1、基于小波分析消噪技术的燃气管道泄漏检测与定位图文精文章编号 : 1005 0329(2006 12 0047 05经验交流基于小波分析消噪技术的燃气管道泄漏检测与定位李 帆 , 张丽娟(华中科技大学 , 湖北 武汉 430074摘 要 : 研究了基于小波分析的负压波管道泄漏检测 与定位技 术 , 并主要 对小波分 析消噪 处理方 法进行 了分析。先 选取合适的小波基和 尺度对泄漏信号进行小波分解 , 再对各尺度下小波分 解的高频系数进行阈值量化 , 并重 构小波信号 可得消噪后的泄漏信 号。运用 这种方法 , 可以更为精确地获得压力突降点 , 提高泄漏点定位的精度。通过对 燃气管道泄 漏检测与
2、定位的实例 分析 , 验证了此方法的精确性和有效性。关键词 : 负压波 ; 小波分析 ; 泄漏定位 ; 燃气管道中图分类号 : TP206, TU 996. 8 文献标识码 : ALeak Detecti o n and Location of Gas P i p eli n e Based onW avelet D enoisi n g Techno l o gyL I F an , ZHANG L i j uan(H uaz hong U n i versity o f Sc i ence &T echno logy , W uhan 430074, Chi naAbstrac t : L
3、 eak detec ti on and l ocation o f gas p i peli ne based on wave l e t deno isi ng techno logy is stud i ed . T he me t hod o fw avelet deno isi ng for leak si gna l is the emphasis . F irstly , w ave l e t decompositi on o f t he leakage signa. l Fo r it , w e must se l ect t he best m other w avel
4、et and scale . Second l y , thresho l d quanti zati on of decomposi ng coe ffi c ients . T h irdly , i nve rse w ave l e t transfo r ma ti on o f reconstructi ng mod ifi ed si gnals . Then , the de-no i sed l eakage s i gna l i s ga i ned . W ith t h is me t hod , we can ge t the feature i n fl ecti
5、on point of pressure m ore accurate l y . A nd then , the accuracy of leak po i nt locati on i s i m prov ed . A t the sa m e ti m e , w e ap p lied th i s m ethod to the leak locati on o f g as p i peli ne . T he ex a m ple is presented to ill ustrate the accuracy and va li d ity o f the m et h od
6、.K ey word s : nega ti ve pressure w ave ; wave let ana l y si s ; leak l o ca ti on ; gas p i pe li ne1 前言目前 , 国内外已研究出了多种燃气管道泄漏 检测与定位方法。其中 , 负压波法因其原理简单 , 检测速度快等优点 , 受到了人们越来越高的重视。 但由于不可避免的工业现场的电磁干扰、 压缩机 的震动、 工况变化等因素 , 采集到的压力信号附有 大量的噪声 1。如果不 对原始压 力信号进 行有 效的消噪 , 将严重影响负压波法在实际工程中的 应用。 2002年 , 清华大学提出了利用小
7、波分析对 负压波泄漏检测和定位方法进行改进 , 并在输油 管线上进行了数次试验 , 得出基于小波分析的负 压波法定位误差在 0. 5km 的范围内 , 可检测到总 输量 1%的泄漏量 2。小波分析具有良好的时频 特性 , 可以对信号进行有效的去噪。本文详细介 绍了负压波原理以及利用小波分析对负压波信号 进行消噪处理的方法 , 并给出了小波分析用于燃 气管道泄漏检测与定位的应用实例。2 基于小波分析消噪技术的负压波法基本原理 2. 1 负压波法检测定位原理收稿日期 : 2006 03 08 472006年第 34卷第 12期 流 体 机 械管道发生泄漏时 , 在泄漏处会引起压力骤降 , 形成一个
8、负压波。该负压波以一定的波速向管道 两端传播。利用安装在管道两端的压力传感器检 测到压力波信号 , 根据检测到的压力波幅值变化 梯度的大小、 上下游检测时间差以及波在介质中 的传播速度就可以进行检测和定位 1, 如图 1所 示。图 1 负压波泄漏检测与定位法原 理L . 上下游间管道长度 ; x . 泄漏点距上游 A 点的距离2. 2 小波分析信号消噪的基本原理小波分析消噪的基本原理就是利用信号和噪 声在各尺度 通下的 小波变换 系数有所 不同的特 点 , 将噪声和信号分离 , 达到去噪的目的 3。小波分析信号消噪的步骤3:(1 小波分解。选择一个小波并确定分解的 层次 , 然后进行分解计算
9、, 得到各层小波分解后的 高频系数 ;(2 小波分解高频系数的阈值量化。对各个 分解尺度下的高频系数选择一个阈值进行阈值量 化处理 , 得到新的小波高频系数 ;(3 小波重构。根据小波分解的最底层低频 系数和各层高频系数进行小波重构 , 得到去噪后 的信号。在燃气管道泄漏检测与 定位中 , 可以利用小 波变换的多尺度分解和重构技术 , 对采集到的管道负压波信号进行消噪处理 , 然后再识别压力突 降点 , 则可以获得较好的效果。 3 影响消噪质量的关键因素分析 3. 1 小波基及尺度的选择不同的小波基具有不同 的时频特征 , 用不同 的小波基对同一个问题进行分析 , 会产生不同的 效果。因此 ,
10、 在对某特定信号进行消噪时 , 必须选 基可变的情形下尺度仍可变的信号分析方 法 , 它 可在不同的尺度下对信号进行分析处理。因此 , 即使小波基选定 , 如尺度选择不当 , 对信号分析的 效果仍然会有影响。利用不同的小波基在同一尺度下对所采集的 负压波信号进行分解 , 并通过对各分解后信号的信噪比 (SNR 和均方误差 (MSE 比较 4, 可得出 最优的小波基 ; 同样地 , 对负压波信号在同一小波 基下进行不同尺度的分析 , 可以得到最优的尺度。 3. 2 阈值及处理方法的选取在进行信 号消噪处理时 , 选取阈 值一般有 4种规则 :(1 基于 Ste i n 的无偏似然估计 (SURE
11、 原 理的自适应阈值估计 (ri g rsure; (2 固定阈值的 形式 (sqt w olog; (3 启发式阈值选择 (heursure; (4 最小极大方差阈值 (mini m ax i3。在这 4种阈值选取规则中 , SURE 和 m i n i m ax i阈值选取规则较为保守 (仅将部分系数置为零 , 另外两种阈值选取规则 , 在去除噪声时更为有效 , 但由于 heursure 是 sqt w o l o g 和 ri g sure 两种规则的 综合 , 所选择的是最优预测变量阈值 3, 5。因此 , 本文在燃气管道泄漏检测与定位研究中 , 选用启 发式阈值选择 (heursur
12、e 作为阈值选取规则。在求得阈值以后 , 有两种在 信号上作用阈值 的方法 :硬阈值处理方法和软阈值处理 方法。硬 阈值处理方法的缺点是在某些点会产生间 断 , 而 软阈值处理方式可以有效地避免中断 , 使得重建 后的信号更加光滑 5, 6。因此 , 采用软阈值处理方法来进行研究。4 基于小波分析的负压波法在燃气管道泄漏检 测与定位中的应用某水平输气管道有一泄漏点 , 各参数如下 :输 气管道 总长 L =150km, 管 道起 点压 力 P 1=8. 0M Pa , 终 点 压 力 P 2=4. 8M Pa , 管 道 内 径 D =600mm, 负压波在管道中的速度 v =300m /s;
13、 传感 器的采样频率为 10H z , 管道上下游获得的压力波 形分别如图 2所示。由图 2可以看出 , 上下游所 获得的泄漏管道 的负压波信号带有很大的噪声 , 不能够准确地获 得压力突变点。因此 , 采用小波分析 , 利用 m atlab 小波工具箱对以上信号作消噪处理。 4. 1 小波分解 48 FLU I D MACH I N ERY Vo l 34, No 12, 2006 (a 上游压力波信号(b 下游压力波信号 图 2 上、 下游压力波信号在同一尺度下 , 采用不同的小波基对图 2所 示的负压波信号进行小波分解。图 3所示为分别 选用 db1、 db3、 db5、 co if3、
14、 sy m 2小波基对上游信号 x 进行 4尺度分析的结果。对各分解后信号的信 噪比 (SNR 和均方误差 (MSE 进行比较 , 结果列 于表 1。从表 1可以看出 , 经 db1小波分解后的信号 信噪比最大 , 均方误差最小 , 优于其余 4种小波基分析。因此 , 选用 db1小波作为分析泄漏信号的 小波基。表 1 不同小波基分析信号的 SNR 和 M SE 比较 小波基函数SNR M SE ( 10-4db145. 62834. 6609db345. 59024. 7019db545. 61084. 6796co if 345. 59894. 6925sy m 245. 58794. 7
15、043图 3 选用不同小波基对信号作小波变换的结果比较x . 上游压力波信号4. 1. 2尺度选择根据以上的分析结果 , 选用 db1小波对负压 波信号进行了 8尺度分析 , 结果如图 4所示。 由图 4可以看出 , 第 7层的分析效果最好 , 能较好地体现出信号的变化趋势。而在其它尺度上的分析效果较差。因此 , 选用尺度 7对信号作分 析。4. 1. 3小波分解结果综上所述 , 选用 db1小波 对泄漏信 号进行 7尺度分解 , 上游信号的分解结果如图 5所示 :492006年第 34卷第 12期 流 体 机 械 图 4 用 db1 小波基在不同尺度下对信号分析的结果图 5 游信号在 db1
16、小波下 7尺度分解结果a7. 近似信号 , d1d7. 各层细节信号4. 2 阈值量化处理在前面的分析中 , 初步选定了启发式阈值选择 (heursure 作为阈值选取规则。为选择合适的阈值 作用方法 , 对负压波信号分别选用硬阈值处理方法 和软阈值处理方法进行了分析 , 如图 6所示。并对分析后所得信号的信噪比 (SNR 和均方 误差 (MSE 作了比较 , 见表 2。可以看出 , 经过软 , , 果较好。因此 , 选择软阈值处理方法进行阈值量化处理。表 2 阈值作用方法比较项目 硬阈值处理法 软阈值处理法 SNR 45. 576445. 8274M SE( 10-44. 71684. 45
17、204. 3 小波分析消噪结果50 FLU I D MACH I N ERY Vo l 34, No 12, 2006综上所述 , 先选用 db1小波对泄漏信号进行 7尺度小波分解 , 再对小波分解的高频系数进行 软阈值量化 , 并重构小波信号可得消噪后的上下 游负压波信号 , 得到最终消噪结果 , 如图 7 所示。(a 上游信号软阈值处理法(b 下游信号硬阈值 处理法 图 6 阈 值作用方法对消噪结果的影响(a 上游信号(b 下游信号 图 7 上下游信号消噪结果4. 4 用负压波原理进行泄漏点定位经过消噪处理后的信号 , 再经过奇异性分析 且局部放大后 , 便可以清楚地获得 , 上游传感器获
18、 得的信号在第 3217个采样点时产生突降 , 下游传 感器获得的信号在第 1783个采样点时产生突降 , 即负压 波 信 号传 到 上 游传 感 器 的 时 间为 t 1=321. 7s , 传到下游传感器的时间 t 2=178. 3s , 可得 泄漏点定位尺寸 x =96. 51k m 。 5 结语研究了基于小波分析的负压波管道泄漏检测 与定位技术 , 并对小波分析消噪处理方法进行了 分析。先选取合适的小波基和尺度对泄漏信号进 行小波分解 , 再对各尺度下小波分解的高频系数 进行阈值量化 , 并重构小波信号可得消噪后的泄 漏信号。针对燃气管道泄漏检测与定位的实例分 析得出 , 对上下游压力
19、波信号采用小波分析进行 消噪处理后 , 更为精确地获得了压力突降点 , 提高 了泄漏点定位的精度。参考文献 :1 李炜 , 陈 希平 , 毛海 杰 , 等 . 天 然气 管道泄 漏点 的定位检测方法 研究 J.甘肃 工业 大学 学报 , 2003, 29(4:84 87.2 王海生 , 叶昊 , 王桂增 . 基于小 波分析的 输油管道泄漏检测 J.信息与控制 , 2002, 31(5:456 460. 3 飞思 科技产 品研 发中 心编 著 . M ATLA B6. 5辅 助小波分析与应 用 M.北京 :电子工业出版社 , 2003. 4 Chu K ue i Tu , Y an Y ao J
20、i ang . D ev elopment of no i sereducti on algorith m for unde r wa ter signa lsA .Un derwa ter T echno l ogy , 2004. UT 04. 2004Interna tion al Sym posiu m C .2004. 175 179.5 董长虹 . M atlab 小波分 析工具 箱原理与 应用 M.北京 :国防工业出版社 , 2004.6 A go ris P D, M e ijer S , G ulski E , et a. l T hresho l d se l ecti o
21、n for w av elet deno isi ng o f parti a l d i scharge da ta A .E lectr i ca l Insulati on , 2004. Conference R ecord of the 2004IEEE Internati ona l Sy m po si u m on 19 22SeptC.2004. 62 65.作者简介 :李帆 (1963 , 男 , 副教授 , 主要从 事城市燃气输配 理论与技术研究 , 通讯地址 :430074湖北武汉 市华中科 技大学环 境科学与工程学院 403室。512006年第 34卷第 12期 流 体 机 械
