基于小波分析消噪技術(shù)的燃?xì)夤艿佬孤z測與定位

倪 曦

（遵義市特種設(shè)備檢驗所，遵義 563002）

燃?xì)夤艿乐锌扇細(xì)怏w的檢測和定位主要通過消除噪聲來捕捉壓力波的突然下降點，并通過燃?xì)庑孤z測的方法確定消噪點的位置。在使用的方法中最常用的是負(fù)壓波法，具有檢測原理簡單、檢測后出結(jié)果速度快的優(yōu)勢。由于工業(yè)現(xiàn)場會受到電磁干擾、工況變化等因素的影響，因此采集到的壓力信號往往伴隨著大量噪聲，如果原始壓力信號沒有得到有效去噪，檢測結(jié)果將受到嚴(yán)重影響。2002年清華大學(xué)的研究人員提出通過小波分析改進(jìn)負(fù)壓波的檢測和定位方法，并在管道上進(jìn)行多次試驗。結(jié)果表明，基于小波分析消噪技術(shù)的負(fù)波法定位誤差在0.5 km以內(nèi)，具有良好的時頻特性，能得到較為準(zhǔn)確的去噪后信號[1]。

1 基于小波分析消噪技術(shù)的負(fù)壓波法原理

1.1 負(fù)壓波法檢測定位原理

當(dāng)管道因機(jī)械、人為、材料失效等發(fā)生泄漏時，泄漏部位會立即發(fā)生材料損失，從而降低故障部位的密度和壓力，而泄漏點和兩側(cè)相鄰區(qū)域之間的壓差將導(dǎo)致流體從上游和下游區(qū)域填充到泄漏區(qū)域，從而降低相鄰區(qū)域的密度和壓力。這種降低泄漏區(qū)域上游和下游密度和壓力的現(xiàn)象，在水力學(xué)中稱為“負(fù)壓波”。

以燃?xì)夤艿佬孤c為限值，管道可以分為首站和末站兩部分。燃油從首站流向末站，管道泄漏通常是由管道內(nèi)外壓差引起的，產(chǎn)生的壓力波會以一定波速沿管道向管道兩端擴(kuò)散。當(dāng)來自初始站和終端站的壓力傳感器檢測到壓力波時，說明燃?xì)夤艿酪褤p壞。當(dāng)燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏時，泄漏點處壓力急劇下降，從而形成負(fù)壓波，并以一定的波速向管道兩端傳播。當(dāng)壓力波傳播到管道端部時，壓力波信號會被安裝在管道兩端的壓力傳感器檢測到。

一般來說，燃?xì)夤艿佬孤r產(chǎn)生的壓力波會在不同的時間內(nèi)傳播，而泄漏點處的壓力將急劇下降，產(chǎn)生的負(fù)壓波會以一定的波速傳播到管道兩端，再由傳感器檢測到壓力波值、上游檢測時差和中間波傳播速度的變化范圍，如圖1所示[2]。在負(fù)壓波檢測期間，該方法通常會將負(fù)壓波在管道介質(zhì)中的傳播速度作為一個固定值，并在固定值的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。在燃?xì)夤艿姥芯恐?，一般認(rèn)為負(fù)壓波的傳播速度是聲波在介質(zhì)中的傳播速度。但在實際應(yīng)用中，它與介質(zhì)的密度、壓力、比熱等有關(guān)，且管道材料和傳輸介質(zhì)的速度并不是一個常數(shù)。因此，原來的定位方式必然會帶來較大的誤差。

圖1 負(fù)壓波法檢測定位原理示意圖

1.2 小波分析消噪技術(shù)的原理

由于工業(yè)現(xiàn)場不可避免的電磁干擾、壓縮機(jī)的振動、工況的變化等因素，會導(dǎo)致采集到的壓力信號內(nèi)伴隨著大量噪聲，從而很難準(zhǔn)確識別壓力的突變點。此外，壓降點的準(zhǔn)確識別一方面決定了泄漏檢測的靈敏度和可靠性，另一方面也決定了泄漏檢測的準(zhǔn)確性，從而影響定位精度。由此可知，只有解決上述問題才可以提升負(fù)壓波檢測質(zhì)量。

小波分析消噪技術(shù)具有使用原理簡單的優(yōu)勢，可以基于信號所表現(xiàn)的不同特征將噪聲信號分離，在使用期間應(yīng)確定一個波后再進(jìn)行分解。該技術(shù)能夠分析信號時間尺度（時頻），且具有高頻分辨率和低頻分辨率兩種模式。在燃?xì)夤艿罊z測與定位中，可以利用波變換的多尺度分解與重構(gòu)技術(shù)，對采集到的負(fù)壓波信號進(jìn)行命名，進(jìn)而識別出壓力驟降點，以更準(zhǔn)確地定位泄露點。

波浪變換是小波分析技術(shù)的基礎(chǔ)。在小波分析理論發(fā)展前，傅里葉變換一直是最完善的分析方法，而且在信號處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，傅里葉變換只是純頻域分析的一種方法，在頻域中的位置完全準(zhǔn)確，即頻域中的最高分辨率，但在時域中沒有位置。小波分析的出現(xiàn)解決了這一問題，通過相關(guān)計算可以得到準(zhǔn)確結(jié)果，并以計算后的結(jié)果得到波分解后所產(chǎn)生的高頻系數(shù)，再根據(jù)波分解的最低頻系數(shù)和高頻系數(shù)，結(jié)合小波重建獲得去噪后的信號，來表示采集到的管道負(fù)壓波信號，進(jìn)而識別出壓力突降點[3]。

2 影響小波分析消噪質(zhì)量的關(guān)鍵因素

通常來說，在小波分析期間不同的小波標(biāo)度基準(zhǔn)會具有不同的時頻特性，因此在使用不同波基時也會產(chǎn)生不同的效果，尤其是針對同一個問題會得出不一樣的結(jié)果。這證明在小波分析應(yīng)用期間，即使選擇了相同的波基進(jìn)行消噪，但由于小波選擇尺度不當(dāng)，信號分析的具體效果也會受到嚴(yán)重影響。波變換是一種可變尺度信號分析方法，可以分析和處理不同尺度信號，在選擇波基后若尺度選擇不當(dāng)，也會影響信號分析效果。為了選擇合適的波基，應(yīng)選擇不同的波基在同一尺度上對同一信號進(jìn)行波形分析，并通過比較選擇最佳波基。經(jīng)由相關(guān)分析得知，在燃?xì)夤艿罊z測與定位過程中，求得閾值之后可以使用硬閾值處理或軟閾值處理。將這兩組方法分別作用于信號上可以發(fā)現(xiàn)，硬閾值會出現(xiàn)某些點不連續(xù)的情況，而軟閾值則可以有效避免這種情況的發(fā)生，且重構(gòu)的信號能夠表現(xiàn)出更加光滑的特性。因此，在進(jìn)行小波分析消噪質(zhì)量期間，采用軟閾值能夠達(dá)到較好的效果[4]。

3 基于小波分析消噪技術(shù)在燃?xì)夤艿佬孤┑臋z測與定位

本研究選用的燃?xì)夤艿烙幸惶幮孤c，管道總長L=150 km，管道初始壓強(qiáng)P1=8.0 MPa，最終壓強(qiáng)P2=4.8 MPa，管道內(nèi)徑D=600 mm。燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄露之后，其上下游所產(chǎn)生的負(fù)壓波信號有一個很大的噪聲。通過分析不同小波基信號的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR），并與均方誤差（Mean Squared Error，MSE）比較（見表1）可以看出，經(jīng)小波分解后信噪較大，能反映信號的變化趨勢。同時，由小波分析消噪技術(shù)的研究可得知，相關(guān)小波分解技術(shù)的研究預(yù)先選擇了一種啟發(fā)式閾值進(jìn)行小波分析，并將其作為閾值選擇規(guī)則，以選擇合適的閾值處理方法來分析負(fù)壓波信號，比較分析信號的信噪比和均方誤差，具體如表2所示。由表2可以看出，針對燃?xì)夤艿佬孤额l繁發(fā)生的問題，經(jīng)平滑閾值處理后，信噪比較高，故可以選擇平滑閾值實現(xiàn)閾值量化的處理效果[5]。最后，可以使用平滑閾值量化高頻小波分解系數(shù)，通過重建波形符號得到上下游去噪后的負(fù)波信號，并經(jīng)過局部奇異性分析和放大，從而獲得清晰的去噪后信號。

表1 不同小波基分析信號的信噪比和均方誤差比較

表2 閾值作用方法比較

4 小波分析消噪技術(shù)確定燃?xì)夤艿佬孤r間與定位

小波分析消噪技術(shù)主要是基于小波分析而消除噪聲的技術(shù)。由于小波的變換系數(shù)具有相對不同的特征，因此在實際分析期間可以將聲音和信號分離，從而提取突發(fā)壓力波信號。小波分析技術(shù)需要先選擇一個波段進(jìn)行分析，并針對燃?xì)夤艿佬孤兜木唧w情況以確定信號多次分解該波段，然后按相應(yīng)分解次數(shù)進(jìn)行噪聲的分解。使用相關(guān)小波分解技術(shù)后，可以得到小波分解的高頻系數(shù)，之后根據(jù)低頻信號對波形進(jìn)行分解，并借助得到閾值處理后的高頻系數(shù)重建小波信號[6]。選擇閾值通常有4條規(guī)則，即固定閾值形狀、基于非受控概率的自適應(yīng)閾值、原始選擇類型閾值以及最大最小變化限值。因為選擇閾值的規(guī)則更安全保守，所以僅需要設(shè)置部分系數(shù)即可。

本文以某燃?xì)夤艿罏橹鬟M(jìn)行研究，使用響應(yīng)時間小于1 ms的設(shè)備分析泄漏事故發(fā)生前一段時間內(nèi)公司提供的數(shù)據(jù)，并對來自樣本初始站和終端站的2 500個壓力信號進(jìn)行離線分析，以確定壓力突變信號的傳輸時間，從而確定泄漏點的位置，然后將分析結(jié)果與泄漏點進(jìn)行比較，以確定波浪分析的可行性[7]。同時，在確定燃?xì)夤艿佬孤稌r間與定位研究期間，可借助工作站程序?qū)⒚總€傳感器當(dāng)前信號轉(zhuǎn)換為有效的物理數(shù)據(jù)，以計算流量并將平均數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫以供查看，從而對壓力信號執(zhí)行軟件過濾，以評估是否存在壓降警報。若有報警，壓力波形和報警時間將發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫以提醒工作人員。因為不同的基波具有不同的頻率特性，所以相同信號下不同的小波基會產(chǎn)生不同的效果。在波浪分析過程中，可以選擇多種波基在不同尺度上分析提取信號，然后分析突變的位置。在同一比例尺上，可以使用不同的小波基準(zhǔn)來比較來自初始站的原始數(shù)據(jù)信號，從而找出信號突變點。通過仿真分析可以表明，小波分析消噪技術(shù)在對燃?xì)夤艿佬孤z測與定位期間具有較好的分析精度，可以將淹沒在噪聲中的信號及時分離，并捕捉到壓力波的突降點信號，從而確定燃?xì)夤艿佬孤段恢谩?/p>

5 結(jié)語

本文研究了基于小波分析燃?xì)夤艿佬孤z測與定位的技術(shù)，分析了小波分析的去噪方法。分析時，先選擇合適的尺度來破壞噪聲信號，然后通過重構(gòu)波形信號得到去噪后的泄漏信號，從而在波形分析指示中獲得上下游壓力波信號，準(zhǔn)確找出燃?xì)夤艿佬孤c的位置。本次仿真分析結(jié)果表明，小波分析可以有效分離和捕獲淹沒在噪聲中的壓力波信號，以及信號的突降點。若有較高的采樣頻率，則波形分析會具有較高的定位精度，從而可以快速準(zhǔn)確地監(jiān)測燃?xì)夤艿佬孤c的精確位置。