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声信号检测与腐蚀模型法相结合的埋地水管SIM系统研究

谷小红  
【摘要】:水管泄漏容易引起一系列的严重后果,对人们的日常工作、生活以及工业生产等方面将产生重大影响,所以水管的泄漏检测已越来越引起广泛的注意。本文对目前管道检测的前沿技术“埋地水管结构完整性监测(structural integrity monitoring,SIM)系统”进行了深入研究。针对SIM系统,本文着重研究了管道腐蚀模型的建立和基于声信号的泄漏检测。对于腐蚀模型,提出了基于模糊半马尔科夫的水管腐蚀模型,依靠这一模型可以有效地预测水管的未来信息;对于埋地水管泄漏的声信号检测,分析了埋地水管泄漏信号的传播特性;提出了基于部分平移不变小波去噪方法:用ChiMerge粗糙集来识别埋地水管的泄漏信号;提出了小波包与EMD法相结合的泄漏点的定位方法。 本文的主要工作和创新点如下: (1) 提出了基于模糊半马尔科夫过程的埋地水管腐化模型,用以预测管道的未来泄漏状况。埋地水管一般不容易发生泄漏,所以选择在什么时间来检测水管是否发生泄漏是一个关键的问题,本文提出的基于模糊半马尔科夫过程的埋地水管腐化模型的方法,将管道的年龄、状况、腐蚀的程度模糊化,然后建立管道状况的转移矩阵,通过转移矩阵来计算管道在未来的状况。本方法的优点是不需要太多的信息,而只需要知道管道当前的信息就可以预测管道将来的情况,通过预测的信息,我们就可以判断管道在什么时间段容易发生泄漏。 (2) 研究了埋地管道泄漏信号波的传播方程,泄漏信号频率特性以及衰减方程。利用声信号进行水管泄漏检测存在一个问题,即水管的泄漏信号沿管道传播的衰减问题,利用声信号检测是否能检测到泄漏信号。本文通过研究埋地管道泄漏信号波传播方程,经过对现场实验采集的泄漏信号分析,得出了泄漏信号一般处于低频(1000Hz以下)的结论。同时推导出了s=1波在低频下沿管道传输的衰减方程,研究表明泄漏信号是可以被声信号传感器检测的。 (3) 研究了部分平移不变小波去噪方法,对埋地水管泄漏信号进行消噪,结合实际情况,提出了埋地水管泄漏信号去噪效果的新评价标准:相关系数法。针对常用的小波去噪方法的缺点和平移不变小波去噪方法平移量大的缺点,本文提出了部分平移不变法。首先通过分析得出小波可以消除奇异点处于中间位置时的Gibbs,接着介绍了奇异点的检测方法,最后详细阐述了部分平移不变法,并根据实际情况给出了埋地水管泄漏信号去噪效果新的评价标准。仿真和实际埋地水管泄漏检测实验表明,上述方法在减少平移量的情况下也可以取得比较好的效果,同时提高了水管泄漏定位的精度。 (4) 针对平常的一些识别方法只能识别信号,而不能将水管信号的特征简化的不足,提出了一种基于声发射传感器与ChiMerge粗糙集的埋地水管泄漏识别方法。这种方法首先用声学传感器采集数据,然后用EMD(经验模态


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