城市供水管网声波检漏及定位技术研究 84页

' 太原理工大学硕士研究生学位论文城市供水管网声波检漏及定位技术研究摘要城市供水系统是城市存在与发展的必不可少的基础设施。我国城市供水管网泄漏现象严重，造成水资源的大量浪费。面对这种情况，城市供水管网泄漏管段的确定和泄漏点的精确定位显得尤为重要。目前，对于长输油、输气管道的泄漏检测定位技术已趋于成熟并在实际检测中获得了较好的效果。由于城市供水管网有别于输油、输气管道，具有空间分布复杂、分支和节点多、泄漏形式不一、管道条件（如管内压力、管材、管径、管壁厚度、管道接口形式和埋设条件等）复杂多变等特点，因此无法将输油、输气的检测方法直接应用于城市供水管网之上。基于声波的城市供水管网的泄漏检测方法种类众多,本文是通过安装在管道外侧的压电加速度传感器获取泄漏信号，对信号进行处理、分析，确定泄漏位置。针对泄漏声信号的产生机理、信号去噪、时延估计定位算法优化、异型管道定位算法和构建供水管网智能检测定位系统这些方面进行了完善和创新研究。具体内容为：（1）分析管道泄漏类型和泄漏原因，分类讨论管道泄漏处声源。（2）研究泄漏声波信号的传播特性、频率特性和衰减特性，分析不同条件下声波信号的特点和影响。I 太原理工大学硕士研究生学位论文（3）研究小波去噪原理、小波变换和基于阈值的小波去噪方法。针对软、硬阈值去噪法存在的缺陷，提出改进的方法。（4）重点研究LMS自适应时延估计法的原理、优缺点和改进方法。因声波传播速度受管径和管道材质等影响，故提出供水管网中异型管段定位算法。（5）研究供水管网智能检测定位系统的组成和各部分功能，基于MATLAB软件强大功能，构思城市供水管网泄漏定位软件。研究的主要结论是：（1）管道泄漏产生的声源主要有泄漏口处的泄漏声、高压水头撞击声和周围介质摩擦声，本文主要以漏口处泄漏声作为研究对象。（2）泄漏声波信号的特性主要受传播距离、泄漏口大小、管内压力、材质弹性模量、媒质的粘滞吸收、热传导吸收和水中气泡的散射等因素影响。（3）小波去噪具有自适应性和多分辨率分析的特点，是一种有效的去噪方法。本文提出了一种新的阈值方法即自适应函数高次逼近法。自适应函数高次逼近法弥补了软、硬阈值去噪中的缺陷，具有优异的去噪效果。（4）采用LMS自适应时延估计法对地下供水管网进行泄漏定位，针对供水管网中的异型管段，提出异型管段泄漏定位方法。（5）构建了用于供水管网泄漏检测定位的仪器系统，软硬件结合实现泄漏检测及定位。关键词：供水管网，泄漏检测，声波特性，小波去噪，时延估计II 太原理工大学硕士研究生学位论文RESEARCHONACOUSTICLEAKDETECTIONANDLOCATIONOFURBANWATERSUPPLYPIPELINENETWORKABSTRACTUrbanwatersupplypipelinenetworkisanessentialinfrastructureofurbanexistenceanddevelopment.Leakagephenomenonofoururbanwatersupplypipelinenetworkisserious,resultinginsubstantialwasteofwaterresources.Facedwiththissituation,theexactlocationoftheleakpointisparticularlyimportant.Currently,long-distanceoilandgaspipelineleakdetectionandlocationtechnologyhasmatured,andobtainedgoodresultsintheactualtesting.Urbanwatersupplypipelinenetworkisdifferentfromtheoilandgaspipelines.Ithasthecharacteristicofcomplexspatialdistribution,alotofbranchandnodes,differentleakageformsandcomplicatedpipelineconditions.Thedifferentconditionsincludepressure,tubing,pipediameter,pipethickness,pipeinterfaceformsandburiedconditions.Therefore,theoilandgasdetectionmethodcannotbeappliedonthecitywatersupplypipelinenetworkdirectly.TheacousticleakdetectionmethodsofurbanwatersupplypipelineIII 太原理工大学硕士研究生学位论文networkarenumerous.Wegettheleakagesignalbypiezoelectricaccelerometersensorwhicharemountedontheoutsideofthepipesanddeterminetheleaklocationbyprocessingandanalyzingthesignal.Myresearchadvancedsomeimprovementandinnovationaboutmechanismofleakacousticsignal,signalde-noising,optimizationoftimedelayestimationlocalizationalgorithm,localizationalgorithmofdifferentshapedpipesandtobuildintelligentdetectionandlocationsystem.Specificcontents:(1)Mystudyanalyzedthetypesandcausesofpipelineleakageandtakecategorytalkofleaksource.(2)Thepaperstudyedthecharacteristicsofleakacousticsignal,whicharepropagationcharacteristics,frequencyandattenuationcharacteristics.Itanalyzedthecharacteristicsandimpactwithdifferentconditionsofacousticsignal.(3)Thepaperstudyedthetheoryofwaveletdenoising,wavelettransformandwaveletde-noisingmethodbasedonthreshold.Aimingatthedefectsofsoftandhardthresholdingmethod,mystudyproposedanimprovedmethod.(4)ThepaperstudyedthetheoryofLMSadaptivetimedelayestimationmethod,advantages,disadvantagesandimprovedmethods.Duetoacousticwavepropagationvelocityaffectedbydiameterandpipematerialandotherfactors,sothepaperproposedpositioningalgorithmofdifferentmaterialspipes.(5)ThepaperstudyedthecompositionandfunctionofintelligentdetectionIV 太原理工大学硕士研究生学位论文andlocationsystemofwatersupplypipelinenetwork.BasedonthepowerfulfunctionofMATLABsoftware,thepaperdesignedpositioningsoftwareofurbanwatersupplypipelinenetwork.Themainconclusions:(1)Themainsoundsourcesoftheleakpipearecausedbypipeleak,highpressurewatercrashandmediumfriction.Thestudychosenthesoundofleakpointasresearchobject.(2)Thecharacteristicsofleakageacousticsignalareinfluencedbythefactorsofpropagationdistance,leaksize,tubingpressure,materialelasticmodulus,viscosityabsorptionofmedium,absorptionofheatabsorptionandscatteringofbubblesinthewater.(3)Waveletdenoisinghasthecharacteristicsofadaptabilityandmulti-resolutionanalysis.Waveletdenoisingisaneffectivedenoisingmethod.Thestudyproposedanewthresholdmethodthatwasadaptivefunctionofhigh-orderapproximation.Adaptivefunctionofhigh-orderapproximationmadeupofsoftandhardthresholdingdefects,withexcellentdenoisingeffect.(4)ThestudytakenleaklocationwithLMSadaptivetimedelayestimationmethod.Forthedifferentmaterialspipesinthewatersupplynetwork,thestudyproposedanappropriatemethodofleaklocation.(5)Thestudyconstructedasystemofpipelineleakdetectionandlocation,combinedsoftwareandhardwaretoachievethefunction.V 太原理工大学硕士研究生学位论文KEYWORDS:watersupplypipelinenetwork,leakagedetection,acousticcharacteristics,waveletdenoising,timedelayestimationVI 太原理工大学硕士研究生学位论文目录第一章文献综述与选题背景...................................................................................................11.1我国水资源及泄漏状况...............................................................................................11.1.1我国水资源现状.................................................................................................11.1.2我国城市供水管网泄漏现状.............................................................................21.2国内外泄漏检测与定位研究进展...............................................................................31.2.1城市供水管网泄漏检测定位研究的意义.........................................................31.2.2供水管网泄漏控制的研究现状.........................................................................41.2.3国内外供水管道声学检漏技术.........................................................................51.3课题的提出及研究意义...............................................................................................81.3.1课题的提出.........................................................................................................81.3.2课题的研究意义..................................................................................................81.4论文主要研究内容.......................................................................................................9第二章供水管道泄漏产生机理.............................................................................................112.1供水管道泄漏的类型..................................................................................................112.2供水管道泄漏的原因.................................................................................................122.3管道泄漏处声源.........................................................................................................132.4本章小结.....................................................................................................................14第三章供水管道泄漏声波信号特性.....................................................................................153.1泄漏声波信号的传播特性.........................................................................................153.1.1不同传播距离对泄漏声信号的影响...............................................................153.1.2不同管道接口对泄漏声信号的影响...............................................................173.2泄漏声波信号的频率特性..........................................................................................193.2.1不同泄漏口尺寸下的泄漏声波信号特性.......................................................203.2.2管内不同压力下的泄漏声波信号特性...........................................................223.2.3不同材质管道泄漏声信号特征.......................................................................233.3泄漏声波信号的衰减特性.........................................................................................253.3.1媒质的粘滞吸收...............................................................................................25 太原理工大学硕士研究生学位论文3.3.2媒质的热传导吸收...........................................................................................273.3.3气泡对声波的散射衰减...................................................................................283.4本章小结.....................................................................................................................30第四章基于小波理论的信号去噪方法.................................................................................334.1噪声的干扰.................................................................................................................334.2小波分析技术的去噪方法.........................................................................................334.3小波变换.....................................................................................................................344.3.1连续小波变换...................................................................................................344.3.2离散小波变换...................................................................................................354.4基于小波变换的信号去噪.........................................................................................354.4.1小波信号去噪问题概述...................................................................................364.4.2基于阈值的小波去噪方法...............................................................................364.5小波阈值去噪法效果的检测.....................................................................................394.6本章小结.....................................................................................................................41第五章时延估计泄漏定位法.................................................................................................435.1基本原理.....................................................................................................................435.2基于相关分析的时延估计法.....................................................................................445.3最小均方(LMS)自适应滤波......................................................................................455.4LMS自适应时延估计法.........................................................................................485.5时延估计泄漏定位方法性能分析.............................................................................505.6管道中泄漏声波的传播速度.....................................................................................505.7城市供水管网中异型管段泄漏定位方法.................................................................515.8本章小结.....................................................................................................................53第六章供水管网智能检测定位系统设计.............................................................................556.1概述.............................................................................................................................556.2供水管网智能检测定位系统的基本构成.................................................................556.3分布式数据采集单元.................................................................................................566.4基于MATLAB的城市供水管网泄漏定位系统设计..............................................576.4.1MATLAB软件简介..........................................................................................57 太原理工大学硕士研究生学位论文6.4.2系统的功能设计.............................................................................................586.4.3系统模块说明...................................................................................................586.4.4系统流程设计...................................................................................................596.5本章小结.....................................................................................................................61第七章结论与建议.................................................................................................................637.1结论.............................................................................................................................637.2建议.............................................................................................................................64参考文献...................................................................................................................................65致谢...........................................................................................................................................71攻读学位期间发表的学术论文目录.......................................................................................73 太原理工大学硕士研究生学位论文第一章文献综述与选题背景1.1我国水资源及泄漏状况1.1.1我国水资源现状在我们赖以生存的地球上，虽然70%都是水,但是其中可以利用的淡水资源仅占2.5%，在这仅有的2.5%的淡水资源里，其中86%的淡水是难以利用的，存在于冰盖、冰川、永冻积雪等之中。真正可以直接利用的水资源主要存在于江河湖泊和地下水中，仅为全球总水量的0.26%，可见可用的水资源是非常有限的。我国水资源总量约为2.8万亿立方米，世界排名第四位，但是由于我国人口众多，导致人均水量仅为世界人均水量的1/4，为贫水国家。目前，我国18个省、自治区、直辖市的人均水量小于2000立方米，更为严重的是，其中的10个省、市的人均水量在生存水量线以下。现在我国缺水情况并没有得到改善，而是日趋严重，每年全国平均因干旱受灾的耕地面积接近4亿亩，约为40年前的2.4倍。现在农村浇地年缺水约300亿立方米，城市年缺水量约为60亿立方米[1]。我国水资源面临的问题主要有以下几点：（1）供需矛盾突出供需矛盾的问题随着社会的发展呈递增趋势，对我国640个城市的调查研究发现，近300个城市处于缺水状态，其中114个城市的水量严重告急，平均日缺水量高达1600立方米，由于水量缺乏造成的年经济损失约2000亿元。根据有关部门的预测，2030年全国需水量增长到10000亿立方米，缺水量为40004500亿立方米，供需矛盾日趋激烈[2]。（2）水资源的时空分布差异较大我国降水特征为由东南沿海向西北内陆递减，夏秋多、冬春少，所以致使水资源在空间分布极不平均，北方水资源匮乏，南方水资源相对较为丰富。（3）水污染以及地下水超采造成的水资源匮乏问题日趋严重我国水资源污染现象十分严重，从而导致我国水资源不仅面临水量上的短缺，还面临着水质的危机。今年来，随着我国经济的发展，虽然国家要求各产业部门必须采取一1 太原理工大学硕士研究生学位论文些相应控制水体污染的措施，但是全国的水污染仍然呈现出发展的趋势。我国工业发达地区的水体污染相比较为严重。对我国七大水系以及110个内陆河流的重点河段调查发现，其中32%达到“地面水环境质量标准”的Ⅰ、Ⅱ类，29%为Ⅲ类，39%为Ⅳ、Ⅴ类。目前，我国城市内及附近的河流和湖泊很多都呈现富营养化，地下水遭受不同程度的污染。有数据显示，我国80%的水域、45%的地下水已经受到污染，90%以上的城市内水源受到严重污染。水资源的污染与破坏，不仅影响着工农业的生产和发展，而且不利于人民的身体健康，对城市的正常供水造成威胁。目前，我国地下水超采现象十分严重，据统计[3-8]，全国范围内已经形成164个地下水超采区，其中60多个城市已经达到严重超采水平，地下水的过度抽取会带来一系列负面影响，如整体水位降低，地面沉降、裂缝和塌陷等。目前，全国已经形成了56个漏斗区。地面沉降会导致构筑物和路面开裂、下沉，污水回流等，沿海地区的地下水过度抽取还会导致海水入侵，水质碱化变坏等。（4）水资源浪费现象十分严重32在我国，农田灌溉仍然以土渠输送水这种方式为主，用水定额高达150m/hma，渠道里的水的利用率仅为40%50%左右，流入农田的水由于蒸发、渗漏等，又会浪费掉将近一半，所以真正能够被庄家吸收的水仅有总输水量的1/3左右，造成大量水资源的浪费。我国农作物单方水的效益仅为采用先进灌溉技术国家的1/2。我国工业用水的重复利用率仅为20%40%左右，日本约为75%，美国约为77%，仅为日、美两国的一半，且每万元产值的用水量平均竟高达为91立方米，为其他发达国家的10倍以上。我国城市供水管网滴漏、跑漏现象严重，居民节约用水意识不高，生活用水浪费现象普遍[4-10]。以上分类讨论了我国水资源存在的主要问题，我们应该对水资源缺乏问题引起足够的重视，首先要合理的利用开发，提高水的重复利用率，减少污染和浪费；其次国家相关部门应该加强我国水资源管理制度，提高城镇供水管网泄漏监测技术水平，对供水管网采取压力监测分区、流量监测分区等分区管理方式，管道泄漏发生时，做到及时发现、及时修理。1.1.2我国城市供水管网泄漏现状城市供水管道是城市发展、人民赖以生存的必备基础设施。城市供水管网由于管道老化、施工操作不合格、管内压力过大、地面塌陷等原因，常会导致管道泄漏，浪费水2 太原理工大学硕士研究生学位论文资源。调查表明，我国六、七十年代铺设的供水管网，水压较低，仅为0.2MPa。随着社会经济的发展，水压逐渐升高为0.4-0.6MPa[11]。早先铺设的管道质量较低，老化现象严重，存在泄漏隐患；房屋、地铁、道路的修建，由于需要开挖地基，会对地下管道产生威胁,易造成管道泄漏[12]；管道材质的腐蚀现象也会引发后期泄漏，如铸铁管道很容易发生腐蚀现象，且管段间的接口由于施工和材质腐蚀等原因容易发生渗漏[13]。据2002年城市供水统计年鉴中对408个城市的统计表明[14],管网平均漏损率为21.5%，其中以昆明市为例，全市每年平均泄漏2000多万吨自来水，泄漏的水量可以满足一万个普通家庭使用近40年。2014年10月18日，在安徽合肥召开的全国城市基础设施建设经验交流会上，住房和城乡建设部部长陈政高指出，我国供水管网泄漏现象严重，平均漏损率为15.7%，但是目前还有较多地区漏损率高达30%，每年自来水流失近70亿立方米，约为太湖的总水量，可以满足一亿人使用。对比以上两组数据，说明经过10余年的努力，我国城市供水管网的平均漏损率下降了5.8个百分点,但还是远远高于12％的国家考核标准[14]，更远远落后于发达国家的最高水平（6%至8%）。1.2国内外泄漏检测与定位研究进展1.2.1城市供水管网泄漏检测定位研究的意义供水管网泄漏的都是经过给水厂净化处理后的水，不仅浪费水资源造成供水能力不足，而且给自来水厂造成巨大的经济损失。管道泄漏会导致管道周围土体疏松，久而久之会造成地质塌陷、道路开裂、房屋地基倾斜等严重后果。同时，泄漏会加剧管道的腐蚀，从而造成泄漏处进一步扩大。当管道泄漏严重时，会造成管网局部压力降低，无法满足用户水量和水压的要求，影响工业生产和社会生活的正常进行。因此，降低供水管网的漏损率，强化对其的监测和检测能力，准确定位泄漏点，及时进行修补在我国势在必行。其他一些发达国家，由于经济雄厚、科学技术先进，很早就对供水管网的合理布置和泄漏控制进行了研究，例如德国、英国、法国、美国和日本等国家，拥有专门管道泄漏检测定位的科研机构。供水管网泄漏检测定位的实施，可以有效的减少水资源的浪费和经济的损失，有利于社会的可持续发展。我国在这方面研究较为落后，管网漏损率明3 太原理工大学硕士研究生学位论文显高于上述发达国家。如美国漏损率为8%,日本漏损率为10%,法国漏损率为9.5%,德国漏损率为4.9%[15]。目前，我国中小城市管网泄漏检测手段仍然以人工方法为主，由专业人员通过听漏仪探测泄漏管段。但是这种方法工作量大、抗干扰性差且必须由有经验的专业人员操作。目前，在国外广泛应用的是集信号收集、处理、计算机相关软件系统分析定位于一体的检测设备，并且有专门的公司提供检漏和技术支持服务。虽然我国有进口国外的先进检测设备，但是由于我国供水管网的特点和埋设环境等与国外不同，仪器的参数无法与我国管网相符合，所以常常会导致定位不准确。同时，现有的比较成熟的检漏方法和检漏仪器在实际应用中也面临很多问题，如管道自身及泄漏处情况不同，环境中各种噪声的干扰，都会影响检测的准确性，所以需要仪器具有较高的自适应能力和抗干扰能力。因此，深入地研究适合我国供水管道复杂特点的泄漏检测定位技术和仪器，提高检测定位技术和仪器的自适应性和抗干扰性，从而能够准确定位泄漏点，具有重要的现实意义和经济价值。1.2.2供水管网泄漏控制的研究现状目前，国内外众多学者对供水管网的产生原因、泄漏机理、检漏定位方法以及监测手段等多方面进行了研究，为管网泄漏控制工作提供了理论和技术上的支持。管网泄漏控制工作主要包括：制定政策法规、定期更新老旧管道、合理优化管网压力、定位泄漏点以及泄漏点修复等。随着现代计算机技术和数学理论的发展，学者们在不断完善泄漏检测定位技术和开发智能定位仪器的同时，针对供水管网的泄漏预测方面建立了基于数学模型的预测系统。SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系统，即监控和数据采集系统，其将安装在管道上的数据采集器作为监控对象，分析判断采集器采集到的水压、流量以及流速等信息，判断是否存在异常，并及时对管道的水压、流量以及流速等这些运行参数进行调节，最大限度的减少爆管的发生，实现供水管网泄漏预警和实时调控等多重功能。尽管很多学者对SCADA系统进行了相关的研究工作，但是目前我国使用SCADA系统的状况还不是是十分理想，虽然该系统具有较强的实时监控能力，但是当管网中有泄漏发生时，数据采集器只能检测到的水量、压力、流速这些参数发生变化，但是并不能确定泄漏点的位置和泄漏量的大小，面对复杂的供水管网显得力不从心[16]。所以，对4 太原理工大学硕士研究生学位论文SCADA系统的充分利用还有待更加深入的研究。GIS（GeographicalInformationSystem）系统，即地理信息系统，是集成电子计算机技术、地理科学、遥感技术和信息科学的高新科技，在近几十年的科学发展中得到了广泛的发展及应用，由原来单纯的数据存储、查询、统计等功能发展为现在的同时具备智能分析及决策的系统。城市供水管网GIS系统是基于输配水管道、泵站及阀门等地理信息的管理系统，其工作原理主要为：通过无线技术，将供水管道的相关数据传送到数据库及数据管理系统中并对数据进行分析处理，将供水管道的状态与计算机软件模拟的正常或事故状态对比分析，将最终的结果显示在用户界面上。图1-1为GIS系统工作原理示意图[17]。图1-1GIS系统工作原理示意图Fig.1-1Schematicdiagramofgeographicalinformationsystem供水管网GIS系统，能够存储管网中的海量信息并对其进行管理、分析，为管网改造、泄漏维修、查询管道信息（长度、管径、材质等）等提供了强大的支持[18]。1.2.3国内外供水管道声学检漏技术供水管网泄漏检测按照检测原理的不同可以分为声学检漏、红外线成相、雷达检5 太原理工大学硕士研究生学位论文漏、气体检漏、核磁共振、管内摄像等几种，上述除了声学检漏技术以外的其它几种技术，具有使用限制高、操作复杂、技术性强、检漏成本高等缺点，在我国应用较少。声学检漏技术因具有适用范围广，可操作性强、潜力大等优点，自20世纪80年代被提出就受到了广泛的关注，众多学者对声学检漏技术进行了深入的研究，使其得到了广泛的应用，是一种前景光明的检漏技术。供水管道发生泄漏时，声波的产生方式和传播途径有所不同，以此为依据，声波检漏技术分为如下几种类型[19]。（1）基于声波在管道周围介质中传播的检漏技术管道内的承压自来水从泄漏点喷射而出，与管道周围的介质发生碰撞，产生的声音由四周的传播介质向地面扩散，在地面采用检漏仪、听音棒等设备听测声波，根据声波沿传播距离的衰减程度确定泄漏点的位置。比较高级的设备会将接收到的振动信号转换为电信号，并由信号处理器进行放大、过滤等基本处理，然后通过计算机进行滤波、频谱分析和声信号图形显示，从而分析确定泄漏点的位置。（2）基于声波在管壁中传播的检漏技术当泄漏发生后，外喷的流体扰乱了原来的流动状态，而且与管道产生力的作用，振动沿着弹性管壁向两侧传播，目前主要的检测设备有听音棒、相关仪和噪声记录仪等。听音棒可以直接在管道的暴露处听测泄漏声信号。相关仪根据泄漏声信号传播到两侧传感器的时间差来确定泄漏点，目前此方法应用十分广泛。噪声记录仪以一定距离固定在管道上，可长期检测重要管段，选择性检测次要管段，采集泄漏声信号并对记录的声信号进行分析，智能化程度高[20]，但是对于泄漏点的定位精度较低，费用较高[21]。（3）基于声波在水中传播的检漏技术因为声波在管壁中传播时会受到阀门、接口等的影响，导致声波衰减较快，所以20世纪80年代末，德国、日本等国家的学者开始研究基于声波在水中传播的相关检漏技术。声波在水中传播时，以纵波的形式向前传播，传播形式单一，且声速在水中恒定，不受管材等的影响，故衰减较小，传播距离较长[22]，目前应用的有水听传感器。杨理践等通过实验模拟分析证明了管内检漏技术的可行性[23]。但是由于水听器需要安装在管道里面，因此对于水听器的防水、防锈、抗压、无毒等性能要求会很高，而且由于水听器安装在管道内侧，则不利于维修更换等，所以管内检漏技术有待完善和提高。（4）声发射检漏技术6 太原理工大学硕士研究生学位论文声发射（AcousticEmission，简称AE）是近50年迅速发展起来的获得工程信息的一种方法。声发射检漏技术是利用仪器对声发射信号进行检测、记录和分析，从而诊断发射源的状态[24]，泄漏检测的关键部分为信号处理方法的选择。Shehadeh等[25]用阵列传感器对发射声波的时域特征和频域特征进行了定位和重组，在一段干管上采取模拟声发射源并运用多种技术对此干管进行泄漏判断，但是运用声发射技术检测供水管网泄漏的适用性较低，还有待进一步研究。（5）超声导波检漏技术超声导波[26]是一种机械弹性波且可以由传播介质约束和导向，激发频率4-250kHz。超声导波检漏技术的工作原理为：由导波传感器激发超声导波，导波沿着供水管道传播，当遇到泄漏处、焊缝等结构突变的地方时，部分包含管道突变信息的导波会反射回传感器被接收，对其进行分析，判断管道是否有泄漏点。超声导波检漏具有传播衰减小、检测范围广、成本低及耦合性较高等优点，但是也存在一些缺点，如只能初步定性管道缺陷，还需配合其它检测方法才能最终准确确定泄漏点，由于超声导波检漏是利用反射回的导波进行分析判断，所以管道中的弯头、阀门、焊缝等都会对导波产生影响，使得分析难度增大，检测精度降低。（6）管道内的检漏技术2004年，国外的科学工作者针对埋深较大、距离较长的供水管道泄漏检测存在难度大、准确性较低等问题，开展了可以在管道内漂流的检测设备的研发工作[27]。PureTL研发了适用于多种材质的压力管道在线检测技术。此在线检测技术是利用研发的SmartBall进行泄漏检测，SmartBall在管道中随水流漂流，当流经泄漏点时，收集并记录泄漏点的泄漏声信号以及管内压力、速度、温度信息，最后分析定位泄漏点，可以检测出小泄漏量的泄漏点[28-29]。Pualson和Nguyen对SmartBall的功能做了进一步扩展，用于管道性能评估[30]。Paul和Xing利用SmartBall对再生水管道进行检测，取得了很好的效果[31]。马晓斌等将SmartBall应用于长输油管道中进行泄漏检测，成功地检测到0.5L/min的小流量泄漏点[32]。管道内的检漏技术是一门新兴的技术，具有效率高、精度高、操作使用方便等优点，但是此种方法还不够成熟，有待学者们进行进一步的研究和开发。7 太原理工大学硕士研究生学位论文1.3课题的提出及研究意义1.3.1课题的提出前面对国内外主要的声学检漏技术进行了简要的讨论，其中基于地面听音的检漏方法由于泄漏声信号从地下传播到地面时衰减较快并且环境中存在各种噪声干扰，使得听音工作难度加大，需要专业人员进行多次、多地点听音比较，工作量大，不能及时发现泄漏点；采用水听器的水中声波检漏技术，由于水听器被放置在管道内部工作，与水接触，所以必须具有防水、防锈、抗高压、无毒等性质，不易维修更换；声发射检漏技术目前仅主要应用于长直管道的检漏，对于复杂的供水管网，适用性较低；超声导波技术应用于供水管网时，管网中的弯头、阀门、接口以及焊缝等会对导波产生反射作用，使得检测难度增大，检测精度降低；管内放置SmartBall的管内检漏技术是近几年新兴的检漏技术，虽然其对小流量泄漏的检测精度较高，但是此项技术在我国应用较少，技术不够成熟。目前，应用广泛的检漏方法是通过安装在管道外侧的传感器获取泄漏声信号，运用计算机及应用数学等技术对信号进行处理、分析，从而确定泄漏位置。此方法具有检漏及时、应用范围广、智能化高以及定位准确等优点。我国供水管网情况复杂，声波在传播的过程中受到管材、管径、接口及管内压力等的影响，特性发生改变。由于泄漏声信号在管道中传播时会发生衰减且检测环境中的噪声干扰无法避免，使得传感器接收到的是衰减后并叠加有噪声的泄漏信号，信噪比较低，使得分析定位难度增大。因此，本文的主要研究内容及突破点为：不同条件下泄漏信号的特性；运用小波去噪技术最大限度地去除干扰噪声还原真实泄漏信号；研究适应性强、精度高的泄漏定位方法（LMS自适应时延估计法）及异型管段中的定位方法；构思开发拥有自主知识产权且适合我国供水管网自身特性的检测定位系统。1.3.2课题的研究意义信号去噪技术的研究，可以大大降低噪声对泄漏声信号的影响，还原真实的泄漏声信号，使得定位方法可以准确的判断分析泄漏信号，精确定位。定位方法的选择决定着定位的准确程度，是泄漏检测中的核心环节。泄漏检测的定位方法有很多种，目前应用最为广泛的是时延估计方法。时延估计法是对泄漏点两侧传感器采集到的声信号进行分析，估计出时延值，进行定位计算，确定泄漏位置。时延估计法中一般的相关分析法需要信号功率谱、噪声功率谱等这些先验知识，但是这些先验8 太原理工大学硕士研究生学位论文知识由于管道条件等的影响无法准确获得，导致时延值估计不精确，最终无法准确定位。LMS自适应时延估计法克服了上述缺点，不需要泄漏声信号和噪声的先验知识，能够自适应的提取到泄漏点两侧观察信号的相似性，得到高精度的时延估计值，能够准确定位出泄漏点。由于供水管网管材、管径等复杂多变，当两传感器之间的管道管材、管径等不同时，泄漏声信号的传播速度不是固定值，会造成定位误差，所以在LMS自适应时延估计法基础之上，提出了异型管段的定位方法，增强了LMS自适应时延估计法在复杂供水管网中的应用性。目前较多的先进相关检漏仪器主要由外国研发生产的，由于我国供水管网的情况有别于外国，造成仪器中的定位参数与我国供水管网中的真实定位参数存在差异，导致定位不准确。国外的相关检漏仪器存在价格昂贵、技术沟通困难、操作复杂等缺点，所以研究拥有自主知识产权的且适合我国供水管网自身特点的检测定位系统及仪器，具有很高的实际意义和经济价值。1.4论文主要研究内容（1）分析管道泄漏类型和泄漏原因。对管道泄漏处声源进行了分类讨论。（2）研究泄漏声波信号的三大特性，即传播特性、频率特性和衰减特性。对于传播特性，主要研究不同传播距离和不同管道接口时泄漏声波信号的特点和影响；对于频率特性，主要研究不同泄漏口尺寸、不同管内压力和不同管道材质下泄漏声波信号的特点；对于衰减特性，主要研究媒质的粘滞吸收、热传导吸收和气泡对声波的散射衰减影响。（3）分析噪声干扰主要来源及对泄漏声波信号的影响。研究小波去噪原理、小波变换和基于阈值的小波去噪方法，重点研究软、硬阈值去噪法，针对这两种去噪法存在的缺陷，提出改进的方法。通过实际采集含噪管道泄漏信号，研究小波去噪的效果。（4）分析时延估计泄漏定位法的基本原理，研究互相关时延估计法和LMS自适应时延估计法的原理和优缺点。考虑到管道中声波传播速度受管径和管道材质等的影响，因此在采用自适应时延估计法得到时延估计值的前提条件下，研究城市供水管网中异型管段的定位算法。（5）讨论供水管网智能检测定位系统的组成和各部分功能，基于MATLAB软件强大功能之上，综合运用泄漏声波特性、小波去噪技术、LMS自适应时延估计法和异型9 太原理工大学硕士研究生学位论文管段定位算法构思开发城市供水管网泄漏定位软件。10 太原理工大学硕士研究生学位论文第二章供水管道泄漏产生机理2.1供水管道泄漏的类型LawrenceA.Smith等人将供水管网破裂类型分为四种：环向破裂、纵向破裂、承口破裂和管壁穿孔[33]，见图2-1。环向破裂纵向破裂承口破裂管壁穿孔图2-1爆管的四种类型Fig.2-1Fourtypesofburstpipes地下供水管道受到的作用力大致可以分为：（1）外部压力，即管道覆土及地面静、动荷载产生的作用力；（2）内部压力，即管内承压水产生的作用力；（3）温度变化产生的膨胀力和压缩力。管道环向破裂主要是由于管道外部压力与管道内部压力不平衡造成；管道纵向破裂和承口破裂主要是由于施工质量不达标，管沟铺设不平整，造成管道不能均匀承受上方的覆土及静、动荷载的力，产生纵向应力，由于环境温度的改变，造成管道膨胀和收缩变化，同样会产生纵向应力，纵向应力的作用使得管道发生纵向破裂和承口破裂；管壁穿孔则是由于多重受力不均衡导致的。11 太原理工大学硕士研究生学位论文2.2供水管道泄漏的原因管道泄漏的原因主要包括管材、管径、接口形式及质量、管道埋设深度、管道腐蚀、供水压力以及水锤现象等[34-35]。（1）统计数据显示不同管材的漏损率大小为：镀锌>铸铁>塑料>球墨>其它[36]。我国供水管道大部分采用的是铸铁管道，由于铸铁管道材质较差、工艺简单、造价低廉、刚度和强度较低且易发生锈蚀，所以极易发生泄漏。（2）统计数据显示小口径的管道漏损率要远大于大口径的管道，其中DN100以下的管道漏损率很高[36]。小口径管道易出现泄漏的因素主要有：小口径管道管壁比大口径的要薄很多，管网压力相同时，小口径管道易出现泄漏；小口径管道埋深较浅，路面有突然动荷载时，施加于管道外的压力瞬间增大，易发生泄漏；管网中的水锤作用也易造成小口径管道泄漏。（3）供水管网中的接口形式主要有承插接口、石棉水泥接口、混凝土胶圈接口、粘结接口、球墨管胶圈接口等，其中承插接口和石棉水泥接口由于密封性和抗腐蚀能力较差而易发生泄漏。（4）管道的埋设深度对泄漏的影响不容忽视，当埋设深度过浅时，地面动荷载影响很大，且冻土深度不够都会导致管道泄漏；当管道埋深过大时，覆土压力过大，同样也易导致管道泄漏。（5）管道腐蚀是一个长久缓慢的过程，主要有电化学腐蚀和微生物腐蚀两种，腐蚀作用会使管道变得脆弱易断，从而易发生泄漏。（6）供水管网中的压力分布对于管道泄漏有很大的影响，当管道内水压过大超过管材承受能力时，会导致管道破裂，若一味降低供水压力，又会造成供水不足，无法满足用户的需求，所以应该优化控制管网中的压力分布，采取压力分区管理，避免管道泄漏和供水不足。（7）当阀门突然关闭或供水水泵突然停止时，管网中的水流运动状态会发生改变，水流会向反方向流动，管内压力骤然增大，产生水力冲击作用，管道发生变形甚至破裂。水锤作用不可忽视，管网运行过程中应该尽量避免突然关闭阀门或者突然停止水泵的情况发生。以上分别阐述了管网泄漏的主要因素，在实际管网泄漏中，通常不是单一一种原因12 太原理工大学硕士研究生学位论文造成，而是多重因素共同作用的结果。为了降低管网泄漏的发生，应该合理的选用管材及接口形式、做好管道防冻及防腐工作、实现压力和计量分区管理、加强管道监测和检测工作等。2.3管道泄漏处声源当管道发生泄漏时，供水管网里的压力水会从泄漏处喷射而出，喷射出的水会和泄漏口以及管道周围的土壤等发生碰撞，从而产生不同频率的振动。如图2-2所示，喷射出的水和外界多种介质接触，从而可以将产生的声源分为三类：（1）泄漏口处的泄漏声管道没有发生泄漏时，管中的水以一种正常的承压状态流动。但泄漏发生后，外喷的流体扰乱了原来的流动状态，而且与管道产生力的作用，振动沿着弹性管壁向两侧传播，通常在阀门、消防栓等阀门井里的管壁可见处听测到振动声。目前主要的检测设备有听音棒、相关仪和噪声记录仪。（2）高压水头撞击声喷射出的管内承压自来水与土体等发生碰撞和摩擦而产生声音，由周围的传播介质向路面传播，在路面处使用听漏仪等设备进行听漏，但是往往需要经验丰富的人员进行辨听，专一性很强，频率通常在20~300Hz之间。（3）周围介质摩擦声喷射出的高压流体带动管道周围土壤、砂砾等之间相互碰撞，产生的声波频率较低，只有将听音杆等设备插到地下泄漏口附近时才可听测到，频率通常在20~300Hz之间，此类声波检测难度较大，干扰因素较多，不易听测。图2-2供水管道泄漏处主要声源[37]Fig.2-2Themainacousticsourcesoftheleakpipes13 太原理工大学硕士研究生学位论文高压水头撞击声传播到地面时，衰减较大，而且需要有经验的专业人员辨听，工作量大、主观性很强，经常会有误判发生。周围介质摩擦声频率较低，干扰因素多，信号通常湮没在各种干扰噪声中，不易被探测接收。泄漏口处的泄漏声主要通过管道和管内流体向两侧传播，由吸附在管道外的传感器接收，系统对采集到的声信号进行处理和分析，确定泄漏点，此方法目前被广泛采用，具有高效、智能、快速和准确度高等优点，故本文主要以泄漏口处泄漏声作为研究对象。2.4本章小结本章首先介绍了管道泄漏的类型，主要有环向破裂、纵向破裂、承口破裂和管壁穿孔四种类型，并简要阐述了造成这四种破裂的力学原因；然后详细分析了管道泄漏的原因；最后对管道损坏流体外漏产生的声源进行了分类，明确出本文主要以漏口处泄漏声作为研究对象。14 太原理工大学硕士研究生学位论文第三章供水管道泄漏声波信号特性3.1泄漏声波信号的传播特性管道发生泄漏后，泄漏声信号将会沿着管道内的流体、管壁、管道周围介质传播，由于信号传播的通道不是理想条件下的，而是错综繁杂的，所以势必会对泄漏声信号的能量、频率等造成影响，且通道的参数不同，对声信号的影响也不同。为了直观真实的反应泄漏声信号的传播特性，以消防栓放水来模拟管道泄漏，采集不同传播距离和不同管道接口影响下的泄漏声信号，对其进行研究分析。3.1.1不同传播距离对泄漏声信号的影响在距离消防栓放水口10cm处的管壁上放置加速度传感器，获取消防栓放水产生的振动声波即泄漏声波，其时域波形和功率谱密度如图3-1所示[38]。（a）时域波形（b）功率谱密度图3-1距离消防栓10cm处的泄漏声信号Fig.3-1Pipevibrationwherethereis10cm.awayfromtheleakpoint在距离消防栓放水口20m处的管壁上放置加速度传感器，同样获取消防栓放水产生的振动声波即泄漏声波，其时域波形和功率谱密度如图3-2所示[38]。15 太原理工大学硕士研究生学位论文（a）时域波形（b）功率谱密度图3-2距离消防栓20m处的泄漏声信号Fig.3-2Pipevibrationwherethereis20m.awayfromtheleakpoint观察两幅图的时域波形：距离消防栓10cm处的泄漏声信号的振幅平均值约为0.9V,而距离消防栓20m处的泄漏声信号的振幅平均值约为0.004V,可见随着传播距离的增加，泄漏声信号的能量产生了明显的衰减，由较强变得较弱。观察两幅图的功率谱密度：距离消防栓10cm处的泄漏声信号的能量主要集中在1600Hz-2000Hz的高频段，即信号较强，频率较高。而距离消防栓20m处的泄漏声信号在约1700HZ的地方有个明显突跃，其它频率处的功率谱较低，在0.2以下，说明随着传播距离的增加，大部分高频成分都出现了衰减，能量集中于较窄的频带内。通过实验及分析可得：当近距离传播时，管道的泄漏声波信号频率主要集中在1600Hz-2000Hz的高频段，信号能量较大，影响较小；当传播距离增加时，声波信号的高频部分出现了不同程度的衰减和突变，从而使得泄漏声信号的有价值的频率成分主要集中于低频率段，信号能量衰减明显。所以，当我们进行长距离管道泄漏检测时，应首先对泄漏声波采取一个低频段的带通滤波预处理，这样可以绝大程度上保留有用的低频段声信号，同时又可以降低周围高频噪声的干扰，利于后续声波分析。对于直径较大的供水管道，往往阀门井之间的距离较远，从而我们无法直接对大口径管道进行近距离泄漏检测，通常将传感器布置在阀门井中暴露的管道上，因此，特别对于长距离大口径管道的泄漏声信号，主要为低频信号。16 太原理工大学硕士研究生学位论文3.1.2不同管道接口对泄漏声信号的影响管道泄漏声信号从泄漏点传播到压电加速度传感器时，通常会不可避免的经过管道间的接口，接口形式不同，影响也不同。由实验分析橡胶垫和石棉两种常见的接口形式对泄漏信号的影响。如下图3-3至3-6所示[37]。(a)时域波形（b）功率谱图3-3未经橡胶接口信号Fig.3-3Thesignalwithoutpassingtherubberjoint（a）时域波形（b）功率谱图3-4经橡胶接口信号Fig.3-4Thesignalpassingtherubberjoint17 太原理工大学硕士研究生学位论文（a）时域波形（b）功率谱图3-5未经石棉接口信号Fig.3-5Thesignalwithoutpassingtheasbestosjoint（a）时域波形（b）功率谱图3-6经石棉接口信号Fig.3-6Thesignalpassingtheasbestosjoint观察经过橡胶接口前后的时域波形：未经过接口时，信号的振幅平均约为0.7V；当经过接口后，信号的振幅平均约为0.015V，可见，经过橡胶接口后，声信号产生了明显的衰减，信号能量减弱。18 太原理工大学硕士研究生学位论文观察经过橡胶接口前后的功率谱：当信号未经过橡胶接口的时候，信号频率主要集中在1600Hz-2000Hz，信号能量较大，即信号能量主要集中在高频段；当泄漏信号经过橡胶接口后，1800Hz左右的主要频率成分产生了衰减，主要频率成分变成了2000Hz左右，并且频率被分散，分布在低于2000Hz的整个频带内，泄漏信号的频率分布发生了改变。观察经过石棉接口前后的时域波形：未经过接口时，信号的振幅平均约为0.02V；当经过接口后，信号的振幅平均约为0.011V，可见，经过石棉接口后，声信号产生了明显的衰减，信号能量减弱。观察经过石棉接口前后的功率谱：当信号未经过石棉接口的时候，信号频率主要集中在1000Hz-2000Hz，主要集中在高频段；当泄漏信号经过石棉接口后，1600Hz左右的主要频率成分产生了衰减，频率被分散，分布在低于2000Hz的整个频带内，泄漏信号的频率分布同样发生了改变。可见，接口对泄漏声信号的影响主要是信号的能量被降低，主要频率被分散。所以，在实际检测泄漏时，应该尽量将压力加速度传感器布置在管道上，不要布置在阀门上，且尽量避免压电加速度传感器间存在较多的接口，从而避免接口对泄漏信号的衰减和改变，有利于后续信号的分析和泄漏点的定位。泄漏声波信号的传播特性总结如下表3-1所示。表3-1泄漏声波信号传播特性Table3-1Propagationcharacteristicsofleaksignal传播距离近远信号较强，有价值的频率集中在信号较弱，有价值的频率集中于低特性1600Hz-2000Hz的高频段频率段管道接口未经接口经过接口信号较强，有价值的频率集中在信号的能量被降低，主要频率被分特性1600Hz-2000Hz的高频段散，分布在15Hz-2000Hz频段内3.2泄漏声波信号的频率特性管道泄漏声波信号频率特性与泄漏口形状、管道内压力、管道材质有关，通过实验及理论分析对泄漏声波信号的频率特性进行研究。19 太原理工大学硕士研究生学位论文3.2.1不同泄漏口尺寸下的泄漏声波信号特性为了保证实验测得数据的真实性及可靠性，特选取市政管网中的一个消防栓作为实验对象。此消防栓的开口大小可以进行人为调节，对消防栓开口采取了大、中、小三个状态进行泄漏声的采集分析。为了排除周围环境噪声的影响，提前采集相同环境状态下消防栓闭合时的背景噪声。将加速度传感器布置在距离消防栓开口处10cm的管壁上。如图3-7至3-10所示[37]。（a）时域波形（b）功率谱图3-7管道背景噪声信号Fig.3-7Thesignalofpipebackgroundnoise（a）时域波形（b）功率谱图3-8消防栓开口大时泄漏声信号Fig.3-8Thesignaloflargeleaksituationofthefirehydrant20 太原理工大学硕士研究生学位论文（a）时域波形（b）功率谱图3-9消防栓开口中等时泄漏声信号Fig.3-9Thesignalofmiddleleaksituationofthefirehydrant（a）时域波形（b）功率谱图3-10消防栓开口小时泄漏声信号Fig.3-10Thesignalofsmallleaksituationofthefirehydrant背景噪声：观察背景噪声的时域波形，可以看到背景噪声信号的振幅平均约为0.4V,能量相对较弱；观察功率谱图可以看出，泄漏点周围的背景噪声的信号频率成分基本上充满整个频带，分布较为均匀，没有明显的频率集中，在大约110Hz处产生了一个谱峰，通过分析可得这个谱峰的产生主要是因为管道内的高压水在流动的过程中，引起管道的振动而产生的。观察消防栓三种开口情况的时域波形：开口较大时，泄漏声信号的振幅平均约为0.7V，能量较大；开口中等时，泄漏声信号的振幅平均约为0.02V，能量相对开口大时21 太原理工大学硕士研究生学位论文明显降低；开口较小时，泄漏声信号的振幅平均约为0.004V，能量进一步明显降低，十分微弱。观察消防栓三种开口情况的功率谱：开口较大时，泄漏声信号的频率主要集中在1600Hz-2000Hz,信号功率谱最高值为0.025，信号的高能部分主要集中在高频段；开口中等时，泄漏声信号的频率同样主要集中在1600Hz-2000Hz,信号功率最高值约为0.002，比开口大时有所降低，能量也主要集中在高频段；开口较小时，泄漏声信号的频率和以4上两种开口情况一样，主要集中在1600Hz-2000Hz,信号功率谱最高值约为0.810，已经非常小，微弱的能量同样主要集中在高频段。综上可得，三种不同泄漏开口大小的时域波形的幅度存在较大差异，开口越大，信号振幅越大，能量越大，随着开口的依次减小，能量明显降低。三种不同泄漏开口大小的功率谱图中泄漏信号的主要频率成分都集中于1600Hz-2000Hz的高频段，即开口情况不同，泄漏声信号的主要频率相同。但是，各频率成分的能量相差较大，开口越小，各频率成分的能量越小。3.2.2管内不同压力下的泄漏声波信号特性管道内压力不同，相同泄漏点的泄漏声波特性不同，所以，仍将传感器放置在距离泄漏口10cm的位置处，管道泄漏口的形状和大小保持不变，周围环境噪声等其它条件也保持不变，分别选取管内压力为0.8MPa和0.3MPa两个压力值进行泄漏声信号的采集，生成时域波形图和功率谱图，如图3-11、3-12所示[37]。（a）时域波形（b）功率谱图3-11管内压力0.8MPa时泄漏声信号Fig.3-11Leaksignalofpressure0.8MPa22 太原理工大学硕士研究生学位论文（a）时域波形（b）功率谱图3-12管内压力0.3MPa时泄漏声信号Fig.3-12Leaksignalofpressure0.3MPa观察两种管内压力的时域波形：管内压力0.8MPa时泄漏声信号的振幅平均约为0.03V，信号能量相对较强；管内压力0.3MPa时泄漏声信号的振幅平均约为0.017V，信号能量相对0.8MPa时有所降低。观察两种管内压力的功率谱：管内压力为0.8MPa的泄漏声信号频率成分主要分布3在1000Hz-2000Hz之间，信号最高功率谱值约为210，信号的高能频率主要集中在1700Hz左右；管内压力0.3MPa的泄漏声信号主要频率成分同样主要分布在41000Hz-2000Hz之间，信号最高功率谱值约为510，与管内压力为0.8MPa相比，明显降低，信号的高能频率主要集中在1400Hz左右。综上可得，管内压力越大，泄漏声信号越强。管内压力大时，泄漏声信号中高能信号的频率较高，管内压力减小时，泄漏声信号中高能信号的频率较管内压力大时有所降低，即管内压力越大，有价值信号的频率越高。3.2.3不同材质管道泄漏声信号特征选取直径为200mm的PVC管道,将压电加速度传感器吸附在金属接口处，进行泄漏声波的采集工作，如图3-13所示[37]。23 太原理工大学硕士研究生学位论文（a）时域波形（b）功率谱图3-13PVC管道泄漏声信号Fig.3-13LeaksignalofPVCpipe3观察PVC管道泄漏声信号的时域波形，可以看出振幅平均约为2.510，与铸铁管道相比，振幅较小，信号能量较低。观察PVC管道泄漏声信号的功率谱，可以看出泄漏信号的频率主要分布在10Hz-1600Hz之间，其中高能部分的频率主要集中在10Hz-400Hz之间，信号最高功率5谱值约为410，与前面采集的铸铁管道泄漏声信号的最高功率谱值相比，明显小很多。综上可得，PVC管道的泄漏声信号能量较弱，PVC管道的主要泄漏声信号频率比铸铁管道低，PVC管道的泄漏声信号的频率主要在10Hz-400Hz之间，而铸铁管道泄漏声信号的频率集中于1600kHz—2000kHz。导致这种差异的原因主要是两种材质的弹性5[39]模量区别较高，例如灰口铸铁的弹性模量为1.1310MPa，而高压聚乙烯的弹性模量5[40]为（0.015-0.025）10MPa，因为材质的弹性模量不同，从而两类材质管道的自身固有频率差异较大，塑料管道的弹性模量小，所以塑料管道泄漏声信号主要频率成分低于铸铁管道。泄漏声波信号的频率特性总结如下表3-2所示。24 太原理工大学硕士研究生学位论文表3-2泄漏声波信号频率特性Table3-2Frequencycharacteristicsofleaksignal泄漏口大小较小较大泄漏声波信能量较小，有价值频率成分主要集能量较大，有价值频率成分同样主要号特性中于1600Hz-2000Hz的高频段集中于1600Hz-2000Hz的高频段管内压力较小较大泄漏声波信能量较小，有价值的信号频率主要能量较大，有价值的信号频率主要集号特性集中于相对低频段中于相对高频段管道材质铸铁管道PVC管道信号能量相对较高，有价值频率成信号能量相对较低，有价值频率成分泄漏声波信分主要集中于1600Hz-2000Hz的高主要集中于10Hz-400Hz之间的低频号特性频段段3.3泄漏声波信号的衰减特性地下供水管网环境复杂，管道中的自来水为非理想液体，泄漏声波在管壁和管中液体传播时，声能会随着传播距离的增减而逐渐减小，这种能量的损失是不可避免的，损失的声能转化为热能。引起媒质对声波的吸收的原因有多种，主要为媒质的粘滞吸收、媒质的热传导吸收，同时，由于声波在传播过程中会发生声波的散射，声波的散射也会导致声波的能量消耗，所以声波的散射也是导致声波衰减的主要原因之一。下面分别对泄漏声信号的衰减因素进行分析。3.3.1媒质的粘滞吸收当泄漏声波在实际管道和实际流体中传播时，由于实际流体是具有粘滞性且管壁对于管道中的粘滞流体的质点运动也会产生影响，所以泄漏声波在传播的过程中部分声能转化为热能而损失，即媒质的粘滞吸收。粘性为液体自身属性，实际液体都具有粘性，管壁附近的液体粘附于其上，速度为零，随着与管壁距离的增加，管壁的约束力变小，速度增大，这样在管道内就产生了速度梯度，各层液体之间将产生相对运动，液体质点就会受到内摩擦力或称粘滞力的作用，粘滞力的大小与速度梯度、液体层间面积成正比，则粘滞力表示为[41]：25 太原理工大学硕士研究生学位论文VFd（3-1）rv(r)式中，—径向速度梯度rr—媒质层与管壁的径向距离d—媒质接触层的元面积—流体的切变粘滞系数在粘滞媒质中的声波一维波动方程为[42]：223K（3-2）02S22txxt3式中，—环境密度，kg/m0—任意位置处质点的位移K—绝热体积弹性系数，KVdP/dVss3/4—粘滞系数，（为切变粘滞系数，为容变粘滞系数）式（3-2）的解为：xxj(t)j(t)AexecBexec（3-3）式中，A、B—常数C—声波传播速度，m/sx—声波传播距离，m—角频率，2f—媒质的粘滞吸收系数式3-3中，第一项表示沿x轴正方向传播的声波，传播速度为c，角频率为，振x幅为Ae，可以看出波的振幅随着距离的增加以指数形式衰减；第二项表示沿x轴负方向传播的声波。通常情况下，可以近似表示为[42]：22433()（3-4）2c2c30026 太原理工大学硕士研究生学位论文是描述声波振幅随距离衰减快慢的物理量，从式中可以看出，在同种传播媒质中，切变粘滞系数和容变粘滞系数不变的前提下，媒质的粘滞吸收系数与声波频率的二次方成正比，与声波传播速度的三次方成反比。若管道泄漏处产生的声源频率高，则媒质的粘滞吸收系数就大，声波的振幅随着传播距离的增加而快速减小，因为振幅的大小是波所传递能量的直接量度，所以声信号随着传播距离的增加能量衰减较快，反之，若管道泄漏处产生的声源频率低，则声信号随着传播距离的增加能量衰减较慢。泄漏声波在管道中传播的速度和温度、管内压强、管材等因素有关，不同条件下，声速则不同，由于媒质的粘滞吸收系数与声波传播速度的三次方成反比，则声速越大，媒质的粘滞吸收系数就越小，泄漏声波的振幅随传播距离衰减越小，声信号的能量损失则越小，反之则越大。综上所述，频率低、波速高的泄漏声源在传播过程中受到媒质粘滞吸收的作用相对较小。3.3.2媒质的热传导吸收媒质的热传导吸收是造成声波衰减的另外一个原因。声波过程是绝热的，当声波在管道中传播时，由于声波的振动特性使得媒质产生压缩和膨胀的变化，被压缩的部分体积变小，温度升高，膨胀部分体积变大，温度降低。对于理想流体，温度的变化和体积的变化是同步的，体积达到极小时温度达到极大，体积达到极大时温度达到极小，此过程是可逆的。对于实际媒质来说，由于相邻的压缩区和膨胀区之间存在温度梯度，就会有一部分热量从高温处传递到低温处，发生热传导，这个过程是不可逆的，在这个不可逆的过程中，机械能转化为热能的声吸收现象即为媒质的热传导吸收。媒质的热传导吸收系数为[42]：22(1)11()33（3-5）2cc2cCC0p0vp—热传导系数；Cv—定容比热容，kJ/(kgK)；Cp—定压比热容,kJ/(kgK)。由式（3-5）可知，在同种媒质中，定压比热容、定容比热容和热传导系数不变的前提下，媒质的热传导吸收系数与频率的平方成正比，与声速的三次方成反比。上面分别分析了媒质的粘滞吸收和热传导吸收，总的声吸收效应我们可以由著名的斯托克斯—克希霍夫公式来描述，总的声吸收系数如下所示[42]：27 太原理工大学硕士研究生学位论文24113()（3-6）20c3CvCp由式（3-6）我们可以看出：在同种传播媒质中，热传导系数、定压比热容、定容比热容以及切变粘滞系数不变的前提下，声波的衰减与频率的二次方成正比，频率越高，吸收作用越大，声波衰减越快，声波的传播距离越小。泄漏声波在泄漏处的频率较高，随着传播距离的增加，高频声波信号出现了不同程度的衰减和突变，从而使得泄漏声信号的有价值的频率成分主要集中于低频部分，背景噪声的频率也主要集中于低频段，从而给泄漏声信号的分析和泄漏点精确定位带来了干扰，所以泄漏声的去噪工作显得十分重要。3.3.3气泡对声波的散射衰减当声波在传播的过程中遇到气泡等障碍物时，障碍物会对声波产生散射作用，从而导致实际声场为入射波声场和散射波声场的迭加。入射波声场和散射波声场不是相互独立的两个声场，散射波声场的能量取决于入射波声场的能量。液体中常常会存在各种大小的气泡，气泡的存在对声传播的影响很大，主要表现在气泡对声的散射效应。半径为r的气泡也是一种弹性体，其内部也存在着声波，气泡内部的声压及径向质点速度可表0示为[42]：jtjtpeAlPl(cos)jl(kr)eAlPl(cos)Gl(kr)cosl(kr)（3-7）l0l0jtkevAlPl(cos)Dl(kr)sinl(kr)（3-8）j0l0对于一般流体球的散射，其散射声压可由下式计算[42]：c00DsinGcosDsinjllllllll10c0Bp(j)(2l1)lac（3-9）00DejlGcosjGejlDsinllllllc00式中，Dl,Gl,l,l表示球内量kr0的函数，Dl,Gl,l,l为球外量kr0的函数。当管内流体中的气泡呈脉动的气泡时，其散射声压可以简化表示为[42]：28 太原理工大学硕士研究生学位论文2c(kr)(1)000Bp0a23ckrj(kr)0000kr0（3-10）pc(1)a00Z022式中，0c0和0c0分别表示各自媒质的弹性模量。Z0ZrZc，其中Zr22为脉动小球源的辐射阻和抗：Zr0c0(kr0jkr0)；Zc为脉动气泡的声容抗率，表现23c00了脉动气泡的容抗特性：Zc。jr0小气泡脉动球的散射功率以kr>>1时的声场值导得为[42]：1n2WRepv(4r)ss2123222　＝4I(r)(kr)krkrp0000kr0（3-11）2244I(r)(3)(kr),　　　当ff时；p00r22　＝4Ip(r0)(kr0),　　　　　　当ffr时；24I(r),　　　　　　　　当ff时。p0r2pAIp式中，Ip为入射波声强，20c0。由上式可以看出，因为一般有31，所以小气泡散射作用在kr为定值的前提下，0和入射波声强以及小气泡的尺寸成正比。当小气泡尺寸较大、泄漏声信号较强时，管网中的气泡对泄漏声波的散射作用较强，导致声信号强度减弱。当供水管网中液体流速过大或者水泵突然停止时，部分管道会形成负压，导致大量气体从排气阀进入管网里面，形成气泡，若后续再经过加压泵，会使水中产生无数细小的气泡，对管道中传播的声波产生散射衰减作用，不利于后续声信号的分析工作。29 太原理工大学硕士研究生学位论文泄漏声波信号的衰减特性总结如下表3-3所示。表3-3泄漏声波信号衰减特性Table3-3Attenuationcharacteristicsofleaksignal衰减因素泄漏声信号的衰减特性同种传播媒质及环境下，声波频率越高、波速越低，媒质的粘滞吸收作用越大，声波衰减越快；反之，声波频率越低、波速媒质的粘滞吸收越高，媒质的粘滞吸收作用越小，声波衰减越慢。同种传播媒质及环境下，声波频率越高，媒质的热传导吸收作用越大，声波衰减越快；反之，频率越低，媒质的热传导吸收媒质的热传导吸收作用越小，声波衰减越慢。同种传播媒质及环境下，气泡尺寸越大、数量越多、泄漏信号越强，气泡的散射衰减作用越大，声波衰减越快；反之，气泡气泡的散射衰减尺寸越小、数量越少、泄漏信号越弱，气泡的散射衰减作用越小，声波衰减越慢。3.4本章小结泄漏声波信号的传播特性和频率特性，主要通过现场模拟采集不同条件的泄漏信号进行了对比分析。泄漏声波信号的衰减特性，主要在理论层面进行了分析讨论。（1）传播特性：当传播距离不大时，传播距离对声波信号的影响比较小，泄漏声波频率成分不受影响。当传播距离增加时，管道分布于1000Hz至2000Hz高频声波信号出现了不同程度的衰减和突变，使得有价值的频率成分集中于低频率段；大口径长距离的管道泄漏声波有用的频率成分也是主要集中于低频段。（2）频率特性:管道开口不同对泄漏信号的主要频率成分影响较小，依然集中于1600kHz-1800kHz左右，但对各频率成分的能量影响较大，开口越大，时域波形幅度越大。管内压力越大，泄漏声信号越强，高频成分越多。材质弹性模量高的管道泄漏信号主要频率成分高于材质弹性模量低的。（3）衰减特性：声波的衰减主要是由媒质的粘滞吸收、热传导吸收和水中气泡的散30 太原理工大学硕士研究生学位论文射造成。通过本章的研究，对泄漏声波的特性有了充分的认识，有利于从复杂声信号中分辨出泄漏声信号且有助于利用小波去噪技术去除信号中叠加的噪声信号，即有利于信号的辨别、分析，从而使定位准确。31 太原理工大学硕士研究生学位论文32 太原理工大学硕士研究生学位论文第四章基于小波理论的信号去噪方法4.1噪声的干扰噪声干扰的主要来源有管外声源和管内声源，噪声的存在会对传感器接收泄漏声信号产生干扰，噪声信号和泄漏信号叠加在一起，当泄漏信号较微弱、频率较低时，会湮没在噪声信号中，从而无法辨别或无法准确辨识出泄漏声信号，把噪声信号误当做泄漏信号而进行分析，得出错误的定位估计值，最终导致泄漏点定位不准确。因此对噪声的主要来源和特点进行研究有利于学者们研究去噪方法，有针对性的分别去除泄漏声波信号中叠加的各类噪声信号，最大限度的还原真实泄漏声波信号，从而可以准确分析和定位。（1）管外噪声源管道泄漏检测的外界环境中存在各种各样的噪声源，其中一些噪声源为固定噪声源，即噪声的频率具有周期性、规律性，例如地钻钻地噪声，有一些外界噪声不具有规律性，例如车辆行驶噪声、建筑施工噪声等等。（2）管内噪声源城镇给水管网中，某一段管道泄漏发生爆管时，我们会关闭相应管段的阀门将其与周围管网分隔开，但是目前我国城市供水管网中很多管段的阀门都存在阀门关闭不严的情况，这样就会使上游管段的流体通过阀门缝隙处流入，缝隙对原本流体的流动状态产生扰动，从而产生管内流体噪声，此类噪声属于固定噪声源，此类噪声不易与泄漏声信号区别，从而会对泄漏声信号的检测和泄漏点的定位产生干扰。自来水在管道中长期流动，水中的矿物质会在管道接口处进行积累，日积月累，水垢越级越大，形成一个不规则的圆环附着在管道接口处的内壁上，使得管内自来水流经此处时，流动状态发生变化，产生流体噪声，此噪声也属于固定噪声源，也会对泄漏声信号的检测和泄漏点的定位产生干扰。4.2小波分析技术的去噪方法泄漏声信号经过长距离传播后，声信号衰减明显，可检测到的声信号很弱，从而泄漏声信号的信噪比很低，低信噪比给泄漏声信号分析和泄漏点准确定位带来很大干扰，33 太原理工大学硕士研究生学位论文影响定位的准确性。所以，在泄漏声信号分析前对声信号进行去噪处理是十分必要的，这样可以降低噪声对泄漏声信号的影响，提高漏点定位的准确性。目前的去噪方法有许多，如频率选择滤波法、傅里叶变换、小波变换等。频率选择滤波去噪即选择通带与泄漏声信号有用频带一致的滤波器，使有用信号通过，不在此频带的噪声信号被抑制[43]-[46]。此方法也有其自身的局限性，如噪声信号频带与滤波器通带一致的噪声信号不能被去除；滤波后的信号产生相位滞后；若噪声和泄漏声信号的频谱结构一样，则此法失效。频率选择滤波去噪只是一种可行的方法，但其并不是一种最好的方法。傅里叶变换自1822年提出以来，其一直是信号处理的重要方法，但是傅里叶变换存在着一些自身的缺点，如对信号进行傅里叶变换只能得到整体频谱，不能进行局部分析。尽管在其基础上又提出了短时傅里叶变换，但是短时傅里叶变换一旦确定了窗函数后，窗函数的大小和形状是固定不变的。20世纪80年代，学者们提出了小波分析，小波分析理论是一种新兴的信号处理理论，小波分析来源于傅里叶分析，两者分别具有各自的优异之处，傅里叶分析是小波分析的基础和理论前提。小波变换是对信号的时频特性进行分析，它具有自适应性和多分辨率分析的特点，能够探测出正常信号中掺杂的瞬态突变信号并提取出来，能够很好的区分出信号中夹带的突变部分和噪声。所以小波变换是一种有效的消噪方法。4.3小波变换4.3.1连续小波变换对小波母函数(t)进行伸缩和平移后得小波基函数：1tb(t)a2(),a0,bR(4-1)a,ba式中，a为伸缩因子或尺度因子，b为平移因子。连续小波变换定义为：设函数f(t)平方可积分，(t)表示(t)的复共轭，则f(t)的连续小波变换为：1tbWT(a,b)f(t),(t)f(t)()dt(4-2)fa,baa可以看出，小波变换和傅里叶变换的相似之处为都是积分变换，但是，两者之间也34 太原理工大学硕士研究生学位论文存在许多不同之处，其中小波基具有尺度参数a、平移参数b。在频率域来看，傅里叶变换为频率点概念，小波变换为频带概念；从时间域来看，傅里叶变换为原信号某个准确时间点处的变化，小波变换为原信号在某个时间段内的变化。连续小波变换系数有很大冗余量，导致计算量很大，所以在实际应用中必须对其进行离散化处理即离散小波变换。4.3.2离散小波变换在实际应用中，连续小波计算需要进行连续的多次积分，使得信号处理非常繁杂，在实际计算过程中很难完成，所以小波变换需进行离散化。我们对连续小波变换的尺度参数a按照二进的方式进行离散化，从而得到了二进小波，然后将平移参数b采用二进整数倍离散化，这样就得到了正交小波和小波级数表达式。mm取aa，bnba(m,nZ)代入式4-1得：000mm(t)a2(atnb),m,nZ(4-3)m,n00设函数f(t)为平方可积分函数，其离散小波变换定义为：mmWf(a,b)f,a2f(t)(atnb)dt(4-4)a,b00为了加强小波变换理论的实际应用性，进一步转化为具有一定正交性的公式为：m,n,j,km,n(t)j,k(t)dtm,jn,k(4-5)上式中，为了降低小波变换系数的冗余度，首先将尺度参数a以幂级数形式离散化，m即取aa，然后对平移参数b采取均匀离散取值，将尺度参数a和平移参数b限定在0一些离散点上，即得到了离散小波变换式4-4，为了在实际应用中进一步减少小波变换系数冗余导致的不合乎的关联，将离散小波正交化，如式4-5。小波变换能够对信号进行局部分析和进一步细化，能够判断出信号的间断点和突变点，分析出信号的趋势走向，揭示信号的自相似性等，从而对信号进行消噪。下面分析基于小波变换的信号去噪原理。4.4基于小波变换的信号去噪随着学者们对小波理论的不断研究，小波理论现已经广泛应用于工程实际问题中，小波变换与传统的Fourier变换相比较，拥有许多优点，小波变换有很好的时频局部化35 太原理工大学硕士研究生学位论文分析特性。所以，将小波变换理论应用于声信号的去噪上，能够得到良好的去噪效果。4.4.1小波信号去噪问题概述小波信号去噪问题从数学的角度来看，为目标函数逼近问题。通过对小波基函数进行伸缩和平移变换，在一定准则条件下，努力实现真实信号的最佳还原，即将噪声干扰信号去除。从信号处理的角度来看，即信号滤波问题。小波去噪后，真实泄漏声波信号的特征信息能够得到成功地保留，将干扰噪声信号去除，为特征提取和低通滤波的综合。在实际的管道泄漏条件下，前面研究分析泄漏声信号的传播特性时我们已经知道，泄漏声信号在管道中通过一定距离传播后，有用的频率主要集中于低频段，而噪声信号一般表现为高频或者不稳定，小波信号去噪的一般过程为：（1）信号的小波分解：选择一个合适的小波基函数，确定小波分解层次N，对包含噪声的泄漏声信号f(t)进行N层小波分解。（2）高频系数的阈值量化：选择合适的阈值，对分解以后的每层中小波系数进行阈值量化处理。（3）小波重构：高频系数采取阈值量化处理以后，将第N层的低频系数和1至N层的高频系数采取小波逆变换，重构信号，达到消噪的目的。随着小波理论的日渐成熟和深入研究，小波去噪已经广泛应用于声波、图像等多领域，常用的小波去噪算法主要有三类：相关性去噪法、模极大值去噪法和小波阈值去噪法。其中小波阈值去噪拥有：低熵性、多分辨率、去相关性和选基灵活性等优点，使得在信号去噪上具有优异效果[47]。4.4.2基于阈值的小波去噪方法1995年，斯坦福大学的Donoho和Johnstone两位教授在小波变换的基础上提出了阈值去噪法[48]。阈值去噪法与传统滤波去噪的方法不同，为非线性滤波方法，通过含噪信号中噪声信号和真实信号的特性，选择动态阈值来达到去噪的目的。本文主要研究阈值去噪法，对供水管道泄漏声信号进行去噪处理。阈值的选取在小波去噪中十分重要，关系到去噪效果的优劣。如果阈值选取过小，那么会有一部分的干扰噪声的小波系数无法设置为零值，一部分干扰噪声无法去除，导致去噪效果不好。如果阈值选取过大，那么一部分原有真实泄漏声信号的小波系数会被设置为零值而与干扰噪声一起滤掉，使得去噪后无法完整的还原原有真实泄漏声信号。所以，阈值的选取在小波去噪中十分重要。阈值法是一种非线性滤波方法，通过选取合适的动态阈值来去噪，目前使用最多最36 太原理工大学硕士研究生学位论文广泛的是软阈值和硬阈值去噪法。4.4.2.1软、硬阈值去噪方法设含有噪声信号表示为f(t)s(t)n(t)，其中s(t)为真实信号，n(t)为噪声信号。在实际去噪中，首先要把f(t)离散化为一个离散的含有噪声的信号f(k)，再将f(k)进行离散小波变换，其中记j尺度k点小波变换系数为。小波变换系数在含噪信号j,kj,k中的突变和特征信息点时，对应的值较大，选取一个合适阈值，将比小的小波变换系数设为零，大于的保留，这样就得到经过处理的小波变换系数估计值ˆ，逆变换重j,k构，还原真实信号。j,kj,k硬阈值函数定义为：ˆj,k（4-6）0j,ksgn(j,k)(j,k)j,k软阈值函数定义为：（4-7）0j,k图4-1硬阈值函数图图4-2软阈值函数图Fig.4-1HardthresholdfunctiongraphFig.4-2Softthresholdfunctiongraph但是软阈值和硬阈值去噪各自都存在潜在的不足。软阈值去噪法中，当时，j,kˆ与之间存在着恒定的偏差，导致去除干扰噪声后的信号与原有真实泄漏声信号j,kj,k的逼近程度降低，影响去噪效果。硬阈值去噪法中，ˆ在和处不连续，那么用ˆj,kj,k重构去噪以后的信号，可能会有一些振荡存在。37 太原理工大学硕士研究生学位论文4.4.2.2阈值函数的一种改进由于硬阈值去噪法和软阈值去噪法在信号去噪时存在一些缺点，使得在实际应用中受到了一定的局限，为了克服这些缺陷，提出了一种新的阈值方法即自适应函数高次逼近法[49]。构造函数：n(1)j,kˆj,k（4-8）j,kj,kj,k0从新构造的函数中我们可以看出，当n1时，其等同于软阈值法；当n时，其接近于硬阈值法。当n越小时，函数曲线则越平滑。所以，对于信号突变明显的，n应取偏大一点；对于信号比较平滑的，n取值应小一点。曲线如图4-3所示：图4-3高次逼近法曲线Fig.4-3High-orderapproximationcurveDonoho在阈值算法中给出的阈值2lnN为固定值，自适应函数高次逼近法2ln(N)2中阈值设为，其中N为离散采样信号的长度，为噪声的方差，j为分ln(j1)解尺度。通过阈值的改进，使得阈值具有自适应性，能够随着分解尺度的变化而变化，去噪更加有效。自适应函数高次逼近法是在软、硬两种阈值去噪法的基础上改进得到的，其克服了软、硬两种阈值去噪技术存在的缺点，即克服了硬阈值处理后信号的振荡现象以及软阈值在小波系数时重构信号与真实信号之间存在偏差的现象，从而具有很强自适j,k应性，能够更加真实有效地还原真实信号。38 太原理工大学硕士研究生学位论文通过Matlab仿真实验分析，得到硬阈值法、软阈值法和自适应函数高次逼近法的信号去噪均方差以及信噪比评价参数值，如表4-1所示。表4-1测试信号去噪评价指标Table4-1Evaluationofthetestsignaldenoising去噪方法均方差信噪比硬阈值法0.40318.108软阈值法0.15222.242自适应函数高次逼近法0.04331.107由上表可以看出，自适应函数高次逼近法与硬阈值法和软阈值法相比，均方差降低，信噪比升高，对于突变信号和平滑信号都有较好的去噪效果。4.5小波阈值去噪法效果的检测在公路旁地下供水管道上采集泄漏声信号，其中叠加有汽车鸣笛和驶过时的突发干扰噪声[37]。这类干扰噪声具有信号能量大、持续时间短、没有规律性，平稳性差等特点。观察采集信号的时域波形图4-4(a)可以看出，这些干扰噪声的幅度比真实信号的强，间断叠加在真实泄漏声信号上，在时间持续上很短。观察时频图4-4(b)可以看出，汽车鸣笛和驶过时的这类突发干扰噪声的频率充满整个频带，所以单纯依靠通过某个频率的滤波器是无法将噪声去除的。39 太原理工大学硕士研究生学位论文(a)时域波形(b)时频谱图4-4叠加有突发干扰噪声的泄漏信号[37]Fig.4-4Leaksignalwithburstnoise采取小波阈值去噪的方法，对突发干扰噪声进行去噪处理后，得到了原有真实泄漏声信号的时域波形图4-5(a)和时频图4-5(b)。从中观察可以得知，时域波形图中的信号频率趋于稳定，干扰噪声的突变频率成分已经被去除，使得真实泄漏声信号的特性得以还原。40 太原理工大学硕士研究生学位论文(a)时域波形(b)时频谱图4-5突发干扰噪声抑制后的泄漏信号[37]Fig.4-5Leaksignalwithoutburstnoise以上对叠加有突发干扰噪声的泄漏信号运用改进的阈值小波去噪技术进行了去噪及信号重构处理，信号中叠加的噪声信号被去除掉，真实的还原了原有泄漏信号。通过以上实验，证实了改进的阈值小波去噪方法去噪效果良好，泄漏声波信号中的非平稳特性如边缘、尖峰等都得到了很好的还原，明显改善了软阈值法中去噪信号和真实信号之间存在逼近偏差以及硬阈值法中信号重构存在振荡等缺点。信号只有在经过去噪处理后，检测定位系统才能够准确的分析、确定定位估计值，提高检测效率和有效性，确保管道泄漏定位的准确性。由此可见，信号去噪技术在供水管网泄漏检测及定位过程中十分重要，不可或缺。4.6本章小结噪声干扰主要来源于管外噪声和管内噪声，由于两类噪声都会对泄漏声信号的检测41 太原理工大学硕士研究生学位论文产生干扰，影响泄漏点的准确定位，所以提出了信号去噪问题。小波去噪具有自适应性和多分辨率分析的特点，能够探测出正常信号中掺杂的瞬态突变信号并提取出来，能够很好的区分出信号中夹带的突变部分和噪声。所以小波变换是一种有效的去噪方法。分别对小波变换和基于阈值的小波去噪方法进行了论述。基于阈值的小波去噪方法分为软、硬阈值去噪法两种，但是软阈值和硬阈值去噪各自都存在潜在的不足：软阈值去噪法中存在去除干扰噪声后的信号无法准确逼近原有真实泄漏声信问题；硬阈值去噪法中，去噪后的信号重构可能会有一些振荡存在。就此问题提出了一种新的阈值方法即自适应函数高次逼近法。自适应函数高次逼近法弥补了软、硬阈值去噪中的缺陷，与硬阈值法和软阈值法相比，均方差降低，信噪比升高，对于突变信号和平滑信号都有较好的去噪效果。最后采集了马路旁迭加有突发干扰噪声的地下管段泄漏信号并进行了小波去噪处理，得到了优异的去噪效果，证实了小波去噪的有效性。环境中噪声无处不在，无法避免，无论突发或者平稳噪声都会影响泄漏信号的检测和分析，导致管道泄漏定位发生偏差，因此，去噪处理是检漏定位中的重要组成部分，不可或缺。小波去噪技术因其操作简便、效果良好、适应度高、还原性强等特点，广泛应用于信号预处理领域。42 太原理工大学硕士研究生学位论文第五章时延估计泄漏定位法前面分别讨论了供水管道泄漏产生机理、泄漏声波的特性和小波去噪技术。供水管道泄漏产生机理介绍了管道泄露的原因及泄漏声波的种类，从中明确出以沿管壁和管中流体传播的泄漏信号作为主要研究对象；对泄漏声波特性的讨论，可以详细了解泄漏声波，利于后续声信号的辨别和分析，为小波去噪和泄漏定位工作打下基础；利用小波去噪技术去除泄漏信号中掺杂的干扰信号，为泄漏定位工作扫除前期障碍。以上这些研究内容为后续定位工作的开展提供了前提条件。本章研究泄漏控制工作中的核心部分——基于时延估计的泄漏定位法。5.1基本原理当管道发生泄漏后，泄漏点由于振动产生的泄漏声信号将沿着管道、管中流体、周围埋设介质向两侧传播，由于泄漏声波到达两侧压电加速度传感器的距离不同，时间不同，对两侧的传感器接收到的声信号进行处理，估计时间差，并结合两个传感器之间的距离和声波的传播速度，从而确定泄漏点的位置。如图5-1所示。图5-1泄漏定位原理图Fig.5-1Atypicalleaklocationinaburiedwaterpipe通常将传感器采集到的声信号模型简化为：x1(n)s(n)n1(n)(5-1)x(n)s(nD)n(n)22其中，s(n)为未知泄漏源信号，x(n)和x(n)为对s(n)的两个相互独立的观察，n(n)和121n(n)为假设不相关的加性噪声，为衰减因子，D为时间延迟。通过时延估计算法得到243 太原理工大学硕士研究生学位论文时延估计值Dˆ，则泄漏点距离传感器1的距离公式为：ˆlvDˆl（5-2）12其中，Dˆ为泄漏声信号到达两侧传感器之间的时间延迟的估计量，l为两侧传感器之间的距离，v为泄漏信号在管道中的传播速度。泄漏点两侧传感器之间的距离通常通过查询管网分布资料得到，泄漏声波的传播速度常常根据经验声速或者模型计算得到，而Dˆ则需要通过两侧的传感器采集到的声信号进行分析估计出来，可见Dˆ的准确性，在定位中至关重要。下面分别讨论互相关时延估计法和LMS自适应时延估计法。5.2基于相关分析的时延估计法在时延估计法中，最基本的是广义相关时延估计法。该法通过引入前置滤波来改善相关处理的时延估计的性能，其原理是对泄漏点两侧传感器采集到的两路声信号进行互相关函数分析，互相关函数中最大点所对应的延时就是我们所要的Dˆ，如图5-2所示[50]。图5-2广义互相关法原理Fig.5-2Thegeneralizedcorrelationmethod图中，H和H为引入的前置滤波器。由傅里叶变换和功率谱密度之间的关系，可12以得到：（5-3）式中，R()为输入信号x和x的广义互相关度，S()为输入信号x和x的互功率谱x1x212x1x21244 太原理工大学硕士研究生学位论文密度。信号x和x经过H和H滤波后的互功率谱密度为：1212（5-4）式中，*表示共轭，从而x和x的广义互相关结果为：12（5-5）其中，（5-6）上面相关处理的结果是由理想互功率谱密度推导出来的，但是在现实工程中，数据的长度是有限的，仅可得到互功率谱密度的估计值Sˆ()，所以，x和x的广义互相关x1x212估计结果为：（5-7）频率加权函数()由泄漏信号和噪声的先验知识等决定。g在上一节对时延估计泄漏定位法基本原理分析中可以看出，在l和v已知的条件下，时延估计值Dˆ的精度决定了最后泄漏点定位的精度，但是广义相关时延估计法需要泄漏点两侧观察信号x(n)和x(n)的信号功率谱、噪声功率谱等这些统计特性作为先验12知识，研究者们对于如何准确获得以上统计量做了大量研究和现场模拟工作。但是，泄漏声信号的频率特性与管网内部压力、管道直径、管道材料等因素有关且在传播的过程中又受到不同信道的影响，最终使得信号功率谱、噪声功率谱等这些先验知识较难准确获得，因此，互相关时延估计法在实际应用中常常受到限制。5.3最小均方(LMS)自适应滤波最小均方自适应滤波算法是由WidrowB.等于1967年提出的，此算法具有运算简单、高效，不需要信号功率谱、噪声功率谱等这些先验知识的限制等优点，得到广泛应用[51-53]。2最小均方自适应滤波的核心思想就是让代价函数Ee(n)达到最低，原理图如下图45 太原理工大学硕士研究生学位论文5-3所示[54-56]。图5-3最小均方自适应时延估计算法原理图Fig.5-3TheLMSTDEestimatorT本原理图中为FIR滤波器，滤波器的权系数向量为WW,W,,W，PP1PTX(n)x(np),x(np1),x(np)是x(t)的采样序列x(n)组成的向量，共有111112P+1个向量元，d(n)为FIR滤波器的参考信号，d(n)x(n)。2滤波器输出为：Y(n)W(n)X(n)（5-8）误差输出为：Te(n)d(n)W(n)X(n)（5-9）T式中的W(n)为第n次迭代的权系数向量，d(n)为标量。那么均方误差为：2JEe(n)2TTTEd(n)2d(n)XWWXXWnnn2TTEd(n)2RWWRxW（5-10）xd2式中，Ed(n)为d(n)的方差，RxdEd(n)Xn为检测数据和期望值的互相关矢量，TREXX为检测数据的自相关矩阵。xnn式5-10中的J和W的关系的函数图形为碗装曲面，曲面的梯度为：46 太原理工大学硕士研究生学位论文J2R2RW（5-11）xdxW其中梯度为零的点在碗装曲面的最低点，此时的均方误差J最小，滤波器的权重系数矢量达到最佳值：1WRR（5-12）optxxd此式就是维纳方程的解。最小均方（LMS）的算法和维纳滤波算法的原理是相同的，使均方误差J最小。但是LMS的算法与维纳滤波算法不同之处是其使用最陡下降算法，使权重矢量由下式逐点更新。WW（5-13）n1nn式中的W和分别为n时刻的权重系数矢量和梯度，u为收敛因子。LMS算法中，用nn单个误差样本的平方来近似估计均方误差值，梯度估计为：（5-14）用ˆ替换5-13中的，则得到：nnWW2e(n)X（5-15）n1nn式中的为步长控制系数。式5-15为权重系数的估计值，其收敛的条件为：（5-16）式中是矩阵R的最大特征值。maxxLMS算法的运算步骤如下：（1）初始化设置W(n)为任意值；（2）计算滤波器输出：Y(n)W(n)X(n)；T（3）计算当前误差作为均方误差的估计e(n)d(n)W(n)X(n)（4）更新滤波器权重系数：WW2e(n)Xn1nn（5）循环返回（2），直到权重系数最终收敛。47 太原理工大学硕士研究生学位论文5.4LMS自适应时延估计法与互相关时延估计法相比较，自适应滤波能够自动的将滤波参数调整到最佳状态，无需或仅需较少的泄漏声信号和噪声的先验知识，能够自适应的提取到泄漏点两侧观察信号x(n)和x(n)的相似性，得到高精度的估计值。因此，对于地下供水管网泄漏的定12位，本研究采用LMS自适应时延估计法。自适应时延估计法的原理是将对时间延迟的估计问题转化为滤波器参数估计问题，从而将在理论上的无限权限滤波器分解为实际可行的有限脉冲响应滤波器，这样就以有限脉冲响应滤波器的参数估计代替了原来求解时延估计值Dˆ。自适应滤波器分别以管道泄漏点两侧传感器采集到的声信号x(n)和x(n)作为参考12信号和期望信号，由两传感器之间的实际管道长度l、声波在相应管道中的传播速度v、传感器采集到的声信号的采样频率f这三个参数选择滤波器的阶数P,满足下式：sPl（5-8）fmaxvs其中，l为x(n)和x(n)之间存在的最大时间延迟。maxv12因为管道发生泄漏时，也有可能发生在其中一个传感器的位置，我们应该考虑到这种特殊的情况，此时的时间延迟为最大。对于LMS自适应滤波器来说，其权向量最大值点应该在权系数的阶数以内或者最起码要等于权向量的阶数，即PN,其中N为泄漏距离为l时对应的权向量峰值点对应的滤波系数抽头位置。由于所处理的信号本身是对实际泄漏声信号的采样，其采样间隔即采样周期为1，所以时延值与权向量最大值fs点的关系为：1lN（5-9）fvs所以有Pl（5-10）fmaxvs48 太原理工大学硕士研究生学位论文当LMS自适应滤波器满足以上条件且自适应算法趋于收敛时，W(k)收敛为Wiener滤波器，即：1W(k)RP（5-11）x其中，P为x(n)、x(n)的相关向量，R为X(n)的相关矩阵，即：12x（5-12）（5-13）由上式可以看出，当输入信号x(n)和期望信号x(n)中叠加的噪声均值为零时，那12么式5-12R矩阵里每个相关值都有R()R(0)，式5-13相关矩阵P中，xx1x1R()R(D),(D),由此我们可以分析得出，当自适应算法稳定时，输入信号x1,x2x1,x2x(n)和期望信号x(n)之间的时间差与滤波器权系数向量的最大值相对应，所以，通过12对滤波器权系数向量的最大值进行分析检测，来实现对泄漏声信号到达两侧传感器之间的时间延迟的估计量Dˆ的估计。LMS自适应时延估计法在实际应用中，由于周围环境中的噪声多种多样，会产生各种随机干扰，导致算法在收敛的过程中会发生振荡，使得由公式计算出的收敛时间点与真实收敛点不符，从而导致LMS自适应算法得到的最终估计不是真实估计，而是有偏估计。在小泄漏量的声信号检测和长距离泄漏声信号检测时，传感器采集到的声信号信噪比往往比较低，从而同样会使LMS自适应时延估计法难以得到准确的估计，造成泄漏点定位不准确。所以，在实际检测泄漏声信号时，应将小波去噪技术和LMS自适应时延估计法相结合。先通过小波去噪的方法将管道泄漏声波信号中的突发干扰噪声信号去除，然后再通过LMS自适应时延估计法，估计出泄漏声信号到达两侧传感器之间的时间延迟Dˆ。49 太原理工大学硕士研究生学位论文这样可以明显地减少噪声信号的干扰，提高LMS算法的收敛性和收敛速度，提高估计值的准确性，从而准确判定出供水管道的泄漏位置。学者们还进行了大量其它降低噪声干扰对LMS时延估计性能影响的相关研究，如吴慧娟等提出了LMS算法何时收敛的一种动态判断方法[57]。该方法以理想正交原理为基础，推导出了包含梯度噪声影响时的误差同输出信号实际近似正交的约束条件，根据每次迭代更新的期望、输出及误差信号的均方估计，实时判断收敛并评估自适应解的质量，及时准确的停止迭代来获得最优结果，此法可以较好地避免复杂噪声的干扰，并在不同的干扰背景下通过实验验证了此方法的有效性。文玉梅等提出了通过引入一个常数修正因子来修正原有偏估计，从而得到源信号自相关函数的近似无偏估计以及源信号功率的近似无偏估计[58]。通过对LMS自适应时延估计法采取一些相应修正手段，使得其可以在复杂噪声干扰环境下以及低信噪比环境下进行估计，大大提高了其适用范围和估计值的准确性。5.5时延估计泄漏定位方法性能分析通过前面对互相关时延估计法和自适应时延估计法的研究，我们得知这两种方法对于管道泄漏点定位可取得一定的成效，自适应时延估计法更适合于供水管网泄漏定位。但是，在实际应用中，两者都存在一个共同的问题，即如何准确获取泄漏点两侧传感器之间的距离l和泄漏信号在管道中的传播速度v两个参数的值。通过观察时延估计法定位公式5-2可知，泄漏点两侧传感器之间的距离l、泄漏信号在管道中的传播速度v、泄漏声信号到达两侧传感器之间的时间延迟的估计量Dˆ这三个参数决定了定位的结果。前面已经对如何获得较准确的Dˆ进行了研究，在实际管道泄漏定位中，根据城市地下供水管网信息化所提供的地下管线详细信息，通常可以准确地获得管道长度l的值。声速v在泄漏定位中也是一个非常重要的参数，获得准确的声速值是供水管道泄漏定位的关键因素之一。下面对声速v进行详细的研究。5.6管道中泄漏声波的传播速度实际泄漏定位时，声速通常从经验声速表中选择。但是，我们使用的许多国外研发的定位仪器的经验声速是按照国外管材等条件设定的，我国的管道材料和制作工艺等同国外存在很多差异，所以导致真正的声速和选择的经验声速不同，无法准确定位泄漏点。50 太原理工大学硕士研究生学位论文声波的传播速度和温度、管道内液体的压强、管材的弹性等物理量有关，则泄漏声波在管道中的传播速度公式为：KvKD1CEe（5-14）2式中：K-水的体积弹性模量，N/m；3水的密度，kg/m;D管道内径，m；e管壁厚度，m；2E管道材料的杨氏弹性模量，N/m；C-描述管道约束作用对声波传播速度影响的无量纲参数，在供水管道中，C取1。此速度公式反应了管壁弹性对声波传播速度的影响作用。在城市供水管网中，许多管段的管径大小和管道材质等不相同，其选择与供水量、水压、地质情况、外部荷载、市场供应情况等有关。由式（5-14）可知，当管道材料、管壁厚度、管道内径不同时，管内的声速是不一样的，当两个传感器之间的管段为异型管段时，问题就出现了，如果直接用其中一种管段的声速或者平均声速来计算定位，则会导致很大误差。下面提出了城市供水管网中异型管段的泄漏定位方法[59]。5.7城市供水管网中异型管段泄漏定位方法异型管段泄漏定位方法的核心思想是确定泄漏发生在哪段同类型管道上。下图5-2所示为异型管段示意图[59]。图5-2异型管段示意图Fig.5-2Signaldiagramofdifferenttypespipes在城市供水管网中，以两个传感器所在位置设为端点，两个端点以内的管道内径、材料、壁厚等发生改变的地方作为节点。选择接收信号为x(n)的传感器设为节点1，以151 太原理工大学硕士研究生学位论文它为起点，依次编号，设共有N+1个节点，传感器2为第N+1个节点，将两传感器之间的管段分成N段。N段中每一段的长度已知，分别记为l；每一段声传播速度可以计i算出，分别记为v，其中i1,2,,N(N2)。根据公式Tl/v可以计算出每一管段上iiiinN声波的传播时间。节点1到节点N1的时延值分别为1Ti，2TiT1，…，i1i2N1NNTNTi，N1Ti。将由LMS自适应时延估计法估计出的x2(n)中的泄漏信i1i1号相对于x(n)中泄漏信号的时延值记为，将与这些时延值进行比较：当时，10001泄漏点在传感器1处或者在1的左边；当时，泄漏点在传感器2处或者在2的0N1右边；如果与某一个节点时延值相等，则泄漏点即在这个节点上，泄漏点即被检测出0来；如果的值在两个相邻时延值之间，则泄漏点在这两个节点之间。0对于泄漏点在两个节点之间这种情况，假设介于和之间，设泄漏点距离0MM1节点M为x，则分为两种情况：当泄漏点在第一段上时，即M1，有：NTi(l1x)v1xv10（5-12）i2当泄漏点在其它段上时，即2MN，有：Nm1Ti(lMx)vMxvMTi0（5-13）iM1j1将式（5-12）和（5-13）整理得：Nl1(0Ti)V1i2x,M1（5-14）2M1NlM(0TjTi)vMj1iM1x,2MN（5-15）2当泄漏点在最后一段上时，此时MN,式（5-15）可以简化为：52 太原理工大学硕士研究生学位论文N1lN(0Tj)vNj1x（5-16）2计算出x后，若泄漏点在第一段，到传感器1的距离d为：Nl1(0Ti)V1i2d,M1（5-17）2其它情况下，泄漏点到传感器1的距离d为：M1dlix,2MN（5-18）i1在实际管道测量时，管道长度、声速、时延估计值等都会有误差存在，可能会导致时延估计值大于或者小于的情况出现，出现这种情况后，采用或者01N101时的处理方法。可以运用MATLAB中C语言对上述计算过程进行算法编程，0N1以时延值、各管段长度、各管段计算出的声速作为算法的输入，以泄漏点的位置为算0法输出，从而准确、快速地实现泄漏点的判定。5.8本章小结本章研究了基于时延估计的管道泄漏定位方法。介绍了时延估计定位法的基本原理并分别讨论了广义相关时延估计法和最小均方(LMS)自适应时延估计法。其中，LMS自适应时延估计法因不需要泄漏信号功率谱、噪声功率谱等这些先验知识而优于广义相关时延估计法。由于泄漏检测环境中不可避免的存在各种噪声的干扰，常常导致LMS自适应时延估计为有偏估计，所以先运用小波去噪技术去除突发干扰噪声，再进行定位估计。学者们也提出了一些提高LMS自适应时延估计准确性的修正方法。由于城市地下供水管网情况复杂，许多管段的管径大小和管道材质等不相同，导致管内的声速是不一样的，若采用一个声速值，则会导致很大定位误差，所以在通过LMS自适应时延估计法得到时延估计值的基础上，研究了针对于供水管网中异型管段泄漏定位方法，可以0运用MATLAB中C语言对计算过程进行算法编程，使得异型管段定位准确、高效。53 太原理工大学硕士研究生学位论文54 太原理工大学硕士研究生学位论文第六章供水管网智能检测定位系统设计6.1概述供水管网智能检测定位系统综合了传感技术、当代数字信号处理技术和虚拟仪器技术，是一种快速和准确的智能化仪器系统。系统内部装设了先进的IC压电加速度传感器，提高了信号采集的灵敏度和信噪比；采用多功效的信号处理器，实现对数据的分布采集；以轻巧、便捷的笔记本电脑作为智能检测定位系统的主机，通过现代虚拟技术，使主机具有多种仪器的功能；主机和嵌入式数据采集系统之间通过USB或者网络接口进行检测命令的传递，接收采集到的各单元数据。供水管网智能检测定位系统采用LMS自适应时延估计信号处理技术，避免了利用传统相关仪泄漏定位中互相关时延估计法需要泄漏点两侧观察信号x(n)和x(n)的信号12功率谱、噪声功率谱等这些统计量作为先验知识的限制。为了降低噪声对检测的干扰，采用小波分析方法，利用改进的小波去噪技术自适应消除突发和低信噪比的噪声，显著提高了检测的有效性。该智能系统可以在复杂的环境下对城市地下供水管网进行泄漏检测和泄漏定位。6.2供水管网智能检测定位系统的基本构成智能检测定位系统主要由传感器、数据采集单元、主机上的USB接口或者网络接口和主机等构成。如图6-1所示。图6-1系统结构图[38]Fig.6-1Blockdiagramofsystemstructure55 太原理工大学硕士研究生学位论文主机我们选用携带方便的笔记本电脑，其功能是对整个系统的控制，对采集到的声信号进行小波去噪处理和自适应时延估计，通过分析计算确定泄漏点的位置并将结果通过显示器显示出来；数据采集单元主要是获取检测信号，调理、模数转换、存储以及与主机间进行数据通信；传感器是将管道的振动信号转化为电信号，系统所采用的IC压电加速度传感器具有输出阻抗低、自身噪声小、抗干扰强等优点。传感器将振动信号转换为电信号后，通过同轴电缆把转化后的电信号输送到采集单元，通过采集单元对信号进行滤波和放大，通过模数转换器将信号转换为数字信号，这样方便我们处理和传送。传感器之间的距离一般在50-250m之间，然而同轴电缆的通信距离在5米以内，那么主机与数据采集单元之间的通信方式不可选用普通的串行通信。系统具有USB接口和网络接口两种连接方式，这样可以根据检测的现场环境，选择USB离线检测或者网络接口在线检测[60]。6.3分布式数据采集单元数据采集单元主要是获取检测信号，调理、模数转换、存储以及与主机间进行数据通信，基本结构如图6-2所示[37]。图6-2数据采集单元基本结构Fig.6-2Structureofthedataacquisitionunit56 太原理工大学硕士研究生学位论文信号调理电路主要由程控滤波器、程控增益放大器组成。通过前面对泄漏声信号的特性研究已经知道泄漏声信号的强度、频率和多种因素有关，特别是对于复杂的地下供水管网，同时检测环境中存在各种不同强度的干扰噪声，所以在实际泄漏信号检测时，压电加速度传感器获取的泄漏信号强度是不确定的。为了减小量化误差，首先需要根据信号强度调整放大倍数，在正式采集数据之前，由单片机采集少量的泄漏信号，计算泄漏信号幅值，调节程控放大器，减小量化误差。同时需要在不同测量条件下，对程控滤波器的频带宽度、中心频率等参数进行相应地调整。A/D转换后的信号数据信息由SPI串行接口存储到DATAFLASH存储器中，再通过外部存储器、I/O数据口，由USB或者网络接口传送给主机。对于供水管网智能检测定位系统，由主机中的软件程序控制着数据的采集、传输，通过程序中的相应算法对采集的信号进行自适应时延估计，确定泄漏点。对于软件的开发选择MATLAB平台来实现。6.4基于MATLAB的城市供水管网泄漏定位系统设计在检测系统处于运行状态时,在模拟供水管道泄漏的环境下,系统设计实现包括对管道泄漏信号的采集到泄漏信号的处理和分析,并根据所采集数据判断是否发生泄漏。当判断泄漏发生时并确定泄漏点位置。6.4.1MATLAB软件简介MATLAB是由美国的MathWorks公司研发推出的一款具有商业性质的软件。该软件具有算法开发、数据分析及可视化、多程序嵌套、多语言编程等功能，其还附带有可拓展的多功能工具箱。MATLAB所具有的这些强大功能使得其能够在多重领域使用，具有同类软件所不能比拟的优点和特点。MATLAB的优点：（1）简单易用的程序语言MATLAB具有高级矩阵语言功能，可以进行完整的编程工作，用户可以在命令窗口中分条执行命令也可以直接执行编好的完整程序。（2）良好的编程环境和工作平台57 太原理工大学硕士研究生学位论文MATLAB软件具有一系列工具，使得编程工作和程序运行及操作便捷、直观以及人性化，包括桌面窗口和命令窗口、编辑器和调试器、历史命令窗口、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器等。MATLAB软件支持不断更新，使软件不断得到优化。（3）良好的处理图形的功能MATLAB软件可以将程序处理数据的过程及结果直观形象的以图形的形式表现出来即数据可视化功能，我们可以直观的利用软件进行数据分析和处理工作，便于过程的观察和控制。（4）实用的程序接口和发布平台MATLAB软件可以利用其中的编译器以及C/C的图形、数据库，将MATLAB的源程序转换成C/C程序代码。MATLAB的特点：该软件可以进行多程序编辑及嵌套运行；能够将数据处理过程及结果以图形的形式表现出来，具有可视化功能；软件中的多种函数可以将MATLAB中的程序和外部程序相连接，完成复杂处理任务。在本文中利用MATLAB中的强大编程功能来对供水管网泄漏声波信号进行处理分析,由主程序调用相互嵌套的子程序来实现泄漏点的定位，运用MATLAB的可视化功能，创建用户界面,将判断信息及结果显示在程序主屏幕上。6.4.2系统的功能设计基于MATLAB设计的城市供水管网泄漏判断程序应该具有如下功能：（1）系统应设计为具有一个控制中心和多个模块的形式。（2）判断出供水管网中可能发生泄漏的管段并在管网图上显示出来。（3）显示出可能发生泄漏的管段的首尾端点。（4）分析计算出泄漏点的位置并在管网图上标出。（5）系统数据初始化。6.4.3系统模块说明系统模块主要由3个功能模块组成，分别对各功能模块作具体阐述：（1）泄漏声信号采集及数据传输模块这个模块功能的实现主要是由所设计的程序控制IC压电加速度传感器和分布式数据采集单元完成的，目的是获得泄漏信号并进行相应处理。58 太原理工大学硕士研究生学位论文（2）泄漏声信号特征提取及辨识模块该模块的功能是主机调入经过分布式数据采集单元初步处理的泄漏信号，调用小波去噪技术和相关分析法两个后台程序对信号进行处理和分析判别，从而对管段是否存在泄漏进行决策，并将决策结果显示在屏幕上。（3）泄漏点定位模块根据提取及辨识模块的判断结果，对于可能存在泄漏的管段，判断其是否为异型管段，根据判断结果调用LMS自适应时延估计法后台程序或异型管段泄漏定位法后台程序进行泄漏定位。6.4.4系统流程设计系统具体流程如下，系统的流程设计如图6-3所示。59 太原理工大学硕士研究生学位论文进入系统N判断信号特征Y去噪和相关分析判断是否为N泄漏管段Y管段变色判断是否为Y异型管段NLMS自适应时延估计法定位异型管段定位法定位显示定位结果结束图6-3供水管网泄漏定位系统设计流程图Flg.6-3Flowofwatersupplypipelinenetworkleaklocationsystem60 太原理工大学硕士研究生学位论文（1）进入系统程序后，首先由泄漏声波信号特性后台程序判断压电加速度传感器是否接接收到具有管道泄漏信号特征的信号，如果没有接收到，则进入下一次判断；如果接收到，则进行下一步。（2）对泄漏信号通过小波去噪处理和相关分析两个后台程序，判断是否为泄漏管段，如果不是，则进入下一次判断；如果是，则在地下供水管网模型图上凸显相应管段。（3）判断地下供水管网模型图上凸显的两压电加速度传感器之间的泄漏管段是否为异型管段，如果不是异型管段，则由相应LMS自适应时延估计法后台程序定位泄漏点；如果是异型管段，则由异型管段泄漏定位法后台程序计算确定泄漏点。（4）将管道的定位结果显示在程序前台界面上。（5）程序结束。6.5本章小结供水管网智能检测定位系统由便携式个人计算机、分布式数据采集单元和传感器等构成。阐述了各系统的功能及相互间的关系，对分布式数据采集系统的构成和功能作了详细介绍，将泄漏声信号特征提取和辨识，信号相关分析、小波去噪技术、LMS自适应时延估计法和异型管段定位法融入到系统中，软硬件结合实现供水管道泄漏检测及定位。在理论层面构建了基于MATLAB软件的城市供水管网泄漏定位系统，系统包括数据采集及传输模块、特征提取及辨识模块和泄漏点定位模块。介绍了系统的运行流程。根据前面介绍的管道泄漏声波信号特性、小波去噪技术、相关分析技术、LMS自适应时延估计法和异型管段定位法，在MATLAB软件中开发编辑相应判断和计算的算法后台程序，与城市供水管网泄漏定位系统相嵌套，最后将定位结果显示于前台界面，从而实现对复杂结构的城市供水管网泄漏点定位。61 太原理工大学硕士研究生学位论文62 太原理工大学硕士研究生学位论文第七章结论与建议7.1结论管道泄漏检测与定位是供水管网泄漏控制的重要手段。本文针对在实际工程环境中应用所遇到的实际问题从理论和实践上进行了深入的研究和分析，有利于泄漏点的准确定位。论文的主要研究工作和结论如下：（1）介绍了管道泄漏的类型，主要有环向破裂、纵向破裂、承口破裂和管壁穿孔四种类型。由于管道自身的状况和供水压力问题会出现各种各样的管道爆管、泄漏的状况。管道损坏流体外漏产生的声源主要有三类：泄漏口处的泄漏声、高压水头撞击声和周围介质摩擦声，本文主要以漏口处泄漏声作为研究对象。（2）分析研究了泄漏声波信号的传播特性、频率特性和衰减特性。传播特性：当传播距离不大时，传播距离对声波信号的影响比较小，泄漏声波频率成分不受影响。当传播距离增加时，管道中高频声波信号出现了不同程度的衰减和突变，使得有价值的频率成分集中于低频率段。频率特性:管道泄漏口大小对泄漏信号的主要频率成分影响较小，但对各频率成分的能量影响较大，开口越大，时域波形幅度越大。管内压力越大，泄漏声信号越强，高频成分越多。材质弹性模量高的管道泄漏信号主要频率成分高于材质弹性模量低的。衰减特性：声波的衰减主要是由媒质的粘滞吸收、热传导吸收和水中气泡的散射造成。（3）研究了信号去噪问题。小波去噪具有自适应性和多分辨率分析的特点，能够探测出正常信号中掺杂的瞬态突变信号并提取出来，能够很好的区分出信号中夹带的突变部分和噪声，是一种有效的去噪方法。软阈值和硬阈值去噪各自都存在潜在的不足：软阈值去噪法中存在去除干扰噪声后的信号无法准确逼近原有真实泄漏声信问题；硬阈值去噪法中，去噪后的信号重构可能会有一些振荡存在。就此问题提出了一种新的阈值方法即自适应函数高次逼近法。自适应函数高次逼近法弥补了软、硬阈值去噪中的上述缺陷，与硬阈值法和软阈值法相比，均方差降低，信噪比升高，对于突变信号和平滑信号都有较好的去噪效果。采集马路旁迭加有突发干扰噪声的地下管段泄漏信号并进行了小波去噪处理，得到了优异的去噪效果，证实了小波去噪的有效性。63 太原理工大学硕士研究生学位论文（4）研究了时延估计定位法的基本原理并分别讨论了广义相关时延估计法和最小均方(LMS)自适应时延估计法。自适应滤波能够自动的将滤波参数调整到最佳状态，不需要泄漏声信号和噪声的先验知识，能够自适应的提取到泄漏点两侧观察信号x(n)和1x(n)的相似性，得到高精度的估计值。对于地下供水管网泄漏的定位，本文采用LMS2自适应时延估计法。为了避免噪声的干扰，先运用小波去噪技术去除突发干扰噪声，再进行定位估计。对于供水管网中的异型管段，由于异型管段内的声速是不一样的，若采用一个声速值，则会导致很大定位误差，所以在通过LMS自适应时延估计法得到时延估计值的基础上，采取异型管段泄漏定位方法，可以提高异型管段中泄漏点定位精度。0（5）构建了用于管道泄漏检测定位的仪器系统，阐述了各个组成部分的基本功能，将泄漏声信号特征提取和辨识，信号相关分析、小波去噪技术、LMS自适应时延估计法和异型管段定位法融入到系统中，软硬件结合实现供水管道泄漏检测及定位。本文以LMS自适应时延估计法为核心定位方法，供水管网泄露处的泄漏声波通过管壁和管中液体传播到吸附在管道外侧的压电加速度传感器处并被接收，接收的信号叠加有环境中的干扰噪声，通过改进的小波阈值去噪法，将噪声去除，由LMS自适应时延估计法估计时延值、确定泄漏点，若传感器之间为异型管道，则由得到的时延估计值通过异型管道定位法定位泄漏点。综合这些过程，构思设计适合于我国供水管网自身特点的泄漏检测定位系统。本课题的最终研究目的是能够对复杂的城市供水管网进行高效、准确的泄漏检测和定位。7.2建议（1）泄漏定位中存在多泄漏点问题，从文献报道来看，多泄漏点定位中的诸多问题目前还未得到较好解决。如何实现对供水管网中多泄漏点快速、准确定位有待进一步探讨和研究。（2）当管道发生缓慢泄漏或小泄漏时，由于泄漏信号微弱，常常淹没在环境噪声中，难以获得准确的泄漏辨识，所以如何更为准确有效地检测缓慢泄漏是一个应该引起重视的问题。（3）针对如何通过声波检测技术在确定了泄漏点的基础上判断出泄漏量的问题，目前研究较少，有待进一步的学习和研究。64 太原理工大学硕士研究生学位论文参考文献[1]梁从诫.环境绿皮书2005年：中国的环境危局与突围[M].北京：社会科学文献出版社，2006.1.[2]姜文来.中国21世纪水资源安全对策研究[J].水科学进展，2001,12(1):66-71.[3]陆渝蓉.地球水环境学[M].南京：南京大学出版社，1999.3.[4]姜文来.水资源价值论[M].北京：科学出版社，1998.7.[5]阮仁良.上海市水环境研究[M].北京：科学出版社，2000.4.[6]吴季松.水资源及其管理的研究及应用——以水资源的可持续利用保障可持续发展[M].北京：中国水利水电出版社，2000.12.[7]林洪孝.水资源管理理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2003.7.[8]刘昌明，陈志恺.中国水资源现状评价和供需发展趋势分析[M].北京：中国水利水电出版社，2001.[9]陈助峰，承载力.从静态到动态的转变[J].中国人口、资源与环境，2003，(1):13-16.[10]陈梦筱.我国水资源现状与管理对策[J].经济论坛，2006(9):61-62.[11]耿为民.控制给水管网的漏损[J].城市公共事业，2005(2):17-18.[12]张义，路忠萍.中小城市供水管网渗漏治理[J].散装水泥，2004(6):52-53.[13]王翠萍.供水管网管材的选用[J].建材技术与应用，2005(2):36-38.[14]住房和城乡建设建设部.中国城市建设统计年鉴2002[M].北京：住房和城乡建设部，2003.[15]陆韬，刘燕，李佳等.我国供水管网漏损现状及控制措施研究[J].复旦学报（自然科学版），2013，52(6):807-810.[16]刘美侠.城市供水管网监测点优化与爆管定位模型研究[D].保定：河北农业大学，2009.6.10.[17]田甜.给水管道爆管原因分析[D].西安：西安建筑科技大学，2013.6.[18]戴雄奇，朱戈文，边靖.城市供水管网GIS系统的建设管理与维护[J].中国给水排水，2011,27（10）:21-24.[19]耿雪，田一梅，裴亮，王先锋.声学在给水管道检漏中的应用[J].给水排水，65 太原理工大学硕士研究生学位论文2013,39:497-501.[20]程利刚，彭信锦.声波探测法应用与供水管线检漏研究[J].建设科技，2008,15:102-103.[21]FannerP,SturmR,ThorntonJ,etal.Leakagemanagementtechnologies[R].Denver:AmericanWaterWorksAssociationResearchFoundation,2007.[22]MuggletonJM,BrennanMJ.Leaknoisepropagationandattenuationinsubmergedplasticwaterpipes[J].JournalofSoundandVibration,2004,278(3):527-537.[23]杨理践，张禄，高松巍.供水管道泄漏声信号特性[J].沈阳工业大学学报,2011,33（2）:183-187.[24]XiangXZ,FangZX,LuC.Experimentalstudyondetectionandlocationofpipelineleakagebasedonacousticemissiontechnique[M].ProceedingsoftheInternationalConferenceonPipelinesandTrenchlessTechnology.Beijing:ASCE,2011,645-652.[25]ShehadehM,SteelJA,ReubenRL.Acousticemissionsourcelocationforsteelpipeandpipelineapplications:theroleofarrivaltimeestimation[J].JournalofProcessMechanicalEngineering,2006,220(2):121-133.[26]RoseJL,ChoY,AvioliMJ.Nextgenerationguidedwavehealthmonitoringforlongrangeinspectionofpipes[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2009,22:1010-1015.[27]KurtzDW.Developmentsinafree-swimmingacousticleakdetectionsystemforwatertransmissionpipelines[C].Proceedingsofthe2006pipelinedivisionspecialtyconference-pipelines2006:servicetotheowner.UnitedStates:AmericanSocietyofCivilEngineers,2006:25-32.[28]RichardF.Smartball-Anewapproachinpipelineleakdetection[R].2008proceedingsoftheASMEinternationalpipelineconference.UnitedStates:AmericanSocieyofMechanicalEngineers,2009:117-133.[29]ElliottJ,FletcherR,WrigglesworthM.Seekingthehiddenthreat:applicationsofanewapproachinpipelineleakdetection[R].AbuDhabiinternationalpetroleumexhibitionandconference,UAE:SocietyofPetroleumEngineers,2008.[30]PaulsonP,NguyenV.Pipewallevaluationusingacousticpulses[R].Pipelines2010:Climbingnewpeakstoinfrastructurerreliability-renew,rehab,andreinvest-procof66 太原理工大学硕士研究生学位论文thepipelines2010conference.UnitedStates:AmericanSocietyofCivilEngineers,2010:711-718.[31]PaulA,XingY.Internalfreeswimmingpipelineleakagedetectiontechnologysmartball[R].Sustainablesolutionsforwater,sewer,gasandoilpipelinesandtrenchlesstechnology2011.UnitedStates:AmericanSocietyofCivilEngineers,2011:996-1005.[32]马晓斌，曾新定，濮人强.Smartball自漂流式检漏系统在输油管道的应用[J].油气运输，2010,29（11）:839-840.[33]LawrenceA.Smith,etc.LeakandBreakDetectionandRepairforDrinkingWaterSystems[M].Columbus,Ohio,BATTELLEPRESS,2000:26-27.[34]夏海江.供水管网漏损事故原因分析[J].民营科技，2012，（5）:225.[35]DanielleCM,AdielTA.Groupdecision-makingforleakagemanagementstrategyofwaternetwork[J].Resources,ConservationandRecycling,2007,52:441-459.[36]罗海玲，付婉霞，张哲.管材与管径选择与供水管网漏损控制[J].节能与环保，2010，（1）:44-46.[37]杨进.供水管道泄漏检测定位中的信号分析及处理研究[D].重庆：重庆大学，2007,09.[38]文静.供水管网泄漏检测定位中的信号处理研究[D].重庆：重庆大学，2007,04.[39]肖国庆,张军战.材料物理性能[M].北京:中国建材出版社,2005.[40]WidrowBandStearnsSD.Adaptivesignalprocessing[M].PrenticeHall,EnglewoodCliffs,NJ,1985.[41]裴国霞，唐朝春.水力学[M].北京：机械工业出版社，2007,03.[42]杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础（第二版）[M].南京：南京大学出版社，2001,03.[43]胡广书.数字信号处理一一理论、算法与实现[M].北京：清华大学出版社，1997:5-30.[44]程佩青.数字信号处理教程(第二版)[M].北京：清华大学出版社，2001:252-27.[45]德国Seba公司的SebaDynaCorr相关仪的说明书.[46][美]赫金(Haykin,S.)郑宝玉等译著泊适应滤波器原理[M].北京:电子工业出版社，2003:183-243.[47]刘贵忠，张志明，冯牧，等．信号重构的小波极大模整形迭代算法[J]．自然科学67 太原理工大学硕士研究生学位论文进展，2000,10（7）:660-664.[48]DonohoDL.Denoisingbysoft-thresholding[C].IEEETransaetiononInformation,1995.[49]钱苏敏,张琳絮,张云,等.基于小波阈值改进的去噪算法研究[J].研究与开发，2012,31（5）:49-51.[50]KnappCHandCarterGC.“Thegeneralizedcorrelationmethodforestimationoftimedelay”[C].IEEETrans.Acoust.,Speech,SignalProcessing.1976,ASSP-24:320-326.[51]WidrowBandStearnsSD.Adaptivesignalprocessing[M].PrenticeHall,EnglewoodCliffs,NJ,1985.[52]FeintuchPl,BershadNJetal.TimedelayestimationusingtheLMSadaptivefilter-Dynamicbehavior[C].IEEETrans.Acoust.,Speech,andSignalProcessing.1981,29(3):576.[53]KrolikJ,JoyM,EizenmanM.AcomparativestudyoftheLMSadaptivefilterversusgeneralizedcorrelationmethodsfortimedelayestimation[C].IEEE,Acoust.,Speech,andSignalProcessing,InternationalConferenceonICASSP"84,Volume:9,1984,pp.652-655.[54]FeintuchPl,BershadNJetal.TimedelayestimationusingtheLMSadaptivefilter-Dynamicbehavior[C].IEEETrans.Acoust.,Speech,andSignalProcessing.1981,29(3):576.[55]KrolikJ,JoyM,EizenmanM.AcomparativestudyoftheLMSadaptivefilterversusgeneralizedcorrelationmethodsfortimedelayestimation[C].IEEE,Acoust.,Speech,andSignalProcessing,InternationalConferenceonICASSP"84.,Volume:9,1984,pp.652-655.[56]吴慧娟，文玉梅，李平.被动检测系统中自适应算法收敛的动态判断[J].仪器仪表学报,2007,28(3):414-420.[57]文玉梅，李平，杨进.自适应时延估计中的信号自相关函数估计[J].信号处理,2006,22(6):774-777.[58]路炜，文玉梅，李平.埋地异型供水管段泄漏定位方法[J].给水排水,2008,34（8）：119-122.[59]杨进，李平，文玉梅，等.自适应供水管网泄漏检测定位仪器系统[J].仪表技术68 太原理工大学硕士研究生学位论文与传感器,2005(2)：14-16.[60]连法增.材料物理性能[M].沈阳:东北大学出版社,2005.69 太原理工大学硕士研究生学位论文70 太原理工大学硕士研究生学位论文致谢本文的研究工作是在导师崔建国教授的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师渊博的知识、锐意创新的科学态度、求实的工作作风、无私的奉献精神使学生深受启迪，对于我来讲，将受益终生。求学期间，导师在学术上的造诣及严谨令我深为敬佩，从尊敬的导师身上，不仅学到了扎实、宽广的专业知识，而且学到了做人的道理和把一件事情做好的态度和方法。在此向辛勤培养、教育和关心我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意！其次，非常感谢张峰老师。张峰老师亦师亦友，对我们的生活、学习、工作关怀备至，在工程设计、软件学习等方面给予了很大的帮助。感谢张磊、张贺、郭喆、樊鹏跃、杭高杰几位师兄的鼎力相助，感谢你们孜孜不倦的辅导，始终是我们学习的榜样。在此，愿大家前途似锦。感谢潘萌、路旭龙三年来给予我的帮助和鼓励，让我受益匪浅。感谢王佼、武瑞颖这三年的学习陪伴，是你们给了我正能量，让我学到了很多。感谢我的舍友武瑞颖、韩钰洁和安艳平，平日里生活上、学习上互帮互助，给了我家的温暖。感谢我的家人，他们在背后默默的支持我，关心我，鼓励我，你们是我前进的动力，使我勇于面对困难，迎接挑战。最后，再次感谢所有老师，同学以及家人们！张鑫2015年6月71 太原理工大学硕士研究生学位论文72 太原理工大学硕士研究生学位论文攻读学位期间发表的学术论文目录[1]XinZhang,KunZhang,RuiyingWu.ResearchonHydraulicModelEstablishmentofWaterSupplyNetwork[J].AdvancedMaterialsResearch,Vols.1073-1076,Part2:1027-1030.[2]张鑫，韩钰洁，武瑞颖.基于低影响开发的工业园区雨水排水规划的优化[J].环境污染与防治，2015，已录用.73'