本科毕业论文-基于小波的管道压力检测算法研究.doc

辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 I 基于小波的管道压力检测算法研究基于小波的管道压力检测算法研究 摘 要 管道运输以其独特的安全优势和成本优势，已广泛应用于城市生活和 工业生产的自来水输送系统、污水排放系统、煤气或天然气输送系统及工 业石油输送系统等。随着管道运输的发展，管道运输已成为一个独立的交 通运输部门管道运输业。它是国民经济综合运输的重要组成部分之一。 管道运输在国民经济中的影响也日趋扩大，尤其是石油管道运输。因而石 油管道运输的安全稳定则成为一项极具现实意义的重要问题。 本文的主要工作体现在以下几个方面：首先，本文简要地介绍了管道 运输的概况，对国内外管道运输的发展历史、现今状况以及未来的发展做 了简单的介绍；还详细地分类介绍了目前管道泄漏检测的常见方法，从它 们的原理、特点及应用角度等方面做了细致的分析和归类。其次，本文针 对我国流体管道运输的特点，详细地介绍了基于负压波的管道泄漏检测定 位方法；研究了基于小波的泄露检测方法；同时，还探讨了如何在多种检 测方法并存的方式下，进行冲突消解。 关键词：泄露检测；负压波；小波变换；定位算法 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 II Based on Wavelet Pipe Pressure Detection Algorithms Abstract Because of its unique security advantages and cost advantages, pipeline transportation is used in water supply system, sewage disposal system, natural gas transport system and industrial oil transport system for the city life and industry manufacture. Pipeline transportation has become a separate traffic transport section pipeline carrying trade with the development of pipeline transport. It is one of the important parts of State Economy Integration Transportation. Pipeline transportation is growing influentially, particular in the oil pipeline transport. And it has become more and more important to the pipeline transportation whether the pipeline transport can run safely and steadily. The main efforts accomplished can be summed up as the following aspects: First, the history and the current situation of the pipeline transport are briefly introduced, and its future development is also forecasted. After the usual detection methods elaborated, these methods are analyzed and classified based on their theory, characteristic, application, and so on. Then, aiming at the current situation of our countrys liquid transport pipelines, a leak detection and location method based on suction wave theory is introduced; and detecting the leak location using wavelet theory. It is also researched to process the conflict by using multi arithmetic. Give a common method for conflict resolution. This thesis also bring forward the concept of the algorithm factory by method of leak detection system design scheme based on the innovation and wavelet transform detection. This makes the system extensible and gives the design method of raw data adapter. This allows the system not only in the functional extensibility, but also in the extensibility of detection signals. Key words: leak detection, wavelet transform, wavelet transform, location arithmetic 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 III 目目 录录 摘摘 要要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 第第 1 1 章章 引引 言言 1 1 1.1 课题背景与意义1 1.2 管道压力检测算法的发展及方法概述 2 1.2.1 管道压力检测算法的发展 2 1.2.2 管道泄露检测与定位的各种分类方法 5 1.2.3 基于小波的管道压力检测技术 6 1.3 存在的问题及最新发展.11 第第 2 2 章章 基于负压力波的小波检测算法基于负压力波的小波检测算法 1212 2.1 引言.12 2.2 小波变换分析研究.12 2.3 基于小波算法的奇异点检测.15 2.3.1 小波奇异性理论.15 2.3.2 使用小波变换检测信号奇异点.15 2.4 基于小波变换的管道信号消噪处理.20 2.4.1 管道压力信号预处理.20 2.4.2 管道压力信号消噪处理及分析.21 第第 3 3 章章 基于小波变换的泄露定位算法研究基于小波变换的泄露定位算法研究 2323 3.1 负压波法泄露检测及定位原理.23 3.2 负压波法泄露检测的关键及存在的问题.24 3.3 基于小波变换的泄露定位算法.25 3.3.1 小波定位算法描述.25 3.3.2 小波定位算法仿真分析.25 第第 4 4 章章 系统设计与分析系统设计与分析 3131 4.1 系统需求分析.31 4.2 系统设计与实现.32 4.2.1 系统框架的分析与设计.32 4.2.2 抽象算法工厂的设计.34 4.2.3 生数据的软件适配器设计.37 4.2.4 数据库的选择与设计.38 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 IV 第第 5 5 章章 结结 论论 4141 参考文献参考文献 4444 谢谢 辞辞 4747 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 1 第第 1 1 章章 引引 言言 1.1 课题背景与意义 本课题的目的在于开发一套成本较低的管道压力测量检漏系统。管道运输是 一种新兴、经济的运输方式，相对于其他运输方式，管道运输的建设时间短，费 用低，运输量大，占地少，能耗少，成本低的特点，特别是在运输气体和液体等 方面，具有天然的优势，因此在世界各国的经济和社会发展中发挥着越来越重要 的作用。目前，管道运输已经成为与铁路，公路，航运，水运并列为五大基本运 输方式之一，管道运输在我国国民经济和国防工业中发挥着越来越重要的作用， 管道运输已经成为关系到现代工业和国民经济发展的命脉行业。而流体输送管道 的泄漏检测和定位方法是流体运输与现代故障诊断理论等多学科相结合而产生的 一门新兴交叉学科。 在五大运输方式中，管道运输有着独特的优势。首先在建设上，其与铁路、 公路、航空相比，投资要省得多。就石油的管道运输与铁路运输相比，交通运输 协会的有关专家曾算过一笔账：沿我国成品油主要流向建设一条长 7000 公里的 管道，它所产生的社会综合经济效益，仅降低运输成本、节省动力消耗、减少运 输损耗 3 项，每年就可以节约资金数 10 亿元左右。其次，在油气运输上，管道 运输有其独特的优势。 （一）它的运输过程平稳、不间断，这对于现代化大生产 来说，油田不停地生产，管道可以做到不停地运输，炼油化工工业可以不停地生 产成品，满足国民经济需要；（二）管道运输实现了安全运输，对于油气来说， 汽车、火车运输均有很大的危险，国外称之为“活动炸弹”，而管道在地下密闭输 送，具有极高的安全性；（三）管道运输有利于保证运输质量，管道在密闭状态 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 2 下运输，油品不挥发，质量不受影响。 近年来，随着管线的增多，管龄的增长，由于施工缺陷和腐蚀等原因，管道 事故频频发生，由于所输物质的危险性和污染性，一旦发生泄漏会给国家和人民 的生命财产安全带来巨大的威胁1。为了及时发现泄漏事故，减少资源的损失， 维护管道部门的正常运行，在技术上给泄漏检测提出了更高的要求。 管道的泄露不仅仅会带来重大的经济损失，造成资源的浪费，而且根据管道 里所运送物质的不同，还会对环境造成严重的危害，甚至会危及人们的生命。因 此，各国都十分重视有效地预防管道的泄露，在预防的同时，如何及时有效的探 测到管道的泄露，准确地定位漏点，成为各国一直以来研究的重点。 早期的泄露检测方法由于技术方面的限制，主要偏重于硬件方法，如管内探 测球法、分段试压法、磁力探伤法等。随着科学技术的飞速发展，计算机被广泛 的应用于各个领域，现代控制理论愈加的完善，近年来逐步发展起了以软件为主， 软硬件相结合的检漏新方法。管道泄露检测技术在国内起步较晚，80 年代以来， 国内在石油、天然气运输的泄露检测问题上也有很多学者或工程技术人员在应力 波法2-6、负压力波法、管道实时模型法、光纤检漏等方面作了大量的研究工作。 1.2 管道压力检测算法的发展及方法概述 1.2.1 管道压力检测算法的发展管道压力检测算法的发展 最早对泄露检测问题的探索和研究可以追溯到 1928 年，美国马萨诸塞州的 Caldwell 等，他们在 1929 年申请的专利（NO.1738094）中，讨论的就是关于泄 露检测的问题。1955 年，美国利用“放射物检测法”7-8对输油管道的泄露进行 检测，一次检测的长度在 20 千米以上。接着，前苏联、法国、丹麦、印度、日 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 3 本等国也相继采用了该技术，检测范围涉及到水管道、油管道、气管道等几乎所 有类型的管道。该方法的原理是在管道流体中放入溴-82、碘-131、钠-24 等放射 性物质，管道上有泄流发生时，放入其中的放射性物质就会渗入到周围的土壤中， 探测到它们的存在，也就可以确定管道发生了泄漏及漏点的大致位置。后来，这 种方法得到扩展，有时在管道中不是加入放射性物质，而是加入其它类型的具有 易挥发行的示踪剂，故又称为“示踪剂检测法” 。上述两种方法操作周期长，不 适用于在线实时检测管道运行状态，所以现在已经很少用了。 但是，这种检测方法的思想却随着科学技术的发展得到了发展，在人们发现 了一些材料的某些特性会随它所接触物质的不同而不同后，就将这些材料做成检 测元件，这样就出现了“检测元件法”9-11。例如：加拿大在输油管道建设时， 将一种能与油气进行某种反应的电缆沿管道铺设，泄漏发生时泄漏油气使电缆的 阻抗特性发生变化，并将此信号传回检测中心。该电缆即是传感器又是信号传输 设备，利用阻抗、电阻率和长度的关系确定泄露的程度和泄露的位置。又如：日 本在 80 年代开发的“同轴电缆法”是用非透水而透油性好的绝缘材料做电缆的 保护层，将这种电缆靠近输油管道铺设，当管道有泄露发生时，油质通过多孔 PTFE 树脂电缆，使得该部分的阻抗降低，表明泄露的发生。目前，还可以利用 一些特性光纤作为感应和传输信号的媒介，来达到检测泄露的目的。但是“元件 检测法”存在的弱点是他不适用于已建管道系统的泄露检测，并且相对来说建设 成本较高。 与上述方法同时发展的还有一类方法，称为“质量平衡法” ，其原理是根据 质量守恒定律，在管道无泄露的情况下进入管道的物质质量应等于流出管道物质 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 4 质量。当泄露程度达到一定量时，入口与出口就形成明显的流量差。检测管道多 点位的输入和输出流量，或检测管道两端泵站的流量并信号汇总构成质量流量平 衡图像，根据图像的变化特征就可确定泄露的程度和大致位置。但是无论是输送 何种物质的管道，都会有很多直线，因此管道流体状态及参数较为复杂，影响管 道计量的瞬时流量因素也很多，因此该方法需要采取时间累计平均估计，这使得 检测时间较长，检测精度很低。检测流入、流出物质的质量，多采用流量计进行， 因此流量计的精度也直接影响泄露诊断的准确性。当管道运行时，其中物质的压 力、温度和密度都有可能发生变化，这就意味着“进多少，出多少”的简单系统 在某些应用中是不够完善的，所以，这种方法要与“分段测试法”11-12等方法配 合使用。 到了 70 年代，人们开始进行管道泄露机理及其产生信号特性的研究，在此 基础上提出了一类新的基于泄露时产生信号特征的泄露检测及漏点定位方法。我 们知道，当管道内液体或气体泄露时，由于管道内外的压力差，使得泄露的物质 在通过漏点到达管外部时形成涡流，从而产生了震荡变化的声波。通过在漏点两 端放置传感器或其他装置接受沿管壁或管内物质传来的声波，分析其特征可以确 定是否有泄露发生，同时根据到达两传感器的时间差（时延） ，结合已知的两传 感器间的距离及声波传播的速度即可定位漏点。 在泄露发生时，漏点处除了会发出声波外，同样也会产生压力波。即在泄露 发生时，泄露处产生因流体物质损失而引起局部流体密度减小出现的瞬时压力降 低和速度差，这个瞬时的压力下降作用在流体介质上就作为减压波源通过管道和 流体介质向泄漏点的上、下游传播。当以泄露前的压力作为参考标准时，泄露时 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 5 产生的减压波就成为负压波。利用放在漏点两端的压力传感器拾取压力波信号， 根据两端拾取压力波的梯度特征和压力变化率的时间差，利用信号相关处理方法 可就可以确定泄露程度和泄露位置，这种方法称为“负压波检测法” 。它是目前 国际上应用较多的管道泄露检测和漏点定位方法。 近年来，还出现了一种新的检测方法，即“瞬态模型法”13。基于此方法的 瞬态模拟系统主要针对动态检测泄露，由于静态检测泄露在管道压力及温度的变 化期间有一定的局限性，因此在由于压缩机或泵失灵、干线截断阀关闭和管道支 线进出口阀门的形状等引起状态变化期间，瞬时模拟系统可以提供确定管道的存 量的方法，以作为系统流量平衡的参考量。同时，瞬态模拟系统还具有一些其他 能力，其中包括天然气管道充填量分析、传递效率分析、压缩机或泵的优化运行。 其应用的优越性可说明建立一套瞬时模拟系统是可行的技术，在经济合理性方面 也令人满意。 1.2.2 管道泄露检测与定位的各种分类方法管道泄露检测与定位的各种分类方法 由于管道泄露检测与定位技术是多学科知识的综合，其检测手段差别很大， 现在的管道泄露检测与定位的方法很多，其分类方法也很多，到目前为止，还没 有一个统一的分类方法。根据近十几年来的国内外相关资料，比较公认的分类方 法大致有四类： 1）根据检测过程中所使用的测量手段不同，分为基于硬件和软件的方法14-16。 基于硬件的方法利用由各种不同的物理原理设计的硬件装置，如基于视觉的红外 线温度传感器，基于听觉的超声波传感器，基于嗅觉的碳氧检测装置等，将其携 带或铺设在管道线上，以此来检测管道的泄露并定位；基于软件的方法则是根据 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 6 计算机数据采集系统实时采集管道的流量、压力、温度及其他数据，利用流量或 压力的变化、物料或动量平衡、系统动态模型、压力梯度等原理，通过软件对泄 露进行检测和定位。 2）根据测量分析的媒介不同可分为直线检测法与间接检测法17-19。直接检测 法是指直接用测量装置对管线周围的介质进行测量，判断有无泄露产生；间接检 测法是指根据泄露引起的管道流量、压力等参数及声、光、电等方面变化进行泄 露检测。 3）根据检测过程中检测装置所处位置不同可分为内部检测法和外部检测法20。 内部检测法是指将检测装置置于管道内部，或行走或固定，通过测量管道的内部 状况进行泄露的检测；外部检测法是指在管道外通过铺设敏感介质或安装传感器 等各种方法所进行的泄露检测。 4)根据检测对象的不同可分为检测管壁状况和检测内部流体状态的方法21。 管壁状况检测法是指直接用各种装置检测管壁是否有破损，以此进行泄露检测与 定位；内部流体状况检测是指将实时采集到的管线流体的压力、流量等信号进行 分析处理，从而确定是否有泄露发生并定位。 1.2.3 基于小波的管道压力检测技术基于小波的管道压力检测技术 1）基于小波消噪的管道泄露定位方法22-24。基于多尺度相关性分析的小波 消噪，它主要是根据信号和噪声的小波系数在不同尺度上具有截然不同的传播特 性来进行消噪。对含噪信号进行小波变换后，计算相邻尺度间小波系数的相关性， 并根据相关性大小区别小波系数的类型，从而分离出首末站压力信号中的故障信 号。并根据上、下游压力传感器捕获的故障信号的时间差来进行泄漏定位。 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 7 本方法采用的基本思想是对于突变信号，尺度的小波极值将能传播到2 j 尺度。而对于白噪声，尺度每增加2极值的数目平均减少为原来的一半，即有 1 2 j 半数的噪声极值不能从尺度传播到尺度。我们采用一种简单的计算方法，2 j1 2 j 即将相邻的尺度与尺度小波系数相乘，乘积经适当调整后再与尺度小波2 j1 2 j 2 j 系数比较，如果乘积小于相应的尺度小波系数，则认为是噪声并将该值置零。2 j 本文是依据泄漏突变信号和噪声在小波变换各尺度上的模极大值具有截然不 同的传播特性来消除噪声，并判断泄漏突变点的。根据首、末站信号中突变点对 应时刻的时间差，利用负压波来进行定位。本文所用的基于多尺度相关性分析的 小波消噪算法简单，直观，并且消噪效果明显。通过对现场数据的分析处理，证 明本算法有很高的定位精度。 2）基于小波分析的自来水管道泄露定位装置25-26。该系统主要由上位机和 下位机组成。下位机对管道内流动的自来水的压力和输入泵的转速进行实时检测， 通过学校内部的电话网和上位机通讯并传输数据，便于上位机根据自来水管道两 端上报的数据判断管道运行状况，如果发生泄漏，则判断泄漏点位置，在此系统 中，下位机的时间信息由上位机根据GPS的时间信息进行定时校对。 当管道发生泄漏时，泄漏点的压力迅速下降，泄漏点两边的自来水在压力差 作用下，迅速向泄漏点处补充自来水，这一过程依次向管道两端传递，相当于在 泄漏点处产生了以一定速度向管道两端传输的负压力波，从而导致管道两端压力 信号发生突变。当下位机检测到自来水压力信号发生变化时，就申请和上位机通 讯，并把采集到的压力信号、流量信号及相关时间信息上报给上位机，而上位机 则要求自来水管道另一端的下位机上报相应的水压信号、流量信号及时间信息， 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 8 这样上位机就可根据管道两端的下位机上报的自来水压力信号变化的时间差及流 量信号的变化，判断自来水管道是否泄漏，如果泄漏，则计算出泄漏量并定位泄 漏点的位置，泄漏定位表示式为 (1.1) 21 2 La tt X 式中:X为泄漏点至自来水管道首端距离，m；L为自来水管道长度，m；a为负压 波在自来水管道中的传播速度,m/s； 为负压波到达自来水管道首端的时刻； 1 t 为负压波到达自来水管道末端的时刻。 2 t 当自来水管道系统发生故障时，通常会导致系统的采集信号发生奇变，产生 奇异点。由于采集信号的奇异点和异常结构中往往含有丰富的信息，它们对于系 统的故障诊断是十分有用的。在这些奇异信号中，信号的奇异程度是不同的，根 据研究的需要，常将其分为剧变奇异信号和缓变奇异信号。剧变奇异信号是指信 号本身具有突变，缓变奇异信号则指信号本身是连续的，但其某阶导数具有间断 或突变。系统故障诊断的关键就是如何从系统的奇变信号中将泄漏故障检测并定 位出来。由于小波变换可以描述信号的任意细节，对于检测管道泄漏的压力信号 以及泄漏点的定位具有很重要的意义。 综上所述，所设计的天然气长输管道仿真系统能够很好地模拟天然气长输管 道运行过程中的各种工况。通过该系统，用户可以真实地体会到输气管道动态运 行时，全线水力的变化过程。系统用户界面操作方便，易于学习，既适用于学员 的培训，又可为工艺技术人员对生产过程的操作控制提供指导和参考。 3）基于小波变换的输油管道泄露定位算法27-29。目前，管道泄漏的检测与 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 9 定位的方法很多，如管内探测球法、相关法、瞬态模型分析法、流量平衡法、压 力梯度法等，但都具有一定的局限性。而负压波法由于检测速度快，定位精度高 等优点而被广泛应用。由于小波变换具有多分辨分析的特点，而且在时频两域都 可以表征信号局部信息的特点，因此本文采用负压波法和小波变换法相结合来进 行管道泄漏检测与定位。 当流体输送管道因为机械、人为破坏，材料失效等原因发生泄漏时，由于管 道内流体压力很高(对原油长输管道干线压力可达几个Mpa)，而管道外一般为大 气压力。管内输送的流体因为存在内外压差而迅速流失，泄漏部位产生物质损失， 这就导致发生泄漏点的流体密度减小，进而引起管道内此处流体的压力降低，由 于流体的连续性，管道中的流体速度不会立即发生改变，流体在泄漏点和与其相 邻的两边区域之间的压力产生差异，这种差异导致泄漏点上下游区域内的高压流 体流向泄漏点处的低压区域，从而又引起与泄漏点相邻区域流体的密度减小和压 力降低，这一过程从泄漏点处沿管道依次向上、下游方向传递，在水力学上称为 负压波。原油管道中负压力波的传播速度约在10001200m/s之间。沿管道传播的 瞬态负压波中包含有泄漏的信息。由于管道的波导作用，它能够传播数十公以上 的远端，在管道两端安装压力传感器能够捕捉到包含泄漏信息的瞬态负压波，就 可以检测泄漏的发生，并根据泄漏产生的负压波传播到管道两端的时间差进行漏 点定位。 负压波法泄漏检测与定位的关键问题之一就是确定泄漏负压波信号传到管道 上、下游压力传感器的时间差，即两负压波下降沿拐点的位置差。实际的泄漏负 压波信号中往往夹杂大量噪声，噪声和有用信号边沿都具有奇异性，这给奇异点 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 10 的检测又增加了困难。噪声在多尺度小波变换下的模极大值将随尺度特征j的增加 而迅速衰减，而信号边沿所对应的小波变换模极大值将随尺度特征j的增加而增加 或保持不变。所以可以依据小波变换模极大值随尺度的变化趋势来区分噪声和信 号的奇异点。然而越小尺度上的模极大值与信号奇异点位置对应准确，但是容易 受到噪声的影响；大尺度上的模极大值受噪声影响小，但是与信号奇异点位置对 应得不准确，会产生漂移。本文的目的是求出负压波到达管道首、末两端的时间 差，即两负压波下降沿拐点的位置差，而不是单个负压波下降沿拐点的位置。尽 管单个负压波小波分解的最大尺度上的模极大值位置与单个负压波下降沿拐点的 位置不一致，产生漂移，但通过仿真实验可以验证：如果小波基和分解尺度选择 适当的话，两负压波小波分解最大尺度上的模极大值位置相对于两负压波下降沿 拐点位置来说，漂移的方向相同，而且漂移的程度也大致相同，所以小波变换模 极大值位置的漂移并不影响两负压波下降沿拐点的位置差。因此本文提出两负压 波下降沿拐点的位置差可以通过两负压波信号小波分解的最大尺度上的模极大值 位置差来计算，这样可以在去除噪声影响的同时求出两负压波下降沿拐点的位置 差，进而定位出泄漏点的位置。 尽管单个负压波小波分解的最大尺度上的模极大值位置与单个负压波下降沿 拐点的位置不一致，产生漂移，但是漂移的方向相同，漂移的程度也大致相同， 所以产生的漂移并不影响两负压波奇异点位置差的计算，从而验证了本文算法的 有效性。管道泄漏会产生负压波，管道首、末两端的压力传感器接收到的泄漏负 压波信号实际上含有大量噪声，本文的小波定位算法可以在去除噪声的影响的同 时，并可以定位泄漏点位置。 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 11 1.3 存在的问题及最新发展 在早期的石油管道泄露检测中，通常是采用检测管壁状态的方法。这种方法 最初采用人工沿管分段巡视，但这种方法不能及时发现泄露。为了提高检测效率， 人们研制了各种检测仪表与装置，比如高聚物电缆及管内探测球等，这种方法检 测和定位准确，但工程造价过高。随着计算机技术的迅速发展以及 SCADA 系统 在管线上的应用，20 世纪 80 年代开始出现一类在线实时检测系统，这样系统实 时监测管道内的流体状态，根据状态的改变进行判断和漏点定位。 随着我国管道运输业的发展，管道泄露的检测与定位已成为一个日益紧迫的 问题，八十年代以来，我国的一些科研院所和高校在应力波法、负压波法、管道 实时模型法等方面进行了卓有成效的研究。 由于管道发生泄露时，运行状态变化较大，加之一些外界干扰的影响，因此， 单纯的一种泄露检测方法往往很难达到满意的效果。因此实际应用中，常常将几 种方法联合起来进行检测，这几种方法利用各自原理进行定位，并相互补充以降 低误报率。 目前，国内外对管道泄露检测技术的研究重点在于将信号处理的方法与硬件 结合、软件为主体的方法，以期提高检测的自动化程度以及灵敏度和准确度。现 今研究的热点是将模式识别、信号处理以及人工智能等学科知识应用于泄露检测 中。而且，由于输油管道属于非线性时变系统，因此，自适应思想在泄露检测中 的作用将越来越大，而小泄露的检测与定位仍是目前的一个难点。 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 12 第 2 章 基于负压力波的小波检测算法 2.1 引言 当流体输送管道因机械、人为、材料失效等原因发生泄露时，管内输送的流 体在内外压差的作用下迅速流失，泄露部分产生物质损失，这将引起发生泄露位 置的流体的密度减小，进而引起管道内此处流体的压力降低。由于物料流动的连 续性，管道中的流体不会立即改变速度，流体在泄露点和与其相邻的两边区域之 间的压力产生差异，该压力差导致流体从上下游区域内向泄露区填充，从而又引 起与泄露区相邻的区域的密度和压力的降低。这种现象依次向泄露区上下游扩散， 这在水力学上称为“负压波” 。 泄露在管道中的总体反应就是从泄露点处产生了同时向上、下游传播的瞬态 负压波，它的传播过程类似于声波在介质中的传播，其传播速度约在 10001200 米/秒之间。 2.2 小波变换分析研究 小波变换原理来源于傅里叶变换，Fourier 分析的思想在于将一般的函数 表示为具有不同频率的谐波函数的线性叠加，从而将对原来的 f t| i t eR 函数的研究转化为对这个叠加的权系数，即 Fourier 变换的研究。从使用的 f 观点看，当人们考虑 Fourier 分析时，通常是指 Fourier 变换和 Fourier 级数。傅里 叶变换的目的在于描述任一函数的频率特性。tf 傅里叶分析具有许多优点，它与平移变换、伸缩变换和卷积运算有极协调的 关系，但它也存在着明显的不足之处，具体体现在: 1)理论上，为了研究一个时域信号的频谱特性，必须获得信号在时域中的全 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 13 部信息，甚至包括将来的信息； 2)从应用角度，如果一个信号只在某一时刻的一个小的范围内发生变化，则 信号的整个频谱都要受到影响，而频谱的变化从根本上来说无法标定发生变化的 时间位置和发生变化的剧烈程度，也即傅里叶变换对信号的局部畸变没有标定和 度量能力。这一点源于进行傅里叶变换所用的变换核，该变换核在频域tiexp 中仅为一点，在时域中却是无限长，因而在时一频空间中不具有任何分辨率，是 非局部化的，而在很多实际应用中畸变却是要关注的重要信息； 3)傅里叶变换不能反映信号在各个指定时刻附近的任何频率范围内的频谱信 息，即信号在局部时间范围内和局部频带上的谱信息分析。因此傅里叶变换较适 合于分析长时间稳定信号，对于分析瞬变信号或分析信号局部特性的应用场合不 是很有效。 小波分析属于时频分析的一种。传统的信号分析是建立在傅立叶变换的基础 之上的，由于傅立叶变换使用的是一种全局的变换，要么完全在时域，要么完全 在频域，因此无法表述信号的时频局部信息。为了能够同时得到信号的时频特征， 人们对傅立叶变换进行了推广，提出了加窗的傅立叶变换，即短时傅立叶变换。 短时傅立叶变换的基本思想：给被分析的信号 f(t)加一时间窗，即取()w t 出在时刻 t 时间间隔为的信号进行傅立叶变换，即： (2.1)( , )( ) () it Ff t w tedt 式中：为信号 f(t)加窗后的傅立叶变换。起频限的作用，w(t)起时限的( , )F jt e 作用，随着的变化，所确定的“时间窗”在时间轴上移动，使 f(t)逐步()w t 进入被分析状态。 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 14 我们可以对(2.1)式进行进一步的数学上的分析，取其离散形式： (2.2) 1 0 2 )()(),( N n NT inT enTwnTfF 则可将短时傅立叶变化看作是将函数 f(t)离散化后，分解到以 为基底的空间上，而不是像离散傅立叶变换那样将离 2 (),(0,1,2) in N w nTen 散化后的 f(t)分解在以为基底的空间中。 2 ,(0,1,2) in N en 从上面可以看到，短时傅立叶变换虽然在一定程度上克服了标准傅立叶变换 不具有局部分析能力的缺陷，但从本质上讲，短时傅立叶分析是一种单一分辨率 的信号分析方法，因为由 w(t-)决定的窗口的平移与由决定的伸缩是分立的， jt e 当窗函数 w(t)一旦确定后，其窗口的形状就确定了在平移过程中是不发生变化的。 为了克服这种局限，人们开始探索引入一种窗口大小（即窗口面积）固定但其形 状可改变，时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法，从数学角度上讲， 就是将函数分解到不同于傅立叶变换和短时傅立叶变换的空间中去，这就是小波 变换，也称为多分辨率分析（Multire Solution Analysis） 。它的特点是在低频部分 具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率 和较低的频率分辨率，所以被称为数学显微镜。正是这种特性，使小波变换具有 对信号的自适应性。小波分析已经广泛地应用于信号处理、图像处理、量子场论、 地震勘探、语音识别与合成、音乐、雷达、CT 成像、彩色复印、流体湍流、天体 识别、机器视觉、机械故障诊断与监控、分形以及数字电视等科技领域。原则上 讲，传统上使用傅立叶分析的地方，都可以用小波分析取代。小波分析优于傅立 叶变换的地方是，它在时域和频域同时具有很好的局部化性质。 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 15 2.3 基于小波算法的奇异点检测 2.3.1 小波奇异性理论 通常，数学上称在某区间及其邻域内无限次可导的函数是光滑的，与此对应， 若在某点函数有间断或某次导数不连续，则称此点为函数所表征信号的奇异点。 信号奇异点的产生，通常是由于信号在某一时刻幅值或频率发生突变，而引 起了信号的不连续，或者是信号的一阶微分不连续所产生的。李普西兹指数 （Lipschitz exponent）被用来描述函数的局部奇异性，其定义为，如果函数 对点的某领域中任何 t 都有: RLtx 2 0 t (K 为常数，为负数) (2.3) 00 ttKtxtx 则称为在处的 Lipschitz 指数。如果对所有上式都成立，则称 0 tbatt, 0 在上一致 Lipschitz 。txba, 由上面的定义可知，函数在点的 Lipschitz 指数表征了函数在该点的tx 0 t 光滑性。Lipschitz 越大，则函数在该点越光滑，反之则变化越剧烈。 函数在某点的 Lipschitz 与其奇异性的关系如下：1）如果函数在txtx 某点连续可微，则该点处 Lipschitz =1；2）如果函数在某点可导，而导数有界 但不连续时，Lipschitz =1；3）如果函数在某点出奇异，则 Lipschitz 1；4）如果函数在某点不连续但有界，则该点处的 Lipschitz =0。 2.3.2 使用小波变换检测信号奇异点 长期以来，对于信号的奇异点检测主要使用傅立叶，其方法是将信号由时域 转换到频域中，并研究其再频域内的衰减以判断信号的奇异性。但由于傅立叶变 换缺空间局部性，只能在整个信号做整体分析，对于信号奇异点的位置信息等特 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 16 征无法准确描述。而小波变换凭借其特有的多分辨时频分析能力而弥补了这一缺 憾。在本课题中，信号的奇异点主要是由于压力突降引起的信号幅值突变，因此 有必要研究小波变换检测信号突变的能力。 设为一低通函数，通常将其取为高斯函数或规范 B 样条函数，本文采用t B 样条函数，这将在以下论述。 令，取，则有： t t 1 dt td t (2.4) ttx dt d TTXTXWT 由上式可见，信号的小波变换相当于先将其做低通滤波，然后求导。tx 的模极大值点对应于平滑后信号的拐点，即信号的突变点。信号的突变txWT 点与小波变换后模极大值点的关系，信号的突变点与正对应着其小波变tx 0 x 2 x 换的模极大值位置。在实际应用中，信号会复杂有噪声，由于噪声的存在，小波 变换后的模极大值点往往不能正确表征信号突变点的位置。 有效信号与噪声信号的模极大值在尺度变化时的变化趋势相反；随着尺度的 增大，信号中的噪声所对应的模极大值迅速衰减，而有效信号的模极大值会随之 增强。因此，可以用逐步加大尺度的方法来减小噪声对突变点检测的影响。但同 时，尺度不应过大，过大的尺度将会使得信号突变点的小波变换模极大值幅度下 降剧烈，使得突变点的特征不明显。 在使用连续小波变换检测信号奇异点时，需要预先计算出小波函数，且t 连续小波变换的数据冗余较大。对信号的小波变换可以将信号通过两通道滤波器 得到，输出分别为低频概貌和高频细节。对一个含有奇异点的信号做上述变换后， 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 17 奇异点的信息在其高频细节分量中体现，其位置对应着高频细节中模极大值的位 置。 1奇异性检测原理 信号的奇异性通常分为两种情况：一种是信号在某一时刻其幅值发生变化， 使得信号非连续，幅值变化处即为第一种类型的间断点；另外一种是信号外观光 滑，幅值没有突变，但信号的一阶微分有突变，且一阶微分是不连续的，称为第 二种类型的间断。根据对管道泄漏时产生的压力波波形的分析，我们知道在发生 大泄漏时，压力波形的间断点属于第一种类型的间断点，小泄漏是属于第二种类 型的间断点。在利用小波分析信号的这种局部奇异性时，通常所选小波为光滑函 数的一阶导数，可以证明经该小波变换后在奇异点处系数会出现极值。检测的基 本原理是当信号在奇异点附近的 Lipschitz 指数0 时，其小波变换的模极大值 随尺度的增大而增大；当specificReauest() +specificRequest() A Ad da ap pt te ee e -adaptee * * 图 4.8 生数据适配器模型 类 Adapter 模式的工作原理是创建一个新类，该类同时从两个类继承，一方 面从定义其接口的抽象类公开继承，另一方面从访问其现有的原有继承。因为继 承可以使子类具备父类所有的属性，而且可以使子类拥有自己特有的属性。因此 系统演进过程中，新增加的信号可以被隐藏在子类中，而类之间都通过父类进行 信息传递。这样充分利用面向对象的迟绑定技术，达到规避因数据变化引起风险 的目的。 4.2.4 数据库的选择与设计 数据库作为数据串行化的工具，其对系统整体的实时性能有着直接的影响。 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 39 从存储的介质区分，目前可选用的数据库分为磁盘数据库（DRDB Disk-resident database）例如 SQ1 server，以及内存数据库（MMDB） 。但无论选择何种数据库 都必须做到实时性、准确性。 对于本系统由于多种算法并行工作，因此对系统资源的消耗大。为了支撑系 统的可靠运行，提高系统的实时性能；需要把耗时的工作尽量降到最低限度。写 数据库作为耗时的机械操作，其在系统运行中的比重应该尽可能的小。数据库选 择中考虑的因素有：选择的数据库是否能够满足实时性的要求；选择的数据库是 否能够满足大数据量的要求，由于一条管线通常有 10 余个站点，而数据每秒都 需要存储，所以长时间运行势必产生大量的数据；数据库是否易于维护。因此实 时性高的数据库成为系统的必要选择。 实时数据库的主要特点是：1）时间约束。实时数据库是其数据和事务都有 明确的时间限制的数据库。在实时系统中，具有时间约束的数据主要是来自于外 部的动态数据，以及由这些数据求导出的新的数据。数据库中的数据必须如实反 映现场设备的运行情况。2）事务调度。实时数据库系统的正确性不仅依赖于事 务的逻辑结果，而且依赖于该逻辑结果所产生的时间。事务调度既要考虑事务的 执行时间，也要考虑事务的截止期、紧迫程度等因素。 在一般的实时系统设计中，实时数据库主要承担系统所有实时数据的存储和 管理，为相关的功能提供快速、正确的实时信息。为了达到实时性，实时数据库 在系统运行过程中，应常驻内存，以保证读取速度。对于实时性要求不高的数据 可存放在外存储空间。因此，在实时数据库设计时，妥善处理时间与存储空间的 矛盾，才能保证系统的实时性。在泄漏检测系统中利用数据在线压缩技术。在实 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 40 际的数据存储中，由于采集精度的要求，每秒钟下位机向上位机传输 50 组数据。 对于需要长时间运行的泄漏检测系统而言，实时数据库需要高效处理海量数据。 如果采集的数据数据被原封不动地存储势必需要大量内存和磁盘空间以及耗费大 量的时间，因此实时数据进行在线压缩存储技术，即解决数据存储又保证了数据 的实时性。 在本设计方案中，我采用了实时数据库与磁盘数据库相结合的方式。原因主 要有一下几点： 内存数据库将整个数据库或者大部分热点数据存放在主存中，消除了 I/O 瓶 颈。数据驻留内存可以使数据存取主要集中在内存中，缩短系统的相应时间。而 传统的磁盘数据库，数据库主备份位于磁盘上，实时性不高，速度相对较慢，但 存储的数据量大。SQL SERVER 是典型的磁盘数据库，虽然它可以将数据缓冲到 内存中，但是 SQL SERVER 的数据存储访问、索引等机制都是针对磁盘进行优 化的，应用程序访问数据库时，要进行磁盘地址到内存地址的转换，性能远不如 内存数据库。 SQL SERVER 采用的是树索引，而树索引的最大特点是动态平衡，但 B B 是由于树索引的空间利用率和时间性能都不如 T 树和 HASH 索引，因此从这 B 一点上磁盘数据库也适合与本系统这样实时性要求较高的应用。 由于系统中两种算法可能同时运行，算法的大量数学运算其时间复杂度较高， 在这种情况下，利用内存数据库的独特优势，可以有效地减轻系统的压力。而平 时在工况波动不大的情况下，对于需要存储的大量数据，可以采用磁盘数据库。 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸 41 第 5 章 结 论 随着我国大量石油运输管线的开工建设，管道运输的重要性日益突出。然而 由于管线泄漏造成的环境污染和经济损失也越来越多。因此研制检测管道运行状 况的软件具有重要的现实意义。本文对基于负压波的泄漏检测和定位方法进行了 细致的研究。讨论了负压波检测定位的原理、实现方法、关键技术等。该方法主 要通过采集实时的压力信号，对采集的生数据进行处理后，得到是否发生泄露以 及泄露点位置两个结果。负压波在我国应用范围广，而且技术也较为成熟，该方 法不依赖于管道的材质，适合我国管道实际运输的情况。但是，对于微小渗漏和 数据干扰较大的情况，尤其是站内调压带来的干扰仍然存在一些不足，需要进一 步的研究找到有效的解决方法。 本文讨论了基于小波变换的信号处理技术，在负压波泄漏检测方法上，精确 确定泄漏引发压力波传播到上下游传感器的时间差，需要准确的捕捉到泄漏压力 波信号序列的对应特点，本文提出的利用连续小波变换对压力波信号进行消噪的 方法，并利用小波变换对原始信号进行多尺度滤波，对于负压波定位中的信号分 析处理过程有很大的优点，将小波变换技术作为泄漏检测信号处理的一个有效的 处理方式。管道的实时泄漏检测定位涉及自动化领域的诸多问题。如何保证系统 开发的主要精力放在技术创新而非技术利用上，成为系统架构设计的主要内容。 系统架构的可扩展性是减少系统重复性开发的有力保障。可扩展性包括两方 面：一是检测算法的扩性。当系统新增加检测算法时，不需要重新改写系统，而 只需要将算法插入到算法工厂中生成新的算法对象。二是检测信号的可扩展性。 新的检测算法也意味着需要新的检测信号。因此在系统的输入端增加一个检测信 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 毕业设计（论文）用纸