一種基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法，所述檢測(cè)方法包括：提供待測(cè)管道的負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)，采用反演方法學(xué)習(xí)訓(xùn)練時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模型；比較該模型的參數(shù)與負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)；采用參數(shù)化協(xié)作的方法進(jìn)行稀疏編碼，實(shí)現(xiàn)過(guò)完備字典的訓(xùn)練學(xué)習(xí)；對(duì)稀疏編碼的編碼誤差進(jìn)行判斷；確立負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)的稀疏表示方法，并根據(jù)稀疏表示的特征抽取方法進(jìn)行待測(cè)管道運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別，根據(jù)稀疏表示的波形分解方法進(jìn)行待測(cè)管道的泄漏點(diǎn)定位。通過(guò)本發(fā)明所述的檢測(cè)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的利用負(fù)壓波法檢測(cè)管道緩慢泄漏時(shí)效果不佳以及利用小波變換等進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)無(wú)法靈活表示實(shí)際信號(hào)復(fù)雜性的問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè) 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及流體輸送管道的故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于負(fù)壓波信號(hào) 稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 防止管道生產(chǎn)事故的發(fā)生是管道安全管理中的一項(xiàng)很重要的工作，隨著世界各國(guó) 管道建設(shè)的快速發(fā)展，管道事故也頻繁發(fā)生，管道泄漏事故一旦發(fā)生，不僅造成大量財(cái)產(chǎn)損 失，泄漏的有毒化學(xué)物質(zhì)還會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染和資源的浪費(fèi)，更為嚴(yán)重的是能帶來(lái)人身傷亡 事故。
[0003] 為了能有效的預(yù)防管道事故，管道泄漏檢測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)，近年來(lái)，隨著計(jì)算 機(jī)技術(shù)的發(fā)展，管道泄漏檢測(cè)技術(shù)正向軟硬件結(jié)合的方向發(fā)展。目前，根據(jù)管道壓力數(shù)據(jù)進(jìn) 行管道泄漏檢測(cè)的方法大體分為兩類(lèi):一類(lèi)是基于負(fù)壓波的檢測(cè)方法，另一類(lèi)是對(duì)壓力信 號(hào)進(jìn)行特征提取的方法。
[0004] 基于負(fù)壓波的檢測(cè)方法是管道泄漏檢測(cè)的常用方法，當(dāng)管道因機(jī)械、人為、材料失 效等原因發(fā)生泄漏時(shí)，管內(nèi)的流體物質(zhì)在內(nèi)外壓差作用下迅速流失，局部流體密度減小導(dǎo) 致瞬時(shí)壓力下降，稱(chēng)之為負(fù)壓波(減壓波）；由于管壁的波導(dǎo)作用，負(fù)壓波傳播過(guò)程衰減較 小，可以傳播相當(dāng)遠(yuǎn)的距離；利用負(fù)壓波通過(guò)上、下游測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間差及傳播速度，可以確 定泄漏點(diǎn)位置。在實(shí)際管道運(yùn)行過(guò)程中，栗、閥的正常作業(yè)也會(huì)引起負(fù)壓波，根據(jù)泄漏引起 的負(fù)壓波與正常工況操作引起的負(fù)壓波波形特征的區(qū)別，可進(jìn)行泄漏檢測(cè)和運(yùn)行狀態(tài)識(shí) 另IJ。由于負(fù)壓波法只需檢測(cè)管線(xiàn)兩端的壓力信號(hào)，不需檢測(cè)管道其他參數(shù)，在快速泄漏時(shí)具 有較高的靈敏度和精度，所以負(fù)壓波法在工程實(shí)際中取得廣泛應(yīng)用。
[0005] 基于負(fù)壓波的檢測(cè)方法實(shí)際應(yīng)用中面臨的主要問(wèn)題是緩慢泄漏檢測(cè)效果不佳，由 于泄漏位置、管道結(jié)構(gòu)特征、管材摩阻、周?chē)h(huán)境等因素影響，以及各種工況調(diào)節(jié)引起的壓 力脈動(dòng)干擾，緩慢泄漏時(shí)微弱的負(fù)壓波信號(hào)經(jīng)常被復(fù)雜噪聲和干擾所淹沒(méi);所以，基于負(fù)壓 波的緩慢泄漏檢測(cè)就轉(zhuǎn)化為復(fù)雜背景噪聲下的微弱信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題。
[0006] 信號(hào)表示是信號(hào)處理的基礎(chǔ)性問(wèn)題，在一定程度上對(duì)信號(hào)處理和模式識(shí)別算法的 性能起決定性作用。傳統(tǒng)的信號(hào)表示方法，如傅立葉變換，離散余弦變換(DCT)，小波變換 等，采用正交基進(jìn)行空間變換，正交基對(duì)自然界中物理過(guò)程的描述具有抽象性、緊湊性、唯 一性，但是對(duì)于實(shí)際信號(hào)來(lái)說(shuō)，很少信號(hào)在常見(jiàn)正交基上表現(xiàn)出稀疏性，固定的正交基不能 靈活的表示實(shí)際信號(hào)的復(fù)雜性。
[0007]鑒于此，有必要設(shè)計(jì)一種新的基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢 測(cè)方法來(lái)解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏 表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中采用負(fù)壓波檢測(cè)方法對(duì)管道緩慢 泄漏檢測(cè)效果不佳以及采用小波變換等信號(hào)表示方法無(wú)法靈活的表現(xiàn)實(shí)際信號(hào)復(fù)雜性的 問(wèn)題。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油 氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法，所述檢測(cè)方法包括：
[0010] 1):提供待測(cè)管道的負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)；
[0011] 2):根據(jù)負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)，采用反演方法學(xué)習(xí)訓(xùn)練時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模 型；
[0012] 3):比較時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模型的參數(shù)與負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)：如果該參數(shù) 與負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足誤差范圍要求，則跳轉(zhuǎn)至2);如果該參數(shù)與負(fù)壓波信號(hào)樣本 數(shù)據(jù)滿(mǎn)足誤差范圍要求，則跳轉(zhuǎn)至4);
[0013] 4):采用參數(shù)化協(xié)作的方法進(jìn)行稀疏編碼，實(shí)現(xiàn)過(guò)完備字典的訓(xùn)練學(xué)習(xí)；
[0014] 5):對(duì)稀疏編碼的編碼誤差進(jìn)行判斷：如果誤差不可容忍，則跳轉(zhuǎn)至4);如果誤差 可容忍，則生成多分辨率過(guò)完備字典，并跳轉(zhuǎn)至6);
[0015] 6):確立負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)的稀疏表示方法，并根據(jù)稀疏表示的特征抽取方法 進(jìn)行待測(cè)管道運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別，如果待測(cè)管道未發(fā)生泄漏，則跳轉(zhuǎn)至1);如果待測(cè)管道發(fā)生 泄漏，根據(jù)稀疏表示的波形分解方法進(jìn)行待測(cè)管道的泄漏點(diǎn)定位。
[0016] 優(yōu)選地，所述2)中反演方法為根據(jù)負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)生成時(shí)空變異算子擬合數(shù) 學(xué)模型，再根據(jù)該模型得出模型參數(shù)。
[0017] 優(yōu)選地，所述4)中參數(shù)化協(xié)作稀疏編碼的方法進(jìn)行過(guò)完備字典的參數(shù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)包 括：
[0018] 4.1):針對(duì)每個(gè)樣本信號(hào)Yt進(jìn)行多分辨率分解，得到每個(gè)子頻帶信號(hào)(Y t)i;
[0019] 4.2):根據(jù)下式對(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào)(Yt)1進(jìn)行稀疏編碼：
[0020]
[0021]其中，（Xt)1S對(duì)子頻帶信號(hào)(。^進(jìn)行稀疏編碼，（D^1) 1為前面t-Ι個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí) 得到的字典，Xi為子頻帶信號(hào)(Yt) i在子字典上的稀疏分解系數(shù)向量，λ為超參；
[0022] 4.3):根據(jù)下式進(jìn)行字典學(xué)習(xí)：
[0023]
[0024]其中，（Dt)1S針對(duì)第t個(gè)樣本信號(hào)，子頻帶i經(jīng)學(xué)習(xí)得到的多分辨率過(guò)完備字典， (Yj)1為對(duì)樣本信號(hào)乃進(jìn)行多分辨率分解，得到的子頻帶信號(hào)，（Xj) 1為子頻帶信號(hào)(^:在子 字典上的稀疏分解系數(shù)向量，D(Xj)1為前面j個(gè)樣本信號(hào)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)得到的字典，t為樣本信號(hào) 數(shù)量。
[0025] 優(yōu)選地，所述6)特征抽取方法包括：
[0026] 6.1):將時(shí)域內(nèi)的負(fù)壓波信號(hào)轉(zhuǎn)換到稀疏域；
[0027] 6.2):通過(guò)特征計(jì)算提取稀疏特征向量；
[0028] 6.3):通過(guò)分類(lèi)器對(duì)所述稀疏特征向量進(jìn)行分類(lèi)。
[0029] 優(yōu)選地，所述6)波形分解方法包括：
[0030] 6.1):將負(fù)壓波信號(hào)分離為固定時(shí)延信號(hào)、非固定時(shí)延信號(hào)以及隨機(jī)非平穩(wěn)信號(hào) 三種成分；
[0031] 6.2):分別針對(duì)三種信號(hào)成分在反映其各自信號(hào)特征的多分辨率過(guò)完備字典上進(jìn) 行稀疏分解，并進(jìn)行負(fù)壓波信號(hào)在各自子空間內(nèi)的投影；
[0032] 6.3):對(duì)所述負(fù)壓波信號(hào)的波形進(jìn)行形態(tài)分析與鑒別判斷，并采用時(shí)延估計(jì)方法 計(jì)算相對(duì)時(shí)間延遲；
[0033] 6.4):根據(jù)定位公式I1,12= (1土)/2,計(jì)算泄漏點(diǎn)的位置，其中，1為待測(cè)管道 的路徑長(zhǎng)度，V為傳播速度，Iv為相對(duì)時(shí)間延遲，I1U2分別為泄漏點(diǎn)到達(dá)待測(cè)管道兩端傳感 器的長(zhǎng)波路徑長(zhǎng)度。
[0034]優(yōu)選地，所述5)多分辨率過(guò)完備字典通過(guò)進(jìn)行固定長(zhǎng)度的字典訓(xùn)練學(xué)習(xí)生成。 [0035]優(yōu)選地，所述固定時(shí)延信號(hào)為干擾信息的載體，所述非固定時(shí)延信號(hào)為泄漏信息 的載體，所述隨機(jī)非平穩(wěn)信號(hào)為背景噪聲的載體。
[0036]優(yōu)選地，所述2)時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模型包括衰減模型、變異模型、幾何變換模 型、和多項(xiàng)式逼近模型。
[0037] 優(yōu)選地，所述衰減模型包括指數(shù)模型、雙曲線(xiàn)模型、類(lèi)雙曲線(xiàn)模型和冪指函數(shù)模 型。
[0038] 優(yōu)選地，所述變異模型包括球形變異模型和高斯變異模型。
[0039] 如上所述，本發(fā)明的一種基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方 法，具有以下有益效果：1、采用時(shí)空變異基本算子的簡(jiǎn)單組合，通過(guò)對(duì)大量樣本數(shù)據(jù)的學(xué) 習(xí)，反演時(shí)空變異算子擬合的參數(shù)，模擬出管道泄漏過(guò)程這一具有時(shí)空特征的復(fù)雜自然現(xiàn) 象;2、采用參數(shù)化協(xié)作稀疏編碼的方法進(jìn)行過(guò)完備字典的參數(shù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)，所述多分辨率過(guò) 完備字典只需進(jìn)行固定長(zhǎng)度的字典訓(xùn)練學(xué)習(xí)，減少了字典學(xué)習(xí)的計(jì)算量;3、通過(guò)負(fù)壓波信 號(hào)的稀疏表示，使得信號(hào)在稀疏域中能量高度聚集，便于微弱信號(hào)的抽取與檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)好的 緩慢泄漏檢測(cè)與定位效果。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1顯示為本發(fā)明所述檢測(cè)方法的流程圖。
[0041 ]圖2顯示為本發(fā)明反演方法的示意圖。
[0042]圖3顯示為本發(fā)明特征抽取方法的示意圖。
[0043]圖4顯示為本發(fā)明波形分解方法的示意圖。
[0044] 元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0045] Sl~S6步驟1)至步驟6)
【具體實(shí)施方式】
[0046] 以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū) 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí) 施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀(guān)點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0047] 請(qǐng)參閱圖1至圖4。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本 發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù) 目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0048] 如圖1所示，一種基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法，所述 檢測(cè)方法包括：
[0049] 1):提供待測(cè)管道的負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)；
[0050] 2):根據(jù)負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)，采用反演方法學(xué)習(xí)訓(xùn)練時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模 型；
[0051] 3):比較時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模型的參數(shù)與負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)：如果該參數(shù) 與負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足誤差范圍要求，則跳轉(zhuǎn)至2);如果該參數(shù)與負(fù)壓波信號(hào)樣本 數(shù)據(jù)滿(mǎn)足誤差范圍要求，則跳轉(zhuǎn)至4);
[0052] 4):采用參數(shù)化協(xié)作的方法進(jìn)行稀疏編碼，實(shí)現(xiàn)過(guò)完備字典的訓(xùn)練學(xué)習(xí)；
[0053] 5):對(duì)稀疏編碼的編碼誤差進(jìn)行判斷：如果誤差不可容忍，則跳轉(zhuǎn)至4);如果誤差 可容忍，則生成多分辨率過(guò)完備字典，并跳轉(zhuǎn)至6);
[0054] 6):確立負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)的稀疏表示方法，并根據(jù)稀疏表示的特征抽取方法 進(jìn)行待測(cè)管道運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別，如果待測(cè)管道未發(fā)生泄漏，則跳轉(zhuǎn)至1);如果待測(cè)管道發(fā)生 泄漏，根據(jù)稀疏表示的波形分解方法進(jìn)行待測(cè)管道的泄漏點(diǎn)定位。
[0055]具體的，如圖2所示，所述步驟2)中反演方法為根據(jù)負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)生成時(shí)空 變異算子擬合數(shù)學(xué)模型，再根據(jù)該模型得出模型參數(shù)。
[0056]需要說(shuō)明的是，長(zhǎng)輸管道上的負(fù)壓波信號(hào)具有典型的時(shí)空均相關(guān)的特性，如何揭 示時(shí)空相關(guān)性是稀疏表示的關(guān)鍵。現(xiàn)有技術(shù)中常采用正演方法建立管道模型，即通過(guò)對(duì)模 型參數(shù)進(jìn)行分析研究，建立模型，然后觀(guān)測(cè)樣本數(shù)據(jù)，但由于影響長(zhǎng)輸管道負(fù)壓波信號(hào)的因 素繁多，除了管道長(zhǎng)度、管道內(nèi)流體流速、負(fù)壓波傳播速度、負(fù)壓波衰減因子、（泄漏、站內(nèi)操 作等)信號(hào)源的物理特性等主要因素，還有管道內(nèi)壁面粗糙度、管道周?chē)h(huán)境溫度等次要因 素也對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，所以通過(guò)正演方法建立管道模型非常困難。本申請(qǐng)通過(guò)采用時(shí)空變 異基本算子的簡(jiǎn)單組合，通過(guò)對(duì)大量樣本數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，反演時(shí)空變異算子擬合的參數(shù)，模擬 出管道泄漏過(guò)程這一具有時(shí)空特征的復(fù)雜自然現(xiàn)象。
[0057] 負(fù)壓波信號(hào)的時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模型的訓(xùn)練方法為:某個(gè)測(cè)量點(diǎn)獲得的觀(guān)測(cè) 信號(hào)可以通過(guò)其相鄰測(cè)量點(diǎn)觀(guān)測(cè)信號(hào)經(jīng)一系列不同的時(shí)空變異原子線(xiàn)性組合生成。以一組 時(shí)空變異算子簡(jiǎn)單模型的組合來(lái)擬合負(fù)壓波的時(shí)空相關(guān)性，以尋找近似解為目的，從模型 中找出能夠擬合觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的近似模型即可。
[0058] 需要說(shuō)明的是，如果要求精確解，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度擬合。由于噪聲數(shù)據(jù)沒(méi)有實(shí)際意 義，本發(fā)明不求問(wèn)題的精確解，求解出近似解后，求解的模型參數(shù)產(chǎn)生的理論數(shù)據(jù)與觀(guān)測(cè)數(shù) 據(jù)的誤差滿(mǎn)足一定范圍即可，這一近似求解思路是時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模型訓(xùn)練方法的 關(guān)鍵。
[0059] 基于上述準(zhǔn)則，建立負(fù)壓波信號(hào)的多形態(tài)生成模型。時(shí)空變異基本變異算子表達(dá) 式如下表：
[0062]具體的，步驟3)中比較模型參數(shù)與負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)時(shí)，如果模型參數(shù)與負(fù)壓 波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足誤差范圍要求，則跳轉(zhuǎn)至步驟2)進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)修正，直至模型參數(shù) 與負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)滿(mǎn)足誤差范圍要求，進(jìn)行步驟4)。
[0063]需要說(shuō)明的是，誤差范圍根據(jù)具體的時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模型的不同而不同。
[0064] 現(xiàn)代字典構(gòu)建方法主要有兩類(lèi):一類(lèi)是分析字典方法，基于解析式生成字典原子， 優(yōu)點(diǎn)是字典生成速度快，字典原子狀態(tài)空間的性質(zhì)很明確，不足是對(duì)信號(hào)的稀疏表達(dá)能力 可能不強(qiáng)；另一類(lèi)是基于學(xué)習(xí)的方法，根據(jù)對(duì)輸入信號(hào)的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，自適應(yīng)生成字典原子， 優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)的稀疏表達(dá)能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是計(jì)算量大，訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)，字典性能沒(méi)有嚴(yán)格的理論依 據(jù)。為減少?gòu)?fù)雜性，加速訓(xùn)練過(guò)程，本發(fā)明把分析字典的優(yōu)點(diǎn)推廣到基于學(xué)習(xí)的方法中，形 成新的參數(shù)訓(xùn)練方法一一采用多分辨率分解的字典學(xué)習(xí)方法。
[0065] 信號(hào)的稀疏表示的理論假設(shè)是信號(hào)是有內(nèi)在結(jié)構(gòu)的，可以由字典中的少量原子的 線(xiàn)性組合表示(或逼近）。信號(hào)的稀疏編碼的過(guò)程可描述為：
[0066] min||z|[
[0067] s . t. I I Y-DX I I < ε (I)
[0068] 式中，信號(hào)YERmXn，字典DERmxk，稀疏表示系數(shù)向量xe g示向量的LO范 數(shù)，即非零元素的個(gè)數(shù)，ε為容忍偏差。
[0069]基于多分辨率分解的字典學(xué)習(xí)模型可表示為
[0070] argrnin |F-JfsDXjI, DtA
[0071] s.t. I |X| |o<T (2)
[0072] 式中，多分辨率分解字典WseRmxm，T為稀疏表示系數(shù)向量X的稀疏度閾值，即稀疏 表示系數(shù)向量X中非零值的個(gè)數(shù)。
[0073] 上式表明滿(mǎn)足I IY-WsDXl 12的最小D、X值，且稀疏表示系數(shù)向量X中非零元素的個(gè)數(shù) 不超過(guò)T。
[0074]如果Ws是酉矩陣，式(2)可以等價(jià)為：
[0075] argmin|r,7-DX||2F DJC
[0076] S.t. I |Χ||ο<Τ (3)
[0077]式中，Wa表不多分辨率分析算子。
[0078]上式表明對(duì)多分辨率分解的信號(hào)進(jìn)行字典學(xué)習(xí)是可行的。字典學(xué)習(xí)的方法是在每 一子頻帶i上分別訓(xùn)練子字典：
[0079] argmin|| (嗔 Di Λ
[0080] s.t. I |Xi| |o<T (4)
[0081] 式中，（WAY)i為子頻帶信號(hào)，Di為子字典，Xi為子頻帶信號(hào)在子字典上的稀疏分解 系數(shù)向量。
[0082]在線(xiàn)字典學(xué)習(xí)算法的方法為，針對(duì)每個(gè)樣本信號(hào)Yt(t表示樣本信號(hào)數(shù)量），執(zhí)行下 列步驟：
[0083] 1)針對(duì)每個(gè)樣本信號(hào)Yt進(jìn)行多分辨率分解，得到每個(gè)子頻帶信號(hào)(Yt)1;
[0084] 2)枏據(jù)下式對(duì)毎個(gè)子頻帶信號(hào)（Yt.) i講行稀疏編碼：
[0085]
:5)
[0086]其中，（Xt)1S對(duì)子頻帶信號(hào)(。^進(jìn)行稀疏編碼，（D^1)1為前面t-Ι個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí) 得到的字典，Xi為子頻帶信號(hào)(Yt) i在子字典上的稀疏分解系數(shù)向量，λ為超參
[0087] 3):根據(jù)下式進(jìn)行字典學(xué)習(xí)：
[0088]
[0089] 其中，（Dt)i為針對(duì)苐t個(gè)樣本信號(hào)，于頻帶i經(jīng)學(xué)習(xí)得到的多分辨率過(guò)完備字典， (Yj)1為對(duì)樣本信號(hào)乃進(jìn)行多分辨率分解，得到的子頻帶信號(hào)，（Xj) 1為子頻帶信號(hào)(^:在子 字典上的稀疏分解系數(shù)向量，D(Xj)1為前面j個(gè)樣本信號(hào)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)得到的字典，t為樣本信號(hào) 數(shù)量。
[0090]需要說(shuō)明的是，基于多分辨率分析框架，只需進(jìn)行固定長(zhǎng)度的字典訓(xùn)練學(xué)習(xí)，就可 以生成多分辨率過(guò)完備字典，減少了字典學(xué)習(xí)的計(jì)算量。所述多分辨率過(guò)完備字典是動(dòng)態(tài) 的、不斷更新的;其訓(xùn)練學(xué)習(xí)過(guò)程就是其不斷更新完善的過(guò)程。
[0091] 具體的，步驟5)中對(duì)編碼誤差進(jìn)行判斷的方法為:將進(jìn)行稀疏編碼的負(fù)壓波信號(hào) 轉(zhuǎn)換為時(shí)域內(nèi)的負(fù)壓波信號(hào)；比較轉(zhuǎn)換過(guò)的負(fù)壓波信號(hào)與原負(fù)壓波信號(hào)，查看稀疏編碼的 負(fù)壓波信號(hào)的失真程度（即編碼誤差是否在可容忍范圍），如果負(fù)壓波信號(hào)的失真程度在可 接受的范圍，則生成多分辨率過(guò)完備字典，否則重新對(duì)負(fù)壓波信號(hào)進(jìn)行稀疏編碼。
[0092] 具體的，如圖3所示，所述步驟6)特征抽取方法包括：
[0093] 步驟6.1):將時(shí)域內(nèi)的負(fù)壓波信號(hào)轉(zhuǎn)換到稀疏域；
[0094] 步驟6.2):通過(guò)特征計(jì)算提取稀疏特征向量；
[0095] 步驟6.3):通過(guò)分類(lèi)器對(duì)所述稀疏特征向量進(jìn)行分類(lèi)。
[0096]需要說(shuō)明的是，所述多分辨率過(guò)完備字典通過(guò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)，將待測(cè)管道不同狀態(tài)進(jìn) 行了精確的稀疏表示。當(dāng)提供所述待測(cè)信號(hào)的稀疏特征向量后，即可將此稀疏特征向量分 類(lèi)到相應(yīng)的管道狀態(tài)的稀疏域內(nèi)，以此判斷待測(cè)負(fù)壓波信號(hào)代表的管道狀態(tài)。
[0097] 需要說(shuō)明的是，本發(fā)明所述管道狀態(tài)主要包括工況操作狀態(tài)、背景噪聲以及管道 泄漏狀態(tài)三種。
[0098] 需要說(shuō)明的是，基于稀疏特征的管道運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別繼承了經(jīng)典模式識(shí)別問(wèn)題中對(duì) 特征提取方法的一般要求，所提取的特征對(duì)管道不同的運(yùn)行狀態(tài)類(lèi)別要具有良好的可分 性，以使后續(xù)分類(lèi)器實(shí)現(xiàn)可觀(guān)的分類(lèi)精度。保障特征可分性的基礎(chǔ)是字典的每一個(gè)原子都 應(yīng)該有效地表示某一管道運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)模式，因此，問(wèn)題的關(guān)鍵還是過(guò)完備字典的性能， 對(duì)管道運(yùn)行狀態(tài)的表達(dá)能力。在一定水平的噪聲和干擾作用下，時(shí)域內(nèi)原始信號(hào)可能會(huì)變 得復(fù)雜，但借助于基函數(shù)良好的適應(yīng)性，所求解信號(hào)的稀疏表示仍可保持一致，對(duì)應(yīng)的基函 數(shù)仍然被激活去逼近原信號(hào)。
[0099] 具體的，如圖4所示，所述步驟6)波形分解方法包括：
[0100] 步驟6.1):將負(fù)壓波信號(hào)分離為固定時(shí)延信號(hào)、非固定時(shí)延信號(hào)以及隨機(jī)非平穩(wěn) 信號(hào)三種成分；
[0101] 步驟6.2):分別針對(duì)三種信號(hào)成分在反映其各自信號(hào)特征的多分辨率過(guò)完備字典 上進(jìn)行稀疏分解，并進(jìn)行負(fù)壓波信號(hào)在各自子空間內(nèi)的投影；
[0102] 步驟6.3):對(duì)所述負(fù)壓波信號(hào)的波形進(jìn)行形態(tài)分析與鑒別判斷，并采用時(shí)延估計(jì) 方法計(jì)算相對(duì)時(shí)間延遲；
[0103] 步驟6.4):根據(jù)定位公式11，12=(1 土)/2,計(jì)算泄漏點(diǎn)的位置，其中，1為待測(cè) 管道的路徑長(zhǎng)度，V為傳播速度，Iv為相對(duì)時(shí)間延遲，11、12分別為泄漏點(diǎn)到達(dá)待測(cè)管道兩端 傳感器的長(zhǎng)波路徑長(zhǎng)度。
[0104] 需要說(shuō)明的是，將負(fù)壓波信號(hào)分離為固定時(shí)延信號(hào)、非固定時(shí)延信號(hào)、隨機(jī)非平穩(wěn) 信號(hào)三種成分;其中，所述固定時(shí)延信號(hào)為干擾信息的載體，所述非固定時(shí)延信號(hào)為泄漏信 息的載體，所述隨機(jī)非平穩(wěn)信號(hào)為背景噪聲的載體。再分別針對(duì)三種信號(hào)成分在反映其各 自信號(hào)特征的過(guò)完備字典上進(jìn)行稀疏分解，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓波信號(hào)在各自子空間內(nèi)的投影。
[0105] 進(jìn)一步需要說(shuō)明的是，基于稀疏表示的波形分解，其本質(zhì)是盲源分離，主要是經(jīng)過(guò) 稀疏表示后，把信號(hào)分解為干擾子波形、泄漏信號(hào)子波形、背景噪聲子波形，負(fù)壓波形態(tài)分 析與鑒別判據(jù)則是根據(jù)不同子波形所激活的字典中對(duì)應(yīng)的原子，識(shí)別出泄漏信號(hào)。
[0106] 需要說(shuō)明的是，通過(guò)負(fù)壓波波形的形態(tài)分析與鑒別判據(jù)，分離出泄漏信號(hào)的波形， 并對(duì)所述波形進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，得到泄漏信號(hào)傳播到兩端傳感器的相對(duì)時(shí)間延遲I v，再利用 已知的管道路徑長(zhǎng)度1和管道內(nèi)流體的傳播速度V的信息，根據(jù)定位公式= I1J2 = Gtv* ?^/2,計(jì)算泄漏點(diǎn)的位置。
[0107] 綜上所述，本發(fā)明的一種基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方 法，具有以下有益效果：1、采用時(shí)空變異基本算子的簡(jiǎn)單組合，通過(guò)對(duì)大量樣本數(shù)據(jù)的學(xué) 習(xí)，反演時(shí)空變異算子擬合的參數(shù)，模擬出管道泄漏過(guò)程這一具有時(shí)空特征的復(fù)雜自然現(xiàn) 象;2、采用參數(shù)化協(xié)作稀疏編碼的方法進(jìn)行過(guò)完備字典的參數(shù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)，所述多分辨率過(guò) 完備字典只需進(jìn)行固定長(zhǎng)度的字典訓(xùn)練學(xué)習(xí)，減少了字典學(xué)習(xí)的計(jì)算量;3、通過(guò)負(fù)壓波信 號(hào)的稀疏表示，使得信號(hào)在稀疏域中能量高度聚集，便于微弱信號(hào)的抽取與檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)好的 緩慢泄漏檢測(cè)與定位效果。
[0108] 上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因 此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法，其特征在于，所述 檢測(cè)方法包括： 1) :提供待測(cè)管道的負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)； 2) :根據(jù)負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)，采用反演方法學(xué)習(xí)訓(xùn)練時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模型； 3) :比較時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模型的參數(shù)與負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù):如果該參數(shù)與負(fù) 壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足誤差范圍要求，貝峭巧專(zhuān)至2);如果該參數(shù)與負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù) 滿(mǎn)足誤差范圍要求，貝峭巧專(zhuān)至4); 4) :采用參數(shù)化協(xié)作的方法進(jìn)行稀疏編碼，實(shí)現(xiàn)過(guò)完備字典的訓(xùn)練學(xué)習(xí)； 5) :對(duì)稀疏編碼的編碼誤差進(jìn)行判斷：如果誤差不可容忍，則跳轉(zhuǎn)至4);如果誤差可容 忍，則生成多分辨率過(guò)完備字典，并跳轉(zhuǎn)至6); 6) :確立負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)的稀疏表示方法，并根據(jù)稀疏表示的特征抽取方法進(jìn)行 待測(cè)管道運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別，如果待測(cè)管道未發(fā)生泄漏，則跳轉(zhuǎn)至1);如果待測(cè)管道發(fā)生泄 漏，根據(jù)稀疏表示的波形分解方法進(jìn)行待測(cè)管道的泄漏點(diǎn)定位。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法， 其特征在于，所述2)中反演方法為根據(jù)負(fù)壓波信號(hào)樣本數(shù)據(jù)生成時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模 型，再根據(jù)該模型得出模型參數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法， 其特征在于，所述4)中參數(shù)化協(xié)作稀疏編碼的方法進(jìn)行過(guò)完備字典的參數(shù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)包括： 4.1) :針對(duì)每個(gè)樣本信號(hào)Yt進(jìn)行多分辨率分解，得到每個(gè)子頻帶信號(hào)(Yt) 1; 4.2) :根據(jù)下式對(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào)(Yt) 1進(jìn)行稀疏編碼：其中，（Xt)i為對(duì)子頻帶信號(hào)(Yt)i進(jìn)行稀疏編碼，化t-l)i為前面t-1個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)得到 的字典，沿為子頻帶信號(hào)(Yt)i在子字典上的稀疏分解系數(shù)向量，λ為超參； 4.3) :根據(jù)下式進(jìn)行字典學(xué)習(xí)：其中，（Dt)i為針對(duì)第t個(gè)樣本信號(hào)，子頻帶i經(jīng)學(xué)習(xí)得到的多分辨率過(guò)完備字典，（Yj)i為 對(duì)樣本信號(hào)Yj進(jìn)行多分辨率分解，得到的子頻帶信號(hào)，（、)1為子頻帶信號(hào)(Yj)i在子字典上 的稀疏分解系數(shù)向量，〇(的)1為前面j個(gè)樣本信號(hào)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)得到的字典，t為樣本信號(hào)數(shù)量。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法， 其特征在于，所述6)特征抽取方法包括： 6.1) :將時(shí)域內(nèi)的負(fù)壓波信號(hào)轉(zhuǎn)換到稀疏域； 6.2) :通過(guò)特征計(jì)算提取稀疏特征向量； 6.3) :通過(guò)分類(lèi)器對(duì)所述稀疏特征向量進(jìn)行分類(lèi)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法， 其特征在于，所述6)波形分解方法包括： 6.1):將負(fù)壓波信號(hào)分離為固定時(shí)延信號(hào)、非固定時(shí)延信號(hào)W及隨機(jī)非平穩(wěn)信號(hào)Ξ種 成分； 6.2) :分別針對(duì)Ξ種信號(hào)成分在反映其各自信號(hào)特征的多分辨率過(guò)完備字典上進(jìn)行稀 疏分解，并進(jìn)行負(fù)壓波信號(hào)在各自子空間內(nèi)的投影； 6.3) :對(duì)所述負(fù)壓波信號(hào)的波形進(jìn)行形態(tài)分析與鑒別判斷，并采用時(shí)延估計(jì)方法計(jì)算 相對(duì)時(shí)間延遲； 6.4) :根據(jù)定位公式h，l2 = (l±v*r)/2，計(jì)算泄漏點(diǎn)的位置，其中，l為待測(cè)管道的路 徑長(zhǎng)度，V為傳播速度，Τ/為相對(duì)時(shí)間延遲，h、b分別為泄漏點(diǎn)到達(dá)待測(cè)管道兩端傳感器的 長(zhǎng)波路徑長(zhǎng)度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法， 其特征在于，所述5)多分辨率過(guò)完備字典通過(guò)進(jìn)行固定長(zhǎng)度的字典訓(xùn)練學(xué)習(xí)生成。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法， 其特征在于，所述固定時(shí)延信號(hào)為干擾信息的載體，所述非固定時(shí)延信號(hào)為泄漏信息的載 體，所述隨機(jī)非平穩(wěn)信號(hào)為背景噪聲的載體。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法， 其特征在于，所述2)時(shí)空變異算子擬合數(shù)學(xué)模型包括衰減模型、變異模型、幾何變換模型和 多項(xiàng)式逼近模型。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法， 其特征在于，所述衰減模型包括指數(shù)模型、雙曲線(xiàn)模型、類(lèi)雙曲線(xiàn)模型和幕指函數(shù)模型。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于負(fù)壓波信號(hào)稀疏表示的油氣管道緩慢泄漏的檢測(cè)方法， 其特征在于，所述變異模型包括球形變異模型和高斯變異模型。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105844051SQ201610223846
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月12日
【發(fā)明人】吳波, 毛嘉, 馬娜, 魯方林, 何風(fēng)行, 崔文, 于劍鋒
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院