供水管道泄漏信號處理與定位系統設計

李忠虎，劉一波，鄭欣欣，肖俊生

（內蒙古科技大學 信息工程學院，包頭 014010）

隨著計算機的高速發展，美國國家儀器公司NI（National Instruments），提出了虛擬測量儀器概念，引發了傳統儀器領域的一場重大變革，使得計算機技術和網絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，從而開創了“軟件即是儀器”的先河。使得虛擬儀器技術的應用日益廣泛[1]。

LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環境的簡稱。它是一種基于G語言的32位圖形化編程語言，同時也是應用最廣泛、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發環境。供水管道泄漏信號數據采集屬于微弱信號檢測。主要目的是在強噪聲背景下提取微弱的有用信號，這就要求傳感器有很大的靈敏度能感受微弱信號的變化。

②詠物言志類。據筆者統計，《卜算子》中雖沒有寫盡繁花，但所寫之花的種類也不在少數，達11種之多。其中，寫梅的作品便有37首，其中姜夔有詠梅八首。另直接標有“詠梅”題目者，有陸游與朱淑真。在我國的傳統文化中，梅的凌寒獨放、堅守本心為眾多讀書人所敬仰。陸游的《詠梅》即是如此，上闋寫盡梅花遭受的苦難，下闋借梅花吐露自己心中的愁緒——“無意苦爭春”。

因為微弱信號和強噪聲干擾疊加在一起，所以在信號處理過程中就要用到小波去噪、傅里葉分析等，把這些軟件程序都集中在LabVIEW開發環境下實現。其優點是：根據需要靈活定義儀器功能；可以多種方式顯示采集數據、對硬件的要求比較低、與其他儀器設備連接容易實現、有強大的圖形用戶界面，可以實時分析和處理[2]。

1 虛擬儀器測量系統結構

以NI公司的LabVIEW2012作為開發平臺，輔以NI公司的PXI-6143同步數據采集卡作為硬件來實現該測試系統的設計。該板卡有8路同步數據采集模擬輸入通道，可以實現單、多通道的模擬信號采集，同時完成對信號的分析與處理。該測試系統的核心是可以在前面完成數據的同步采集、中期進行數據的同步分析和處理以及最終實現數據或者波形的同步輸出。虛擬儀器測量系統的結構框圖如圖1所示。

六是移民遷安工作和諧高效。移民后續幫扶深入開展，“下基層、解民憂、辦實事”活動在中央電視臺新聞聯播專題報道。移民村社會管理創新工作深入推進，384個重點移民村的管理創新全面實施，中央電視臺、中央人民廣播電臺分別進行了專題報道。移民后期扶持項目計劃投資17.7億元，各項工作進展順利。

圖1 虛擬儀器測量系統結構框圖Fig.1 Virtual instrument measurement system structure diagram

2 系統方案設計

實際測量系統不可避免地會涉及到數據存儲和管理問題，一般需要進行數據庫操作。該程序設計主要是為操作人員進行數據分析和處理以及對泄漏歷史數據的查詢。在查詢模塊中，主要利用LabSQL完成對泄漏信號的添加、修改以及歷史信息的查詢功能[7]。管道泄漏查詢如表1所示。

Mulligan動態松動術與Maitland關節松動術的不同：動態松動術強調患者在自然負重體位下，通過治療師的被動輔助，做無痛范圍內的主動運動，達到維持并擴大關節活動范圍的技術[10]；關節松動術是通過徒手的被動運動，治療師選擇不同振幅、不同速度的手法，達到改善關節運動障礙或減輕關節疼痛的治療方法。Mulligan動態松動術與Kaltenborn Concept的不同：Kaltenborn在凹凸定律中進行持續性的滑動，Mulligan在此基礎上加上關節主動運動。Mulligan就是患者的主動活動和治療者的被動活動的聯合運動[1]。

2.1 系統主界面設計

系統主界面包括進行泄漏檢測最基本的參數設置和信號處理單元。參數設置完成對管道參數的基本設置；小波去噪和時頻分析是對采集到的泄漏信號進行分析和處理；數據存儲和查詢是對歷史數據管理與回放查詢；互相關是最后的漏點定位。系統主界面如圖2所示[3]。

（2）優化商品的營銷策略，通過對用戶對電子商務平臺Web頁面的訪問，采集用戶各類評價數據，進行挖掘分析。可以充分了解用戶在使用商品后的真切感受，從而優化商品營銷的策略。針對不同的產品進行制定不同的營銷策略，利用數據挖掘技術實現不同的產品優惠、各類型促銷活動的策略方針，實現商品銷售利潤的最大化。

圖2 數據采集程序框圖Fig.2 Block diagram of data acquisition program

2.2 小波去噪程序設計

在實際的供水管道泄漏檢測中，聲發射傳感器SR10采集到的泄漏信號往往包含其他成分，例如低頻諧波干擾和高頻噪聲、外部硬件電路的影響、電機震動等。本文專門設置了小波去噪程序，它的處理過程可分為3個步驟：1）小波分解：選擇適合供水管道泄漏的小波并確定它的分解層數，進行分解計算；2）小波分解的高頻噪聲系數閾值量化：對各個分解尺度下的高頻系數選擇一個合適的閾值進行量化處理；3）小波重構：對最低層的低頻系數和各個層數的高頻系數進行小波重構。使小波去噪盡可能地降低低頻諧波干擾和高頻噪聲。小波去噪波形如圖3所示[4]。

圖3 小波去噪處理波形Fig.3 Waveform of wavelet denoising processing

2）譯碼單元：對AHB-Lite下發的地址和數據進行譯碼，并分派給相關的寄存器；將控制單元的處理的結果送回總線；譯碼單元包括數據輸入寄存器和控制寄存器，控制寄存器主要控制加速核的工作模式和標志起始工作狀態。

2.3 時頻分析程序設計

全面落實黨對機構編制工作的集中統一領導，精干設置各級政府部門及其內設機構，科學配置權力，減少機構數量，簡化中間層次，推行扁平化管理，形成自上而下的高效率組織體系。

在傳統的信號處理過程中，時域和頻域分析法是觀察信號幅值和頻率的2種方式。它們之間是通過傅里葉變換來實現的。時域和頻域的優點在于從整體上觀察信號的時間、幅值和頻率的分布情況。而它們的缺點在于缺乏局部性信息，不能完全揭示幅值、頻率分量在同一幅圖中隨時間變化的情況[5]。因此，為了改善傳統的傅氏變換不能滿足局部性的信息，提出了全局性轉變為局部性的說法，即用時間和頻率的聯合函數來表征信號，這就是時頻分析法。它的優點在于將時間、頻率進行了局部化，通過時間軸和頻率軸2個坐標軸組成的時頻分析圖，可推測出全部信號在局部時域圖內的頻率分布和組成，或者可得出全部信號的頻率帶在時間軸上的分布、排列情況。時頻分析程序如圖4所示。

圖3是在實驗室搭建的3層管道泄漏信號處理系統采集到的波形，首端和末端是在打開2個漏點采集到的原始波形，從原始波形圖中可以看出泄漏信號包含很多諧波干擾、高頻噪聲和環境噪聲等。從去噪的結果圖中可以看出，小波去噪能有效地消除干擾和噪聲，并且很好地恢復原始信號波形，達到了預期去除噪聲的目的。因此，在實際管道泄漏信號處理過程中運用小波去噪處理信號是可行的。

圖4 時頻分析程序框圖Fig.4 Time frequency analysis program diagram

從時頻分析圖中可以看出，原始波形圖經過小波去噪再經過傅里葉變換后的頻率主要集中在500 Hz～1000 Hz之間，大約是在750 Hz左右，而經過查詢得知，泄漏信號的頻率大部分集中在50 Hz～2000 Hz的范圍內，說明實驗室搭建的管道泄漏系統比較符合實際要求。

為了在實驗室驗證真實的管道泄漏信號的頻率與干擾大小的關系，人為制造了比較大的噪聲，得到的時域圖和頻域圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 有噪聲的振動信號時域圖Fig.5 Graphs the vibration signal noise

圖6 有噪聲的振動信號頻域圖Fig.6 Vibration frequency of the signal noise

該泄漏歷史查詢表格是在滿足 “采集人=劉一波”的情況下查到的管道泄漏情況，它的泄漏位置是距離首端傳感器的距離。經過程序檢測到的泄漏位置與實際漏點位置誤差不大，滿足實際要求。

2.4 數據存儲和查詢程序設計

數據采集和信號處理系統以LabVIEW2012為軟件設計平臺，由同步數據采集卡PXI-6143和計算機組成。在供水管道上采集到的實時泄漏信號數據，直接通過數據采集卡傳入到計算機，計算機對傳入進來的數據進行小波去噪、時域與頻域分析處理、顯示，并保存處理結果。該系統提供了良好的人機交互界面，主要包括3部分：1）數據采集界面，工作人員可以實時地在該面板上設置系統的采樣率和采樣點數；2）小波去噪窗口，用戶可以在該面板上看到去噪后波形，同時可以設置信號頻率、截止頻率和階數；3）數據處理窗口，在該窗口上可以看到相關的數據處理波形。

表1 泄漏查詢表Tab.1 Leakage of the query table

從時域圖和頻域圖可以得出結論，當有瞬時的干擾噪聲出現時（0.7 s）泄漏信號的幅值出現了明顯的波動，幅值突然增加到1附近，說明波形不平穩，而在頻域圖（0.7 s）中，頻率同樣也出現了瞬時突變。綜合上述2幅圖說明，在有大的干擾噪聲存在時，供水管道泄漏信號表現出不平穩的波形，說明外界干擾噪聲是一種波動的干擾噪聲，會引起管道泄漏信號的波動[6]。

3 互相關處理結果分析

信號的相關性是指某一個信號在2個不同時刻或者2個信號在同一時刻的近似程度。相關性大體分為自相關和互相關2種，自相關是測試信號中是否含有周期性或者從隨機信號中提取被淹沒的周期信號，以實現信號的提取與識別。互相關是測試2個信號的相關延時時間。本文主要利用互相關，同時結合下位機及相關算法對泄漏位置進行相關定位[7]。互相關分析圖如圖7所示。

為了驗證互相關定位系統的準確性，筆者進行了多次實驗，每一次采樣頻率都設置為4000 Hz，采樣點數設置為10000個。圖7為一次數據采集在經過小波去噪、時頻分析等信號處理后，進行的互相關預算結果，首端和末端分別對應傳感器所檢測的波形。

圖7 互相關分析圖Fig.7 Correlation analysis chart

財務風險是企業經營活動中經常面臨的問題，因此，為了提高國有企業經營能力，減少資金成本的流失，就應重視企業自身財務風險防范能力的提高，以此來減少風險問題的出現和對企業造成的影響。在進行企業的財務風險防范時，可以從以下幾方面進行考慮：

在泄漏檢測實驗中，通過安裝在管道兩端的傳感器來獲取泄漏信號。從圖7中可以看出，首端傳感器到達時間比末端傳感器到達時間要早5.5 ms，因此互相關的時延估計值為負數。實驗室采用的管道內徑為90 mm的鋼管道和內徑為90 mm的PVC管道，2個傳感器相距21 m，根據互相關定位方法，傳感器1和傳感器2接收到的泄漏信號分別為

那么，2個泄漏信號的相關函數為

設泄漏信號的周期為T0=2π/ω0，那么將式帶入后可得

2路信號的相關函數可以認為是由1個參數和1個sinc函數的乘積組成。所以當式（4）成立時τm＝（rA-rB）/v，兩泄漏信號的最大相關延時，即相關函數峰值出現的時間，τm正負代表泄漏點距離哪個傳感器更近，如果τm為正值，表示漏點距離首端較近，漏點與首端傳感器的距離為rA=rB-τmv

2個傳感器之間的距離可以直接測量獲得，設兩傳感器間的距離為L，并設rA=L，則有rB=L-L1，將其帶入式可得漏點與傳感器1的距離為

所以可以計算出漏點距離首端傳感器的距離為D=7.1 m，實際檢測中漏點距離首端傳感器的距離為7.6 m，誤差不大。定位結果表明基于時延估計的互相關分析法具有較高的準確性，誤差大部分都能控制在3%以內，基本滿足了實際工程的需要。表2給出了多次測量的互相關實驗結果和實際的漏點位置對比情況。

表2 泄漏檢測多次實驗結果和真實對比Tab.2 Leak detection experiments results and real contrast

從表2中也可以看出，互相關定位法具有較高的應用價值。影響測量誤差的主要因素包括波的傳播速度、傳感器靈敏度和噪聲等。總的來說，基于時延估計的互相關定位法能夠準確地定位漏點位置。

4 結語

文章以LabVIEW為開發平臺，配合PXI-6143數據采集卡，開發了操作簡單、界面友好的供水管道泄漏信號數據采集和信號處理系統。該系統包括數據采集、信號分析、互相關定位等技術。完成了對泄漏信號的波形顯示、濾除噪聲、相關分析等。本文設計的測試測量系統充分體現了虛擬技術和Lab-VIEW軟件開發平臺在信號采集和處理中的強大功能，在一定程度上縮短了管道泄漏檢測系統的開發周期并降低了開發成本。同時該系統可廣泛應用于測試測量領域，完成對信號的實時采集和處理，具有重要的實用價值。

[1]姚麗，劉東東.基于LabVIEW的數據采集與信號處理系統設計[J].電子科技，2012，25（5）：79-81.

[2]張望，于清旭.基于LabVIEW的CO激光器控制系統[J].計算機測量與控制，2007，15（5）：629-631.

[3]楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設計與應用[M].2版.北京：電子工業出版社，2005.

[4]李忠虎，郭卓芳.供水管道泄漏檢測與定位技術應用研究[J].化工自動化及儀表，2012，38（4）：388-391.

[5]石川，張琳娜，劉武發.基于LabVIEW的數據采集與信號處理系統的設計[J].機械設計與制造，2009（5）：21-23.

[6]劉永波，鄭龍江.城市供水管網泄漏檢測定位系統研究[D].秦皇島：燕山大學，2012.

[7]李忠虎，郭卓芳，梁德治.基于相關分析法的供水管道漏點定位技術研究[J].工業計量，2011，21（3）：457-458.