本發(fā)明涉及信號與信息處理技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種滲漏預(yù)警方法。

背景技術(shù)：

管道滲漏時，流體介質(zhì)高速穿過滲漏空隙，由于震動、摩擦、減速、膨脹、撞擊等，流體產(chǎn)生雷諾應(yīng)力或剪切力，形成滲漏噪聲。滲漏聲波以非頻散的平面波和頻散的高階聲模態(tài)形式在管道流體中傳播，受流體和管道衰減特性影響，隨著傳播距離增大，噪聲強度迅速減弱。利用管道滲漏時產(chǎn)生噪聲這一特點，國內(nèi)外已經(jīng)研制出多種管網(wǎng)滲漏檢測/監(jiān)測設(shè)備(例如：聽漏儀、相關(guān)儀、滲漏預(yù)警等),噪聲檢測方法也是給水管網(wǎng)當(dāng)前主要使用方法。

由于滲漏噪聲極其微弱，易受環(huán)境噪聲干擾，如何正確識別滲漏噪聲，需要對滲漏噪聲和環(huán)境噪聲各自的特點進行分析。理論和實際測試證明：管道環(huán)境噪聲屬于高斯白噪聲，頻譜功率分布符合高斯分布；相對環(huán)境噪聲，在滲漏噪聲傳播途徑中任一點，滲漏噪聲具有較穩(wěn)定的噪聲強度和頻譜分布特征。其中噪聲強度特征判別方法也是當(dāng)前國外主流滲漏預(yù)警產(chǎn)品(例如：英國豪邁)普遍采用的方法。

采用噪聲強度特征判別方法，一般選擇在夜間2:00～4:00期間采集噪聲數(shù)據(jù)，主要目的是為了降低環(huán)境噪聲干擾，降低誤報和漏報概率。采集時，按照固定間隔T秒(一般5～10秒，不同廠家略有不同)采集噪聲數(shù)據(jù)并計算噪聲強度，采集總次數(shù)N次(一般N>＝1000次)，為了便于分析，將N次采集到的噪聲強度離散序列定義為F(t)，同時定 義強度范圍閾值Vth(一般設(shè)置5db左右，不同廠家略有不同)和切除值Vcut(一般設(shè)置20db左右，不同廠家略有不同)，滲漏判定方法：

1、當(dāng)MIN(F(t)>＝Vcut且MAX(F(t))-MIN(F(t))<＝Vth時，有滲漏發(fā)生；

2、當(dāng)MIN(F(t)<Vcut或MAX(F(t))-MIN(F(t))>Vth時，無滲漏發(fā)生；

其中MAX()取序列最大值，MIN()取序列最小值。這種方法主要依據(jù)滲漏噪聲強度相對穩(wěn)定，而環(huán)境噪聲隨機性較強的特征判定滲漏是否發(fā)生。

雖然滲漏強度特征判別算法具有算法簡單、硬件成本低等優(yōu)點，但抗干擾性能差，只能在夜間使用，存在誤報率和漏報率普遍偏高等不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種新型滲漏預(yù)警方法，以解決當(dāng)前滲漏預(yù)警算法抗干擾性能差，只能在夜間使用，不能24小時監(jiān)測，存在誤報率和漏報率普遍偏高等技術(shù)問題。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種新型滲漏預(yù)警方法，包括：自適應(yīng)頻譜消噪、頻譜相關(guān)算法和預(yù)警三個步驟；

(1)自適應(yīng)頻譜消噪，

通過采集單元的傳感器拾取管道微弱的滲漏噪聲樣本，定義連續(xù)兩次采集間隔為TS；定義單次采集時長為TL；定義一次完整采集過程，即采集間隔+采集時長，為一個采集周期TP，則TP＝TS+TL；

將連續(xù)m個采集周期定義為一個消噪周期TF；定義調(diào)整系數(shù)數(shù)組G[n]，其中n＝2*m+1，令G[n]＝{-1/2，-1/4，.....-1/2m,0，1/2m,.....1/4，1/2}；

為每個頻點定義一個學(xué)習(xí)變量g，且0≤g<n，學(xué)習(xí)變量g用于指明當(dāng)前頻點調(diào)整系數(shù)的位置,對應(yīng)于G[n]數(shù)組的下標(biāo)，且學(xué)習(xí)變量g初始化為m； 對每次采集數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT變換，并獲得輸入幅度譜為Vi；定義學(xué)習(xí)幅度譜Vb；在每個采集周期對輸入幅度譜Vi與學(xué)習(xí)幅度譜Vb逐個頻點進行比較，并按如下方式進行調(diào)整:

首先逐頻點調(diào)整學(xué)習(xí)變量:

然后，逐頻點調(diào)整學(xué)習(xí)幅度譜:Vb(n)＝Vb(n)*(1+G[g(n)])；

(2)頻譜相關(guān)算法，

對接收到的最新幅度譜和前一消噪周期幅度譜執(zhí)行相關(guān)運算，獲得頻譜相關(guān)系數(shù)值；

保存接新收到的幅度譜到內(nèi)部變量；

(3)預(yù)警，

對接收到的相關(guān)度值進行統(tǒng)計分析，當(dāng)連續(xù)一定時間內(nèi)，相關(guān)度值≥0.8時，判斷滲漏發(fā)生。

本發(fā)明的優(yōu)點及效果如下：

本發(fā)明采用自適應(yīng)頻譜消噪算法消除環(huán)境噪聲的影響；采用頻譜相關(guān)算法綜合評估噪聲強度和頻譜分布特征，所以本發(fā)明算法具有較好的抗干擾性能、極低的誤報和漏報 率、適合24小時持續(xù)監(jiān)測，滿足滲漏預(yù)警實時性要求等特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明算法流程示意圖；

圖2是本發(fā)明的采集周期、消噪周期等時序示意圖；

圖3是本發(fā)明的頻譜相關(guān)時序示意圖；

圖4是本發(fā)明自適應(yīng)頻譜消噪算法示意圖；

圖5是本發(fā)明的實施方式的示例自適應(yīng)頻譜消噪算法流程圖；

圖6是本發(fā)明的實施方式的示例頻譜相關(guān)算法流程圖；

圖7是本發(fā)明的實施方式的示例預(yù)警分析算法流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

受水流體和管道衰減特性影響，滲漏噪聲在傳播過程中高頻衰減速度要遠高于低頻衰減速度，因此可采集滲漏噪聲頻率主要分布在50～2Khz范圍內(nèi)，根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)高于4Khz，實際應(yīng)用中一般取8Khz采樣頻率。

根據(jù)滲漏噪聲特點：具有相對穩(wěn)定的噪聲強度和頻譜分布特征。本算法綜合依據(jù)噪聲強度和頻譜分布特征，從頻域?qū)υ肼晹?shù)據(jù)進行處理和分析，算法處理流程如圖1所示；

每次采集噪聲數(shù)據(jù)首先經(jīng)FFT(快速傅里葉)變換，獲得噪聲頻域信息；后經(jīng)“自適應(yīng)頻譜消噪”算法消除環(huán)境噪聲影響，保留相對穩(wěn)定的滲漏噪聲信息；消噪后數(shù)據(jù)由“頻譜相關(guān)分析”算法在依照消噪周期進行頻譜相關(guān)性運算，獲得噪聲時間上相關(guān)性程度；相關(guān)結(jié)果由“預(yù)警分析”模塊進行統(tǒng)計分析，確認是否滲漏發(fā)生。

為了便于說明算法工作過程，定義連續(xù)兩次采集間隔為TS,定義單次采集時長為TL，定義一次完整采集過程(采集間隔+采集時長)為一個采集周期TP，則TP＝TS+TL。將連續(xù)m個采集周期定義為一個消噪周期TF，如圖2(本發(fā)明的采集周期、消噪周期等時序示意圖，注：圖中m＝5)所示:

每個采集周期TP采集一次噪聲數(shù)據(jù)，采集時長TL，采集數(shù)據(jù)首先經(jīng)FFT運算，獲得輸入幅度譜，然后由“自適應(yīng)頻譜消噪”算法處理以消除環(huán)境干擾噪聲；每經(jīng)過一個消噪周期TF，將當(dāng)前消噪后幅度譜和前一消噪周期幅度譜執(zhí)行“頻譜相關(guān)分析”運算，獲得噪聲相關(guān)系數(shù)r(i)。如圖3(本發(fā)明的頻譜相關(guān)時序示意圖，注：圖中m＝5)所示。

計算出的相關(guān)系數(shù)r(i)由“預(yù)警分析”模塊進行統(tǒng)計處理，判斷滲漏是否發(fā)生。(注：實際測試表明：當(dāng)TS≥5秒；TL≥1秒；m≥5時，性能表現(xiàn)最佳。)

為了更好的說明本發(fā)明，以下對各個部分進行詳細闡述：

自適應(yīng)頻譜消噪部分：

理論和實踐證明:管道環(huán)境噪聲屬于高斯白噪聲，頻譜功率分布符合高斯分布；而滲漏噪聲具有較穩(wěn)定的噪聲強度和較穩(wěn)定的頻譜分布。針對上述環(huán)境噪聲和滲漏噪聲的特點，設(shè)計如圖4(自適應(yīng)頻譜消噪算法示意圖)所示自適應(yīng)消噪模型。

為了說明自適應(yīng)消噪的工作原理，首先定義調(diào)整系數(shù)數(shù)組G[n]，其中n＝2*m+1，令G[n]＝{-1/2，-1/4，.....-1/2m,0，1/2m,.....1/4，1/2}；如果設(shè)m＝5，即5個采集周期定義為一個濾波周期，則調(diào)整系數(shù)數(shù)組G(n)＝{-1/2，-1/4，-1/8，-1/16，-1/32，0，1/32，1/16，1/8，1/4，1/2}。為每個頻點定義一個學(xué)習(xí)變量g，且0≤g<n，學(xué)習(xí)變量g用于指明當(dāng)前頻點調(diào)整系數(shù)的位置,對應(yīng)于G[n]數(shù)組的下標(biāo)，初始采集時，學(xué)習(xí)變量g設(shè)置為m。對每次采集數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT變換，并獲得輸入幅度譜為Vi；定義學(xué)習(xí)幅度譜Vb,學(xué)習(xí)幅度譜Vb用于跟蹤學(xué)習(xí)輸入噪聲變化，依照環(huán)境噪聲時間隨機性 強的特征，消除環(huán)境噪聲影響，最終得到消噪后的噪聲幅度譜。

工作時，采集數(shù)據(jù)經(jīng)FFT(快速傅里葉)變換并計算獲得輸入幅度譜Vi，將輸入幅度譜Vi與學(xué)習(xí)幅度譜Vb逐個頻點進行比較，并按照下述方式運算：

首先逐頻點調(diào)整學(xué)習(xí)變量:

然后，逐頻點調(diào)整學(xué)習(xí)幅度譜:Vb(n)＝Vb(n)*(1+G[g(n)])；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的示例自適應(yīng)頻譜消噪算法流程圖，首先對采集數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT變換，并計算獲得輸入幅度譜Vi；然后逐頻點比較輸入幅度譜Vi和學(xué)習(xí)幅度譜Vb，獲得頻譜變化狀態(tài)；根據(jù)獲得的頻譜變化狀態(tài)，調(diào)整學(xué)習(xí)變量g及學(xué)習(xí)幅度譜Vb；當(dāng)完成一個消噪周期，將學(xué)習(xí)幅度譜Vb傳遞給下一級進行處理。

頻譜相關(guān)分析部分：

頻譜相關(guān)分析中我們選擇簡單相關(guān)系數(shù)算法，又稱皮爾遜相關(guān)系數(shù)或“皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)”，它描述了兩個定距變量間聯(lián)系的緊密程度，是一種線性相關(guān)系數(shù)。皮爾森相關(guān)系數(shù)是用來反映兩個變量線性相關(guān)程度的統(tǒng)計量，相關(guān)系數(shù)用r表示。

在一個完整的消噪周期后，經(jīng)過自適應(yīng)頻譜消噪的幅度譜數(shù)據(jù)，同前一個消噪周期的幅度譜數(shù)據(jù)，依照皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式展開運算，獲取不同時間滲漏噪聲的關(guān)聯(lián)程度。運算公式如下：

此種方法，將幅度譜數(shù)據(jù)直接作為相關(guān)分析的輸入數(shù)據(jù)展開運算，相關(guān)結(jié)果綜合體現(xiàn)了滲漏噪聲強度和頻譜分布特征。相對于單純依賴噪聲強度方法，具有更好的準確性和客觀性，有利于降低滲漏誤報概率。

獲得的頻譜相關(guān)系數(shù)r，取值范圍為[-1,1]，r>0表示正相關(guān)，r<0表示負相關(guān)，|r|表示了變量之間相關(guān)程度的高低。特殊地，r＝1稱為完全正相關(guān)，r＝-1稱為完全負相關(guān)，r＝0稱為不相關(guān)。理論和實踐證實，當(dāng)|r|大于等于0.8時，既認為兩個變量有很強的線性相關(guān)性。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的示例頻譜相關(guān)算法流程圖，首先對當(dāng)前學(xué)習(xí)幅度譜Vb和前一消噪周期的幅度譜VPREV做相關(guān)分析，獲得相關(guān)系數(shù)r值；之后將Vb保存到VPREV中；最后將計算的相關(guān)系數(shù)r值傳遞給預(yù)警分析進行處理。

預(yù)警分析原理：

經(jīng)頻譜相關(guān)分析，獲得的相關(guān)系數(shù)r值，由預(yù)警分析算法完成一定時間的信號相關(guān)度統(tǒng)計與預(yù)警處理，根據(jù)當(dāng)前滲漏預(yù)警的實際應(yīng)用和實際測試表明：當(dāng)連續(xù)時間≥60分鐘所有獲得的r值≥0.8時，管道滲漏發(fā)生；當(dāng)不滿足上述條件時，管道無滲漏。采用這種預(yù)警判斷方式相對于傳統(tǒng)僅夜間采集與預(yù)警方式，可以做到24小時監(jiān)測，擁有更好的實時性和實用性。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的示例預(yù)警分析算法流程圖，對相關(guān)分析得到的相關(guān)系數(shù)r值進行統(tǒng)計，如果r≥0.8，則連續(xù)相關(guān)次數(shù)變量TC＝TC+1；否則TC＝0；判斷連續(xù)相關(guān)次數(shù)變量TC是否超過預(yù)警次數(shù)(例如60次，預(yù)警次數(shù)＝預(yù)警時間/TF)，如果超過預(yù)警次數(shù)，則預(yù)警輸出。

以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。

此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。