供水管道泄漏检测定位中的信号分析及处理研究

摘要

由于各种人为和自然因素,比如管道腐蚀、地质沉降和城市建设等,城市供水管网泄漏事故时有发生,不可避免,若不能及时发现泄漏故障管道和确定管道泄漏位置,将造成大量水资源浪费。目前对压力管道泄漏检测与定位的主要研究工作集中在长输油、输气管道上,研发了解决相应实际问题的漏点发现和定位方法及仪器系统。由于供水管网与长输油管道和输气管道在空间分布、构成及工作条件上存在较大的差异,供水管网具有自身特点:1)管网空间分布复杂,主副及更次级管道组成一个复杂的拓扑管网系统,分支多、节点多;2)主副及更次级管道供水负荷不同,因此,在一个管网系统中的管道条件(如管内供水压力、管道材质、管径、管壁厚度、管道间接口形式和管道埋设条件等)复杂多变,主副及更次级管道条件差异较大;3)泄漏形式多种多样,包括小孔、裂纹和管道接口破裂等。因此,通常用于输油或输气管道的泄漏检测与定位方法较难在供水管道上应用。目前,基于泄漏声信号处理的方法已广泛应用在供水管道泄漏检测与定位中,主要的研究工作集中在泄漏声信号的传播机理、各种时延估计定位算法优化和泄漏检测仪器系统构建上,对泄漏声信号产生机理、泄漏声信号特征提取及辨识,以及解决我国供水管道泄漏检测定位中所面临的实际问题做的工作或研究较少,如传统时延估计泄漏定位方法需要准确知道被测管道长度和泄漏声传播速度这两个参数,但在实际应用中,两参数存在较大误差或难以获得,常导致定位不准或错误。针对以上问题,论文主要研究工作如下:1.根据流体力学和计算流体动力学基本理论,分析了因泄漏引起的泄漏管段流场,认为因泄漏引起的管内空泡声、湍流声和湍流附面层脉动压力是引起泄漏处管道振动的激励源,分析了管道泄漏条件(开口大小、管内压力等)与空泡声、湍流声和湍流附面层脉动压力间的关系;应用薄壳振动理论研究了在上述激励源下的管道振动特性。进行了泄漏声产生机理实验,验证了管道泄漏条件与泄漏声信号间的关系。2.从泄漏声产生机理出发,分析了管道泄漏处湍流拟序结构与空泡间相互作用的机理,认为在该机理作用下,泄漏声信号产生过程具有“不可重复”的特征;由于相关函数具有分析时间序列拟序结构的能力,且近似熵从统计的角度区别时间过程的复杂性,因此,提出将信号相关分析和近似熵理论相结合的方法,提取泄漏声信号“不可重复”的特征,辨识管道泄漏故障发生;在实际检测现场,由于各种管内和管外固定声源噪声(如阀门噪声、工地施工噪声等)常导致泄漏误判和漏点定位错误,重点分析了管内固定噪声源(阀门噪声和接口噪声)的产生机理和特征,为复杂干扰环境下的泄漏辨识提供理论支持。将提出的泄漏信号特征提取和辨识方法应用于实际供水管道泄漏检测中,在各种管内管外干扰源下,提出的方法与其他方法相比具有低的漏检和误检率。3.阐述了广义互相关、自适应滤波等时延估计方法的基本原理及其在泄漏定位中的应用,分析了这些传统定位方法在实际泄漏点定位中存在的问题。4.研究了泄漏声信号在以管道、管内流体和管道埋设介质等构成的信道中传播的特征,从而构建了新的泄漏信号传感模型;阐述了盲系统辨识基本原理,由于泄漏声信号传播信道是高阶系统,且信道间存在病态问题,因此,提出采用overlap-save和相关函数配准原理构建代价函数,解决高阶信道估计和信道间的病态问题;采用遗传算法对多目标函数进行全局最优化,避免梯度算法收敛陷入局部最小点,对泄漏声信道辨识进行优化。通过高阶信道盲辨识仿真及实际泄漏声传播信道盲辨识,验证了该方法的有效性。5.实际泄漏检测定位环境中,不可避免存在干扰噪声,尤其是各种突发干扰噪声,分析了该类噪声对泄漏声传播信道盲辨识的影响,提出了突发干扰噪声抑制方法;借助泄漏声信道盲辨识,研究了泄漏声传播速度与管道条件间的关系,进而获得一种不依赖声传播速度的泄漏定位方法;通过从辨识的泄漏声传播信道中提取新的定位参数,获得不依赖管道长度的泄漏定位方法。盲系统辨识与传统时延估计泄漏定位方法实际应用结果表明,盲系统辨识方法具有高于传统定位方法的应用优势和定位精度。6.应用多功能、高性能的数字混合信号处理器构成实时数据采集、预处理嵌入式系统,实现检测数据的分布采集;以性价比极高的便携式个人计算机为仪器系统主机,采用虚拟仪器技术,将泄漏声信号特征提取及辨识方法、盲系统辨识定位方法应用到该技术平台上,软硬件结合,实现了泄漏检测与定位系统的各种仪器功能。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 压力管道泄漏检测定位现状

1.2.2 供水管道泄漏检测与定位研究现状

1.3 论文主要研究内容

2 供水管道泄漏声产生机理及特征研究

2.1 概述

2.2 供水管道泄漏主要形式及主要声源

2.2.1 泄漏主要形式

2.2.2 管道泄漏处主要声源

2.3 供水管道泄漏段管内流场

2.3.1 流体基本方程

2.3.2 管道泄漏段流场数值模拟

2.4 泄漏声信号激励源物理特征及与管道泄漏参数间关系

2.4.1 泄漏处空泡声物理特征

2.4.2 泄漏处空泡声强度与管道泄漏参数间的关系

2.4.3 泄漏处湍流声物理特征

2.4.4 泄漏处湍流声强度与管道泄漏参数间的关系

2.4.5 泄漏处近壁湍流附面层脉动压力物理特征

2.4.6 泄漏处湍流附面层脉动压力与管道泄漏参数间的关系

2.5 泄漏段管道的受激振动

2.6 管道泄漏声产生机理实验研究

2.6.1 不同大小泄漏口下的泄漏声信号特征

2.6.2 不同管内压力下的泄漏声信号特征

2.6.3 不同材质管道泄漏声信号特征

2.7 小结

3 供水管道泄漏声信号特征提取及泄漏辨识

3.1 概述

3.2 泄漏声信号特征分析

3.2.1 泄漏声信号湍流特征分析

3.2.2 泄漏湍流特征自相关函数描述

3.3 泄漏声信号特征提取方法

3.4 泄漏声信号在管外噪声源干扰下的辨识

3.4.1 泄漏声信号在管外噪声源干扰下的辨识基本原理

3.4.2 泄漏声信号在管外噪声源干扰下的辨识处理结果

3.5 泄漏声信号在管内噪声源干扰下的辨识

3.5.1 管内阀门和管道接口噪声产生机理及特征

3.5.2 管道阀门和管道接口噪声频域特征

3.5.3 管内噪声源干扰下的泄漏声信号辨识处理结果

3.6 小结

4 基于时延估计的泄漏定位方法

4.1 概述

4.2 时延估计泄漏定位模型

4.3 互相关时延估计方法

4.3.1 互相关时延估计方法基本原理

4.3.2 互相关时延估计方法在泄漏定位中的应用

4.4 自适应时延估计原理

4.4.1 维纳滤波和卡尔曼滤波

4.4.2 最小均方自适应滤波

4.5 LMS 自适应时延估计及其在漏点定位中的应用

4.6 时延估计泄漏定位方法性能分析

4.7 小结

5 泄漏声传播信道盲系统辨识

5.1 概述

5.2 泄漏声信号传播特性

5.2.1 小口径管道及传播距离对泄漏声信号的影响

5.2.2 大口径管道及传播距离对泄漏声信号的影响

5.2.3 管道接口对泄漏声信号的影响

5.3 泄漏声信号传感模型及盲系统辨识基本原理

5.3.1 泄漏声信号传感模型

5.3.2 盲系统辨识基本原理

5.4 基于 OVERLAP-SAVE 和相关函数配准理论的盲系统辨识原理

5.4.1 采用overlap-save 原理构建代价函数

5.4.2 采用相关函数配准原理构建代价函数

5.4.3 代价函数约束条件建立

5.5 辨识信道的遗传算法优化研究

5.5.1 遗传算法基本思想及数学基础

5.5.2 遗传算法在盲系统辨识中的应用

5.6 信道盲辨识仿真实验

5.7 实际泄漏声信道盲辨识

5.8 小结

6 基于盲系统辨识的泄漏定位

6.1 概述

6.2 突发干扰噪声抑制

6.2.1 突发干扰噪声对泄漏声信道盲辨识的影响

6.2.2 采用小波变换抑制突发干扰噪声的自适应方法

6.3 不依赖泄漏声传播速度的盲系统辨识泄漏定位

6.3.1 泄漏声信号传播速度理论

6.3.2 泄漏声信号传播速度与管道条件间关系的实验研究

6.3.3 不依赖泄漏声传播速度的盲系统辨识泄漏定位应用

6.4 不依赖管道长度的盲系统辨识泄漏定位

6.4.1 不依赖管道长度的盲系统辨识泄漏定位基本原理

6.4.2 不依赖管道长度的盲系统辨识泄漏定位应用

6.5 盲系统辨识定位方法扩展应用

6.6 小结

7 供水管道泄漏检测定位仪器系统

7.1 概述

7.2 供水管道泄漏检测定位系统基本构成

7.3 分布式数据采集单元

7.4 检测定位系统的虚拟仪器设计开发

7.5 小结

8 结论

致谢

参考文献

附录