基于小波變換的長輸管道泄露音波信號檢測方法研究

劉剛

摘 ?要：長輸管道的泄露會造成嚴重后果，因此對其進行泄露信號的檢測是十分必要的。針對該問題，提出基于小波變換的長輸管道泄露音波信號檢測方法研究?；谛〔ㄗ儞Q的方法對音波信號處理進行設(shè)計，利用小波變換多分辨率和時頻局域化的優(yōu)勢，提出一種全新的長輸管道泄露音波信號檢測方法。通過與傳統(tǒng)檢測方法對比實驗，證明新的檢測方法能夠更加精準地找出泄露異常點的位置，提高維修工作效率。

關(guān)鍵詞：小波變換 ?長輸管道 ?泄露 ?音波信號

中圖分類號：TE973.6 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）03（b）-0019-02

長輸管道的泄露檢測技術(shù)是一項保證管道安全、平穩(wěn)運輸?shù)闹匾夹g(shù)，也是研究人員長期以來研究的重點課題。長輸管道泄露的檢測方法可以分為直接方法和間接方法[1]。直接方法是通過直接檢測損傷部位或泄露氣體，來判斷具體的泄露情況，這類方法應(yīng)用較廣，但缺點在于需要消耗大量的人力和物力，且檢測不夠及時，因此不適用于對長輸管道的泄露檢測。間接檢測方法是利用相應(yīng)的計算機系統(tǒng)對管道的溫度、壓力等參數(shù)進行在線檢測，檢測系統(tǒng)中通常包括傳感器設(shè)備、信號采集、數(shù)據(jù)通信等，通過分析處理采集到的信號，對長輸管道的泄露位置進行判斷。這種方法具有及時性、準確性和經(jīng)濟性。隨著長輸管道自動化的發(fā)展，這種間接檢測方法將成為必然的趨勢。

1 ?基于小波變換的音波信號處理方法設(shè)計

1.1 泄露音波信號去噪處理

通常情況下，以去噪后的原始音波信號與噪聲的能量的比值來判斷去噪性能的好壞，比值越大，說明去噪性能越好。在實際工程中，原始音波信號往往是未知的，為了更好地比較各音波信號參數(shù)下的去噪性能，需要對泄露信號進行擬合處理，獲取到一條能夠反應(yīng)泄露信號的基準曲線[2]。假設(shè)在4MP泄漏點上開啟一個0.8mm的擬合曲線，其公式可以表達為：

公式中，s為擬合曲線;n為信噪?yún)?shù)。在實際情況中的噪聲信號，雖然從統(tǒng)計特性上來看，具有白噪聲的特性，但并不具有白噪聲的所有特性，實際的噪聲遠遠沒有白噪聲理性。因此，該文選用一種加入噪聲時摒棄的方法，將沒有發(fā)生泄露情況下采集到的信號數(shù)據(jù)看作是傳輸管道泄露音波信號的背景噪聲，將背景噪聲疊加到上文通過計算擬合的曲線上，以此判斷當發(fā)生泄漏時采集到的音波信號。

1.2 泄露音波信號時頻分析

時頻分析時常見的信號分析方法，具備同時展現(xiàn)信號在時域以及頻域中的特征信息，實現(xiàn)對頻域和時域的局部化分析，具有多分辨率的特征優(yōu)勢?；谛〔ㄗ儞Q的時頻分析，實質(zhì)上是時間和尺度的分析，對每一個尺度中對應(yīng)的頻帶進行分析，尺度越大說明頻帶越小，且在尺度中包含了音波信號的頻域信息[3]。音波信號的尺度對應(yīng)一個頻帶范圍，為了更加直觀地表現(xiàn)出頻率的特征，可以一個尺度代表一個假擬頻率。

2 ?基于小波變換的長輸管道泄露音波信號檢測方法設(shè)計

2.1 算法流程

將采集到的音波信號以數(shù)據(jù)文本格式存儲，根據(jù)采集到的音波信號對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行改進。當檢測設(shè)備指示燈為紅色時代表該位置發(fā)生了泄露問題，若指示燈為綠色則說明未發(fā)生泄露。流程如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

獲取到的原始音波信號數(shù)據(jù)是以文本的格式存儲的，包含音波信號相應(yīng)的序號信息以及時間標簽，因此需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理提取出有價值的音波數(shù)據(jù)，再利用小波變換對其進行去噪處理。由于音波信號集中在低頻區(qū)域，高頻部分對特征的提取影響不大，為了降低檢測方法的復(fù)雜程度，選用小波變換方法，對音波信號進行強制去噪處理，將小波信號分解系數(shù)中的高頻部分全部置零，排出高頻中的細節(jié)部分，重構(gòu)分解系數(shù)，獲取去噪后的有利數(shù)據(jù)。

2.3 特征提取

提取出音波信號中的均值、方差、密度等參數(shù)信息，由于頻帶小波系數(shù)是小波分解的近似部分系數(shù)，因此可以采取將小波分解的方法代替小波包分解，獲取音波信號中的相應(yīng)特征值。

2.4 泄露點診斷

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泄露音波信號診斷是將文本格式的樣本特征矩陣在電子表格中讀寫，再將其轉(zhuǎn)化為數(shù)組，輸入到循環(huán)體中，利用樣本矩陣對上文提取到的相應(yīng)特征值歸一化，并將其作為輸入量，再通過計算分解得到最終的結(jié)果。

數(shù)據(jù)輸入循環(huán)體中包含自動索引和關(guān)閉自動索引兩種連接方式，自動索引是根據(jù)輸入數(shù)組長度設(shè)定相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，使循環(huán)次數(shù)與數(shù)組長度一致，每次處理一個數(shù)據(jù)組中的元素。在該文設(shè)計的泄露診斷方法中，要將所有的輸入量一次性輸入到循環(huán)中，因此要根據(jù)設(shè)定的循環(huán)數(shù)量對數(shù)據(jù)進行處理，選用關(guān)閉自動索引的連接方式。

3 ?實驗論證分析

3.1 實驗準備

為了驗證該文方法的實用性，將該文方法與傳統(tǒng)方法進行對比實驗。選用兩段時間長度相同，頻率不同的正弦信號，設(shè)采樣的間隔為1ms，將兩段信號進行連接，使該信號成為非平穩(wěn)信號，制造出異常點。

3.2 實驗結(jié)果及分析

在保證其他外界干擾因素均相同的情況下，完成實驗。將實驗過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進行記錄，圖2為兩種方法對長處管道泄露音波信號的檢測結(jié)果。

從圖2中可以看出，該文方法與傳統(tǒng)方法相比，檢測精度更高，且能夠更加具體地檢測出長輸管道的泄露位置，因此可以說明，該文設(shè)計的檢測方法能夠更加精準地找出泄露異常點的位置，提高維修工作效率，對于長輸管道的正常運行具有重要的應(yīng)用價值。

4 ?結(jié)語

通過實驗證明，該文提出的檢測方法與傳統(tǒng)的檢測方法相比，檢測效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方法，能夠?qū)﹂L輸管道的泄露位置進行準確的定位，大大縮短了檢修人員對其進行維修的時間。因此，基于小波變換的長輸管道泄露音波信號檢測方法具有更好的發(fā)展前景。

參考文獻

[1] 楊浩瓏，李龍.基于小波變換理論的石油管道油氣泄露信號檢測[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2017，37（6）：19-20.

[2] 李玉星，劉翠偉，方麗萍，等.基于混沌振子的輸氣管道微泄漏音波信號處理方法[J].油氣儲運，2017，36（6）：683-688.

[3] 王少峰，劉朋真，王建國，等.基于小波包熵與Gabor小波變換的管道連續(xù)型泄漏源定位[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017，35（9）：98-102.