基于小波包和模糊支持向量机的燃气管道泄漏检测与定位研究

摘要

管道运输在石油、化工、天然气、城市建设等行业中起着非常重要的作用。随着世界经济的发展，全球的管网系统正在变得越来越复杂，规模变得越来越大。近些年，在管道网络迅速发展的同时，管道事故也频繁发生。本文采用实验与理论相结合的研究方法，对燃气直管线及支状管线的泄漏检测与定位做了以下研究：
　　1)实验平台的搭建。基于流体动力学理论和信号检测方法，搭建了燃气管道泄漏检测综合实验台。该实验台可对燃气直管线及支状管线，实现在不同压力、不同泄漏孔径下的在线监测、检测和定位的实验模拟；
　　2)根据管道泄漏声发射信号的特点，采用小波包分析法进行声发射信号特征提取。传统的小波包算法在重构信号时存在频谱混叠的现象，因此，本文提出了改进的小波包算法。通过实验证明，改进算法进行特征提取的效果较好，克服了子带信号的频谱混叠问题，能很好地体现各种状态下的特征信息，全面表征了管道泄漏信号的特点。本文采用改进小波包算法作为声发射信号的特征提取方法；
　　3)为提高支持向量机的训练效率，结合支持向量的分布规则，本文引入模糊核聚类算法对训练集进行预处理，靠近类中心的样本远离分类边界，不会成为支持向量，对学习机没有贡献，通过聚类分析将其从训练集中剔除。通过在三种数据上的实验，证明了该方法的可行性；
　　4)为了减少噪声样本的影响，降低多分类的错分率，论文引入隶属度函数，进而引出模糊支持向量机。基于类中心的隶属度函数设计方法对支持向量赋予了较小的隶属度值，这样容易降低分类效果。基于上述原因，论文引入了一种改进隶属度设计方法，用类内超平面代替类中心，根据每类数据与其类内超平面的距离定义隶属度函数，以加大对容易错分样本的惩罚，同时对离分类超平面较远且不可能成为支持向量的样本赋予较小的隶属度值。通过在人工数据集及标准数据集上的实验，验证了这种算法能够改善分类效果，是可行的；
　　5)为了减小各处理环节中的误差，提高定位精度，论文采用改进的方法来计算定位需要的时延。论文基于相关时延估计法求时延时，利用改进小波包算法对多段正常与泄漏信号进行分解与重构，得到单子带信号，对比正常与泄漏信号相应单子带信号的能量，选择2个泄漏前后能量变化最大的单子带信号求时延，然后基于各段单子带信号的能量关系构造加权因子，通过多个时延加权求得信号到达两个传感器的时延；计算泄漏点位置时用多个传感器组合求得的泄漏点坐标的加权平均作为泄漏点坐标。实验结果表明，本文泄漏定位方法提高了定位精度，是可行的。
　　随着城市燃气化进程的加快，管道安全运行问题日益突出。开展城市燃气管道系统泄漏检测定位的研究，不仅可以保证城市燃气供应系统的安全性，降低事故的危害；而且可以提高城市燃气供应系统的安全管理水平，延长城市燃气供应系统的使用寿命，进一步提高城市燃气供应系统的经济效益和社会效益。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 管道泄漏检测与定位技术的研究现状

1.3 声发射信号产生的原理

1.4 管道泄漏声发射检测研究现状以及存在的问题

1.5 本文的课题来源及研究工作

1.6 本章小结

第2章 泄漏检测平台搭建与弹性波传播特性研究

2.1 实验平台的设计

2.2 实验系统的主要设备介绍

2.3 导波理论的基本概念

2.4 管道中弹性波的传播

2.5 基于ANSYS的管道泄漏仿真

2.6 本章小结

第3章 基于小波包改进算法的泄漏声发射信号特征提取

3.1 小波及小波包变换基本理论

3.2 小波包改进算法

3.3 管道泄漏声发射信号特征参数

3.4 声发射信号特征提取实验分析

3.5 本章小结

第4章 基于模糊支持向量机的管道泄漏状态识别

4.1 支持向量机

4.2 模糊核聚类预处理

4.3 模糊支持向量机

4.4 实验对比分析

4.5 本章小结

第5章 燃气管道泄漏检测及定位实验研究

5.1 泄漏检测与定位研究实验步骤

5.2 不同工况下的第一层决策分析

5.3 管道泄漏声发射信号的处理

5.4 基于模糊支持向量机的管道泄漏状态识别实验分析

5.5 泄漏点定位实验分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文主要工作

6.2 工作展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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