地下供水管网漏水声音信号采集和压缩法制造技术

本发明专利技术公开了一种地下供水管网漏水声音信号的采集和压缩方法，用于漏点传感器向后台服务器提供漏水检测所需要的声波数据。本发明专利技术内容由如下要素构成：漏点传感器布设间距优化；传感器工作时段选择；声波信号采样频率配置及抽样；声波信号无损压缩。本发明专利技术方法有效降低了漏点传感器的处理功耗和无线通信流量。

【技术实现步骤摘要】
地下供水管网漏水声音信号采集和压缩法
本专利技术属于漏水检测
，涉及一种地下供水管网漏水声音信号采集和压缩方法。
技术介绍
我国水资源短缺，时空分布不均。目前，全国600多个城市中，400多个缺水，其中100多个严重缺水，在32个百万人口以上的特大城市中，有30个长期受缺水困扰。地下供水管漏水带来的水资源浪费更是加剧了这一问题。根据对408个城市的统计，我国城市供水管网漏损率平均达21.5%，全国城市供水漏损量近100×109M3/年，折合用电量超40亿KWh，并有逐年上升趋势。地下供水管网漏水除带来水资源的浪费外，还会引起其它诸多问题。地下水管长期漏水可能造成地下空洞、引起路面坍塌，构成了严重的安全隐患；由于水管漏损点可能受到外源的污染，城市供水管网中的水质也会受到污染，给饮用水卫生安全留下了隐患；地下供水管漏损还会给居民用水带来不便，如水压不稳定，水表转速过快，水费与实际用水量不符等等。因此，供水管网的漏水检测是现代城市管理中的一项重要工作。传统的人工巡检方式通过听音杆和钻孔机等相关设备人工排查，实时性不强，不能及时定位漏点。供水管道发生漏水时，漏水喷出与空气、泥沙等撞击和摩擦，同时受附壁现象、卡尔曼涡流、边缘效应等影响，会产生不同频率的振动，形成漏水声波。基于声信号分析的检测定位方法充分利用了这一现象，漏点传感器在管道的两端采集泄漏噪声（声音或振动），采集信号通过无线方式传送给监控工作站，工作站基于LMS方法计算两端泄漏信号的最大相关时延偏移，进而结合泄漏噪声的传播速度和两测量点间的管道距离来确定漏点位置。由此发展起来的地下供水管网无线监控系统，通过融合物联网技术、GIS技术和无线通信技术，克服了人工巡检方式中对专业人员的高度依赖和漏点查找不准的问题，提高了管网维护的信息化程度。由于漏点传感器往往安装在地下管道中，其供电和通信方式受到工作环境的极大制约，供电只能靠自备电源提供，便捷的通信方式首选无线网络。因此，漏点传感器的设计方案必须顾及功耗和通信流量。然而，现有的漏点传感器普遍存在两大问题：传感器工作频率设计不恰当，超过了漏水振动声波正常取样的上限，造成了额外数据量处理功耗的不必要增加；数据没有经过压缩直接传输，增加了无线通信带宽资源的消耗。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种地下供水管网漏水声音信号采集和压缩方法。其特征在于，所述的采集和压缩方法，包括以下内容：1、漏点传感器布设传感器的安放间距与管材有关，钢管一般在2公里以内，对于声波传播衰减较大的PE管，缩小安放间隔，以800米以内适宜。2、传感器工作时段为减少环境噪声的干扰，一般选择在凌晨2-4点进行采样，传感器每天采样1~2次，每次采样1分钟。3、声波信号采样频率管道发生漏水时，喷出管道的水与漏口发生磨擦以及与周围介质产生撞击，会产生不同频率（50～2500Hz）的震动，发出漏水声。漏水声沿管道传播，通常包括漏口摩擦声、水头撞击声和介质摩擦声。鉴于漏水声最大振动频率只有2.5KHz，因此，根据奈奎斯特采样定律，传感器按5KHz采样就能满足精度要求。高于这个频率的采样带来数据量的徒劳增加，并不能真正提高数据处理精度。为此，本专利技术将传感器采样的工作频率设置为5KHz。同时，对于工作频率高于5KHz的传感器，采取软件下采样技术将信号抽样到目标频率，以减少数据保存的存储空间需求。4、声波信号压缩传感器将采集的声波信号数据通过无线传输方式提供给服务器计算漏点位置，在5KHz采样频率、16比特的采样精度下，原始采样数据率将达到80Kbps。这样的数据率对于无线网络来说是一笔不小的开销，为节省传输带宽，从而降低通信流量成本，有必要在传输前对采集的原始数据进行一次压缩处理。为不损失数据的表示精度，本专利技术采取无损压缩方式。LZMA（Lempel-Ziv-Markovchain-Algorithm）算法是一种性能优异的无损压缩算法，具有压缩效率高、运算速度快、内存需求低等特点。因此，本专利技术的声波压缩模块基于LZMA算法实现。具体设计上，有如下进一步的考虑：①LZMA算法属于字典一熵编码技术，其核心思想是在大量历史数据中寻找当前数据的匹配，并以匹配距离和匹配长度的数据对代替当前字节串，因此，LZMA的压缩效率与输入数据的长度有关，一次处理的数据越多，压缩效率就越高，反之越低。为此，本专利技术采取集中压缩一次而非边采集边压缩的策略，具体为，对传感器采集的数据先缓冲起来，等1分钟的采样过程结束后，再对采集的全部数据集中压缩一次。②为降低LZMA算法工作时的内存开销，将其内部的字典尺寸配置为16KB。③LZMA解压缩时，须得将一次压缩的数据收齐后才能解码，为此，本专利技术采用RTP协议对压缩数据进行切分和打包。根据承载的无线网络的实际MTU长度，将压缩数据切分为若干个数据包，每个数据包的包头加上时间戳和序列号信息。时间戳和序列号的产生规则为，处于一次LZMA压缩产生的数据包共享同一时间戳，时间信息为传感器开始采样的物理时间；每个数据包的序列号按顺序递增1。本专利技术具有以下优点和积极效果：①本专利技术根据漏水声音信号的理论范围确立最适宜的采样频率，兼顾了检测精度和处理功耗的双重需要；②通过LZMA无损压缩算法对原始采样数据进行压缩，在不损失数据质量的前提下，有效降低了数据量，节省了无线传输带宽消耗，降低了漏点传感器到后台服务器的数据通信成本。具体实施方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本专利技术，下面结合实施例对本专利技术作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。1、漏点传感器布设传感器的安放间距与管材有关，钢管一般在2公里以内，对于声波传播衰减较大的PE管，缩小安放间隔，以800米以内适宜。2、传感器工作时段为减少环境噪声的干扰，在凌晨2-4点启动传感器采样1~2次，每次采样时长1分钟。3、声波信号采样频率根据漏水声波的振动频率范围50～2500Hz，将传感器采样的工作频率设置为5KHz；对于工作频率高于5KHz的传感器，采用拉格朗日重采样算法将信号抽样到目标频率。拉格朗日重采样算法属成熟技术，在此不再赘述。4、声波信号压缩本专利技术采用LZMA（Lempel-Ziv-Markovchain-Algorithm）算法，在传输前对采集的原始声波数据进行一次压缩处理，从而节省无线传输带宽。具体设计要点：①对传感器采集的数据先缓冲起来，等1分钟的采样过程结束后，再对采集的全部数据集中压缩一次；②将LZMA算法内部的字典尺寸配置为16KB；③采用RTP协议对压缩数据进行切分和打包，每个数据包的包头加上时间戳和序列号信息。时间戳产生规则为，处于一次LZMA压缩产生的数据包共享同一时间戳，时间信息为传感器开始采样的物理时间；序列号产生规则为每个数据包的序列号按顺序递增1。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.地下供水管网漏水声音信号采集和压缩方法，其特征在于，所述的采集和压缩方法，包括以下内容：（1）漏点传感器布设传感器的安放间距与管材有关，钢管一般在 2公里以内，对于声波传播衰减较大的PE管，缩小安放间隔，以800米以内适宜。（2）传感器工作时段为减少环境噪声的干扰，在凌晨2‑4点启动传感器采样1~2次，每次采样时长1分钟。（3）声波信号采样频率根据漏水声波的振动频率范围50～2500Hz，将传感器采样的工作频率设置为5KHz；对于工作频率高于5KHz的传感器，采用软件下采样技术将信号抽样到目标频率。（4）声波信号压缩采用无损压缩算法在传输前对采集的原始声波数据进行一次压缩处理，从而节省无线传输带宽。

【技术特征摘要】
1.地下供水管网漏水声音信号采集和压缩方法，其特征在于，所述的采集和压缩方法，包括以下内容：（1）漏点传感器布设传感器的安放间距与管材有关，钢管一般在2公里以内，对于声波传播衰减较大的PE管，缩小安放间隔，以800米以内适宜。（2）传感器工作时段为减少环境噪声的干扰，在凌晨2-4点启动传感器采样1~2次，每次采样时长1分钟。（3）声波信号采样频率根据漏水声波的振动频率范围50～2500Hz，将传感器采样的工作频率设置为5KHz；对于工作频率高于5KHz的传感器，采用软件下采样技术将信号抽样到目标频率。（4）声波信号压缩采用无损压缩算法在传输前对采集的原始声波数据进行一次压缩处理，从而节省无线传输带宽。2.根据权利要求1所述的地下供水管网漏水声音信号采集和压缩方法，其特征在于：内容（3）中所述的软件下采...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中元，刘仁峰，
申请(专利权)人：威派武汉高新技术股份有限公司，国家电网公司，国网湖北省电力有限公司信息通信公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42