三傳感器約束多尺度相關管道漏點定位方法

張建利，郭衛星

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱)

城市供水管道發生泄露時，在漏口處形成聲源，以彈性波的形式沿管道向兩方向傳播.傳統的兩傳感器相關法，就是利用這兩方向的聲波信號傳到對應傳感器間的時延進行漏點定位的，但傳統相關法存在如下問題:1)在傳統相關法檢漏中聲波在管道中的傳播速度是根據管材和管徑作為已知量選取的［1］，實際使用中的管道參數不可避免地存在差異［2］，且由于管道在不同埋設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)在傳統相關法的信號模型中假設源信號和兩個傳感器中攜帶的噪聲信號是兩兩互不相關的零均值平穩隨機信號［4］，但實際情況是現場存在各種各樣的噪聲，當噪聲間相關時，就可能出現錯誤的時延估計，產生誤檢.當噪聲較強時，可能將有用信號覆蓋，檢測不到源信號，結果產生漏檢［5］.3)廣義相關法雖然已經考慮了噪聲的影響，通過權函數ψ(f)的設計提高了信號的信噪比［6］，但是不同的濾波加權函數適用于不同的信噪特征，所以權函數的選擇依賴于對信號和噪聲的統計先驗信息，而實際現場環境下噪聲信號的特性難以預測，而且當噪聲功率較大時，估計結果的誤差也必然較大.4)傳統的濾波方法都有1個基本假設，即假定信號和噪聲處于不同的頻帶，濾波除噪即是根據一定的噪聲統計特征，將噪聲所在的頻率范圍內的分量一并置零［7］.實際上管道泄露信號分布的頻帶會根據材質，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測，在整個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過高頻帶通濾波預處理后，并不能得到好的定位結果，甚至遠距離檢測時，這樣處理后會檢測不到漏點的存在［8］.

1 三傳感器約束多尺度相關漏點定位原理

1.1 基于三傳感器的漏點定位模型

本文提出的一種基于3個傳感器約束的多尺度相關管道漏點定位方法，不僅能實現比傳統兩傳感器法更準確的定位，而且還解決了傳統兩傳感器法的速度輸入不準確的問題，模型如圖1所示，圖中1、2、3為3個相同的加速度傳感器.

圖1 基于三傳感器的漏點定位模型示意圖

圖1中3個傳感器任意兩個之間的距離是可知的，即L、L1、L2是可知的，同樣對應的任意兩個傳感器之間的時延(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的傳感器時延就可以實現傳統兩傳感器法定位的功能，本文選用L2和τ23max來計算聲波在此管道中的傳播速度，選用L1和τ12max進行漏點定位，即

1.2 漏點定位方法及步驟

由三傳感器模型可知，時延計算的精度是決定漏點定位準確性的唯一關鍵因素.為此，本方法通過4個主要步驟來確保時延的計算精度及漏點定位結果的準確性，具體計算流程如圖2所示，分別為:多尺度分解(對應圖2中的步驟1);多個尺度內求相關時延(對應圖2中的步驟2);三傳感器矢量匹配篩選(對應圖2中的步驟3、4、5);結果顯示及判斷(對應圖2中的步驟6、7).這是本方法區別于兩傳感器方法的創新.

圖2 三傳感器約束多尺度相關漏點定位計算流程圖

1.3 定位原理

1.3.1 多尺度內求相關時延

經同一小波變換后同一尺度內兩通道信號的時延保持不變［9］，也就是說小波變換不會造成兩通道信號固有時延的失真，這是運用小波進行多尺度分解后計算時延的前提.

將距離漏點不同距離的3個傳感器采集上來的3段等長度信號1、2、3統一作8層分解，得到8個尺度內的分信號，然后對每個尺度內近似頻帶和細節頻帶下的傳感器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計算求取時延 τ12max、τ23max和 τ31max，時延估計結果如圖3(a)所示.圖3(a)中給出了分辨率從高到低8個尺度內的近似和細節頻帶下共16組時延估計結果.即每一個頻帶下時延τ12max、τ23max和τ31max都有1組估計結果.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的源信號的成分比較占優勢，而時延估計的精度在很大程度上決定于做相關的兩個信號的“純度”，所以在這些頻帶上求相關所得到的時延結果也必然比其他頻帶更接近實際，圖3(b)為其匹配結果.1.3.2 三傳感器矢量匹配篩選

雖然經過圖2中的步驟2得到了多組時延估計結果，見圖3(a)，但由于采集信號時各種非源噪聲的摻入，從而使結果并非每組都正確，因此有必要找到一種篩選規則，從多組數據中挑選到最優的估計結果.

對應任意2 個通道i，j(i，j=1，2，3，…)之間的時間延遲為

且有

現增加第3通道k，則有

圖3 多尺度相關時延估計結果

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系.由于上述關系的推導沒有附加其他條件，所以只要3個傳感器捕捉到同一個信號源，則它們的時延就必然滿足式(3)，對于正常傳播的單漏點泄漏源信號同樣滿足該關系，而各種雜亂的噪聲卻很少滿足該關系.由于圖3(a)中每一頻帶內的時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(即每一列)的時延求和來判斷對式(3)的匹配程度，匹配結果如圖3(b)所示.可見頻帶8對式(3)匹配得最好，同時此頻帶內的時延值也是真實情況的反應，其余各頻帶由于受到噪聲不同程度的“污染”而存在相應的誤差.因此可將式(3)作為約束法則，根據不同頻帶內時延求和結果的符合程度(即匹配誤差)來篩選最優結果.

1.3.3 計算及結果判斷

有了篩選出的最優時延結果，即可利用式(1)、(2)進行漏點定位計算，計算結果如圖4所示.

圖4 定位結果

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

2 管道泄漏定位試驗

圖5為管道泄漏定位試驗裝置，漏點定位時，首先需要在疑似漏點的兩側按照圖1所示的方式安放傳感器，進行3路泄漏信號的采集，然后在labVIEW軟件平臺上實現如圖2所示的漏點定位計算.

為了驗證三傳感器檢漏方法的有效性，將其與傳統的兩傳感器相關法在同一條件下試測結果作一比較，在實驗室中進行直管段和彎管段的定位結果分析.結果表明，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對真實信號的篩選能力，最終得到的只能是能量最強頻帶上信號的相關時延計算結果，而這個信號在彎管道上的傳播過程中可能已經發生變化，或者被噪聲干擾，因此兩傳感器方法的多數定位結果已經失去了工程應用價值，而三傳感器方法是利用三傳感器間的匹配關系基于多頻帶上多組時延結果進行篩選，從而得到一組相對最優的結果.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果都優于兩傳感器方法，體現了三傳感器方法較好的適應性和穩定性.

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

圖5 管道泄漏定位試驗裝置

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

3 結論

1)第3個傳感器的引入，有了一系列針對時延準確求取的保障措施.

2)利用多尺度分析方法，實現了泄漏信號的信噪分離，從而使真實時延結果得以呈現.三傳感器矢量匹配篩選，能夠將真實的時延結果從眾多“假象”中得以提取.

3)第3個傳感器的引入，使傳播速度的輸入更加有針對性，提高了漏點定位精度，適應性更強.

4)本方法采用3個傳感器，但實際漏點定位中可以擴展為多個傳感器互為校核，既可以增加結果的可信性，又方便實現更大范圍內的漏點普查和定位.

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