本發(fā)明涉及管道信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種輸油管道微小泄漏信號(hào)識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

國(guó)內(nèi)外管道工作者一直致力于管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究，目前國(guó)內(nèi)常用的管道檢測(cè)方法按照檢測(cè)裝置的所處位置不同分為外部檢測(cè)法和內(nèi)部檢測(cè)法。

外部檢測(cè)法中應(yīng)用較為廣泛的為負(fù)壓波法，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，該點(diǎn)產(chǎn)生瞬態(tài)的壓力下降，產(chǎn)生負(fù)壓波并沿管壁以特定的速度傳播至管道兩端，并由壓力傳感器采集到該負(fù)壓波，根據(jù)負(fù)壓波的傳輸速度以及到達(dá)兩端傳感器的時(shí)間差即可定位。外部檢測(cè)法只能檢測(cè)突發(fā)性的大泄漏，對(duì)于微小泄漏不敏感，而且經(jīng)常出現(xiàn)漏報(bào)現(xiàn)象。

內(nèi)檢測(cè)法在管道內(nèi)放置搭載聲音傳感器的內(nèi)檢測(cè)器，在油品的推動(dòng)下沿管線前進(jìn)，能夠在泄漏點(diǎn)附近采集泄漏聲音信號(hào)，因此能夠檢測(cè)泄漏量小于1L/min的微小泄漏信號(hào)，但是管道內(nèi)背景噪音復(fù)雜，包括：內(nèi)檢測(cè)器與管壁的摩擦碰撞聲、周圍環(huán)境噪音(車輛、河流)等，需要采用合適的信號(hào)處理方法把泄漏信號(hào)有效的識(shí)別出來(lái)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種輸油管道微小泄漏信號(hào)識(shí)別方法，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了泄漏信號(hào)的有效識(shí)別，詳見(jiàn)下文描述：

一種輸油管道微小泄漏信號(hào)識(shí)別方法，所述識(shí)別方法包括以下步驟：

選擇db4～10系列小波函數(shù)作為小波變換的小波基，確定小波分解的層數(shù)為4層；

采用MALLAT塔式算法，對(duì)原始聲音信號(hào)進(jìn)行4層離散小波分解，并選擇第三尺度和第四尺度的細(xì)節(jié)信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)得到去噪信號(hào)；

對(duì)去噪信號(hào)按照時(shí)間進(jìn)行均勻分割，得到分割后的聲音信號(hào)片段；

對(duì)每一個(gè)分割后的聲音片段作短時(shí)傅里葉變換，得到變換矩陣；利用變換矩陣制作聲音信號(hào)的歸一化能量圖；根據(jù)歸一化能量圖，判斷輸油管道是否發(fā)生微小泄漏。

其中，所述用MALLAT塔式算法，對(duì)原始聲音信號(hào)進(jìn)行4層離散小波分解，并選擇第三尺度和第四尺度的細(xì)節(jié)信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)得到去噪信號(hào)的步驟具體為：

根據(jù)離散后的小波基獲取小波分解的高通濾波器和低通濾波器；

獲取各層分解下的細(xì)節(jié)信號(hào)，以及第四層分解后的近似信號(hào)；

保留第三層和第四層的細(xì)節(jié)信號(hào)，其余項(xiàng)置0，逐層的重構(gòu)信號(hào)，最終得到去噪信號(hào)。

其中，所述利用變換矩陣制作聲音信號(hào)的歸一化能量圖的步驟具體為：

計(jì)算幅值矩陣；定義聲音信號(hào)的歸一化能量公式；

以時(shí)間作為橫坐標(biāo)，單位時(shí)間間隔為t_a，相應(yīng)的縱坐標(biāo)值為歸一化能量，得到聲音信號(hào)的歸一化能量圖。

其中，所述根據(jù)歸一化能量圖，判斷輸油管道是否發(fā)生微小泄漏的步驟具體為：

設(shè)定一個(gè)泄漏發(fā)生閾值系數(shù)β和泄漏時(shí)間閾值系數(shù)α，在歸一化能量圖上以y＝β畫(huà)一條閾值線，找出歸一化能量P(x)≥β的點(diǎn)，并記錄下連續(xù)超出閾值線的點(diǎn)的個(gè)數(shù)Z；

若Z≥α，且相應(yīng)的P(x)值符合先增加后減小的趨勢(shì)，則判定該處有微小泄漏發(fā)生。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：傳統(tǒng)的外檢測(cè)方法(比如負(fù)壓波檢測(cè)法、流量平衡法)只能對(duì)突發(fā)性的大泄漏(泄漏流量大于總流量的1％)進(jìn)行有效的檢測(cè)，無(wú)法檢測(cè)出腐蝕、裂紋等缺陷引起的小泄漏。本檢測(cè)方法利用內(nèi)檢測(cè)器在泄漏源附近記錄泄漏數(shù)據(jù)，能夠檢測(cè)低至0.15L/min的微小泄漏，極大地提高了檢測(cè)靈敏度，對(duì)于維護(hù)長(zhǎng)輸石油管道的安全具有重要意義。

附圖說(shuō)明

圖1為一種輸油管道微小泄漏信號(hào)識(shí)別方法的流程圖；

圖2為小波分解的示意圖；

圖3為db6小波基與碰撞信號(hào)的示意圖；

(a)為db6小波基示意圖；(b)為碰撞信號(hào)示意圖。

圖4為聲音信號(hào)的歸一化能量圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

一種輸油管道微小泄漏信號(hào)識(shí)別方法，參見(jiàn)圖1，該識(shí)別方法包括以下步驟：

101：選擇db4～10系列小波函數(shù)作為小波變換的小波基，確定小波分解的層數(shù)為4層；

102：采用MALLAT塔式算法，對(duì)原始聲音信號(hào)進(jìn)行4層離散小波分解，并選擇第三尺度和第四尺度的細(xì)節(jié)信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)得到去噪信號(hào)；

103：對(duì)去噪信號(hào)按照時(shí)間進(jìn)行均勻分割，得到分割后的聲音信號(hào)片段；

104：對(duì)每一個(gè)分割后的聲音片段作短時(shí)傅里葉變換，得到變換矩陣；利用變換矩陣制作聲音信號(hào)的歸一化能量圖；根據(jù)歸一化能量圖，判斷輸油管道是否發(fā)生微小泄漏。

其中，步驟102中的用MALLAT塔式算法，對(duì)原始聲音信號(hào)進(jìn)行4層離散小波分解，并選擇第三尺度和第四尺度的細(xì)節(jié)信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)得到去噪信號(hào)的步驟具體為：

根據(jù)離散后的小波基獲取小波分解的高通濾波器和低通濾波器；

獲取各層分解下的細(xì)節(jié)信號(hào)，以及第四層分解后的近似信號(hào)；

保留第三層和第四層的細(xì)節(jié)信號(hào)，其余項(xiàng)置0，逐層的重構(gòu)信號(hào)，最終得到去噪信號(hào)。

其中，步驟104中的利用變換矩陣制作聲音信號(hào)的歸一化能量圖的步驟具體為：

計(jì)算幅值矩陣；定義聲音信號(hào)的歸一化能量公式；

以時(shí)間作為橫坐標(biāo)，單位時(shí)間間隔為t_a，相應(yīng)的縱坐標(biāo)值為歸一化能量，得到聲音信號(hào)的歸一化能量圖。

其中，步驟104中的根據(jù)歸一化能量圖，判斷輸油管道是否發(fā)生微小泄漏的步驟具體為：

設(shè)定一個(gè)泄漏發(fā)生閾值系數(shù)β和泄漏時(shí)間閾值系數(shù)α，在歸一化能量圖上以y＝β畫(huà)一條閾值線，找出歸一化能量P(x)≥β的點(diǎn)，并記錄下連續(xù)超出閾值線的點(diǎn)的個(gè)數(shù)Z；

若Z≥α，且相應(yīng)的P(x)值符合先增加后減小的趨勢(shì)，則判定該處有微小泄漏發(fā)生。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)上述步驟101-步驟104實(shí)現(xiàn)了對(duì)泄漏信號(hào)的有效識(shí)別，保障了輸油管道的安全性，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的需要。

實(shí)施例2

下面結(jié)合圖2-圖4、以及具體的計(jì)算公式、實(shí)例對(duì)實(shí)施例1中的方案進(jìn)行進(jìn)一步地介紹，詳見(jiàn)下文描述：

201：將聲音傳感器固定在管道內(nèi)檢測(cè)器的任意位置，在內(nèi)檢測(cè)器的運(yùn)行過(guò)程中記錄管道內(nèi)的聲音數(shù)據(jù)，隨后將聲音數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，得到原始聲音信號(hào)時(shí)間序列S(n)；

該步驟的詳細(xì)操作為：將聲音傳感器固定在管道內(nèi)檢測(cè)器里的任意位置，將內(nèi)檢測(cè)器投管巡檢，測(cè)量管道中聲音數(shù)據(jù)，巡檢完畢，取出內(nèi)檢測(cè)器，將內(nèi)檢測(cè)器記錄的聲音數(shù)據(jù)下載到上位機(jī)，進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理。

其中，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)聲音傳感器和管道內(nèi)檢測(cè)器的型號(hào)不做限制，只要能完成上述功能的器件均可，例如：管道內(nèi)檢測(cè)器可以為柱形內(nèi)檢測(cè)器或球形內(nèi)檢測(cè)器等。

202：確定離散小波分解的小波基及分解層數(shù)；

其中，離散小波變換可以通過(guò)離散化連續(xù)小波變換中的尺度參數(shù)a和平移參數(shù)b得到。取a₀、b₀為初始系數(shù)，一般取a₀>1、b₀>0；m、n分別為尺度因子和平移因子；Z為整數(shù)集。

由小波基函數(shù)得到為母小波。

相應(yīng)的離散小波變換為：

*為共軛符號(hào)。

其中，f(t)為待處理的原始信號(hào)；ψ*(a₀^-mt-nb₀)為由母小波生成的小波函數(shù)。

對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行離散小波變換，本質(zhì)就是根據(jù)信號(hào)處理的實(shí)際需要，進(jìn)行多層的小波分解。根據(jù)小波分解的原理，每做一層小波分解，將得到上一層近似(低頻)信號(hào)的細(xì)節(jié)信號(hào)(高頻部分)和近似信號(hào)(低頻部分)，輸出的下層近似分量的頻帶寬度是上層近似分量的一半，如圖2所示。

小波變換物理意義上可理解為小波基對(duì)原信號(hào)相似程度的描述，選取的小波基與原信號(hào)在形狀上越相似，小波分解后得到的近似信號(hào)也就越能體現(xiàn)原信號(hào)的特征。內(nèi)檢測(cè)器聲音傳感器記錄的噪聲大部分為碰撞噪音，選擇與碰撞噪音信號(hào)較為相似的小波基，得到的近似信號(hào)也就能更貼近原始信號(hào)，相應(yīng)的細(xì)節(jié)信號(hào)所包含的碰撞噪聲成分也就越少，因此，相對(duì)于數(shù)字濾波，通過(guò)離散小波變換得到的信號(hào)去噪效果更好。

小波基家族中，db4～10小波與碰撞噪聲具有較高的相似度，圖3所示為db6小波與典型的碰撞噪聲形狀，因此選擇db4～10系列小波函數(shù)作為小波變換的小波基。一般聲音傳感器的采樣頻率f_s在40000-50000Hz之間，實(shí)驗(yàn)表明微小泄漏信號(hào)的頻帶分布主要集中在500Hz～3500Hz之間，同時(shí)碰撞噪聲的頻帶分布集中在1000Hz以下，由小波分解原理可知，經(jīng)過(guò)4層小波分解之后的近似信號(hào)A4頻帶范圍上限為1250～1562.5Hz，包含了碰撞噪聲所在的頻帶，細(xì)節(jié)信號(hào)D3與D4的合并頻帶范圍下限同樣為1250Hz～1562.5Hz，包含了大部分的微小泄漏信號(hào)成分。本實(shí)施例中，采樣頻率f_s為40000Hz。

203：根據(jù)上文確定的小波基和小波分解層數(shù)，采用MALLAT塔式算法，對(duì)原始聲音信號(hào)進(jìn)行4層離散小波分解，并選擇第三尺度和第四尺度的細(xì)節(jié)信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)得到去噪信號(hào)S'(n)。

本實(shí)施例中，使用的小波基為db6小波。

該步驟的詳細(xì)操作為：

(1)根據(jù)離散后的db6小波基獲取小波分解的高通濾波器g(k)和低通濾波器h(k)，二者具有如下關(guān)系：g(k)＝(-1)^1-kh(1-k),h(k)＝h(-k)；

其中，k為變量；h(1-k)代表g(k)的變換；h(-k)代表h(k)的變換。

(2)另原始信號(hào)序列S(n)＝a₀(n)，下標(biāo)0代表未分解的原始聲音信號(hào)，利用公式

其中，m取0時(shí)得到第一層小波分解的細(xì)節(jié)信號(hào)d₁(n)和近似信號(hào)a₁(n)，下標(biāo)m代表第m層小波分解時(shí)得到的細(xì)節(jié)信號(hào)和近似信號(hào)；a_m(k)、d_m(n)分別為m層小波分解后得到的細(xì)節(jié)信號(hào)和近似信號(hào)；h(2n-k)和g(2n-k)分別為g(k)和h(k)的變形。

(3)m分別取2、3、4，重復(fù)步驟(2)，得到各層分解下的細(xì)節(jié)信號(hào)d₁(n),d₂(n),d₃(n),d₄(n)以及第四層分解后的近似信號(hào)a₄(n)；

(4)保留d₃(n),d₄(n)，其余項(xiàng)置0，利用公式

逐層的重構(gòu)信號(hào)，最終得到去噪信號(hào)S'(n)。

其中，h(n-2k)為g(k)的變形。

204：對(duì)去噪信號(hào)S'(n)按照時(shí)間進(jìn)行均勻分割，得到分割后的聲音信號(hào)片段RS_l(n)，下標(biāo)l代表分割后的信號(hào)編號(hào)。

具體的時(shí)間分割長(zhǎng)度以30s～150s為宜，本實(shí)施例中采用的分割時(shí)長(zhǎng)T為60s。分割后的信號(hào)長(zhǎng)度N＝T·f_s。

205：對(duì)每一個(gè)分割后的聲音片段作短時(shí)傅里葉變換，得到變換矩陣F_l(i,j)，短時(shí)傅里葉變換公式為：

其中，r(n)代表所選取的窗函數(shù)，τ為虛數(shù)單位，*為共軛符號(hào)，M為窗函數(shù)的長(zhǎng)度，E為窗函數(shù)平移的步長(zhǎng)，下標(biāo)l代表對(duì)第l個(gè)聲音片段進(jìn)行處理；r*(n-iE)為平移后窗函數(shù)的共軛。

在本實(shí)施例中，窗函數(shù)選擇漢明窗，長(zhǎng)度為10000，步長(zhǎng)為1000，可得到頻域分辨率為時(shí)間分辨率為變換矩陣F_l(i,j)維度大小為2400*5000。

206：利用變換矩陣F_l(i,j)制作聲音信號(hào)的歸一化能量圖。

以下步驟分別對(duì)各個(gè)聲音片段F_l(i,j)做相同的處理，為表示方便，省去下標(biāo)l。

該步驟具體為：

(1)計(jì)算幅值矩陣Q(i,j)＝|F(i,j)|，||代表對(duì)復(fù)數(shù)求模；

(2)令數(shù)據(jù)處理的信號(hào)幀時(shí)間長(zhǎng)度為t_a，對(duì)應(yīng)的矩陣數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度定義聲音信號(hào)的歸一化能量公式為：

(3)以時(shí)間作為橫坐標(biāo)，單位時(shí)間間隔為t_a，相應(yīng)的縱坐標(biāo)值為P(x)。得到聲音信號(hào)的歸一化能量圖。

在本實(shí)施例中，t_a取0.2s。

207：根據(jù)歸一化能量圖，判斷輸油管道是否發(fā)生微小泄漏。

該步驟判斷的基本原理為：未發(fā)生泄漏時(shí)，聲音信號(hào)的能量分布較為穩(wěn)定，得到的歸一化能量圖應(yīng)該是一條較為穩(wěn)定的曲線，如圖4的②區(qū)域所示。若微小泄漏發(fā)生時(shí)，泄漏頻帶的聲學(xué)能量較高，同時(shí)由于內(nèi)檢測(cè)器在管道內(nèi)單向前進(jìn)，因此內(nèi)部搭載的聲學(xué)傳感器由遠(yuǎn)及近的靠近微小泄漏源，然后逐漸遠(yuǎn)離泄漏源，反映在歸一化能量圖上為一個(gè)具有明顯上升過(guò)程和下降過(guò)程的尖峰，該尖峰的大小由泄漏的強(qiáng)度決定，持續(xù)時(shí)間由聲音傳感器的靈敏度決定，如圖4的①區(qū)域所示。該步驟具體為：

設(shè)定一個(gè)泄漏發(fā)生閾值系數(shù)β和泄漏時(shí)間閾值系數(shù)α，在歸一化能量圖上以y＝β畫(huà)一條閾值線，找出P(x)≥β的點(diǎn)，并記錄下連續(xù)超出閾值線的點(diǎn)的個(gè)數(shù)Z。若Z≥α，且相應(yīng)的P(x)值符合先增加后減小的趨勢(shì)，則判定該處有微小泄漏發(fā)生。在本實(shí)施例中，β0.35，α取4。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)上述步驟201-步驟207實(shí)現(xiàn)了對(duì)泄漏信號(hào)的有效識(shí)別，保障了輸油管道的安全性，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的需要。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。