CN113639208B

CN113639208B - 一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法及系统

Info

Publication number: CN113639208B
Application number: CN202110807083.5A
Authority: CN
Inventors: 姜涛; 冼明照; 李东升
Original assignee: Shantou University
Current assignee: Shantou University
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2041-07-16
Also published as: CN113639208A

Abstract

本发明涉及管道泄漏检测技术领域，具体涉及一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法及系统，所述方法包括：接收传感器采集到的检测信号，根据所述检测信号建立信号时程曲线；若确定管道发生泄漏，则将所述信号时程曲线划分为平稳段、待测段和下降段；在所述平稳段选取任一点作为起始点A，在所述下降段选取任一点作为结束点B，分别确定起始点A和结束点B所对应的坐标；将A点与B点之间的所有点作为待测点，分别求解每个待测点的第一斜率值和第二斜率值；确定每个待测点的斜率差，将斜率差最大的待测点对应的时刻点作为所述信号时程曲线中拐点出现时间，本发明能够快速、准确的定位负压波信号拐点出现的时间。

Description

一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法及系统

技术领域

本发明涉及管道泄漏检测技术领域，具体涉及一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法及系统。

背景技术

管道泄漏之后，由于泄漏点处流体损失，会产生一种负压波并以一定的速度向泄漏点的上下游传播，引起管道内部压力的瞬间降低。由于管道内部压力在正常运营状态下通常处于稳定状态，因此负压波的传播会导致管道内部压力或者管壁环向应变的时程曲线出现拐点，即负压波信号拐点。

通过计算不同传感器测量到拐点的时间差，就能计算管道泄漏点的位置。这种方法由于原理简单，易于操作，是目前广泛使用的一种管道泄漏定位方法。但是这种方法对拐点定位的精度有较高的要求，否则就会导致泄漏定位误差较大。而在实际工程中，由于受到外界各种因素影响，测得的数据往往呈现震荡趋势，一些常用的拐点定位方法如二次求导法就不再适用处理这种具有震荡趋势的数据，原因在于对具有震荡趋势的数据进行拐点定位时，需要进行线性拟合，操作繁琐且误差较大。

目前关于负压波信号的拐点定位方法还较少，主要有阈值法和奇异点定位方法。阈值法是设定一个阈值，超过阈值便视为拐点；这种方法虽然比较简单，但过于保守，拐点定位误差非常大。奇异点定位法的原理是信号的突变用小波的奇异点进行表征，确定奇异点的位置就能确定拐点的位置。然而多尺度小波变换的误差会随着尺度的增加而迅速增大，并且还具有工作量大，计算时间长，不能直接定位拐点位置等缺点。

因此，如何精确、迅速地定位负压波信号拐点具有重要的意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法，所述方法包括以下步骤：

接收传感器采集到的检测信号，所述检测信号包括检测信号值随时间的对应关系；

根据所述检测信号建立信号时程曲线；

若确定管道发生泄漏，则将所述信号时程曲线划分为平稳段、待测段和下降段；

在所述平稳段选取任一点作为起始点A，在所述下降段选取任一点作为结束点B，分别确定起始点A和结束点B所对应的坐标；

将A点与B点之间的所有点作为待测点，分别求解每个待测点的第一斜率值和第二斜率值；其中，所述第一斜率值为待测点与A点连线的斜率值，所述第二斜率值为待测点与B点连线的斜率值；

确定每个待测点的斜率差，所述斜率差根据第二斜率值减去第一斜率值得到；

确定斜率差最大的待测点，将斜率差最大的待测点作为负压波信号拐点。

进一步，所述检测信号包括管道泄漏所产生的压力信号或者管壁的环向应变信号。

进一步，所述若确定管道发生泄漏，则将所述信号时程曲线划分为平稳段、待测段和下降段，包括：

确定第一阈值，所述第一阈值为管道正常状态下多个检测信号值的平均值；

按时间顺序从信号时程曲线中依次选取一段连续数量的检测信号值，当确定所述连续数量的检测信号值均低于第一阈值时，则将该连续数量的检测信号值中的第一个检测信号值所对应的时间作为第一时间，将第一时间之前的信号时程曲线划分为平稳段；

按时间顺序继续从信号时程曲线中依次选取一段连续数量的检测信号值，当确定所述连续数量的检测信号值均低于第二阈值时，则将该连续数量的检测信号值中的最后一个检测信号值所对应的时间作为第二时间，将第二时间之后的信号时程曲线划分为下降段；其中，所述第二阈值小于第一阈值；

将第一时间和第二时间之间的信号时程曲线划分为待测段。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有基于极限逼近的负压波信号拐点定位程序，所述基于极限逼近的负压波信号拐点定位程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述的基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法的步骤。

一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位系统，所述终端包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述任一项所述的基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法。

本发明的有益效果是：本发明公开一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法及系统，本发明仅通过求解斜率差极值的方式就能计算负压波拐点的位置。本发明具有原理简单，计算精度以及效率高，适合实时自动化监测等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中信号时程曲线的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本申请的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参考图1，如图1所示为本申请实施例提供的一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S100、接收传感器采集到的检测信号，所述检测信号包括检测信号值随时间的对应关系；

在一个优选的实施例中，所述检测信号包括管道泄漏所产生的压力信号或者管壁的环向应变信号；通过在管道的不同位置设置传感器，可以采集到管道上不同位置的检测信号。

步骤S200、根据所述检测信号建立信号时程曲线；

可以理解，传感器采集到的检测信号为离散信号，为便于后续处理，将离散的检测信号通过连线，得到信号时程曲线。

步骤S300、若确定管道发生泄漏，则将所述信号时程曲线划分为平稳段、待测段和下降段；

步骤S400、在所述平稳段选取任一点作为起始点A，在所述下降段选取任一点作为结束点B，分别确定起始点A和结束点B所对应的坐标；

本实施例中，所述起始点A所对应的坐标包括起始点A的时间点和信号值，所述结束点B所对应的坐标包括结束点B的时间点和信号值。

本实施例中，选择平稳段中第2500个点作为A点，从检测信号数据中获得A点对应的时刻值t_A与信号值y_A。从下降段取一点B，从检测信号数据中获得B点对应的时刻点t_B与信号值y_B。

步骤S500、将A点与B点之间的所有点作为待测点，分别求解每个待测点的第一斜率值和第二斜率值；其中，所述第一斜率值为待测点与A点连线的斜率值，所述第二斜率值为待测点与B点连线的斜率值；

在一实施例中，设所取的待测点坐标为(t_i,y_i)，A点坐标为(t_A,y_A),B点坐标为(t_B,y_B)；

则第一斜率值通过公式

计算得到，第二斜率值通过公式

计算得到。

步骤S600、确定每个待测点的斜率差，所述斜率差根据第二斜率值减去第一斜率值得到；

在一实施例中，待测点的斜率差通过N_i＝|k_Bi|-|k_Ai|公式计算得到，其中，N_i为第i个待测点的斜率差，k_Ai为第i个待测点的第一斜率值，k_Bi为第i个待测点的第二斜率值，1≤i≤n，n为A点与B点之间的总点数；

步骤S700、确定斜率差最大的待测点，将斜率差最大的待测点作为负压波信号拐点。

本实施例中，通过对检测信号进行分析，将斜率差最大的待测点作为所述信号时程曲线中的拐点，将信号时程曲线中拐点对应的时刻点作为负压波信号拐点出现的时间。

在一实施例中，对每个待测点的斜率差按大小进行排序，得到最大值N_i,max对应的时刻点t_i,max，即为拐点出现时间。

可以理解，本实施例中，将所述斜率差最大的待测点所在的位置作为拐点所在的位置，由图2中的去噪信号可以看出，当取得的时刻点从A点逼近拐点时，所取的待测点与A点连线斜率接近零，而该待测点与B点连线斜率的绝对值不断增大；当所取的待测点到达拐点时，拐点与A点的连线接近于平行，即此时第一斜率值k_Ai接近0，而拐点与B点连线的第二斜率值k_Bi达到最大；当所取时刻点经过拐点后，待测点的第一斜率值的绝对值不断增大，第二斜率值的变化较小。

因此，利用这一规律，计算A、B两点间所有时刻点的待测点的斜率差，找到最大斜率差N_i,max与其对应的时刻点t_i,max，便可获得拐点出现的时间t_i,max。

在一个优选的实施例中，所述步骤S300包括：

步骤S310、确定第一阈值，所述第一阈值为管道正常状态下多个检测信号值的平均值；

在管道发生泄漏前采集管道正常状态下的多个检测信号值，计算多个检测信号值的平均值，将该均值设置为第一阈值；

步骤S320、按时间顺序从信号时程曲线中依次选取一段连续数量的检测信号值，当确定所述连续数量的检测信号值均低于第一阈值时，则将该连续数量的检测信号值中的第一个检测信号值所对应的时间作为第一时间，将第一时间之前的信号时程曲线划分为平稳段；

可以理解，若没有连续的、一定数量的检测信号低于第一阈值，则认为该检测信号处于平稳段；当确定所述连续数量的检测信号值均低于第一阈值时，则确定管道发生泄漏；

步骤S330、按时间顺序继续从信号时程曲线中依次选取一段连续数量的检测信号值，当确定所述连续数量的检测信号值均低于第二阈值时，则将该连续数量的检测信号值中的最后一个检测信号值所对应的时间作为第二时间，将第二时间之后的信号时程曲线划分为下降段；其中，所述第二阈值小于第一阈值；

步骤S340、将第一时间和第二时间之间的信号时程曲线划分为待测段。

在本实施例中，根据管道正常运行时检测信号值的波动程度，将第二阈值设置为低于第一阈值的某一值，如果出现连续的、一定数量的信号低于第二阈值，则判定为出现负压波，低于第二阈值的信号为下降段信号；需要说明的是，第二阈值的大小根据实际情况进行设置，一般地，第二阈值相比第一阈值越小，则待测段的时间段越长，需要执行更多的计算来确定拐点时间，但是可以更准确的确定拐点出现时间；因此，第二阈值的大小需要在保证拐点出现时间准确率的前提下进行设定；在一实施例中，第一阈值的大小设定为121.217，相应的，第二阈值的大小设置为100；在平稳段中选择第2500个点作为起始点A，在下降段中选择第二阈值之后的第3000个点作为结束点B。

与图1的方法相对应，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有基于极限逼近的负压波信号拐点定位程序，所述基于极限逼近的负压波信号拐点定位程序被处理器执行时实现如上述任意一实施例所述的基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法的步骤。

与图1的方法相对应，本发明实施例还提供一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位系统，所述系统包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述任一实施例所述的基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

所述处理器可以是中央处理单元(Central-Processing-Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital-Signal-Processor，DSP)、专用集成电路(Application-Specific-Integrated-Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable-Gate-Arr ay，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述基于极限逼近的负压波信号拐点定位系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个基于极限逼近的负压波信号拐点定位系统可运行装置的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述基于极限逼近的负压波信号拐点定位系统的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart-Media-Card，SMC)，安全数字(Secure-Digital，SD)卡，闪存卡(Flash-Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

尽管本申请的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本申请的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本申请进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本申请的非实质性改动仍可代表本申请的等效改动。

Claims

1.一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据所述检测信号建立信号时程曲线；

确定斜率差最大的待测点，将斜率差最大的待测点作为负压波信号拐点；

所述若确定管道发生泄漏，则将所述信号时程曲线划分为平稳段、待测段和下降段，包括：

将第一时间和第二时间之间的信号时程曲线划分为待测段。

2.根据权利要求1所述的一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法，其特征在于，所述检测信号包括管道泄漏所产生的压力信号或者管壁的环向应变信号。

3.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至2任一项所述的基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法的步骤。

4.一种基于极限逼近的负压波信号拐点定位系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1至2任一项所述的基于极限逼近的负压波信号拐点定位方法。