Matlab小波變換在燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)中的試驗(yàn)研究

嚴(yán)欣明郝永梅顧玉明毛小虎岳云飛徐 明

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院 常州 213016）（2.常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院 常州 213164）

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Matlab小波變換在燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)中的試驗(yàn)研究

嚴(yán)欣明1郝永梅2顧玉明2毛小虎1岳云飛1徐 明2

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院 常州 213016）
（2.常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院 常州 213164）

摘 要：應(yīng)用Matlab小波變換對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┬盘?hào)進(jìn)行消噪處理，得到了更為精確的泄漏定位結(jié)果。首先闡述了小波變換的原理和步驟，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬油氣管道進(jìn)行燃?xì)夤艿佬孤┠M試驗(yàn)，運(yùn)用matlab小波工具箱，對(duì)不同小波基以及不同閾值處理后的幾種偏差進(jìn)行比較后選取db8小波基對(duì)氣體管道進(jìn)行7尺度分析，結(jié)合時(shí)延估計(jì)的檢測(cè)定位原理得出泄漏位置坐標(biāo)。結(jié)果證明小波消噪確實(shí)提高了管道泄漏的定位精度。

關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿?小波變換 泄漏檢測(cè) 應(yīng)用

管道作為一種運(yùn)輸設(shè)備越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于石油、化工及城市燃?xì)夂凸嵯到y(tǒng)中，同時(shí)因管道泄漏引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故也越來(lái)越多，若能及早發(fā)現(xiàn)管道泄漏就可以最大程度上防止或減少事故的發(fā)生。由于管道本身、環(huán)境等不確定因素影響，通過(guò)檢測(cè)接收到的管道泄漏信號(hào)中存在大量噪聲，這些噪聲影響了泄漏信號(hào)的識(shí)別，造成泄漏定位不準(zhǔn)確。小波消噪技術(shù)由于其在信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越多人的關(guān)注，用小波技術(shù)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理，去除泄漏信號(hào)中與源定位信號(hào)不符合的部分，可以更加準(zhǔn)確地找到泄漏源位置。而實(shí)踐證明小波理論具有極大的應(yīng)用前景，尤其在信號(hào)處理方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)［1-2］。

1 小波變換的基本原理及步驟

小波變換是一種集信號(hào)的時(shí)間——尺度和時(shí)間——頻率的分析方法，其具有很多優(yōu)勢(shì)特性，被譽(yù)為分析信號(hào)的顯微鏡［1］。小波變換可視為信號(hào)（）x t在實(shí)軸上的局部區(qū)域內(nèi)的正則性。信號(hào) （）x t小波變換的定義為［3］：

式中：

a——尺度因子；

b——起平移作用。

小波變換就是利用噪聲與信號(hào)在各個(gè)尺度上的小波（ 變換模極大值） 譜具有不同表現(xiàn)的這一特征，將噪聲小波譜分量去掉，然后再利用小波變換重構(gòu)算法，重構(gòu)出原信號(hào)。

小波消噪的基本步驟如下［1，4］：

1）對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行小波多尺度變換。選取最大尺度尋找奇異點(diǎn)，在此最大尺度J＝5；

2 燃?xì)夤艿佬孤┠M檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

燃?xì)夤艿滥M實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)主要由2個(gè)部分組成：1）聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)：美國(guó)物理聲發(fā)射公司（PAC）生產(chǎn)的PAC6006系統(tǒng)；2）模擬管道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（見圖1）。

圖1 油氣管道平臺(tái)圖

該管道平臺(tái)由泵、閥、空氣壓縮機(jī)和金屬管道等構(gòu)件組成，壓力管道泄漏的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?0號(hào)普通碳素鋼管，外徑32.9mm，長(zhǎng)6000mm，管道壓力為0～1.2MPa，管道上有計(jì)量壓力、溫度和流量等儀表。

在管道系統(tǒng)上取一段長(zhǎng)為5000mm的直管段作為本次試驗(yàn)的管道，模擬泄漏孔口位置在距離上游A傳感器3600mm處，如圖2所示。

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)管道示意圖

L1為上游傳感器A到泄漏孔的距離，L2為下游傳感器B到泄漏孔的距離，上下游傳感器接收泄漏信號(hào)經(jīng)前置放大器輸入到聲發(fā)射儀，計(jì)算得到粗定位結(jié)果。其定位原理為：

式中：

v——泄漏應(yīng)力波在管壁中的傳播速度；

Δt——上下游傳感器接收到應(yīng)力波的時(shí)間差；

x——泄漏點(diǎn)位置。

打開泄漏閥門，保持小泄漏狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，共分3次，每次測(cè)定3組，得到9組定位數(shù)據(jù)見表1。得到試驗(yàn)定位誤差均值為15.03%，定位誤差較大。

表1 氣體泄漏實(shí)驗(yàn)泄漏定位統(tǒng)計(jì)表

3 Matlab小波變換消噪處理

3.1 小波基選取

不同的小波基具有不同的時(shí)頻特征，用不同的小波基對(duì)同一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析，會(huì)產(chǎn)生不同的效果。因此，在對(duì)某特定信號(hào)進(jìn)行消噪時(shí)，必須選取一個(gè)合適的小波基。分別使用db1、db8、sym2對(duì)其中第1組信號(hào)進(jìn)行4尺度小波分解，分解結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種小波基對(duì)1組泄漏信號(hào)分解圖

通過(guò)matlab小波工具箱統(tǒng)計(jì)功能得到9組實(shí)驗(yàn)的每個(gè)信號(hào)的絕對(duì)偏差、中值偏差、標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 db1、db8、sym2小波分解統(tǒng)計(jì)表

小波基　標(biāo)準(zhǔn)差（8組）　中值偏差（8組）　絕對(duì)偏差（8組）db1　0.3573　0.2517　0.2898 db8　0.2121　0.1264　0.1605 sym2　0.3043　0.1582　0.2219小波基　標(biāo)準(zhǔn)差（9組）　中值偏差（9組）　絕對(duì)偏差（9組）db1　0.323　0.1871　0.2554 db8　0.2006　0.1101　0.1514 sym2　0.2692　0.1427　0.1945

通過(guò)對(duì)不同小波基分解的標(biāo)準(zhǔn)差、中值偏差、絕對(duì)偏差的結(jié)果比較，得到每組信號(hào)的最優(yōu)小波基個(gè)數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 最優(yōu)小波基個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從表3中可知，db8最優(yōu)小波基個(gè)數(shù)最多，因此選取db8小波作為管道泄漏小波消噪的小波基。

3.2 尺度及閾值函數(shù)選擇

小波基已選定，但如果尺度和閾值選擇不當(dāng)，對(duì)信號(hào)分析的效果仍然會(huì)有影響。對(duì)氣體泄漏信號(hào)進(jìn)行7尺度分解如圖4所示。

通過(guò)對(duì)泄漏信號(hào)的7尺度處理發(fā)現(xiàn)，隨著尺度的增加，信號(hào)所包含的內(nèi)容越少，當(dāng)分解層數(shù)為7尺度時(shí)，分解信號(hào)幾乎趨于一條直線，只出現(xiàn)為數(shù)不多的起伏，從該圖中也可以看出在低尺度時(shí)信號(hào)尖銳的部分比較多，也驗(yàn)證了小波基小尺度處理信號(hào)時(shí)，其結(jié)果主要保留較多的是信號(hào)的尖銳的部分，當(dāng)尺度增加時(shí)，其處理后的信號(hào)變化比較平緩，信號(hào)整體比較光滑［5］，驗(yàn)證了在大尺度分解時(shí)，處理結(jié)果中能夠保留較多的緩慢變化的成分，從7尺度看信號(hào)緩慢變化的部分已經(jīng)較少，說(shuō)明低頻部分的信號(hào)已經(jīng)能夠顯示出來(lái)，所以選取7尺度能夠滿足要求。

對(duì)于閾值的處理方法，擬對(duì)MATLAB中兩種閾值方法進(jìn)行比較選取，分別為固定形式的閾值、基于無(wú)偏似然估計(jì)sure閾值。用這兩種閾值處理方法分別對(duì)9組氣體管道小泄漏信號(hào)進(jìn)行處理，利用MATLAB的統(tǒng)計(jì)功能，比較經(jīng)過(guò)每種閾值處理后的信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差、中值偏差、絕對(duì)偏差來(lái)選擇合適的閾值處理方法，處理結(jié)果見表4和表5。

圖4 氣體管道泄漏信號(hào)7尺度小波分解圖

表4 固定形式閾值處理結(jié)果表

表5 基于無(wú)偏似然估計(jì)sure閾值處理結(jié)果表

比較表4和表5相同試驗(yàn)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差、中值偏差以及絕對(duì)偏差，比較結(jié)果見表6。

表6 固定形式的閾值和基于無(wú)偏似然估計(jì)sure閾值比較結(jié)果表

根據(jù)表6結(jié)果可知選用基于無(wú)偏似然估計(jì)sure閾值的最優(yōu)個(gè)數(shù)為5個(gè)，而固定式閾值的最優(yōu)個(gè)數(shù)有4個(gè)，基于此因素，確定使用無(wú)偏似然估計(jì)sure閾值方法來(lái)確定閾值。

3.3 MATLAB小波消噪結(jié)果

綜上所述采用db8對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行7尺度分析，采取基于無(wú)偏似然估計(jì)sure閾值選取方法，分別對(duì)以上其中1組實(shí)驗(yàn)泄漏信號(hào)進(jìn)行小波消噪處理，消噪后的結(jié)果見圖5和圖6。結(jié)合互相關(guān)定位算法，得出db8小波7尺度消噪定位值。

圖5 1組實(shí)驗(yàn)傳感器A消噪圖

圖6 1組實(shí)驗(yàn)傳感器B消噪圖

對(duì)信號(hào)進(jìn)行奇異點(diǎn)分析，可發(fā)現(xiàn)傳感器A信號(hào)奇異點(diǎn)在采樣點(diǎn)數(shù)為600，傳感器B信號(hào)奇異點(diǎn)在采樣點(diǎn)數(shù)為282，可得采樣點(diǎn)數(shù)差為318，通過(guò)計(jì)算時(shí)間差為3.18×10-4s。計(jì)算得泄漏點(diǎn)位置為x=3973mm處。

重復(fù)以上步驟分別對(duì)另外8組泄漏信號(hào)進(jìn)行消噪處理，得到表7小波消澡后定位數(shù)據(jù)。

表7 小波消噪后氣體管道泄漏定位統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

通過(guò)研究得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)用db1、db8、sym2等幾種小波基分別對(duì)氣體泄漏數(shù)據(jù)信號(hào)處理，結(jié)果得出db8更適用于氣體管道的小波消噪，再對(duì)基于無(wú)偏似然估計(jì)sure閾值處理方法和固定形式的閾值處理方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)前者更優(yōu)一些。

2）對(duì)實(shí)驗(yàn)室粗定位結(jié)果與小波消噪后的定位結(jié)果比較分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)小波消噪后，定位誤差有較大程度減小，由粗定位誤差的15.03%降低到7.6%。

3）小波消噪后的定位結(jié)果明顯好于粗定位結(jié)果，這在一定程度也說(shuō)明了小波消噪方法在提高管道泄漏檢測(cè)定位精度方面是可行的。

小波分析為信號(hào)分析處理打開了一個(gè)巨大的領(lǐng)域，但目前大部分都停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用還存在一定的距離，這也是今后小波消噪應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向。

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［國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局項(xiàng)目：jiangsu_0003_2016AQ］

［常州市科技支撐計(jì)劃：CE20145054］

Application of Matlab Wavelet Transform in Leak Detection of the Gas Pipeline

Yan Xinming1Hao Yongmei2Gu Yuming2Mao Xiaohu1Yue Yunfei1Xu Ming2
（1. Jiangsu Institute of Special Equipment Safety Supervision and Inspection Branch Changzhou Changzhou 213016）
（2. School of environmental and safety engineering， Changzhou University Changzhou 213164）

AbstractUtlizing Matlab wavelet transform for gas pipeline leakage signal de-noising， this paper gets a more accurate leak localization results. Firstly， set for the principles and steps wavelet transform is introduced. Comparing deviation of several different wavelets and different thresholds processing method using Matlab wavelet toolbox， this article selects db8 wavelets for gas pipelines 7 scale analysis， and obtains the leak location coordinates by detection positioning principle combining with time delay estimation. The results proves that wavelet de-noising really improve the positioning accuracy of pipeline leaks.

KeywordsGas pipelines Wavelet transform Leak detection Application

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)欣明（1963～），男，本科，室主任，高級(jí)工程師，從事壓力容器與管道安全檢測(cè)工作。

收稿日期：（2015-09-20）

中圖分類號(hào)：X933.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）06-0014-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.003