一種新的燃氣泄漏檢測方法

齊元利 馬 燕 張相芬 李順寶 張玉萍

(上海師范大學信息與機電工程學院，上海 200234)

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一種新的燃氣泄漏檢測方法

齊元利 馬 燕 張相芬 李順寶 張玉萍

(上海師范大學信息與機電工程學院，上海 200234)

為了檢測城市管道燃氣泄漏，搭建了燃氣管道運輸試驗平臺采集燃氣信號。由于泄漏聲發(fā)射信號模式復雜、內(nèi)容多樣、變化迅速，分別采用小波分解與小波重構(gòu)的方式對信號進行分解處理，并根據(jù)原信號突出特征重構(gòu)信號?？紤]到泄漏信號與非泄漏信號的模式復雜程度不同，提出了基于近似熵的判別方法。試驗結(jié)果表明，兩種信號的近似熵值差距明顯，可以作為區(qū)分兩種信號的依據(jù)，同時說明近似熵的方法可以用于燃氣泄漏檢測。

天然氣 燃氣泄漏 聲發(fā)射 離散小波變換 小波分解 小波重構(gòu) 近似熵 信號采集

0 引言

相對于其他燃料，具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟實惠、安全可靠等特點的天然氣的使用越來越普及。如今，天然氣已經(jīng)通過燃氣管道走進千家萬戶，給人們的生活帶來了很大便利。同樣，天然氣的易燃易爆性和一定的毒害性等性質(zhì)，也使天然氣的使用存在一定安全隱患，這就需要解決燃氣泄漏的檢測問題[1]。不管燃氣以何種方式泄漏，由于壓強的作用，管道部分區(qū)域應力集中，燃氣和管道之間會快速釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波，這種彈性波被稱為聲發(fā)射信號[2]。聲發(fā)射信號使管道材料產(chǎn)生振動，從而將信息傳遞到管道表面。該振動可以由聲發(fā)射傳感器獲取，經(jīng)過放大處理后，可以記錄或顯示很多信號特征。聲發(fā)射信號的產(chǎn)生具有多樣性、突發(fā)性以及不確定性，經(jīng)由介質(zhì)傳遞和傳感器頻響特性影響之后，更難以利用理論加以計算，由此，聲發(fā)射信號表現(xiàn)出非線性的動力學特性[3]。

根據(jù)已有的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[4]，將聲發(fā)射信號進行小波重構(gòu)后，分析重構(gòu)后的信號可以更好地反映聲發(fā)射信號的特性。近似熵可以描述聲發(fā)射信號的復雜性，能夠預測信號新模式產(chǎn)生的概率[5]。近似熵越大，說明信號越容易產(chǎn)生新的模式，信號自身越復雜。信號的復雜度也可以作為區(qū)分信號的一個依據(jù)。所以，本文使用小波重構(gòu)和近似熵結(jié)合的方法，進行燃氣泄漏檢測。

1 方法介紹

①小波變換及重構(gòu)。

給定一個平方可積空間信號χ(t)，記作χ(t)∈L2(R)，則小波變換可定義為:

(1)

(2)

(3)

相應的離散小波變換WTx(j,k)為：

(4)

式中：WTx(j,k)被稱為離散小波系數(shù)，簡稱小波系數(shù)。

對應地，小波重構(gòu)[5]公式為：

(5)

上式得到的時間信號χ(t)稱為小波變換的單支重構(gòu)信號。

小波變換的單支重構(gòu)保證了尺度系數(shù)的不變性。針對平移因子進行積分，得到尺度值不變而平移因子變化下的單支時間信號。單支重構(gòu)的意義在于將信號按照一定的頻率值分解成一系列的時間信號，這樣就可以排除其他頻率成分信號的干擾[6]。

②小波基的選取。

小波基需要具有時域的緊支性以及在頻域急劇衰減的能力，以此來獲取聲發(fā)射信號的突發(fā)部分信息和分析頻域衰減帶來的信息。

聲發(fā)射信號傳感器采集到的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)量一般比較大，考慮到信號的處理速度，采用離散小波變換而不是連續(xù)小波變換。

聲發(fā)射信號會表現(xiàn)出大量的類似沖擊信號的特性，波形中包含一些近似指數(shù)衰減類型的波形信號，因此所采用的小波基也需要具有類似的特質(zhì)。

選擇的小波基必須具有一定階次的消失矩，以此來獲得聲發(fā)射信號的奇異特性。

在信號處理經(jīng)常用到的幾種小波基中，Daubechies小波既能在時域表現(xiàn)緊支性，又在頻域表現(xiàn)快速衰減特性；同時時域波形表現(xiàn)出震蕩衰減特性，并且有一定范圍的消失矩。根據(jù)大量試驗結(jié)果比較分析，本文選擇使用Daubechies小波。

③近似熵。

近似熵用來描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或數(shù)據(jù)維數(shù)發(fā)生變化時能夠產(chǎn)生新模式的可能性，亦即產(chǎn)生新信號模式的可能性或概率[7-9]，所以是一個非負數(shù)。它以一種定量的方式描述信號在時間序列上的復雜程度。簡單來說，如果某數(shù)據(jù)段的近似熵值越大，表明該數(shù)據(jù)段在時間序列上的隨機性或不規(guī)則性越強，越不具有某種周期性，且越具有較高復雜度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；反之，數(shù)據(jù)段的熵值越小，說明數(shù)據(jù)更有可能具備周期性，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也更簡單、單一[10]。

將數(shù)據(jù)組成m維向量，即：

X(i)=[χ(i)χ(i+1)…χ(i+m-1)]

(6)

(7)

對m維向量的每一個i計算X(i)與除自身外的所有矢量X(j)(i=1,2,…,N-m+1)間的距離。

(8)

輸出近似熵，即

(9)

近似熵是一個純粹的標量，沒有任何量綱。它的計算結(jié)果和m、r有很大關(guān)系。

根據(jù)多次試驗表明，當m=2、r=(0.1～0.25)STD(STD為序列的標準差)時，近似熵計算結(jié)果呈現(xiàn)出理想的統(tǒng)計特征。近似熵在抗瞬態(tài)干擾方面有較強能力，同時包含著大量時間模式的信息，既體現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜度和新模式產(chǎn)生概率之間的關(guān)系[12]，又體現(xiàn)數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)上的復雜性。近似熵只用很短的數(shù)據(jù)序列即可取得很好的效果，對隨機過程和確定性過程都適用。

2 試驗分析

①聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。

該試驗平臺由一條直管和一條支管組成，直管和支管構(gòu)成一條回路。試驗管道全長9 m，可用來安放傳感器的管道分別為AB段和CD段，總長為8 m。試驗管徑為DN20，檢測平臺設(shè)計的最大壓力為1.6 MPa。聲發(fā)射檢測試驗平臺如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射檢測試驗平臺示意圖

本次試驗平臺所采用的聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)是由北京聲華興業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)，其基本工作原理如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射系統(tǒng)工作原理圖

試驗過程：將聲發(fā)射傳感器放置到AB段管道，打開空氣壓縮機和管道閥門形成一個氣流通路，使傳感器捕捉到聲發(fā)射信號。

試驗環(huán)境：該試驗在安靜的試驗室內(nèi)進行，經(jīng)過在噪聲環(huán)境下采集數(shù)據(jù)并比對，發(fā)現(xiàn)普通環(huán)境噪聲不會給數(shù)據(jù)的分析帶來誤差，可以忽略。

試驗記錄：聲發(fā)射信號經(jīng)由傳感器顯示波形如圖3所示。

圖3 經(jīng)傳感器的聲發(fā)射信號波形

②數(shù)據(jù)分析。

首先針對泄漏與非泄漏情況下采集到的聲發(fā)射信號進行小波變換，分別提取其細節(jié)特征，并使用小波重構(gòu)出新的信號，來更好地進行信號分析。將在燃氣泄漏和不泄漏兩種情況下分別采集到的信號用“db10”小波進行5層小波信號分解。由信號分解可知，試驗采集到聲發(fā)射信號的信息絕大部分蘊藏在小波分解得到的第一層、第二層和第三層細節(jié)信號中，因此，在進行信號的重構(gòu)時，只采用前三層的細節(jié)信號，重構(gòu)后的信號如圖4所示。

圖4 信號重構(gòu)圖

將采集到的序列取信號長度為20 000點，取長度2 000為一個矩形數(shù)據(jù)窗口，對窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進行小波重構(gòu)。針對重構(gòu)之后得出的小波系數(shù)，計算它們的近似熵，重復以上步驟直到遍歷最后一個數(shù)據(jù)。試驗所得該段數(shù)據(jù)近似熵如圖5所示，它說明了該段數(shù)據(jù)隨著時間變化的信號復雜度變化情況。

由試驗結(jié)果可知，在第七個和第八個數(shù)據(jù)窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的近似熵急劇增加，說明該段數(shù)據(jù)維數(shù)變化大、結(jié)構(gòu)復雜，很有可能在此處出現(xiàn)燃氣泄漏。為了驗證設(shè)想，在保證其他條件不變的情況下，以燃氣無泄漏和燃氣有泄漏為變量采集數(shù)據(jù)，重新計算并比較近似熵如圖6所示。

圖5 重構(gòu)后小波系數(shù)近似熵示意圖

圖6 泄漏與非泄漏情況下近似熵示意圖

③試驗結(jié)論。

由以上試驗和數(shù)據(jù)分析可知，燃氣泄漏和非泄漏情況下的信號經(jīng)過小波變換處理后，其近似熵差距明顯，可以作為燃氣泄漏的一個判斷指標。

3 結(jié)束語

本文將小波變換和近似熵相結(jié)合，引入到燃氣泄漏檢測領(lǐng)域，同時將近似熵的物理意義轉(zhuǎn)化到實際應用中，為燃氣泄漏檢測提供了新的思路和方法。試驗結(jié)果表明，本文介紹的小波重構(gòu)與近似熵結(jié)合的燃氣泄漏檢測方法方便可行、效果明顯，而且成本較低。

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A New Method of Gas Leakage Detection

In order to detect the leakage of urban gas pipelines,the experimental platform of gas pipeline transportation is built to collect the gas signal.Due to the acoustic emission signal of leakage is featuring complex patterns,diverse contents and rapid changes,the signal is decomposed and processed by using wavelet decomposition and wavelet reconstruction respectively; and the characterized reconstructed signal is highlighted in accordance with the original signal.Considering the difference complexity of patterns of leakage signal and non-leakage signal,the discrimination method based on approximate entropy is proposed.The experimental results show that the obvious gap exists between the approximate entropy values of two kinds of signals,thus these can be used to distinguish two kinds of signals; the method of approximate entropy can be used for gas leakage detection.

Natural gas Gas leakage Acoustic emission Discrete wavelet transform Wavelet decomposition Wavelet reconstruction Approximate entropy Signal acquisition

齊元利(1990—)，男，現(xiàn)為上海師范大學計算機技術(shù)專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事信號處理方向的研究。

TH7;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611007

修改稿收到日期：2016-01-05。