信號(hào)分析與處理技術(shù)的新突破

涂蘭敬

如何發(fā)掘深藏地下的石油礦藏，又如何調(diào)度需求萬(wàn)變的電力能源？這些讓石油勘探行業(yè)和電力行業(yè)的專(zhuān)業(yè)人員都頗感困擾的問(wèn)題，在華北電力大學(xué)翟明岳多年的研究下取得了重大突破。

近日，翟岳明教授向記者展示了由他研發(fā)的一套智能信號(hào)處理系統(tǒng)（SmartSignal Processing，下文簡(jiǎn)稱(chēng)SSP）。SSP軟件可以快速完成對(duì)石油勘探信號(hào)和電力線(xiàn)通信信號(hào)的處理，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)荷情況的短期預(yù)測(cè)。

化解信號(hào)處理的行業(yè)難題

冬季或夏季的用電高峰期經(jīng)常會(huì)給一個(gè)城市的電力系統(tǒng)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。如果能夠提前一段時(shí)間，哪怕只提前一天預(yù)測(cè)出電力系統(tǒng)負(fù)荷情況，都能將給這個(gè)城市電力公司部門(mén)減輕很多壓力。

翟明岳表示，SSP軟件可以幫助電力公司實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，最長(zhǎng)預(yù)測(cè)為7天時(shí)間，而且誤差率只有2%～3%。SSP軟件的這一功能既滿(mǎn)足電力公司運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)調(diào)度的實(shí)際需求，又降低了電網(wǎng)成本，同時(shí)還提高了電力公司的經(jīng)濟(jì)效益和電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)人員的工作效率，保障了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。不過(guò)，電力負(fù)荷短期預(yù)測(cè)只是SSP軟件眾多功能的一部分，SSP軟件還可以對(duì)地震勘探信號(hào)和電力線(xiàn)通信信號(hào)進(jìn)行有效的處理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的監(jiān)測(cè)、去噪和恢復(fù)等功能。

地震勘探是鉆探前勘測(cè)石油、天然氣資源、固體資源地質(zhì)找礦的重要手段。地震勘探是利用人工方法在地表激發(fā)地震波，并且在地表或井中用檢波器接收向從地下返回的地震波信號(hào)。地震波在地下傳播的過(guò)程中，會(huì)遇到介質(zhì)性質(zhì)不同的巖層分界面，地震波將發(fā)生反射和折射。勘探人員可以通過(guò)對(duì)地震波進(jìn)行記錄、處理和解釋?zhuān)梢酝茢嗟叵聨r層的性質(zhì)和形態(tài)。

但是，地震波信號(hào)也存在各種缺陷。首先，地震波信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨著傳播距離的增加而逐漸衰減。其次，地震勘探檢波器的靈敏度非常高，野外采集的地震波中摻雜著各種噪聲，例如機(jī)器的振動(dòng)、自然界的風(fēng)吹草動(dòng)等。再次，原始地震記錄中除了反射波之外，還有經(jīng)過(guò)了多次折射、透射和反射之后形成的多次波。

因此，對(duì)原始的石油地震勘探信號(hào)進(jìn)行處理，是進(jìn)一步進(jìn)行地震勘探解釋的前提，而削弱干擾、提高信噪比和分辨率是地震數(shù)據(jù)處理的重要目的。SSP軟件可以實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)處理的消弱干擾、提高信噪比和分辨率這一重要目的。

除了應(yīng)用于石油地震勘探信號(hào)處理，SSP軟件還可以用于智能電網(wǎng)中寬帶電力線(xiàn)通信信號(hào)的處理和分析。寬帶電力線(xiàn)通信信號(hào)在傳輸過(guò)程中，電網(wǎng)里的各種用電設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的脈沖噪聲，并且隨著傳輸距離的增大電力信號(hào)會(huì)逐漸衰減。

這些情況導(dǎo)致的結(jié)果就是遠(yuǎn)端收集到的寬帶電力線(xiàn)通信信號(hào)不完整或出現(xiàn)干擾。針對(duì)這些特點(diǎn)，SSP軟件中有專(zhuān)門(mén)的模塊分析與處理寬帶電力線(xiàn)通信系統(tǒng)中的脈沖噪聲、多徑干擾、信道估計(jì)和信號(hào)重建等問(wèn)題。

除此之外，翟明岳所帶領(lǐng)的研究小組深入細(xì)致地研究了我國(guó)低壓輸電網(wǎng)高頻信號(hào)傳輸特性，并利用多導(dǎo)體傳輸線(xiàn)理論建立了一整套寬帶電力線(xiàn)通信信號(hào)傳輸模型，徹底解決了寬帶電力線(xiàn)通信信號(hào)的功率計(jì)算問(wèn)題，為寬帶電力線(xiàn)通信系統(tǒng)物理層技術(shù)的開(kāi)發(fā)與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了重要的參考依據(jù)，而這一研究成果也成為SSP軟件中的一個(gè)功能模塊。

SSP背后的技術(shù)突破

為什么SSP軟件能夠在眾多商業(yè)軟件中獨(dú)辟蹊徑呢？翟明岳道出了深藏在信號(hào)處理背后的玄機(jī)。

經(jīng)過(guò)前期對(duì)信號(hào)處理領(lǐng)域多年的持續(xù)研究，翟明岳發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是石油勘探行業(yè)的地震勘探信號(hào)，還是智能電網(wǎng)中的寬帶電力線(xiàn)通信信號(hào)都具有一個(gè)共同特點(diǎn)——自相似性。何謂自相似性？翟明岳指出，一個(gè)物體的局部和整體完全或幾乎相似，就認(rèn)為它有自相似性。最簡(jiǎn)單的例子，一條直線(xiàn)狀的信號(hào)就具有自相似性。不管是5厘米長(zhǎng)的直線(xiàn)，還是1000米長(zhǎng)的直線(xiàn)信號(hào)，它們的形狀都是一樣的，這就是自相似性的最好體現(xiàn)。

2008年，翟明岳在著名的加州大學(xué)伯克利分校訪(fǎng)學(xué)期間，決定針對(duì)石油勘探行業(yè)和電力行業(yè)的需求研發(fā)一套信號(hào)處理系統(tǒng)。根據(jù)信號(hào)的自相似性，翟明岳提出用“分形（Fractal）”來(lái)描述和研究地震勘探信號(hào)和寬帶電力線(xiàn)通信信號(hào)。分形理論最早是由美籍?dāng)?shù)學(xué)家芒德勃羅（B.B.Mandelbrot）首先提出的。分形理論指出，一個(gè)粗糙或零碎的幾何形狀，可以分成多個(gè)部分，且每一部分都（至少近似地）是整體縮小后的形狀，即具有自相似的性質(zhì)。

有了分形理論的支撐還不夠，因?yàn)樗皇潜硎拘盘?hào)具有分形的特征，但是如何利用信號(hào)的自相似性來(lái)處理和分析信號(hào)呢？翟明岳表示，最難的是把信號(hào)規(guī)律抽象為一套數(shù)學(xué)模型即建模。而在此之前，還沒(méi)有人成功地把分形理論直接應(yīng)用在信號(hào)處理中。

最終，翟明岳研究出一套基于迭代函數(shù)系統(tǒng)的信號(hào)處理新方法。翟明岳發(fā)現(xiàn)，具有自相似性的信號(hào)會(huì)表現(xiàn)出一些特征參數(shù)，這些參數(shù)有助于構(gòu)建信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。而這套數(shù)學(xué)模型可以快速地將目標(biāo)信號(hào)從噪聲中分離出來(lái)。有了這套信號(hào)處理的數(shù)學(xué)模型之后，翟明岳就像獲得了一個(gè)信號(hào)的“標(biāo)準(zhǔn)控件庫(kù)”，可以輕松地完成對(duì)信號(hào)的監(jiān)測(cè)、去噪、恢復(fù)和預(yù)測(cè)。

當(dāng)?shù)悦髟缹⒀邪l(fā)出來(lái)的這套信號(hào)處理系統(tǒng)推向市場(chǎng)時(shí)，他在信號(hào)處理系統(tǒng)前面加上了“智能”一詞。翟明岳當(dāng)然不是為了趕時(shí)髦，而是因?yàn)楫?dāng)遇到大數(shù)據(jù)量的信號(hào)處理任務(wù)時(shí)，SSP軟件能夠分清主次數(shù)據(jù)、真假數(shù)據(jù)，快速幫助用戶(hù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理。

SSP可代替國(guó)外商業(yè)軟件

事實(shí)上，石油勘探行業(yè)和電力行業(yè)的公司在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)涉及到很多細(xì)分領(lǐng)域，信號(hào)的監(jiān)測(cè)、去噪、修復(fù)等只是一小部分需求，還需要很多來(lái)自不同廠(chǎng)商的系統(tǒng)相互配合才能實(shí)現(xiàn)最佳的效果。目前，很多國(guó)外的商業(yè)軟件已經(jīng)成為這些行業(yè)的主要軟件供應(yīng)商。但是，這些商業(yè)軟件的價(jià)格較為昂貴。相比之下，盡管翟明岳的這套信號(hào)處理系統(tǒng)價(jià)格在10萬(wàn)元左右，約合1.5萬(wàn)美元，而且還可以根據(jù)不同行業(yè)客戶(hù)的特色需求按照功能模塊來(lái)收費(fèi)，目前沒(méi)有針對(duì)后期維護(hù)和服務(wù)費(fèi)收購(gòu)。

正是這樣的細(xì)分市場(chǎng)和這么懸殊的性?xún)r(jià)比，讓翟明岳在信號(hào)處理領(lǐng)域找到了突圍的機(jī)會(huì)。而且，從系統(tǒng)架構(gòu)上來(lái)說(shuō)，SSP采用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)架構(gòu)，能夠跨Windows和Linux兩大平臺(tái)運(yùn)行，并且軟件的體量也非常小，可以嵌套到其他系統(tǒng)里面使用，受到很多行業(yè)用戶(hù)的歡迎。

從2013年10月份到現(xiàn)在，僅僅憑借一些口碑傳播，翟明岳就已經(jīng)銷(xiāo)售出了30多套SSP軟件。其中。僅國(guó)內(nèi)一家大型的石油勘探開(kāi)發(fā)公司一家就采購(gòu)了10多套。另外，多家省網(wǎng)公司和電力科學(xué)研究院（研究中心）也購(gòu)買(mǎi)了多套SSP軟件，分別用于電力負(fù)荷預(yù)測(cè)和寬帶電力線(xiàn)通信信號(hào)處理。SSP軟件能夠在不到兩年的時(shí)間內(nèi)被這么多企業(yè)客戶(hù)選中，充分說(shuō)明了在信號(hào)處理領(lǐng)域，SSP軟件確實(shí)具有過(guò)人之處。

為了持續(xù)研發(fā)和推廣SSP軟件，翟明岳表示，他已經(jīng)為SSP申請(qǐng)了十幾個(gè)專(zhuān)利保護(hù)，目前正在評(píng)審之中，同時(shí)，也已經(jīng)在規(guī)劃下一個(gè)版本的SSP軟件。現(xiàn)在的石油勘探和電力企業(yè)都在大規(guī)模使用GPU（Graphic Processing Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)圖形處理器）而非CPU，因此，翟明岳正在考慮將SSP改為基于GPU的并行處理系統(tǒng)。