摘 要： 將小波分析在模極大值處理中的優(yōu)勢應(yīng)用到管道泄漏檢測與定位信號分析中，根據(jù)信號小波變換模極大值和信號奇異性之間的關(guān)系，由小波變換模極大值沿尺度變化趨勢分析出壓力信號的突變點(diǎn)，計(jì)算出管道泄漏誘發(fā)的負(fù)壓波傳播到上下游監(jiān)測點(diǎn)的時間差，利用負(fù)壓波定位泄漏的常規(guī)公式確定出泄漏點(diǎn)的位置。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能快速準(zhǔn)確地捕捉壓力信號突變點(diǎn)，并定位管道泄漏位置。
關(guān)鍵詞： 小波變換； 信號奇異點(diǎn)； 模極大值； 管道泄漏
信號突變點(diǎn)（奇異點(diǎn)）的產(chǎn)生，通常是由于信號在某一時刻幅值或頻率發(fā)生突變而引起了信號的不連續(xù)，或者是信號的一階微分不連續(xù)所產(chǎn)生的。在工程領(lǐng)域，信號的突變包含了豐富的工況信息。因此，對信號突變點(diǎn)的檢測與分析具有重要的意義。傳統(tǒng)的信號分析方法是以傅里葉變換為基礎(chǔ)，傅里葉變換能較好地刻畫出信號的頻率特性，但它幾乎不提供信號在時域上的任何信息，即在時空中對信號沒有任何分辨率。并且傅里葉變化方法只適合分析平穩(wěn)信號，對于非平穩(wěn)信號和突變信號，雖然可以用傅里葉變換趨于零的快慢來推斷其整體的奇異性，但難以確定其奇異點(diǎn)在空間的位置。而小波變換具有自動改變窗口的功能，可以很好地把信號在空間和頻率上局部化，給信號賦予了局部奇異性[1-2]。
本文以管道泄漏檢測系統(tǒng)為例，應(yīng)用小波奇異性檢測理論提取管道泄漏時壓力突變信號點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對管道泄漏的準(zhǔn)確檢測與定位。
1 信號的奇異性分析
通常信號發(fā)生突變的時刻稱為信號的奇異點(diǎn)。數(shù)學(xué)上常用李普西茲指數(shù)(Lipschitz exponent)?茁來描述函數(shù)的局部奇異性。
李普西茲指數(shù)定義：如果函數(shù)f(x)∈L2(R)對點(diǎn)x0的某領(lǐng)域中任何x都有：
則稱β為在x0處的Lipschitz指數(shù)。如果對所有x、x0∈(a,b)式(1)都成立，則稱f(x)在(a,b)上一致Lipschitzβ。
Lipschitz指數(shù)β給出了信號f(x)在x0點(diǎn)光滑性的精確信息，如果β=0，則函數(shù)f(x)在該點(diǎn)間斷，有奇異性；如果β=1，則函數(shù)f(x)沒有奇異性；如果0<β<1，函數(shù)f(x)的光滑性下降。β越大，則說明函數(shù)f(x)越接近規(guī)則；β越小，說明函數(shù)f(x)在x0處變化越尖銳。階躍函數(shù)在階躍點(diǎn)β=0，脈沖函數(shù)β=-1，說明這2點(diǎn)都是奇異的[1]。
2小波奇異性理論
2.1 小波變換定義
對于連續(xù)信號f(t)∈L2(R)(能量有限空間)，f(t)的連續(xù)小波變換(CWT)定義為：
(3)式的小波變換被稱為卷積形式的二進(jìn)小波變換。它是
測低能量的短暫瞬變信號的有效手段，非常適用于檢測突發(fā)性泄漏引起的瞬態(tài)負(fù)壓波。壓力信號的突變點(diǎn)通常在信號的一階或高階導(dǎo)數(shù)中反映出來。在各種小波函數(shù)中，高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)對于信號的奇異點(diǎn)最為敏感。因此，選用高斯函數(shù)作為小波變換中的小波函數(shù)。高斯低通函數(shù)為：
2.2 小波變換模極大值在多尺度上的表現(xiàn)與Lipschitz
指數(shù)的關(guān)系
在不同的尺度ai(i=1,2,3,…n)下，對信號f(t)進(jìn)行的連續(xù)小波變換[3]。
由式(7)可以看出，小波變換模極大值將隨著變換的尺度a以及信號的Lipschitz指數(shù)β的變化而變化。當(dāng)β>0時，小波變換模極大值將隨尺度的增大而增大；當(dāng)β<0時，則隨著尺度a的增大而減??；β=0時，則小波變換的模極大值不隨尺度改變[4]。
噪聲和有用的信號邊沿都具有奇異性，但是噪聲對應(yīng)的Lipschitz指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0，而有用信號邊沿對應(yīng)的Lipschitz指數(shù)大于或等于0，根據(jù)(8)式的分析可知，噪聲和信號邊沿在多尺度連續(xù)小波變換下的極值具有截然不同的表現(xiàn)，噪聲對應(yīng)的小波變換的極值將隨著尺度的增大而迅速衰減，而信號邊沿所對應(yīng)的小波變換的極值將隨著尺度的增大而增大或保持不變。這樣，就可以利用連續(xù)小波變換從噪聲背景中準(zhǔn)確地分離出信號邊沿[2]。
對奇異點(diǎn)進(jìn)行檢測定位，一般采用二進(jìn)小波變換由粗到細(xì)的算法，跟蹤各尺度下小波變換模極大值，先從最粗尺度的一級開始，找到這一尺度上屬于信號的小波變換模極大值，然后逐步減小尺度值，直到逐級搜索到最細(xì)尺度為止。由于尺度不同，小波函數(shù)的特征值會發(fā)生一些變化，引起高頻細(xì)節(jié)中模極大值發(fā)生微小偏移，可以采用均值法，取模極大值的均值。平均處理后的小波變換結(jié)果既保留了比較準(zhǔn)確的峰值位置和比較窄的尖峰形狀，又很好地去除了偽極值。
3 小波模極大值方法在管道泄漏檢測與定位中的具體應(yīng)用
3.1 管道泄漏檢測系統(tǒng)組成
系統(tǒng)主要由下位機(jī)、通信模塊、上位機(jī)組成。下位機(jī)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，定時向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送采集命令，數(shù)據(jù)采集模塊返回管道參數(shù)（壓力），同時從GPS校時器獲得GPST標(biāo)準(zhǔn)時間，由管道參數(shù)和時間標(biāo)簽構(gòu)成一段數(shù)據(jù)，由多段數(shù)據(jù)構(gòu)成了1個傳輸文本，等待上位機(jī)傳輸命令。通信模塊完成上位機(jī)與下位機(jī)的通信功能，通過公用電話網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對多數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)通過MODEM輪流接通下位機(jī)MODEM后，向下位機(jī)定時發(fā)送傳輸命令，并接收下位機(jī)數(shù)據(jù)。上位機(jī)為放置在中央控制室的1臺工控機(jī)，工控機(jī)對采集上來的壓力信號以曲線的形式進(jìn)行實(shí)時顯示，并根據(jù)輸油管道兩端的壓力采集信號，對輸油管道中出現(xiàn)的泄漏及時進(jìn)行報(bào)警和漏點(diǎn)定位。
3.2 泄漏檢測與定位
當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，泄漏點(diǎn)附近會產(chǎn)生壓力突降，這一壓力變化以負(fù)壓波的形式向管道兩端傳播。通過分析管道兩端的壓力信號可以判斷泄漏的發(fā)生，并根據(jù)兩端壓力突降點(diǎn)出現(xiàn)的時間差進(jìn)行泄漏的定位?？梢?，在輸油管道泄漏檢測系統(tǒng)中，準(zhǔn)確捕捉到管道首末兩端壓力變化的突變點(diǎn)，即負(fù)壓波到達(dá)管道首末兩端的時刻，是負(fù)壓波法檢測管道泄漏的關(guān)鍵。本文利用小波變換對噪聲信號不敏感的特性以及對信號突變的良好檢測能力，準(zhǔn)確地提取壓力信號突降的時刻，從而捕捉泄漏點(diǎn)。
4 小波模極大值法在定位管道泄漏位置的關(guān)鍵技術(shù)
(1)信號的局部奇異性由小波變換的模極大值點(diǎn)來描述，但并非所有的模極大值點(diǎn)都對波形識別具有重要意義。為了提取信號主要特征，需要對模極大值點(diǎn)進(jìn)行提煉，保留真正反映原始信號主要特征的模極大值點(diǎn)，去除噪聲產(chǎn)生和次要的模極大值點(diǎn)。通過檢測小波變換的模極大值點(diǎn)的幅值沿尺度的演變規(guī)律，可以將噪聲所產(chǎn)生的模極大值點(diǎn)與信號所產(chǎn)生的模極大值點(diǎn)區(qū)分開來。因此，為了對信號產(chǎn)生的奇異點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，需要對噪聲或次要的模極大值曲線進(jìn)行過濾[6]。
(2)為了精確計(jì)算負(fù)壓波到達(dá)首末兩端的時間差，提高泄漏點(diǎn)的定位精度,管道首末兩端系統(tǒng)時間必須保持一致。采用GPS定時，可使兩端計(jì)算機(jī)的時間同步到毫秒，定位精度將進(jìn)一步提高。
小波變換是近年來發(fā)展起來的一種數(shù)學(xué)理論和方法。由于小波具有很高的時間和頻率分辨率，可以用來進(jìn)行奇異性信號的分析，將這種方法應(yīng)用于管道泄漏檢測技術(shù)中，可以有效地監(jiān)控管道的運(yùn)行狀態(tài)，及時準(zhǔn)確地檢測出管道的泄漏故障，排除工況的干擾。該檢測方法不僅可以用于石油泄漏檢測，也可以用于自來水管道的泄漏檢測，具有很好的推廣價值。
參考文獻(xiàn)
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