一种基于负压波信号稀疏表示的油气管道缓慢泄漏的检测方法技术

本发明专利技术提供一种基于负压波信号稀疏表示的油气管道缓慢泄漏的检测方法，所述检测方法包括：提供待测管道的负压波信号样本数据，采用反演方法学习训练时空变异算子拟合数学模型；比较该模型的参数与负压波信号样本数据；采用参数化协作的方法进行稀疏编码，实现过完备字典的训练学习；对稀疏编码的编码误差进行判断；确立负压波信号样本数据的稀疏表示方法，并根据稀疏表示的特征抽取方法进行待测管道运行状态的识别，根据稀疏表示的波形分解方法进行待测管道的泄漏点定位。通过本发明专利技术所述的检测方法，解决了现有技术中的利用负压波法检测管道缓慢泄漏时效果不佳以及利用小波变换等进行信号处理时无法灵活表示实际信号复杂性的问题。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供，所述检测方法包括：提供待测管道的负压波信号样本数据，采用反演方法学习训练时空变异算子拟合数学模型；比较该模型的参数与负压波信号样本数据；采用参数化协作的方法进行稀疏编码，实现过完备字典的训练学习；对稀疏编码的编码误差进行判断；确立负压波信号样本数据的稀疏表示方法，并根据稀疏表示的特征抽取方法进行待测管道运行状态的识别，根据稀疏表示的波形分解方法进行待测管道的泄漏点定位。通过本专利技术所述的检测方法，解决了现有技术中的利用负压波法检测管道缓慢泄漏时效果不佳以及利用小波变换等进行信号处理时无法灵活表示实际信号复杂性的问题。【专利说明】一种基于负压波信号稀疏表示的油气管道缓慢泄漏的检测 方法
本专利技术涉及流体输送管道的故障诊断
，特别是涉及一种基于负压波信号 稀疏表示的油气管道缓慢泄漏的检测方法。
技术介绍
防止管道生产事故的发生是管道安全管理中的一项很重要的工作，随着世界各国 管道建设的快速发展，管道事故也频繁发生，管道泄漏事故一旦发生，不仅造成大量财产损 失，泄漏的有毒化学物质还会带来环境污染和资源的浪费，更为严重的是能带来人身伤亡 事故。 为了能有效的预防管道事故，管道泄漏检测技术迅速发展起来，近年来，随着计算 机技术的发展，管道泄漏检测技术正向软硬件结合的方向发展。目前，根据管道压力数据进 行管道泄漏检测的方法大体分为两类:一类是基于负压波的检测方法，另一类是对压力信 号进行特征提取的方法。 基于负压波的检测方法是管道泄漏检测的常用方法，当管道因机械、人为、材料失 效等原因发生泄漏时，管内的流体物质在内外压差作用下迅速流失，局部流体密度减小导 致瞬时压力下降，称之为负压波(减压波）；由于管壁的波导作用，负压波传播过程衰减较 小，可以传播相当远的距离；利用负压波通过上、下游测量点的时间差及传播速度，可以确 定泄漏点位置。在实际管道运行过程中，栗、阀的正常作业也会引起负压波，根据泄漏引起 的负压波与正常工况操作引起的负压波波形特征的区别，可进行泄漏检测和运行状态识 另IJ。由于负压波法只需检测管线两端的压力信号，不需检测管道其他参数，在快速泄漏时具 有较高的灵敏度和精度，所以负压波法在工程实际中取得广泛应用。 基于负压波的检测方法实际应用中面临的主要问题是缓慢泄漏检测效果不佳，由 于泄漏位置、管道结构特征、管材摩阻、周围环境等因素影响，以及各种工况调节引起的压 力脉动干扰，缓慢泄漏时微弱的负压波信号经常被复杂噪声和干扰所淹没;所以，基于负压 波的缓慢泄漏检测就转化为复杂背景噪声下的微弱信号检测问题。 信号表示是信号处理的基础性问题，在一定程度上对信号处理和模式识别算法的 性能起决定性作用。传统的信号表示方法，如傅立叶变换，离散余弦变换(DCT)，小波变换 等，采用正交基进行空间变换，正交基对自然界中物理过程的描述具有抽象性、紧凑性、唯 一性，但是对于实际信号来说，很少信号在常见正交基上表现出稀疏性，固定的正交基不能 灵活的表示实际信号的复杂性。鉴于此，有必要设计一种新的基于负压波信号稀疏表示的油气管道缓慢泄漏的检 测方法来解决上述问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于负压波信号稀疏 表示的油气管道缓慢泄漏的检测方法，解决了现有技术中采用负压波检测方法对管道缓慢 泄漏检测效果不佳以及采用小波变换等信号表示方法无法灵活的表现实际信号复杂性的 问题。 为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于负压波信号稀疏表示的油 气管道缓慢泄漏的检测方法，所述检测方法包括： 1):提供待测管道的负压波信号样本数据； 2):根据负压波信号样本数据，采用反演方法学习训练时空变异算子拟合数学模 型； 3):比较时空变异算子拟合数学模型的参数与负压波信号样本数据：如果该参数 与负压波信号样本数据不满足误差范围要求，则跳转至2);如果该参数与负压波信号样本 数据满足误差范围要求，则跳转至4); 4):采用参数化协作的方法进行稀疏编码，实现过完备字典的训练学习； 5):对稀疏编码的编码误差进行判断：如果误差不可容忍，则跳转至4);如果误差 可容忍，则生成多分辨率过完备字典，并跳转至6); 6):确立负压波信号样本数据的稀疏表示方法，并根据稀疏表示的特征抽取方法 进行待测管道运行状态的识别，如果待测管道未发生泄漏，则跳转至1);如果待测管道发生 泄漏，根据稀疏表示的波形分解方法进行待测管道的泄漏点定位。 优选地，所述2)中反演方法为根据负压波信号样本数据生成时空变异算子拟合数 学模型，再根据该模型得出模型参数。 优选地，所述4)中参数化协作稀疏编码的方法进行过完备字典的参数训练学习包 括： 4.1):针对每个样本信号Yt进行多分辨率分解，得到每个子频带信号(Y t)i; 4.2):根据下式对每个子频带信号(Yt)1进行稀疏编码：其中，（Xt)1S对子频带信号(。^进行稀疏编码，（D^1) 1为前面t-Ι个信号经过学习 得到的字典，Xi为子频带信号(Yt) i在子字典上的稀疏分解系数向量，λ为超参； 4.3):根据下式进行字典学习：其中，（Dt)1S针对第t个样本信号，子频带i经学习得到的多分辨率过完备字典， (Yj)1为对样本信号乃进行多分辨率分解，得到的子频带信号，（Xj) 1为子频带信号(^:在子 字典上的稀疏分解系数向量，D(Xj)1为前面j个样本信号经过学习得到的字典，t为样本信号 数量。 优选地，所述6)特征抽取方法包括： 6.1):将时域内的负压波信号转换到稀疏域； 6.2):通过特征计算提取稀疏特征向量； 6.3):通过分类器对所述稀疏特征向量进行分类。 优选地，所述6)波形分解方法包括： 6.1):将负压波信号分离为固定时延信号、非固定时延信号以及随机非平稳信号 三种成分； 6.2):分别针对三种信号成分在反映其各自信号特征的多分辨率过完备字典上进 行稀疏分解，并进行负压波信号在各自子空间内的投影； 6.3):对所述负压波信号的波形进行形态分析与鉴别判断，并采用时延估计方法 计算相对时间延迟； 6.4):根据定位公式I1,12= (1土)/2,计算泄漏点的位置，其中，1为待测管道 的路径长度，V为传播速度，Iv为相对时间延迟，I1U2分别为泄漏点到达待测管道两端传感 器的长波路径长度。优选地，所述5)多分辨率过完备字典通过进行固定长度的字典训练学习生成。 优选地，所述固定时延信号为干扰信息的载体，所述非固定时延信号为泄漏信息 的载体，所述随机非平稳信号为背景噪声的载体。优选地，所述2)时空变异算子拟合数学模型包括衰减模型、变异模型、几何变换模 型、和多项式逼近模型。 优选地，所述衰减模型包括指数模型、双曲线模型、类双曲线模型和幂指函数模 型。 优选地，所述变异模型包括球形变异模型和高斯变异模型。 如上所述，本专利技术的一种基于负压波信号稀疏表示的油气管道缓慢泄漏的检测方 法，具有以下有益效果：1、采用时空变异基本算子的简单组合，通过对大量样本数据的学 习，反演时空变异算子拟合的参数，模拟出管道泄漏过程这一具有时空特征的复杂自然现 象;2、采用参数化协作稀疏编码的方法进行过完备字典的参数训练学习，所述多分辨率过 完备字典只需进行固定长度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于负压波信号稀疏表示的油气管道缓慢泄漏的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：1)：提供待测管道的负压波信号样本数据；2)：根据负压波信号样本数据，采用反演方法学习训练时空变异算子拟合数学模型；3)：比较时空变异算子拟合数学模型的参数与负压波信号样本数据：如果该参数与负压波信号样本数据不满足误差范围要求，则跳转至2)；如果该参数与负压波信号样本数据满足误差范围要求，则跳转至4)；4)：采用参数化协作的方法进行稀疏编码，实现过完备字典的训练学习；5)：对稀疏编码的编码误差进行判断：如果误差不可容忍，则跳转至4)；如果误差可容忍，则生成多分辨率过完备字典，并跳转至6)；6)：确立负压波信号样本数据的稀疏表示方法，并根据稀疏表示的特征抽取方法进行待测管道运行状态的识别，如果待测管道未发生泄漏，则跳转至1)；如果待测管道发生泄漏，根据稀疏表示的波形分解方法进行待测管道的泄漏点定位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴波，毛嘉，马娜，鲁方林，何风行，崔文，于剑锋，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31