一种下水管道故障检测方法技术

本发明专利技术公开了一种下水管道故障检测方法。方法为：安装下水管道故障检测装置；获取已知的管道无故障段/大堵塞管道/小堵塞管道/重复堵塞管道/泄漏管道的声响应信号；进行信号分帧；计算所有信号帧的能量熵指标、样本熵指标、分形盒维数指标；计算能量熵特征集合、样本熵特征集合、分形盒维数特征集合的区分度指标；对区分度指标小于0.2的剔除，得到新的能量熵特征集合、样本熵特征集合、分形盒维数特征集合、将新的特征集合重新组合；采用重新组合特征集合训练随机森林分类器，得到故障识别模型。本发明专利技术提高了检测结果的准确性与可靠性。

A fault detection method for water pipeline

The invention discloses a fault detection method for a sewer pipe. Methods: to install water pipes fault detection device; no fault segment / big / small / blocking pipe blockage of the pipe blockage of the pipeline pipeline leakage / repeat sound signal should be known to obtain pipeline; signal frames; calculate all the signal frame energy entropy index, sample entropy index, fractal dimension index set and the collection box; sample entropy, feature set fractal box dimension feature discrimination index calculation of energy entropy; of index less than 0.2 are removed, energy entropy of the new collection, collection, sample entropy feature set, fractal box dimension feature of the new feature set reset; by using the new combined feature set training random forest classifier. Fault recognition model. The invention improves the accuracy and reliability of the detection result.

【技术实现步骤摘要】
一种下水管道故障检测方法
本专利技术涉及一种下水管道故障检测方法，属于管道故障检测领域。
技术介绍
我国城市化水平正不断提高，随着城市经济发展，下水管道长度每年呈现加速增长的趋势，但是由于最初的设计存在缺陷或者使用时间长的原因，下水管道的故障率也十分的高。其中，管道的堵塞属于威胁城市安全排水的隐患，如果不能及时发现和排除管道故障，将影响城市供排水的正常运转。因此高效准确的下水管道堵塞检测方法对于管道故障检测是十分必要的。
技术实现思路
为了解决下水管道堵塞故障检测的问题，本专利技术提供了一种下水管道故障检测方法。本专利技术的技术方案是：一种下水管道故障检测方法，所述方法具体步骤如下：S1、安装下水管道故障检测装置；S2、选择已知的管道无故障段进行检测，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得正常管道的信号Y1(t)；S3、在上述已知的管道无故障段人为的放置超过管道横截面积1/3的大堵塞物，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y2(t)；S4、在上述已知的管道无故障段人为的放置低于管道横截面积1/3的小堵塞物，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y3(t)；S5、在上述已知的管道无故障段人为的放置3个堵塞物模拟重复堵塞工况，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y4(t)；S6、选择已知的管道泄漏段进行检测，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y5(t)；S7、获取下水管道五种工况下的声响应信号G(t)，计算方法为其中水听器采集到的管道声信号为Y(t)，声卡发射的正弦信号为X(t)；根据响应信号计算方法，分别得到正常管道的响应信号大堵塞管道响应信号小堵塞管道响应信号重复堵塞管道响应信号泄漏管道响应信号S8、分别对正常管道、大堵塞管道、小堵塞管道、重复堵塞管道、泄漏管道五种工况下的声响应信号进行信号分帧，分解后将分别得到n个信号帧分量；S9、分别计算正常管道、大堵塞管道、小堵塞管道、重复堵塞管道、泄漏管道所有信号帧的能量熵指标、样本熵指标、分形盒维数指标，其中能量熵指标得到的特征集合为A，样本熵指标得到的特征集合为B，分形盒维数指标得到的特征集合为C；S10、将步骤S9中得到的能量熵特征集合A使用距离可分性判据，得到类内离散矩阵SW1和类间离散矩阵SB1，计算能量熵特征集合A中各个信号帧的区分度指标λ，各个信号帧的区分度指标为矩阵的特征值λA1,λA2,λA3,λA4...,,λAn(n为信号帧的个数)；样本熵特征集合B和分形盒维数特征集合C同理，得到样本熵特征集合B的区分度指标λB1,λB2,λB3,λB4...,,λBn和分形盒维数特征集合C的的区分度指标λC1,λC2,λC3,λC4...,,λCn；S11、对步骤S10中的得到的能量熵特征集合A的区分度指标小于0.2的剔除，得到新的能量熵特征集合A'；样本熵特征集合B与分形盒维数特征集合C同理，得到新的样本熵特征集合B'和新的分形盒维数特征集合C'；将新的特征集合重新组合为组合特征集合D'；S12、采用组合特征集合D'训练随机森林分类器，得到故障识别模型；S13、针对管道的其他段采用步骤S7～步骤S11的方法获取组合特征集合，采用Step12中训练好的随机森林分类器对管道的其他段进行故障的识别。所述下水管道故障检测装置包括两根伸缩杆、声卡、放大器、扬声器、筛网、水听器、滤波器和计算机，所述两根收缩杆从两个不同的下水井盖伸入至井底，水下扬声器和水听器固定在收缩杆Ⅰ的下端，收缩杆Ⅰ的地面接收端通过滤波器连接计算机，收缩杆Ⅰ的地面发射端通过放大器、声卡连接计算机；收缩杆Ⅱ底端放置筛网方便声信号聚集；计算机控制声卡产生的信号经功率放大器放大，放大后的信号经过通过收缩杆Ⅰ的发射端，由内置导线的收缩杆Ⅰ，经由扬声器发送到下水管道中；水听器接收管道内的声信号通过内置导线的收缩杆Ⅰ经由接收端传至滤波器进行滤波，将滤波后的信号输入到计算机中进行数据处理。所述扬声器、水听器为一上一下放置。本专利技术的有益效果是：1.克服了传统检测在下水管道故障检测的劣势，可以在工程人员不下管道的情况下，进行故障检测。本实验检测装置简单且容易实施，仅仅将两根带有检测装置的收缩杆深入井底，检测人员即可在地面进行故障检测与识别。2.检测方法提取了信号三种特征，弥补了单个特征故障提取不足的情况，可以更全面的反映管道的特性，达到比传统单一故障提取方式更加可靠地提取结果。本方法经过特征降维和分类器识别训练，不仅可以检测堵塞和泄漏两种故障类型，其中堵塞故障还可以区分大堵塞、小堵塞和重复堵塞工况，具有工程实用价值。综上所述，本专利技术基于下水管道故障检测的实际情况，引入声导波检测方法，整个检测装置可以在工程人员不下管道的情况下，提取下水管道的检测声信号进行故障识别，优化了检测流程。本专利技术提出的检测方法，进行了故障多特征提取，且去除了低区分度分量，提高了检测结果的准确性与可靠性。附图说明图1为一种下水管道故障检测装置；图2为本专利技术方法流程图；图3为实施例1中0.1s的正常管道时域波形；图4为实施例1中0.1s的大堵塞管道时域波形；图5为实施例1中0.1s的小堵塞管道时域波形；图6为实施例1中0.1s的重复堵塞管道时域波形；图7为实施例1中0.1s的泄漏管道时域波形；图8为实施例1中正常管道信号分帧结果；图9为实施例1中大堵塞管道信号分帧结果；图10为实施例1中小堵塞管道信号分帧结果；图11为实施例1中重复堵塞管道信号分帧结果；图12为实施例1中泄漏管道信号分帧结果；图13为实施例1中能量熵特征集合、样本熵特征集合、分形盒维数特征集合的区分度指标图。具体实施方式实施例1：一种下水管道故障检测方法，用英国布拉德福德大学管道实验室数据进行实例验证。管道长度为15.4米，管道材质为黏土管道，直径为150mm。选取0.1s的实验数据进行例证(由于信号在0.1s内已经可以往返管道多个来回，携带丰富的管道内信息，已满足检测要求)。计算机信号处理的具体过程如下：实验装置如附图1所示。提取信号：实验流程如附图2所示。检测之前，为了获得正常管道、大堵塞管道、小堵塞管道、泄漏管道五种工况下的训练数据，选择一段管道无故障段进行检测，计算机获得正常管道的训练信号，如图3所示。然后在这段正常的管道当中人为放置不种类别的障碍物，进行检测。放置55mm堵塞物(超过横截面积1/3)模拟大堵塞管道，放置20mm堵塞物(低于横截面积1/3)模拟小堵塞管道，在管道内同时放置55mm堵塞物和20mm堵塞物模拟重复堵塞管道，从而获得大堵塞、小堵塞、重复堵塞管道的训练信号，如图4、5、6所示。此外选择一段泄漏管道进行检测，获得泄漏管道的训练信号，如图7所示，正常管道训练信号为52组，大堵塞信号38组，小堵塞信号24组，重复堵塞信号38个，泄漏信号40组。进行信号预处理：将五种工况下的信号输入到MATLAB中进行分析。然后对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种下水管道故障检测方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：S1、安装下水管道故障检测装置；S2、选择已知的管道无故障段进行检测，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得正常管道的信号Y1(t)；S3、在上述已知的管道无故障段人为的放置超过管道横截面积1/3的大堵塞物，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y2(t)；S4、在上述已知的管道无故障段人为的放置低于管道横截面积1/3的小堵塞物，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y3(t)；S5、在上述已知的管道无故障段人为的放置3个堵塞物模拟重复堵塞工况，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y4(t)；S6、选择已知的管道泄漏段进行检测，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y5(t)；S7、获取下水管道五种工况下的声响应信号G(t)，计算方法为...

【技术特征摘要】
1.一种下水管道故障检测方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：S1、安装下水管道故障检测装置；S2、选择已知的管道无故障段进行检测，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得正常管道的信号Y1(t)；S3、在上述已知的管道无故障段人为的放置超过管道横截面积1/3的大堵塞物，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y2(t)；S4、在上述已知的管道无故障段人为的放置低于管道横截面积1/3的小堵塞物，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y3(t)；S5、在上述已知的管道无故障段人为的放置3个堵塞物模拟重复堵塞工况，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y4(t)；S6、选择已知的管道泄漏段进行检测，计算机控制声卡产生的信号X(t)经功率放大器、发射端、扬声器通过水听器接收，计算机从接收端获得堵塞管道的信号Y5(t)；S7、获取下水管道五种工况下的声响应信号G(t)，计算方法为其中水听器采集到的管道声信号为Y(t)，声卡发射的正弦信号为X(t)；根据响应信号计算方法，分别得到正常管道的响应信号大堵塞管道响应信号小堵塞管道响应信号重复堵塞管道响应信号泄漏管道响应信号S8、分别对正常管道、大堵塞管道、小堵塞管道、重复堵塞管道、泄漏管道五种工况下的声响应信号进行信号分帧，分解后将分别得到n个信号帧分量；S9、分别计算正常管道、大堵塞管道、小堵塞管道、重复堵塞管道、泄漏管道所有信号帧的能量熵指标、样本熵指标、分形盒维数指标，其中能量熵指标得到的特征集合为A，样本熵指标得到的特征集合为B，分形盒维数指标得到的特征集合为C；S10、将步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建德，闫菁，冯早，王晓东，范玉刚，黄国勇，邹金慧，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53