許春香， 許海濤， 林偉國(guó)

(1.鄭州工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450044； 2.北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

0 引 言

目前，各國(guó)學(xué)者對(duì)于管道異常信號(hào)特征提取和泄漏點(diǎn)精確定位進(jìn)行了大量的研究[1～4]。其中，基于聲波的管道泄漏檢測(cè)方法[5]由于具有較高的泄漏檢測(cè)靈敏度和定位精度，且成本較低、容易實(shí)現(xiàn)，得到了更多的關(guān)注。在實(shí)際的基于聲波的管道泄漏檢測(cè)中,管道輸送過(guò)程中由于調(diào)泵、調(diào)壓、調(diào)閥等產(chǎn)生的干擾信號(hào)與泄漏信號(hào)具有較為相似的特征[6]。當(dāng)由站點(diǎn)操作產(chǎn)生的干擾信號(hào)與泄漏信號(hào)出現(xiàn)在同一幀聲波信號(hào)中時(shí)，泄漏信號(hào)往往被幅值較大的干擾信號(hào)淹沒(méi)，信號(hào)整體相關(guān)定位的結(jié)果就會(huì)受到干擾信號(hào)的影響，如果不能對(duì)其進(jìn)行有效識(shí)別并分離，極易造成定位不準(zhǔn)甚至出現(xiàn)漏報(bào)和誤報(bào)警。 目前，干擾信號(hào)的識(shí)別方法主要包括基于模式識(shí)別的方法[7,8]和基于雙傳感器結(jié)構(gòu)的方法[9～11]，其中模式識(shí)別的方法對(duì)干擾信號(hào)的識(shí)別難度大，不具備普遍性；而雙傳感器方法由于需要在管道上另行打孔裝表，且其安裝間距有一定要求，限制了其推廣應(yīng)用。

針對(duì)強(qiáng)干擾背景下站點(diǎn)干擾信號(hào)對(duì)聲波泄漏檢測(cè)的影響，本文提出一種基于同源性檢驗(yàn)的干擾信號(hào)識(shí)別與分離方法。將泄漏信號(hào)和站點(diǎn)產(chǎn)生的干擾信號(hào)都?xì)w為異常信號(hào)，將由同一個(gè)信號(hào)源傳播到首末站的異常信號(hào)稱為同源信號(hào)。通過(guò)對(duì)首、末站聲波信號(hào)中的異常信號(hào)進(jìn)行一對(duì)一互相關(guān)延時(shí)估計(jì)，找出定位在站上的異常信號(hào)。以定位在站上的異常信號(hào)的傳播衰減特性和互相關(guān)系數(shù)為特征，建立同源性檢驗(yàn)支持向量數(shù)據(jù)描述(support vector data description,SVDD)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自站點(diǎn)的調(diào)泵、調(diào)壓、閥門動(dòng)作等干擾信號(hào)的識(shí)別和分離，消除干擾信號(hào)對(duì)互相關(guān)定位的影響，有效減少系統(tǒng)的誤報(bào)和漏報(bào)，并提高泄漏點(diǎn)定位的精度。

1 同源性檢驗(yàn)方法

對(duì)于定位在站點(diǎn)的同源干擾信號(hào)來(lái)說(shuō)，其肯定具有2個(gè)特征：1)具有較高的波形相似性；2)滿足信號(hào)的傳播衰減規(guī)律。本文通過(guò)檢驗(yàn)定位在站點(diǎn)的異常信號(hào)的同源性實(shí)現(xiàn)站上干擾信號(hào)的識(shí)別。本文中的同源性檢驗(yàn)只針對(duì)定位在站點(diǎn)的首末站異常信號(hào)。

1.1 同源信號(hào)的波形相似特征

同源信號(hào)由同一個(gè)信號(hào)源產(chǎn)生，并安裝在首末站點(diǎn)的聲波傳感器捕獲，因此,同源信號(hào)具有一定的波形相似性，可由相關(guān)系數(shù)ρxy表征

(1)

式中Rxy(m)為首末站信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，μx和μy分別為首末站信號(hào)均值，σx和σy分別為首末站信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差。

對(duì)于定位在站上的首末站異常信號(hào)來(lái)說(shuō)，相關(guān)系數(shù)越大說(shuō)明信號(hào)越相似，但不能憑此就判定兩異常信號(hào)為同源信號(hào)；相關(guān)系數(shù)較小僅能說(shuō)明兩異常信號(hào)不是同源信號(hào)的可能性較大。但同源信號(hào)的相關(guān)系數(shù)肯定在一個(gè)合理的范圍內(nèi)波動(dòng)，因此,可作為信號(hào)同源性檢驗(yàn)的一個(gè)特征。

1.2 同源信號(hào)的傳播衰減特征

聲波的傳播規(guī)律是一個(gè)與時(shí)間和空間相關(guān)的函數(shù)，一般可描述為[12]

p=p0ej(ωt-kl)

(2)

式中p0為泄漏時(shí)刻的聲壓，k為波數(shù)，l為聲波的傳播距離，t為聲波的傳播時(shí)間，ω為聲波的角頻率。

理論上，從異常點(diǎn)到聲波傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)為

H(ω,l)=e-jωl/ceωβl

(3)

式中c為波速，β為衰減系數(shù)。

實(shí)際中，由于異常聲波信號(hào)的頻率集中在低頻段。在低頻條件下，管道滿足線性聲學(xué)的基本方程，可視為線性系統(tǒng)。根據(jù)卷積定理以及譜密度與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系，可得到等效線性系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)特性H(ω)

(4)

式中Sxy(ω)和Rxy(τ)為首末站異常聲波信號(hào)x(t)和y(t)的互譜密度和互相關(guān)函數(shù)，Sx(ω)和Rx(τ)分別為首站異常聲波信號(hào)x(t)的譜密度和自相關(guān)函數(shù)，F(xiàn)FT(·)為傅里葉變換函數(shù)。

在一定的傳播距離l下，幅頻響應(yīng)H(ω)是一個(gè)隨頻率逐漸衰減的指數(shù)函數(shù)，但同源和非同源信號(hào)的波動(dòng)特征有明顯的差異。圖1所示為一幀包含人工模擬泄漏信號(hào)和站上干擾信號(hào)的聲波信號(hào)，其中一對(duì)一相關(guān)定位在站點(diǎn)的異常信號(hào)中既有非同源信號(hào)(Sx1和Sy1)也有同源信號(hào)(Sx2和Sy2)，對(duì)應(yīng)的非同源信號(hào)的H1(ω)和同源信號(hào)的H2(ω)在低頻段內(nèi)的對(duì)比如圖2所示。

圖1 定位在站點(diǎn)的同源與非同源信號(hào)

圖2 定位在站點(diǎn)的同源與非同源信號(hào)的H(ω)在低頻段內(nèi)的對(duì)比

由于背景噪聲的影響H(ω)一般會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，為了方便特征提取，取定位在站點(diǎn)的異常信號(hào)的幅頻響應(yīng)特性H(ω)在低頻頻帶內(nèi)的均值Hm作為判別信號(hào)同源性的另一特征

(5)

式中FR為頻率分辨率(FR=fs/NF，fs為采樣頻率，NF為傅里葉變換的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù))，fL和fH分別為被選頻帶的邊界頻率，round(·)為四舍五入取整函數(shù)。

1.3 同源信號(hào)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文將定位在站點(diǎn)的異常信號(hào)的相關(guān)系數(shù)及反映其傳播衰減特性的幅頻響應(yīng)H(ω)在低頻段內(nèi)的均值作為特征值，利用SVDD方法建立同源性檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

SVDD的基本思想在于建立一個(gè)封閉緊湊的超球體，將目標(biāo)類樣本全部或盡可能多地包含在該超球體內(nèi)，形成中心為a，半徑為R的超球體[13,14]，為了增強(qiáng)其分類的魯棒性，引入松弛因子ξ，則超球體應(yīng)滿足

(6)

式中C為懲罰因子(常數(shù))，起控制對(duì)錯(cuò)分樣本懲罰程度的作用;S為樣本個(gè)數(shù)。

SVDD決策函數(shù)定義為

(7)

式中xi,xj為支持向量；x為待測(cè)試向量；αi,αj為拉格朗日乘子；R為SVDD超球體半徑；K(·)為核函數(shù)；f(·)為SVDD決策結(jié)果；若f(·)<0，即認(rèn)為樣本為同源性信號(hào)。

2 同源性檢驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)

2.1 異常信號(hào)提取及一對(duì)一延時(shí)互相關(guān)定位

由于聲波信號(hào)為正負(fù)相間的雙極性信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)對(duì)一幀信號(hào)作正負(fù)區(qū)間劃分(如圖3所示)，可以得到NC個(gè)區(qū)間信號(hào)。將每個(gè)區(qū)間信號(hào)當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)，則一幀信號(hào)由NC個(gè)區(qū)間信號(hào)疊加而成

(8)

式中Si(n)=Dp(n)·[u(n-SS(j))-u(n-SE(j))]，u(·)為階躍函數(shù)。SS(j)和SE(j)分別為每個(gè)區(qū)間的起始和結(jié)束時(shí)間，j為區(qū)間序號(hào)，j=1,…,NC。

圖3 信號(hào)區(qū)間劃分示意

在信號(hào)區(qū)間劃分的基礎(chǔ)上，采用基于迭代計(jì)算的異常信號(hào)自適應(yīng)提取方法[15]可以到異常信號(hào)的個(gè)數(shù)和位置(包括區(qū)間信號(hào)的峰值Peak(j)及其位置PeakPos(j))，從而為一對(duì)一互相關(guān)定位創(chuàng)造條件。

圖4所示為提取得到的首末站異常信號(hào)，其同極性異常信號(hào)一對(duì)一互相關(guān)定位關(guān)系如表1所示，其中符號(hào)“√”表示相關(guān)計(jì)算。

圖4 提取得到的異常信號(hào)

2.2 同源性檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

基于SVDD的同源性檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑦^(guò)程如下：

1)根據(jù)異常信號(hào)檢測(cè)和互相關(guān)定位結(jié)果，選取同源信

表1 異常信號(hào)的一對(duì)一互相關(guān)計(jì)算關(guān)系

號(hào)樣本S組。

2)根據(jù)式(1)計(jì)算同源樣本信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)極值CP作為特征一，F(xiàn)east(1)=CP。

3)根據(jù)式(4)計(jì)算同源信號(hào)的幅頻響應(yīng)特性H(ω)。在選定的頻帶fL～fH內(nèi)，根據(jù)式(5)計(jì)算H(ω)的均值Hm，作為特征二。由于Hm在均值Sm上下波動(dòng)，按式(9)作歸一化處理

(9)

式中sp為一常數(shù)，根據(jù)均值Hm的波動(dòng)范圍確定，S為同源信號(hào)的樣本數(shù)。

構(gòu)建特征向量Feat=[Feat(1),Feat(2)]。

4)選取合適的核函數(shù)K(·)，由S組特征向量訓(xùn)練SVDD模型，最終得到SVDD同源性檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

2.3 案例學(xué)習(xí)

本文以某原油輸送管道為例，其上游輸送工藝如圖5所示，泵a為大泵，泵b，c為小泵。在A，B兩罐都滿罐條件下，由大泵進(jìn)行輸送；當(dāng)兩罐液位接近1/2時(shí)，改為兩個(gè)小泵進(jìn)行輸送。由于兩小泵在輸送過(guò)程中不可能始終保持同步，因此，在輸送過(guò)程中每天會(huì)產(chǎn)生多達(dá)上百次的干擾信號(hào)，嚴(yán)重影響泄漏檢測(cè)和定位。該原油輸送管道的相關(guān)參數(shù)管道總長(zhǎng)X為15.6 km,管道直徑D為250 mm，首站壓力為2.80 MPa，末站壓力為0.67 MPa，聲波速度c為1 194(m/s),人工模擬泄漏點(diǎn)距首站的距離為6.0 km,人工模擬泄漏孔徑為5 mm,采樣頻率為50 Hz。

圖5 原油輸送管道上游輸送工藝

根據(jù)異常信號(hào)提取及一對(duì)一互相關(guān)定位選取同源信號(hào)樣本55組；然后分別計(jì)算特征值Feat(1)和Feat(2)，其中頻帶fL～fH的選取范圍在1 Hz左右，當(dāng)fL=0.2 Hz，fH分別取0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 Hz時(shí)，其對(duì)應(yīng)的Hm分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：1.505 9,0.671 6;1.421 1,0.506 6;1.414 9,0.481 0;1.384 6,0.386 5;1.449 2,0.478 0。

可以看出，當(dāng)fH=1.2 Hz時(shí)，Hm分布曲線的標(biāo)準(zhǔn)差最小，即幅頻響應(yīng)曲線波動(dòng)最小，因此，本文中選取的fL～fH為0.2～1.2 Hz，其對(duì)應(yīng)的Hm分布曲線如圖6所示，Hm在均值Sm(1.384 6)附近波動(dòng)，且波動(dòng)范圍在0.54～2.23之間，取sp=3。同源信號(hào)樣本特征CP和Hm(歸一化后)如圖7。

圖6 同源信號(hào)樣本特征Hm的分布曲線

圖7 同源信號(hào)樣本特征值

以上述55組同源信號(hào)樣本的特征向量為輸入，建立SVDD同源性檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。本文選取懲罰因子為1，即默認(rèn)樣本中不含非同源數(shù)據(jù)，以0誤差將樣本包圍，實(shí)現(xiàn)同源信號(hào)和非同源信號(hào)的硬間隔分類。采用高斯核函數(shù)，當(dāng)核函數(shù)中σ由0.01～1.00之間變化時(shí)，超球體半徑R及支持向量的個(gè)數(shù)如圖8所示。一般來(lái)說(shuō)支持向量不宜過(guò)多，且超球體半徑要適中，超球體半徑過(guò)大容易造成漏報(bào)警，過(guò)小則容易造成誤報(bào)警。綜合考慮選定超球體半徑R=0.514 6，對(duì)應(yīng)核參數(shù)σ=0.76，此時(shí)支持向量數(shù)為4個(gè)。

圖8 支持向量的個(gè)數(shù)與超球體半徑R隨核參數(shù)σ的變化

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

為驗(yàn)證上述方法的有效性，由在實(shí)際原油輸送管道上采集的人工模擬泄漏聲波信號(hào)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。表2為2011年3月27日所有模擬泄漏信號(hào)的定位結(jié)果比較，從表中可以看出：當(dāng)采取直接互相關(guān)計(jì)算時(shí)，在6次模擬泄漏中有5次漏報(bào)，有1次定位誤差較大；當(dāng)采取同源性檢驗(yàn)剔除干擾信號(hào)后，6次人工模擬泄漏均報(bào)警且定位準(zhǔn)確。

表2 剔除同源干擾信號(hào)前后的定位結(jié)果比較

利用上述基于同源性檢驗(yàn)的干擾信號(hào)的識(shí)別與分離方法，對(duì)2011年03月20日00時(shí)00分至2013年9月30日23時(shí)59分的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了離線檢驗(yàn)，期間管線模擬泄漏共33次，系統(tǒng)全部檢出并準(zhǔn)確定位。

綜上所述，相比于直接互相關(guān)定位，當(dāng)存在調(diào)壓、調(diào)閥和泵動(dòng)作等干擾信號(hào)時(shí)，利用基于同源性檢驗(yàn)的干擾信號(hào)的識(shí)別與分離方法，提高了系統(tǒng)的定位精度，減少了系統(tǒng)的漏報(bào)，保障了系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于同源性檢驗(yàn)的干擾信號(hào)識(shí)別與分離方法。結(jié)合異常信號(hào)提取方法，干擾信號(hào)的同源性檢驗(yàn)方法有效實(shí)現(xiàn)了干擾信號(hào)與泄漏信號(hào)的識(shí)別與分離。對(duì)歷史數(shù)據(jù)的離線檢驗(yàn)表明：該方法能有效減少系統(tǒng)漏報(bào)，降低誤報(bào)，提高了管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和定位精度。