三傳感器約束多尺度相關(guān)管道漏點(diǎn)定位方法

張建利，郭衛(wèi)星

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱)

城市供水管道發(fā)生泄露時(shí)，在漏口處形成聲源，以彈性波的形式沿管道向兩方向傳播.傳統(tǒng)的兩傳感器相關(guān)法，就是利用這兩方向的聲波信號傳到對應(yīng)傳感器間的時(shí)延進(jìn)行漏點(diǎn)定位的，但傳統(tǒng)相關(guān)法存在如下問題:1)在傳統(tǒng)相關(guān)法檢漏中聲波在管道中的傳播速度是根據(jù)管材和管徑作為已知量選取的［1］，實(shí)際使用中的管道參數(shù)不可避免地存在差異［2］，且由于管道在不同埋設(shè)條件下具有不同的速度頻散特性［3］，所以速度作為固定量輸入必然會存在誤差.2)在傳統(tǒng)相關(guān)法的信號模型中假設(shè)源信號和兩個(gè)傳感器中攜帶的噪聲信號是兩兩互不相關(guān)的零均值平穩(wěn)隨機(jī)信號［4］，但實(shí)際情況是現(xiàn)場存在各種各樣的噪聲，當(dāng)噪聲間相關(guān)時(shí)，就可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)延估計(jì)，產(chǎn)生誤檢.當(dāng)噪聲較強(qiáng)時(shí)，可能將有用信號覆蓋，檢測不到源信號，結(jié)果產(chǎn)生漏檢［5］.3)廣義相關(guān)法雖然已經(jīng)考慮了噪聲的影響，通過權(quán)函數(shù)ψ(f)的設(shè)計(jì)提高了信號的信噪比［6］，但是不同的濾波加權(quán)函數(shù)適用于不同的信噪特征，所以權(quán)函數(shù)的選擇依賴于對信號和噪聲的統(tǒng)計(jì)先驗(yàn)信息，而實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境下噪聲信號的特性難以預(yù)測，而且當(dāng)噪聲功率較大時(shí)，估計(jì)結(jié)果的誤差也必然較大.4)傳統(tǒng)的濾波方法都有1個(gè)基本假設(shè)，即假定信號和噪聲處于不同的頻帶，濾波除噪即是根據(jù)一定的噪聲統(tǒng)計(jì)特征，將噪聲所在的頻率范圍內(nèi)的分量一并置零［7］.實(shí)際上管道泄露信號分布的頻帶會根據(jù)材質(zhì)，管徑，傳播距離等條件的不同有所改變，而噪聲的頻帶難以預(yù)測，在整個(gè)頻率軸上的分布都有可能，所以已有研究曾提到，若直接將采集信號經(jīng)過高頻帶通濾波預(yù)處理后，并不能得到好的定位結(jié)果，甚至遠(yuǎn)距離檢測時(shí)，這樣處理后會檢測不到漏點(diǎn)的存在［8］.

1 三傳感器約束多尺度相關(guān)漏點(diǎn)定位原理

1.1 基于三傳感器的漏點(diǎn)定位模型

本文提出的一種基于3個(gè)傳感器約束的多尺度相關(guān)管道漏點(diǎn)定位方法，不僅能實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)兩傳感器法更準(zhǔn)確的定位，而且還解決了傳統(tǒng)兩傳感器法的速度輸入不準(zhǔn)確的問題，模型如圖1所示，圖中1、2、3為3個(gè)相同的加速度傳感器.

圖1 基于三傳感器的漏點(diǎn)定位模型示意圖

圖1中3個(gè)傳感器任意兩個(gè)之間的距離是可知的，即L、L1、L2是可知的，同樣對應(yīng)的任意兩個(gè)傳感器之間的時(shí)延(即 τ12max、τ23max、τ31max)也是可以求取的.利用其中任意一段距離及其對應(yīng)的傳感器時(shí)延就可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)兩傳感器法定位的功能，本文選用L2和τ23max來計(jì)算聲波在此管道中的傳播速度，選用L1和τ12max進(jìn)行漏點(diǎn)定位，即

1.2 漏點(diǎn)定位方法及步驟

由三傳感器模型可知，時(shí)延計(jì)算的精度是決定漏點(diǎn)定位準(zhǔn)確性的唯一關(guān)鍵因素.為此，本方法通過4個(gè)主要步驟來確保時(shí)延的計(jì)算精度及漏點(diǎn)定位結(jié)果的準(zhǔn)確性，具體計(jì)算流程如圖2所示，分別為:多尺度分解(對應(yīng)圖2中的步驟1);多個(gè)尺度內(nèi)求相關(guān)時(shí)延(對應(yīng)圖2中的步驟2);三傳感器矢量匹配篩選(對應(yīng)圖2中的步驟3、4、5);結(jié)果顯示及判斷(對應(yīng)圖2中的步驟6、7).這是本方法區(qū)別于兩傳感器方法的創(chuàng)新.

圖2 三傳感器約束多尺度相關(guān)漏點(diǎn)定位計(jì)算流程圖

1.3 定位原理

1.3.1 多尺度內(nèi)求相關(guān)時(shí)延

經(jīng)同一小波變換后同一尺度內(nèi)兩通道信號的時(shí)延保持不變［9］，也就是說小波變換不會造成兩通道信號固有時(shí)延的失真，這是運(yùn)用小波進(jìn)行多尺度分解后計(jì)算時(shí)延的前提.

將距離漏點(diǎn)不同距離的3個(gè)傳感器采集上來的3段等長度信號1、2、3統(tǒng)一作8層分解，得到8個(gè)尺度內(nèi)的分信號，然后對每個(gè)尺度內(nèi)近似頻帶和細(xì)節(jié)頻帶下的傳感器1、2信號之間，傳感器2、3信號之間，傳感器3、1信號之間分別做相關(guān)計(jì)算求取時(shí)延 τ12max、τ23max和 τ31max，時(shí)延估計(jì)結(jié)果如圖3(a)所示.圖3(a)中給出了分辨率從高到低8個(gè)尺度內(nèi)的近似和細(xì)節(jié)頻帶下共16組時(shí)延估計(jì)結(jié)果.即每一個(gè)頻帶下時(shí)延τ12max、τ23max和τ31max都有1組估計(jì)結(jié)果.由于多尺度分解良好的信噪分離作用［10］，所以總會有些頻帶內(nèi)的源信號的成分比較占優(yōu)勢，而時(shí)延估計(jì)的精度在很大程度上決定于做相關(guān)的兩個(gè)信號的“純度”，所以在這些頻帶上求相關(guān)所得到的時(shí)延結(jié)果也必然比其他頻帶更接近實(shí)際，圖3(b)為其匹配結(jié)果.1.3.2 三傳感器矢量匹配篩選

雖然經(jīng)過圖2中的步驟2得到了多組時(shí)延估計(jì)結(jié)果，見圖3(a)，但由于采集信號時(shí)各種非源噪聲的摻入，從而使結(jié)果并非每組都正確，因此有必要找到一種篩選規(guī)則，從多組數(shù)據(jù)中挑選到最優(yōu)的估計(jì)結(jié)果.

對應(yīng)任意2 個(gè)通道i，j(i，j=1，2，3，…)之間的時(shí)間延遲為

且有

現(xiàn)增加第3通道k，則有

圖3 多尺度相關(guān)時(shí)延估計(jì)結(jié)果

整理為

由于式(3)類似于矢量三角形求和，故稱為三傳感器矢量匹配關(guān)系.由于上述關(guān)系的推導(dǎo)沒有附加其他條件，所以只要3個(gè)傳感器捕捉到同一個(gè)信號源，則它們的時(shí)延就必然滿足式(3)，對于正常傳播的單漏點(diǎn)泄漏源信號同樣滿足該關(guān)系，而各種雜亂的噪聲卻很少滿足該關(guān)系.由于圖3(a)中每一頻帶內(nèi)的時(shí)延求取次序正好符合式(3)中的次序，故可以將圖3(a)中同一頻帶內(nèi)(即每一列)的時(shí)延求和來判斷對式(3)的匹配程度，匹配結(jié)果如圖3(b)所示.可見頻帶8對式(3)匹配得最好，同時(shí)此頻帶內(nèi)的時(shí)延值也是真實(shí)情況的反應(yīng)，其余各頻帶由于受到噪聲不同程度的“污染”而存在相應(yīng)的誤差.因此可將式(3)作為約束法則，根據(jù)不同頻帶內(nèi)時(shí)延求和結(jié)果的符合程度(即匹配誤差)來篩選最優(yōu)結(jié)果.

1.3.3 計(jì)算及結(jié)果判斷

有了篩選出的最優(yōu)時(shí)延結(jié)果，即可利用式(1)、(2)進(jìn)行漏點(diǎn)定位計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示.

圖4 定位結(jié)果

雖然由于第3個(gè)傳感器的加入滿足了三傳感器矢量匹配關(guān)系，在算法上實(shí)現(xiàn)了多尺度下的最佳時(shí)延估計(jì)，但是由于現(xiàn)場的復(fù)雜性及儀器的偶然故障等仍然難免不準(zhǔn)確現(xiàn)象的發(fā)生.同時(shí)由于第3個(gè)傳感器的加入使得計(jì)算出來的結(jié)果有了判斷的依據(jù).在傳統(tǒng)相關(guān)法中速度作為已知量輸入，因此可以利用對速度的經(jīng)驗(yàn)了解，來考察定位系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.速度如果可信，則可認(rèn)為式(1)中τ23max是正確的，由于有三傳感器矢量匹配關(guān)系的約束，τ23max正確又可說明 τ12max、τ31max正確，從而說明系統(tǒng)確實(shí)正確捕捉到了泄漏信號，也就校核了整個(gè)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.例如在圖4所示的真實(shí)定位實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)計(jì)算出的速度正好在鑄鐵管道的聲傳播速度范圍內(nèi)，即可判斷此次定位結(jié)果可以接受(實(shí)際距傳感器1的距離為6 m).因此利用三傳感器檢漏方法可對定位結(jié)果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)判斷，從而避免誤檢.

2 管道泄漏定位試驗(yàn)

圖5為管道泄漏定位試驗(yàn)裝置，漏點(diǎn)定位時(shí)，首先需要在疑似漏點(diǎn)的兩側(cè)按照圖1所示的方式安放傳感器，進(jìn)行3路泄漏信號的采集，然后在labVIEW軟件平臺上實(shí)現(xiàn)如圖2所示的漏點(diǎn)定位計(jì)算.

為了驗(yàn)證三傳感器檢漏方法的有效性，將其與傳統(tǒng)的兩傳感器相關(guān)法在同一條件下試測結(jié)果作一比較，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行直管段和彎管段的定位結(jié)果分析.結(jié)果表明，管道彎曲對信號傳播有較大的影響.對于兩傳感器方法而言，由于其沒有在多尺度內(nèi)對真實(shí)信號的篩選能力，最終得到的只能是能量最強(qiáng)頻帶上信號的相關(guān)時(shí)延計(jì)算結(jié)果，而這個(gè)信號在彎管道上的傳播過程中可能已經(jīng)發(fā)生變化，或者被噪聲干擾，因此兩傳感器方法的多數(shù)定位結(jié)果已經(jīng)失去了工程應(yīng)用價(jià)值，而三傳感器方法是利用三傳感器間的匹配關(guān)系基于多頻帶上多組時(shí)延結(jié)果進(jìn)行篩選，從而得到一組相對最優(yōu)的結(jié)果.可見，不管是在直管段中還是在彎管段中三傳感器方法的定位結(jié)果都優(yōu)于兩傳感器方法，體現(xiàn)了三傳感器方法較好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性.

上述結(jié)果由于在實(shí)驗(yàn)室條件下測得，測試距離較短，因此較小的定位偏差，都可能導(dǎo)致較大的誤差.同時(shí)近距離管道泄漏信號中各種模態(tài)來不及衰減，接收到的模態(tài)較多且相互干擾［11］，文獻(xiàn)［2］也曾提到長距離下的定位結(jié)果要好于近距離檢測的結(jié)果，所以在實(shí)際的長距離管道漏點(diǎn)定位中效果會好于實(shí)驗(yàn)室結(jié)果.

圖5 管道泄漏定位試驗(yàn)裝置

由于校核距離(傳感器2、3之間的距離)的一個(gè)重要作用是計(jì)算速度，距離越短，對應(yīng)的時(shí)延就越小，對采集和計(jì)算設(shè)備的要求越高，因此在實(shí)際應(yīng)用中要盡可能地增大校核距離以提高定位的精度.

3 結(jié)論

1)第3個(gè)傳感器的引入，有了一系列針對時(shí)延準(zhǔn)確求取的保障措施.

2)利用多尺度分析方法，實(shí)現(xiàn)了泄漏信號的信噪分離，從而使真實(shí)時(shí)延結(jié)果得以呈現(xiàn).三傳感器矢量匹配篩選，能夠?qū)⒄鎸?shí)的時(shí)延結(jié)果從眾多“假象”中得以提取.

3)第3個(gè)傳感器的引入，使傳播速度的輸入更加有針對性，提高了漏點(diǎn)定位精度，適應(yīng)性更強(qiáng).

4)本方法采用3個(gè)傳感器，但實(shí)際漏點(diǎn)定位中可以擴(kuò)展為多個(gè)傳感器互為校核，既可以增加結(jié)果的可信性，又方便實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的漏點(diǎn)普查和定位.

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