(shí)間，τm正負(fù)代表泄漏點(diǎn)距離哪個(gè)傳感器更近，如果τm為正值，表示漏點(diǎn)距離首端較近，漏點(diǎn)與首端傳感器的距離為rA=rB-τmv

2個(gè)傳感器之間的距離可以直接測量獲得，設(shè)兩傳感器間的距離為L，并設(shè)rA=L，則有rB=L-L1，將其帶入式可得漏點(diǎn)與傳感器1的距離為

所以可以計(jì)算出漏點(diǎn)距離首端傳感器的距離為D=7.1 m，實(shí)際檢測中漏點(diǎn)距離首端傳感器的距離為7.6 m，誤差不大。定位結(jié)果表明基于時(shí)延估計(jì)的互相關(guān)分析法具有較高的準(zhǔn)確性，誤差大部分都能控制在3%以內(nèi)，基本滿足了實(shí)際工程的需要。表2給出了多次測量的互相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際的漏點(diǎn)位置對比情況。

表2 泄漏檢測多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和真實(shí)對比Tab.2 Leak detection experiments results and real contrast

從表2中也可以看出，互相關(guān)定位法具有較高的應(yīng)用價(jià)值。影響測量誤差的主要因素包括波的傳播速度、傳感器靈敏度和噪聲等?？偟膩碚f，基于時(shí)延估計(jì)的互相關(guān)定位法能夠準(zhǔn)確地定位漏點(diǎn)位置。

4 結(jié)語

文章以LabVIEW為開發(fā)平臺，配合PXI-6143數(shù)據(jù)采集卡，開發(fā)了操作簡單、界面友好的供水管道泄漏信號數(shù)據(jù)采集和信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、信號分析、互相關(guān)定位等技術(shù)。完成了對泄漏信號的波形顯示、濾除噪聲、相關(guān)分析等。本文設(shè)計(jì)的測試測量系統(tǒng)充分體現(xiàn)了虛擬技術(shù)和Lab-VIEW軟件開發(fā)平臺在信號采集和處理中的強(qiáng)大功能，在一定程度上縮短了管道泄漏檢測系統(tǒng)的開發(fā)周期并降低了開發(fā)成本。同時(shí)該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于測試測量領(lǐng)域，完成對信號的實(shí)時(shí)采集和處理，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

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