Ma tlab小波變換在燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)中的試驗(yàn)研究
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嚴(yán)欣明1郝永梅2顧玉明2毛小虎1岳云飛1徐明2
（1．江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院常州 213016）（2．常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 常州 213164）
摘要：應(yīng)用Mat lab小波變換對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┬盘?hào)進(jìn)行消噪處理，得到了更為精確的泄漏定位結(jié)果。首先闡述了小波變換的原理和步驟，通過實(shí)驗(yàn)室模擬油氣管道進(jìn)行燃?xì)夤艿佬孤┠M試驗(yàn)，運(yùn)用mat lab小波工具箱，對(duì)不同小波基以及不同閾值處理后的幾種偏差進(jìn)行比較后選取db8小波基對(duì)氣體管道進(jìn)行7尺度分析，結(jié)合時(shí)延估計(jì)的檢測(cè)定位原理得出泄漏位置坐標(biāo)。結(jié)果證明小波消噪確實(shí)提高了管道泄漏的定位精度。
關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿佬〔ㄗ儞Q泄漏檢測(cè)應(yīng)用中圖分類號(hào)：X933.4
文章編號(hào)：1673-257X(2016)06-0014-04 DOI: 10. 3969/j .issn .1673-257X .2016. 06. 003
管道作為一種運(yùn)輸設(shè)備越來越廣泛地應(yīng)用于石油、化工及城市燃?xì)夂凸嵯到y(tǒng)中，同時(shí)因管道泄漏引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故也越來越多，若能及早發(fā)現(xiàn)管道泄漏就可以最大程度上防止或減少事故的發(fā)生。由于管道本身、環(huán)境等不確定因素影響，通過檢測(cè)接收到的管道泄漏信號(hào)中存在大量噪聲，這些噪聲影響了泄漏信號(hào)的識(shí)別，造成泄漏定位不準(zhǔn)確。小波消噪技術(shù)由于其在信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)受到越來越多人的關(guān)注，用小波技術(shù)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理，去除泄漏信號(hào)中與源定位信號(hào)不符合的部分，可以更加準(zhǔn)確地找到泄漏源位置。而實(shí)踐證明小波理論具有極大的應(yīng)用前景，尤其在信號(hào)處理方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。
1 小波變換的基本原理及步驟
小波變換是一種集信號(hào)的時(shí)間——尺度和時(shí)間——頻率的分析方法，其具有很多優(yōu)勢(shì)特性，被譽(yù)為分析信號(hào)的顯微鏡。小波變換可視為信號(hào)x(t)在實(shí)軸上的局部區(qū)域內(nèi)的正則性。信號(hào)x(t)小波變換的定義為：
小波變換就是利用噪聲與信號(hào)在各個(gè)尺度上的小波（變換模極大值）譜具有不同表現(xiàn)的這一特征，將噪聲小波譜分量去掉，然后再利用小波變換重構(gòu)算法，重構(gòu)出原信號(hào)。
小波消噪的基本步驟如下：
1)對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行小波多尺度變換。選取最大尺度尋找奇異點(diǎn)，在此最大尺度J=5；
2燃?xì)夤艿佬孤┠M檢測(cè)實(shí)驗(yàn)
燃?xì)夤艿滥M實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)主要由2個(gè)部分組成：1)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)：美國物理聲發(fā)射公司(PAC)生產(chǎn)的PAC6006系統(tǒng)；2）模擬管道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（見圖1）。
該管道平臺(tái)由泵、閥、空氣壓縮機(jī)和金屬管道等構(gòu)件組成，壓力管道泄漏的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?0號(hào)普通碳素鋼管，外徑32.9mm，長6000mm，管道壓力為0～1.2MPa，管道上有計(jì)量壓力、溫度和流量等儀表。
在管道系統(tǒng)上取一段長為5000mm的直管段作為本次試驗(yàn)的管道，模擬泄漏孔口位置在距離上游A傳感器3600mm處，如圖2所示。
L1為上游傳感器A到泄漏孔的距離，L2為下游傳感器B到泄漏孔的距離，上下游傳感器接收泄漏信號(hào)經(jīng)前置放大器輸入到聲發(fā)射儀，計(jì)算得到粗定位結(jié)果。其定位原理為：
打開泄漏閥門，保持小泄漏狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，共分3次，每次測(cè)定3組，得到9組定位數(shù)據(jù)見表1。得到試驗(yàn)定位誤差均值為15.03%，定位誤差較大。
3 Ma tlab小波變換消噪處理
3.1小波基選取
不同的小波基具有不同的時(shí)頻特征，用不同的小波基對(duì)同一個(gè)問題進(jìn)行分析，會(huì)產(chǎn)生不同的效果。因此，在對(duì)某特定信號(hào)進(jìn)行消噪時(shí)，必須選取一個(gè)合適的小波基。分別使用db1、db8、sym2對(duì)其中第1組信號(hào)進(jìn)行4尺度小波分解，分解結(jié)果如圖3所示。
通過matlab小波工具箱統(tǒng)計(jì)功能得到9組實(shí)驗(yàn)的每個(gè)信號(hào)的絕對(duì)偏差、中值偏差、標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。
通過對(duì)不同小波基分解的標(biāo)準(zhǔn)差、中值偏差、絕對(duì)偏差的結(jié)果比較，得到每組信號(hào)的最優(yōu)小波基個(gè)數(shù)，結(jié)果見表3。
從表3中可知，db8最優(yōu)小波基個(gè)數(shù)最多，因此選取db8小波作為管道泄漏小波消噪的小波基。
3.2尺度及閾值函數(shù)選擇
小波基已選定，但如果尺度和閾值選擇不當(dāng)，對(duì)信號(hào)分析的效果仍然會(huì)有影響。對(duì)氣體泄漏信號(hào)進(jìn)行7尺度分解如圖4所示。
通過對(duì)泄漏信號(hào)的7尺度處理發(fā)現(xiàn)，隨著尺度的增加，信號(hào)所包含的內(nèi)容越少，當(dāng)分解層數(shù)為7尺度時(shí)，分解信號(hào)幾乎趨于一條直線，只出現(xiàn)為數(shù)不多的起伏，從該圖中也可以看出在低尺度時(shí)信號(hào)尖銳的部分比較多，也驗(yàn)證了小波基小尺度處理信號(hào)時(shí)，其結(jié)果主要保留較多的是信號(hào)的尖銳的部分，當(dāng)尺度增加時(shí)，其處理后的信號(hào)變化比較平緩，信號(hào)整體比較光滑，驗(yàn)證了在大尺度分解時(shí)，處理結(jié)果中能夠保留較多的緩慢變化的成分，從7尺度看信號(hào)緩慢變化的部分已經(jīng)較少，說明低頻部分的信號(hào)已經(jīng)能夠顯示出來，所以選取7尺度能夠滿足要求。
對(duì)于閾值的處理方法，擬對(duì)MATLAB中兩種閾值方法進(jìn)行比較選取，分別為固定形式的閾值、基于無偏似然估計(jì)sure閾值。用這兩種閾值處理方法分別對(duì)9組氣體管道小泄漏信號(hào)進(jìn)行處理，利用MATLAB的統(tǒng)計(jì)功能，比較經(jīng)過每種閾值處理后的信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差、中值偏差、絕對(duì)偏差來選擇合適的閾值處理方法，處理結(jié)果見表4和表5。
比較表4和表5相同試驗(yàn)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差、中值偏差以及絕對(duì)偏差，比較結(jié)果見表6。
根據(jù)表6結(jié)果可知選用基于無偏似然估計(jì)sure閾值的最優(yōu)個(gè)數(shù)為5個(gè)，而固定式閾值的最優(yōu)個(gè)數(shù)有4個(gè)，基于此因素，確定使用無偏似然估計(jì)sure閾值方法來確定閥值。
3.3 MATLAB小波消噪結(jié)果
綜上所述采用db8對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行7尺度分析，采取基于無偏似然估計(jì)sure閩值選取方法，分別對(duì)以上其中1組實(shí)驗(yàn)泄漏信號(hào)進(jìn)行小波消噪處理，消噪后的結(jié)果見圖5和圖6。結(jié)合互相關(guān)定位算法，得出db8小波7尺度消噪定位值。
對(duì)信號(hào)進(jìn)行奇異點(diǎn)分析，可發(fā)現(xiàn)傳感器A信號(hào)奇異點(diǎn)在采樣點(diǎn)數(shù)為600，傳感器B信號(hào)奇異點(diǎn)在采樣點(diǎn)數(shù)為282，可得采樣點(diǎn)數(shù)差為318，通過計(jì)算時(shí)間差為3.18×10-4S。計(jì)算得泄漏點(diǎn)位置為x=3973mm處。
重復(fù)以上步驟分別對(duì)另外8組泄漏信號(hào)進(jìn)行消噪處理，得到表7小波消澡后定位數(shù)據(jù)。
4結(jié)論
通過研究得到以下結(jié)論：
1)通過用db1、db8、sym2等幾種小波基分別對(duì)氣體泄漏數(shù)據(jù)信號(hào)處理，結(jié)果得出db8更適用于氣體管道的小波消噪，再對(duì)基于無偏似然估計(jì)sure閾值處理方法和固定形式的閾值處理方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)前者更優(yōu)一些。
2)對(duì)實(shí)驗(yàn)室粗定位結(jié)果與小波消噪后的定位結(jié)果比較分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)小波消噪后，定位誤差有較大程度減小，由粗定位誤差的15.03%降低到7.6%。
3)小波消噪后的定位結(jié)果明顯好于粗定位結(jié)果，這在一定程度也說明了小波消噪方法在提高管道泄漏檢測(cè)定位精度方面是可行的。
小波分析為信號(hào)分析處理打開了一個(gè)巨大的領(lǐng)域，但目前大部分都停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用還存在一定的距離，這也是今后小波消噪應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向。
