聲信號(hào)檢測(cè)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(yán)重后果，對(duì)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(cè)已越來(lái)越引起廣泛的注意。本文對(duì)目前管道檢測(cè)的前沿技術(shù)“埋地水管結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測(cè)(structuralintegritymonitoring，SIM)系統(tǒng)”進(jìn)行了深入研究。針對(duì)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(hào)的泄漏檢測(cè)。對(duì)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(yù)測(cè)水管的未來(lái)信

2、息；對(duì)于埋地水管泄漏的聲信號(hào)檢測(cè)，分析了埋地水管泄漏信號(hào)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(lái)識(shí)別埋地水管的泄漏信號(hào)；提出了小波包與EMD法相結(jié)合的泄漏點(diǎn)的定位方法。 本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：(1)提出了基于模糊半馬爾科夫過(guò)程的埋地水管腐化模型，用以預(yù)測(cè)管道的未來(lái)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(shí)間來(lái)檢測(cè)水管是否發(fā)生泄漏是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，本文提出的基于模糊半馬爾科夫過(guò)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(guò)轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)計(jì)算管道在未來(lái)的狀況。本方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要太多的信息，而只需要知道管道當(dāng)前的信息就可以預(yù)測(cè)管道將來(lái)的情況，通過(guò)預(yù)測(cè)的信息，我們就可以判斷管道在什么時(shí)間段容易發(fā)生泄漏。 (2)研究了埋地管道泄漏信號(hào)波的傳播方程，泄漏信號(hào)頻率特性以及衰減方程。利用聲信號(hào)進(jìn)行水管泄漏檢測(cè)存在一個(gè)問(wèn)題，即水管的泄漏信號(hào)沿管道傳播的衰減問(wèn)題，利用聲信

4、號(hào)檢測(cè)是否能檢測(cè)到泄漏信號(hào)。本文通過(guò)研究埋地管道泄漏信號(hào)波傳播方程，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)采集的泄漏信號(hào)分析，得出了泄漏信號(hào)一般處于低頻(1000Hz以下)的結(jié)論。同時(shí)推導(dǎo)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(hào)是可以被聲信號(hào)傳感器檢測(cè)的。 (3)研究了部分平移不變小波去噪方法，對(duì)埋地水管泄漏信號(hào)進(jìn)行消噪，結(jié)合實(shí)際情況，提出了埋地水管泄漏信號(hào)去噪效果的新評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：相關(guān)系數(shù)法。針對(duì)常用的小波去噪方法的缺點(diǎn)和平移不變小波去

5、噪方法平移量大的缺點(diǎn)，本文提出了部分平移不變法。首先通過(guò)分析得出小波可以消除奇異點(diǎn)處于中間位置時(shí)的Gibbs，接著介紹了奇異點(diǎn)的檢測(cè)方法，最后詳細(xì)闡述了部分平移不變法，并根據(jù)實(shí)際情況給出了埋地水管泄漏信號(hào)去噪效果新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。仿真和實(shí)際埋地水管泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)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(shí)提高了水管泄漏定位的精度。 (4)針對(duì)平常的一些識(shí)別方法只能識(shí)別信號(hào)，而不能將水管信號(hào)的特征簡(jiǎn)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(shí)別方法。這種方法首先用聲學(xué)傳感器采集數(shù)據(jù)，然后用EMD(經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(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(guò)ChiMerge算法將決策表離散化，最后通過(guò)粗糙集的約簡(jiǎn)來(lái)識(shí)別水管泄漏。實(shí)驗(yàn)表明，該方法不但有效地識(shí)別水管泄漏，還能簡(jiǎn)化所用的特征，指出了信號(hào)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(duì)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(guò)EMD將信號(hào)分解，然后通過(guò)能量特征提取選擇有用的IMF段，再對(duì)有用的IMF段作相關(guān)分析，最后通過(guò)比較相關(guān)系數(shù)確定泄漏位置。小波包的方法是通過(guò)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(guò)比較相關(guān)系數(shù)來(lái)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(shí)驗(yàn)表明，融合方法的泄漏定