本發(fā)明屬于管道檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓力波信號(hào)發(fā)生器及管道內(nèi)檢測器實(shí)時(shí)跟蹤定位方法。

背景技術(shù)：

隨著能源需求的增加，作為油氣能源主要輸送方式的管道運(yùn)輸以其不可取代的突出優(yōu)勢(shì)，在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，與此同時(shí)，管道運(yùn)輸?shù)陌踩詥栴}也越來越受到各國政府的重視，由于所運(yùn)輸介質(zhì)的危險(xiǎn)性和污染性，一旦發(fā)生事故會(huì)造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染。管道事故檢測是石油、化工、天然氣等領(lǐng)域中需要解決的重要問題之一，而管道內(nèi)檢測是管道事故檢測的一種重要的方法。應(yīng)用管道內(nèi)檢測這種方法，管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)部移動(dòng)，就需要實(shí)時(shí)確定其在管道中的位置，尤其是當(dāng)其卡堵在管道中時(shí)，更需要及時(shí)準(zhǔn)確地確定其在管道中的位置，以便采取相應(yīng)措施。如果長時(shí)間卡在管道中，使得流體不能正常運(yùn)輸，將會(huì)造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。

現(xiàn)有的管道內(nèi)檢測儀器示蹤定位技術(shù)，或者需要外部輔助信息定位，如：定點(diǎn)磁標(biāo)法、靜磁場定位法、放射性射線定位法、GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位法，或者定位精度不高，如：里程輪定位法。因此，現(xiàn)有的示蹤定位技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道中的內(nèi)檢測儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種壓力波信號(hào)發(fā)生器及管道內(nèi)檢測器實(shí)時(shí)跟蹤定位方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種壓力波信號(hào)發(fā)生器，安裝在管道內(nèi)檢測器法蘭上，所述壓力波信號(hào)發(fā)生器隨管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)部前進(jìn)時(shí)產(chǎn)生壓力波信號(hào)；

所述壓力波信號(hào)發(fā)生器包括：取力輪、支臂、擺動(dòng)臂、第一齒輪、釋放器、彈簧、運(yùn)動(dòng)副、螺桿、減速機(jī)、第二齒輪；

管道內(nèi)檢測器法蘭上設(shè)置第一支撐點(diǎn)、第二支撐點(diǎn)，取力輪通過支臂連接到第一支撐點(diǎn)，擺動(dòng)臂連接到第二支撐點(diǎn)，擺動(dòng)臂上安裝有釋放器，釋放器通過彈簧與運(yùn)動(dòng)副連接，運(yùn)動(dòng)副通過螺桿連接減速機(jī)，取力輪上安裝有第一齒輪，減速機(jī)連接有第二齒輪，第一齒輪、第二齒輪嚙合。

一種基于所述壓力波信號(hào)發(fā)生器的管道內(nèi)檢測器實(shí)時(shí)跟蹤定位方法，包括：

步驟1：管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)部前進(jìn)時(shí)，取力輪緊貼管壁向前滾動(dòng)，帶動(dòng)安裝在取力輪上的第一齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，第一齒輪驅(qū)動(dòng)第二齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，彈簧蓄力過程，驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)臂上移，蓄力到設(shè)定值時(shí)，釋放器動(dòng)作，在彈簧力的驅(qū)動(dòng)下，擺動(dòng)臂繞第二支撐點(diǎn)回位，產(chǎn)生一次壓力波；

步驟2：采集管道首端、管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，并進(jìn)行相空間重構(gòu)；

步驟3：構(gòu)建并訓(xùn)練壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁，同構(gòu)壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃；

步驟4：從相空間重構(gòu)后的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)中檢測出壓力波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間到達(dá)管道末端的時(shí)間

步驟5：根據(jù)壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)刻和壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)刻計(jì)算管道內(nèi)檢測器到管道末端的距離，完成管道內(nèi)檢測器跟蹤定位；

管道內(nèi)檢測器到管道末端的距離；

其中，L₀為管道首端到管道末端的距離，v為壓力波信號(hào)在管道內(nèi)介質(zhì)中的傳播速度，L_x為管道內(nèi)檢測器到管道末端的距離。

所述步驟2，包括：

步驟2.1：獲取管道首端、管道末端的歷史壓力信號(hào)，計(jì)算最佳嵌入維數(shù)和延遲時(shí)間；

步驟2.2：采集管道首端、管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，根據(jù)最佳嵌入維數(shù)m和延遲時(shí)間τ對(duì)實(shí)時(shí)壓力信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu)。

所述步驟3，包括：

步驟3.1：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)離線構(gòu)建壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁，輸入為t時(shí)刻以前的壓力信號(hào)，輸出為t+1時(shí)刻的壓力信號(hào)；

步驟3.2：利用實(shí)時(shí)壓力信號(hào)及歷史壓力信號(hào)訓(xùn)練壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁；

步驟3.3：同構(gòu)壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃。

所述步驟4，包括：

步驟4.1：將相空間重構(gòu)后的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)分別輸入到壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁、壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃，利用壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)預(yù)測值利用壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)實(shí)際值x_n+1，利用壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)同步值n＝N-(m-1)τ，N是歷史壓力信號(hào)的個(gè)數(shù)，m為最佳嵌入維數(shù)，τ為延遲時(shí)間；

步驟4.2：計(jì)算預(yù)測誤差T₁為設(shè)定的預(yù)測誤差閾值；若E₁＞T₁，執(zhí)行步驟4.6，否則返回步驟4.1；

步驟4.3：計(jì)算模型誤差T₂為設(shè)定的模型誤差閾值；若E₂＞T₂，更新壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃，否則指向步驟4.5；

步驟4.4：計(jì)算同步誤差T₃為設(shè)定的同步誤差閾值；若E₃＞T₃，進(jìn)行步驟4.5，否則返回步驟4.1；

步驟4.5：根據(jù)壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃的結(jié)構(gòu)同步壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁，返回步驟4.1；

步驟4.6：記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間或壓力波信號(hào)到達(dá)管道末端的時(shí)間：若當(dāng)前輸入的是管道首端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，則記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間若當(dāng)前輸入的是管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，則記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道末端的時(shí)間

所述的方法采用的管道內(nèi)檢測器實(shí)時(shí)跟蹤定位系統(tǒng)，包括：

安裝在管道首端和末端的首端壓力傳感器模塊和末端壓力傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA中央處理單元；

管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)部前進(jìn)時(shí)，壓力波信號(hào)發(fā)生器周期性產(chǎn)生壓力波，首端壓力傳感器模塊、末端壓力傳感器模塊分別采集傳播到管道首端、末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，首端壓力傳感器模塊的輸出端、末端壓力傳感器模塊的輸出端分別連接各自的信號(hào)調(diào)理模塊，信號(hào)調(diào)理模塊連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接FPGA中央處理單元的輸入端。

所述FPGA中央處理單元，設(shè)有：

相空間重構(gòu)模塊：采集管道首端、管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，并進(jìn)行相空間重構(gòu)；

模型構(gòu)建模塊：構(gòu)建并訓(xùn)練壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁，并利用訓(xùn)練好的壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型對(duì)壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃進(jìn)行同構(gòu)；

信號(hào)檢測模塊：從相空間重構(gòu)后的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)中檢測出壓力波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間到達(dá)管道末端的時(shí)間

跟蹤定位模塊：根據(jù)壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)刻和壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)刻計(jì)算管道內(nèi)檢測器到管道末端的距離，完成管道內(nèi)檢測器跟蹤定位。

所述相空間重構(gòu)模塊，包括：

計(jì)算模塊：獲取管道首端、管道末端的歷史壓力信號(hào)，計(jì)算最佳嵌入維數(shù)和延遲時(shí)間；

相空間重構(gòu)模塊：采集管道首端、管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，根據(jù)最佳嵌入維數(shù)m和延遲時(shí)間τ對(duì)實(shí)時(shí)壓力信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu)。

所述模型構(gòu)建模塊，包括：

構(gòu)建模塊：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)離線構(gòu)建壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁，輸入為t時(shí)刻以前的壓力信號(hào)，輸出為t+1時(shí)刻的壓力信號(hào)；

訓(xùn)練模塊：利用實(shí)時(shí)壓力信號(hào)及歷史壓力信號(hào)訓(xùn)練壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁；

同構(gòu)模塊：同構(gòu)壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃。

所述信號(hào)檢測模塊，包括：

信號(hào)檢測模塊：將相空間重構(gòu)后的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)分別輸入到壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁、壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃，利用壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)預(yù)測值利用壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)實(shí)際值x_n+1，利用壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)同步值n＝N-(m-1)τ，N是歷史壓力信號(hào)的個(gè)數(shù)，m為最佳嵌入維數(shù)，τ為延遲時(shí)間；

預(yù)測誤差判斷模塊：計(jì)算預(yù)測誤差T₁為設(shè)定的預(yù)測誤差閾值；若E₁＞T₁，則轉(zhuǎn)去記錄模塊；

模型誤差判斷模塊：計(jì)算模型誤差T₂為設(shè)定的模型誤差閾值；若E₂＞T₂，更新壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃；

同步誤差判斷模塊：計(jì)算同步誤差T₃為設(shè)定的同步誤差閾值；若E₃＞T₃，轉(zhuǎn)去同步更新模塊；

同步更新模塊：根據(jù)壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃的結(jié)構(gòu)同步壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁；

記錄模塊：記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間或壓力波信號(hào)到達(dá)管道末端的時(shí)間：若當(dāng)前輸入的是管道首端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，則記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間若當(dāng)前輸入的是管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，則記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道末端的時(shí)間

有益效果：

管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)攜帶本發(fā)明提供的壓力波信號(hào)發(fā)生器，壓力波信號(hào)發(fā)生器安裝在管道內(nèi)檢測器法蘭上，管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)由取力輪取力，帶動(dòng)安裝在取力輪上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。彈簧蓄力過程，驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)臂上移，蓄力到設(shè)定值時(shí)，釋放器動(dòng)作，在彈簧力的驅(qū)動(dòng)下，擺動(dòng)臂迅速繞擺動(dòng)臂支點(diǎn)回位，實(shí)時(shí)采集管道內(nèi)的壓力信號(hào)，利用管道首、末端壓力波信號(hào)具有的混沌特性，基于混沌同步的管道內(nèi)檢測器實(shí)時(shí)跟蹤定位方法進(jìn)行內(nèi)檢測器的實(shí)時(shí)定位。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)檢測器的實(shí)時(shí)追蹤和卡堵定位，定位精度高，追蹤范圍較大，不受管道埋地深度和管壁厚度限制；利用FPGA中央處理單元的多總線并行處理機(jī)制，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度；利用混沌系統(tǒng)對(duì)初值的敏感性和對(duì)噪聲的免疫能力，提高了對(duì)淹沒在噪聲中的微弱壓力波信號(hào)的檢測能力，降低了系統(tǒng)對(duì)信噪比的要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式中壓力波信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式中管道內(nèi)檢測器實(shí)時(shí)跟蹤定位系統(tǒng)框圖；

圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式中信號(hào)調(diào)理模塊電路原理圖；

圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式中A/D轉(zhuǎn)換模塊與FPGA中央處理單元接口電路圖；

圖5是本發(fā)明具體實(shí)施方式中基于所述壓力波信號(hào)發(fā)生器的管道內(nèi)檢測器實(shí)時(shí)跟蹤定位方法流程圖；

圖6是本發(fā)明具體實(shí)施方式中步驟4流程圖；

圖7是本發(fā)明具體實(shí)施方式中實(shí)時(shí)跟蹤定位原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說明。

本實(shí)施方式提供一種如圖1所示的壓力波信號(hào)發(fā)生器，安裝在管道內(nèi)檢測器法蘭1上，所述壓力波信號(hào)發(fā)生器隨管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)部前進(jìn)時(shí)產(chǎn)生壓力波信號(hào)；

所述壓力波信號(hào)發(fā)生器包括：取力輪4、支臂5、擺動(dòng)臂6、第一齒輪7、釋放器8、彈簧9、運(yùn)動(dòng)副10、螺桿11、減速機(jī)12、第二齒輪13；

管道內(nèi)檢測器法蘭1上設(shè)置第一支撐點(diǎn)2、第二支撐點(diǎn)3，取力輪4通過支臂5連接到第一支撐點(diǎn)2，擺動(dòng)臂6連接到第二支撐點(diǎn)3，擺動(dòng)臂6上安裝有釋放器8，釋放器8通過彈簧9與運(yùn)動(dòng)副10連接，運(yùn)動(dòng)副10通過螺桿11連接減速機(jī)12，取力輪4上安裝有第一齒輪7，減速機(jī)12連接有第二齒輪13，第一齒輪7、第二齒輪13嚙合。

本裝置采用最簡單的純機(jī)械式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，加工制作成本低，安全可靠；通過調(diào)節(jié)第一齒輪與第二齒輪的齒數(shù)之間的比值關(guān)系，可以決定運(yùn)動(dòng)副的直線往復(fù)速度，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)擺動(dòng)臂的擺動(dòng)頻率，產(chǎn)生不同頻率和幅值的壓力波；另外，本裝置能夠持續(xù)產(chǎn)生壓力波，且不需要耗費(fèi)電能，節(jié)約了能源，適合長距離管道中使用。

本實(shí)施方式中，采用如圖2所示的管道內(nèi)檢測器實(shí)時(shí)跟蹤定位系統(tǒng)，包括：

安裝在管道首端和末端的首端壓力傳感器模塊和末端壓力傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA中央處理單元；

管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)部前進(jìn)時(shí)，壓力波信號(hào)發(fā)生器周期性產(chǎn)生壓力波，首端壓力傳感器模塊、末端壓力傳感器模塊分別采集傳播到管道首端、末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，首端壓力傳感器模塊的輸出端、末端壓力傳感器模塊的輸出端分別連接各自的信號(hào)調(diào)理模塊，信號(hào)調(diào)理模塊連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接FPGA中央處理單元的輸入端。

首端壓力傳感器模塊、末端壓力傳感器模塊將傳播到管道首端、末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，本實(shí)施方式的系統(tǒng)以采集到的壓力值作為研究對(duì)象，所以壓力傳感器的靈敏度比較重要，但是再高精度的靈敏度也無法濾除壓力信號(hào)本身的噪聲，因此只要選擇合適的傳感器即可，不用過分追求高靈敏度。

信號(hào)調(diào)理模塊的電路原理如圖3所示，該模塊實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的濾波和放大，壓力傳感器模塊的輸出首先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊的濾波電路濾波，然后連接到運(yùn)算放大器的反相輸入端，同相輸入端接2.5V的參考電壓，運(yùn)算放大器的輸出端連接合適的電阻、電容進(jìn)行濾波，其中運(yùn)算放大器的型號(hào)為AD824。

A/D轉(zhuǎn)換模塊與FPGA中央處理單元的接口電路圖如圖4所示，A/D轉(zhuǎn)換模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接FPGA中央處理單元的自定義I/O口；其中，A/D轉(zhuǎn)換模塊的型號(hào)為ADS7844，F(xiàn)PGA中央處理單元的型號(hào)為EP3C25Q240C8。

所述FPGA中央處理單元，設(shè)有：

相空間重構(gòu)模塊：采集管道首端、管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，并進(jìn)行相空間重構(gòu)；

模型構(gòu)建模塊：構(gòu)建并訓(xùn)練壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁，并利用訓(xùn)練好的壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型對(duì)壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃進(jìn)行同構(gòu)；

信號(hào)檢測模塊：從相空間重構(gòu)后的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)中檢測出壓力波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間t₁^*、到達(dá)管道末端的時(shí)間t₂^*；

跟蹤定位模塊：根據(jù)壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)刻t₁^*和壓力波信號(hào)到達(dá)管道末端的時(shí)刻t₂^*，計(jì)算管道內(nèi)檢測器到管道末端的距離，完成管道內(nèi)檢測器跟蹤定位。

所述相空間重構(gòu)模塊，包括：

計(jì)算模塊：獲取管道首端、管道末端的歷史壓力信號(hào)，計(jì)算最佳嵌入維數(shù)和延遲時(shí)間；

相空間重構(gòu)模塊：采集管道首端、管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，根據(jù)最佳嵌入維數(shù)m和延遲時(shí)間τ對(duì)實(shí)時(shí)壓力信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu)。

所述模型構(gòu)建模塊，包括：

構(gòu)建模塊：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)離線構(gòu)建壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁，輸入為t時(shí)刻以前的壓力信號(hào)，輸出為t+1時(shí)刻的壓力信號(hào)；

訓(xùn)練模塊：利用實(shí)時(shí)壓力信號(hào)及歷史壓力信號(hào)訓(xùn)練壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁；

同構(gòu)模塊：同構(gòu)壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃。

所述信號(hào)檢測模塊，包括：

信號(hào)檢測模塊：將相空間重構(gòu)后的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)分別輸入到壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁、壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃，利用壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)預(yù)測值利用壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)實(shí)際值x_n+1，利用壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)同步值n＝N-(m-1)τ，N是歷史壓力信號(hào)的個(gè)數(shù)，m為最佳嵌入維數(shù)，τ為延遲時(shí)間；

預(yù)測誤差判斷模塊：計(jì)算預(yù)測誤差T₁為設(shè)定的預(yù)測誤差閾值；若E₁＞T₁，則轉(zhuǎn)去記錄模塊；

模型誤差判斷模塊：計(jì)算模型誤差T₂為設(shè)定的模型誤差閾值；若E₂＞T₂，更新壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃；

同步誤差判斷模塊：計(jì)算同步誤差T₃為設(shè)定的同步誤差閾值；若E₃＞T₃，轉(zhuǎn)去同步更新模塊；

同步更新模塊：根據(jù)壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃的結(jié)構(gòu)同步壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁；

記錄模塊：記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間或壓力波信號(hào)到達(dá)管道末端的時(shí)間：若當(dāng)前輸入的是管道首端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，則記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間若當(dāng)前輸入的是管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，則記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道末端的時(shí)間

本實(shí)施方式中，管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，上述壓力波信號(hào)發(fā)生器周期性產(chǎn)生壓力波信號(hào)，可以通過安裝在管道首端和末端的首端壓力傳感器模塊、末端壓力傳感器模塊分別采集傳播到管道首端、末端的壓力信號(hào)，并將它們轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；轉(zhuǎn)換后的首端電信號(hào)、末端電信號(hào)分別經(jīng)各自的信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行濾波、放大后，送入各自的A/D轉(zhuǎn)換模塊；A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后把它們送入FPGA中央處理單元進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

一種基于所述壓力波信號(hào)發(fā)生器的管道內(nèi)檢測器實(shí)時(shí)跟蹤定位方法，如圖5所示，包括：

步驟1：管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)部前進(jìn)時(shí)，取力輪緊貼管壁向前滾動(dòng)，帶動(dòng)安裝在取力輪上的第一齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，第一齒輪驅(qū)動(dòng)第二齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，彈簧蓄力過程，驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)臂上移，蓄力到設(shè)定值時(shí)，釋放器動(dòng)作，在彈簧力的驅(qū)動(dòng)下，擺動(dòng)臂繞第二支撐點(diǎn)回位，產(chǎn)生一次壓力波；

步驟2：采集管道首端、管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，并進(jìn)行相空間重構(gòu)；

所述步驟2具體包括：

步驟2.1：獲取管道首端、管道末端的歷史壓力信號(hào){x_t，t＝0，1，2，…，N}(不含壓力波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的壓力波信號(hào))，其中，x_t是歷史t時(shí)刻的壓力信號(hào)，N是歷史壓力信號(hào)的個(gè)數(shù)，計(jì)算最佳嵌入維數(shù)m和延遲時(shí)間τ；最佳嵌入維數(shù)m是采用偽近鄰法求得的，延遲時(shí)間τ是采用互分析法求得的，m取5，τ取4；

步驟2.2：采集管道首端、管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)(含壓力波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的壓力波信號(hào))，根據(jù)最佳嵌入維數(shù)m和延遲時(shí)間τ對(duì)實(shí)時(shí)壓力信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu)。

實(shí)時(shí)采集管道內(nèi)壓力信號(hào)(含壓力波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的壓力波信號(hào))，根據(jù)最佳嵌入維數(shù)m和延遲時(shí)間τ對(duì)實(shí)時(shí)壓力信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu)，得到相空間重構(gòu)的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)：

X_t^T＝(x_t，x_t+τ，x_t+2τ，…，x_t+(m-1)τ)

利用相空間重構(gòu)的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)X_t構(gòu)造n×m維相空間矩陣為

V＝(X₁，X₂，…，X_M)^T

其中，V是相空間矩陣，M＝1，2，…，n，n＝N-(m-1)τ。

步驟3：構(gòu)建并訓(xùn)練壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁，同構(gòu)壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃；

所述步驟3具體包括：

步驟3.1：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)離線構(gòu)建壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁，輸入為t時(shí)刻以前的壓力信號(hào)X_t，輸出為t+1時(shí)刻的壓力信號(hào)x_t+5×4；

步驟3.2：利用實(shí)時(shí)壓力信號(hào)及歷史壓力信號(hào)訓(xùn)練壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁；

步驟3.3：同構(gòu)壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃。

步驟4：從相空間重構(gòu)后的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)中檢測出壓力波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間到達(dá)管道末端的時(shí)間

鑒于不同管段狀況和不同時(shí)間的工況調(diào)整，離線訓(xùn)練的壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁適用時(shí)間較短，若不更新壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁則會(huì)導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確，若實(shí)時(shí)更新壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁則會(huì)引起計(jì)算量驟增，從而導(dǎo)致對(duì)壓力波信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)檢測失敗。為了解決上述問題，本實(shí)施方式對(duì)壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃進(jìn)行實(shí)時(shí)同步更新，確保其預(yù)測輸出的準(zhǔn)確性，由于對(duì)壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃進(jìn)行的實(shí)時(shí)同步更新不會(huì)影響信號(hào)檢測的性能，而對(duì)壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁進(jìn)行不確定時(shí)間間隔更新，即當(dāng)壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁預(yù)測不準(zhǔn)時(shí)利用壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃對(duì)其進(jìn)行同構(gòu)更新，這樣，在保證預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，提高了微弱壓力波信號(hào)的檢測速度。

如圖6所示，所述步驟4具體包括：

步驟4.1：將相空間重構(gòu)后的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)分別輸入到壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁、壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂和壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃，利用壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)預(yù)測值利用壓力波混沌狀態(tài)實(shí)時(shí)模型M₂輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)實(shí)際值x_n+1，利用壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃輸出下一時(shí)刻的壓力信號(hào)同步值

步驟4.2：計(jì)算預(yù)測誤差T₁為設(shè)定的預(yù)測誤差閾值；若E₁＞T₁，執(zhí)行步驟4.6；

步驟4.3：計(jì)算模型誤差T₂為設(shè)定的模型誤差閾值；若E₂＞T₂，更新壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃；

步驟4.4：計(jì)算同步誤差T₃為設(shè)定的同步誤差閾值。若E₃＞T₃，進(jìn)行步驟4.5；

步驟4.5：根據(jù)壓力波混沌狀態(tài)同步模型M₃的結(jié)構(gòu)同步壓力波混沌狀態(tài)預(yù)測模型M₁，返回步驟4.1；

步驟4.6：記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間或壓力波信號(hào)到達(dá)管道末端的時(shí)間：若當(dāng)前輸入的是管道首端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，則記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)間若當(dāng)前輸入的是管道末端的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，則記錄當(dāng)前時(shí)刻為壓力波信號(hào)到達(dá)管道末端的時(shí)間

步驟5：根據(jù)壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)刻和壓力波信號(hào)到達(dá)管道首端的時(shí)刻計(jì)算管道內(nèi)檢測器到管道末端的距離，完成管道內(nèi)檢測器跟蹤定位；

如圖7所示，L₀為管道首端到管道末端的距離，管道內(nèi)油體流速為a，壓力波在管道內(nèi)油體中的傳播速度為v。設(shè)當(dāng)t₀時(shí)刻管道內(nèi)檢測器在管道中距離管道末端L_x時(shí)，管道內(nèi)檢測器攜帶的壓力波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生壓力波信號(hào)，該壓力波信號(hào)在管道中經(jīng)過時(shí)長t_s傳輸?shù)焦艿朗锥?，到達(dá)管道首端時(shí)刻為該壓力波信號(hào)在管道中經(jīng)過時(shí)長t_e傳輸?shù)焦艿滥┒耍竭_(dá)管道末端時(shí)刻為根據(jù)圖7所示的管道負(fù)壓波泄漏定位原理，由于管道內(nèi)油體流速a相對(duì)于壓力波在管道內(nèi)油體中的傳播速度v很小，忽略管道內(nèi)油體流速a。因此，通過下式計(jì)算出管道內(nèi)檢測器到管道末端的距離；

其中，L₀為管道首端到管道末端的距離，v為壓力波信號(hào)在管道內(nèi)介質(zhì)(油體)中的傳播速度，L_x為管道內(nèi)檢測器到管道末端的距離。

與現(xiàn)有管道內(nèi)檢測器定位方法相比，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)檢測器的實(shí)時(shí)追蹤和卡堵定位，定位精度高，追蹤范圍較大，不受管道埋地深度和管壁厚度限制；利用FPGA中央處理單元的多總線并行處理機(jī)制，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度；利用混沌系統(tǒng)對(duì)初值的敏感性和對(duì)噪聲的免疫能力，提高了對(duì)淹沒在噪聲中的微弱壓力波信號(hào)的檢測能力，降低了系統(tǒng)對(duì)信噪比的要求。