CN115575044B

CN115575044B - 一种管道节点的渗漏定位方法及智能消火栓

Info

Publication number: CN115575044B
Application number: CN202211569466.4A
Authority: CN
Inventors: 郭军; 刁黎雅; 刘金晓; 杨海峰
Original assignee: Zhejiang Heda Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Heda Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-08
Filing date: 2022-12-08
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2042-12-08
Also published as: CN115575044A

Abstract

本发明涉及一种管道节点的渗漏定位方法，采集各个管道节点处的管道噪声信号；对各个管道节点处的管道噪声信号进行识别，检测并将存在渗漏噪声信号的节点作为中心管道节点；获取与中心管道节点相邻的若干相邻管道节点；计算每个相邻管道节点与中心管道节点处的管道噪声信号之间的互相关系数、相干系数；判断与渗漏位置相邻的定位管道节点；计算渗漏位置与定位管道节点和中心管道节点的距离。本发明的方法通过采集多个管道节点中的管道噪声，获取同一管线上传感器的声学共性，进而判断是否为漏水声；并进一步通过多个管道节点中噪声信号的相关性分析判断漏水位置。

Description

一种管道节点的渗漏定位方法及智能消火栓

技术领域

本发明属于管道渗漏定位技术领域，具体涉及一种管道节点的渗漏定位方法及智能消火栓。

背景技术

供水管道渗漏不仅浪费宝贵的水资源和生产资金, 而且对管道自身、建筑物和公路地基造成破坏, 因此世界各国都非常重视供水系统的漏损控制。常规消火栓主要供消防车从市政给水管网或室外消防给水管网取水实施灭火，不具备管道渗漏检测与定位能力，但随着科技的进步以及对于能源珍贵性认知的不断提升，人们对于消火栓这种常规设备功能多样性的需求越来越强烈。常规管道渗漏检测一般采用压力、流量、噪声传感器，并且噪声监测设备都是基于单传感器的数据进行独立分析，检测的虚警率较高。

基于现有技术中存在的上述缺陷，需要一种更高检测准确率的管道节点的渗漏定位方法及具有高精度渗漏定位功能的智能消火栓。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种管道节点的渗漏定位方法及智能消火栓。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种管道节点的渗漏定位方法，用于在具有多个管道节点的管道系统中定位渗漏位置，方法具体包括如下步骤：

S1、采集各个管道节点处的管道噪声信号；

S2、对各个管道节点处的管道噪声信号进行识别，检测存在渗漏噪声信号的管道节点；

S3、将采集到存在渗漏噪声信号的管道节点作为中心管道节点；

S4、获取与中心管道节点相邻的若干相邻管道节点；

S5、计算每个相邻管道节点与中心管道节点处的管道噪声信号之间的互相关系数、相干系数；

S6、根据互相关系数及相干系数判断与渗漏位置相邻的相邻管道节点作为定位管道节点；

S7、根据定位管道节点与中心管道节点采集的渗漏噪声信号计算渗漏位置与定位管道节点和中心管道节点的距离。

作为一种优选的方案，步骤S2使用专家系统对管道噪声信号进行识别并检测存在渗漏噪声信号的管道节点。

作为一种进一步优选的方案，步骤S2具体包括如下步骤：

S21、计算各个管道节点处的管道噪声信号的若干种渗漏识别特征值；

S22、根据渗漏识别特征值计算渗漏评分；

S23、将管道噪声信号在某一指定时长内渗漏评分均高于预设门限的管道节点检测为存在渗漏噪声信号。

作为一种优选的方案，步骤S6中，为互相关系数设定判定门限，并为相干系数的起伏程度设定判定门限，若某一相邻管道节点的互相关系数和相干系数的起伏程度未达到判定门限，则认为该相邻管道节点与中心管道节点间不存在渗漏位置；若互相关系数和相干系数的起伏程度达到判定门限，则将该相邻管道节点作为定位管道节点。

作为一种进一步优选的方案，步骤S6中，在存在多个相邻管道节点时，分别计算每个相邻管道节点的互相关系数及相干系数，并根据互相关系数和相干系数的综合最大值选择定位管道节点。

作为一种优选的方案，步骤S7具体包括如下步骤：

S71、计算定位管道节点与中心管道节点采集的渗漏噪声信号广义互相关函数；

S72、选取广义互相关函数最大值时两渗漏噪声信号间的时延；

S73、根据时延计算渗漏位置与定位管道节点和中心管道节点的距离。

作为一种进一步优选的方案，步骤S71具体包括如下步骤：

S711、计算定位管道节点与中心管道节点采集的渗漏噪声信号的广义互相关函数；

S712、将广义互相关函数分割为若干包络并叠加得到平均包络；

步骤S72具体包括如下步骤：

S721、计算平均包络中广义互相关函数最大值时两渗漏噪声信号间的时延。

第二方面，本发明还提供一种智能消火栓，应用于管道系统，包括数据处理端和与数据处理端通信连接的若干个子消火栓；

若干子消火栓中的每个在管道系统中构成一处管道节点，并采集自身处的管道噪声信号；

数据处理端包括：识别模块、管道节点选取模块、相关性计算模块、定位模块；

识别模块用于对各个管道节点处的管道噪声信号进行识别，检测存在渗漏噪声信号的管道节点；

管道节点选取模块用于将采集到存在渗漏噪声信号的管道节点作为中心管道节点，及获取与中心管道节点相邻的若干相邻管道节点；

相关性计算模块用于计算每个相邻管道节点与中心管道节点处的管道噪声信号之间的互相关系数、相干系数；

定位模块根据互相关系数及相干系数判断与渗漏位置相邻的相邻管道节点，作为定位管道节点；还用于根据定位管道节点与中心管道节点采集的渗漏噪声信号渗漏位置与定位管道节点和中心管道节点的距离。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明的方法及消火栓通过采集多个管道节点中的管道噪声，获取同一管线上传感器的声学共性，进而判断是否为漏水声；并进一步通过多个管道节点中噪声信号的相关性分析时延、根据时延判断漏水位置与相邻管道节点的距离，进而精确定位。

附图说明

图1是本申请实施例的一种管道节点的渗漏定位方法的流程图；

图2是本申请实施例的相位谱曲线图；

图3是本申请实施例的互相关系数曲线图；

图4是本申请实施例的相位谱梯度曲线图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在下述介绍中，提供了本申请的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。

为了便于更好地理解本申请实施例，在对本申请的具体实施方式进行详细地解释说明之前，先对其应用场景予以说明。

本申请处理的对象是供水管道内的管道噪声数据；该声音数据通过内嵌在管道节点内的噪声采集设备获得；其中利用噪声数据进行渗漏检测的原理为：当管道发生漏水时，管内高压水从漏孔处向外喷射时，会引起水和管壁及管外土壤等介质间的冲击摩擦，产生频带为几十赫兹到几千赫兹的声音信号（泄漏信号分布频带主要集中在200Hz~2500Hz），由此引起管道渗漏处的声振动，该声信号可以在管道节点或地面被拾取，通过模拟滤波、放大、AD转换送入处理器进行信号分析以及智能感知。

基于上述漏水声信号的特征，本申请提出一种管道节点的渗漏定位方法，包括如下步骤：

S1、通过设置于各个管道节点处的声信号传感器，采集并得到各个管道节点处的管道噪声信号，这一采集可以通过管道地下部分的声信号传感器进行，也可以在地面处进行。

S2、对各个管道节点处的管道噪声信号进行识别，检测存在渗漏噪声信号的管道节点。

具体的，本实施例提供步骤S2的一种优选实施方式，采用基于专家系统的检测算法对渗漏噪声信号进行识别，专家系统对管道噪声信号进行分析，找寻其中表征渗漏噪声信号的特征值，并结合这些特征值判断管道噪声信号是否可能为渗漏噪声信号。

在本实施例的某些优选实施方式中，步骤S2更具体地包括如下步骤：

S22、根据渗漏识别特征值计算渗漏评分；

具体的，步骤S22中，专家系统根据各个特征值对渗漏识别的贡献量，分别对其赋予不同的权重W，具体如下式所示：

；

其中专家系统使用的特征值包括：声信号时域有效值，声信号时域峭度，声信号频域有效带宽，声信号相关近似熵，声信号赫斯特指数等。以声信号时域有效值和声信号时域峭度为例，渗漏信号需满足一定的声强度，即时域有效值要求大于一定门限（一般为传感器硬件本底噪声的2～3倍）；而对于声信号时域峭度，一般情况下渗漏信号的概率密度接近于正态分布，因此峭度值应在0值附近。

S23、设置相应门限LeakTh，将管道噪声信号在某一指定时长内渗漏评分均高于预设门限的管道节点检测为存在渗漏噪声信号。比如：当连续多天某一管道节点处的管道噪声信号在专家系统中的算法评分Score都超过该门限值LeakTh时，则判决认为该管道节点发生了渗漏事件。

S3、将步骤S2中判决认为发生了渗漏事件、也即存在渗漏噪声信号的管道节点作为中心管道节点以供后续的渗漏位置计算。

S4、获取与中心管道节点相邻的相邻管道节点，如果存在多个与中心管道节点紧邻的管道节点，则将它们均作为相邻管道节点然后执行下述方法。

S5、分别依次选取每个相邻管道节点，然后计算每个相邻管道节点与中心管道节点处的管道噪声信号之间的互相关系数、相干系数。

具体的，互相关系数和相干系数使用如下方法计算：

假设相邻管道节点处的管道噪声信号为x(n)，中心管道节点处的管道噪声信号为y(n)，对两路信号分别进行傅里叶变换（FFT）处理，得到其频域数据X(f)、Y(f)，可由下式计算获得互功率谱：

；

互功率谱进行傅里叶逆变换（IFFT），得到互相关函数R_xy (m)(crosscorrelationfunction)，计算公式如下：

；

互相关系数即为归一化的互相关函数值，表征两个信号之间的时域相关程度，计算公式如下：

。

另外，根据上述计算的互功率谱，采用Welch平均周期图法，计算两路信号的单边谱S _xx(f)、S _yy(f)，相干函数可由以下公式计算：

；

相干函数表征的是两个信号在频域的相关度，即两个信号中包含都存在漏水声，则在相应频段上的相干函数值会随着信噪比的增加而变大。相干函数纵轴是0~1之间的数值，横轴是频率；理论上如果x(n)、y(n)为纯漏水声信号，则

，即强相关度。如果x (n)、y(n)完全不相关，即都不包含漏水声信号或漏水声极其微弱导致传感器无法感知，则

；如果x(n)、y(n)即包含漏水声信号，也存在环境噪声，则

，此时相干函数呈现出一定宽度的谱峰。

由双边谱G _xy(ω)得到单边谱S _xy(f)，并以实部-I _xy(f)、虚部-Q _xy(f)的组合表示：

；

因此相位谱可表示为：

。

由于在一定信噪比下θ _xy (f)随频率呈如图2所示的近似线性变化，斜率为

；因此相位谱θ _xy (f)是表征两个信号相位关系随频率变化的相关性参量，根据相位谱提取得到相干函数，表征两个信号在频域的相关程度。

在通过步骤S5得到互相关系数及相干系数之后，执行步骤S6、根据互相关系数及相干系数判断与渗漏位置相邻的相邻管道节点，作为定位管道节点；

互相关系数

用来衡量两个信号之间的时域相关程度（数值0~1之间），且随着接收到共同信号的信噪比越大，该值越接近于1。

某一真实案例中，两信号之间的互相关系数曲线如图3所示，互相关系数接近0.9，因此在设备间存在漏点的概率则较大。

由于两个消火栓各自周边的环境噪声是相互独立的，因此在互相关函数上不会出现明显的峰，表现为

数值较小；

作为一种优选的方案，步骤S6中，为互相关系数和相干系数的起伏程度设定判定门限，若某一相邻管道节点的互相关系数和相干系数的起伏程度未达到判定门限，则认为该相邻管道节点与中心管道节点间不存在渗漏位置；若互相关系数和相干系数的起伏程度达到判定门限，则将该相邻管道节点作为定位管道节点。

当相关系数达到某个门限后TDCoeff_Th，说明在两个管道节点之间的某个位置存在一个声源，因此将互相关系数作为管道存在漏点的时域判决条件。

而当相干函数出现满足宽度门限FB_Th、幅度门限FA_Th的频段，且该段频率对应的相干系数起伏程度也即标准差满足门限PhaseStd_Th，同样能够说明在两个管道节点之间的某个位置存在一个声源，因此将相干系数的起伏程度作为管道存在漏点的频域判决条件。

在一个具体的实施例中，可以为互相关系数设定0.8的判定门限，为相干系数的起伏程度、也即标准差设置0.8-1.2的判定门限，若某两信号的互相关系数曲线如图3所示，相位谱梯度曲线如图4所示，则可以看出这两信号的互相关系数和相干系数在目标频段的起伏程度均满足判定门限。因此，该相邻管道节点与中心管道节点间存在渗漏位置，将两信号来源中的相邻管道节点作为定位管道节点，用于后续的渗漏位置定位计算。

由于管道通常以复杂的结构交叉相汇，一个管道节点可能存在多个相邻管道节点，作为一种进一步优选的方案，步骤S6中，当某个中心管道节点存在多个相邻管道节点时，分别计算该中心管道节点与每个相邻管道节点的互相关系数及相干系数标准差，并根据互相关系数和相干系数标准差的综合最大值选择定位管道节点。

更具体的，由于相干系数是以起伏程度，也即标准差作为判定标准，一段相关函数的标准差越接近1，频域的相关程度越高。因此，互相关系数和相干系数标准差的综合最大值用相干系数标准差与1的差值来和互相关系数相乘得到，即|Std

- 1|*

。乘积越大则这两信号的相关程度越高，渗漏位置也就越可能存在于这两信号对应的管道节点之间。

在通过步骤S6确定了距渗漏位置最近的中心管道节点，和位于渗漏位置另一端的定位管道节点以后，执行S7、根据定位管道节点与中心管道节点采集的渗漏噪声信号计算两个信号中渗漏噪声的时延，进而确定渗漏位置与定位管道节点和中心管道节点的距离。

在本申请的某些实施例中，作为一种优选的实施方式，漏点定位采用广义互相关计算方法，步骤S7具体包括如下步骤：

S71、计算定位管道节点与中心管道节点采集的渗漏噪声信号广义互相关函数，此处广义互相关函数于上述步骤S5中已经进行了计算，也即为：

；

S72、选取广义互相关函数最大值时两渗漏噪声信号间的时延，也即

取得最大值时

中τ的值。

S73、根据时延计算渗漏位置与定位管道节点和中心管道节点的距离，由定位管道节点和中心管道节点的两个声音传感器探头之间管道的长度L、声波传播速度v和时延τ计算得到渗漏位置与中心管道节点处声信号传感器的距离D：

由(L – D)/v – D/v =τ；

推导可得到：

D = (L – v *τ)/2。

另外，为了降低随机噪声对定位精度的影响，对渗漏位置的定位采用分段计算，基于这一改进思想，步骤S71具体包括如下步骤：

S712、将广义互相关函数以相同的分段窗口分割为多个包络，并将各段包络进行时序叠加后取平均值，得到平均包络。

步骤S72具体包括如下步骤：

S721、计算S712的平均包络中广义互相关函数最大值时两渗漏噪声信号间的时延，由于使用了平均包络进行时延计算，能够一定程度排除随机噪声的干扰。

若干子消火栓中的每个在管道系统中构成一处管道节点，采集自身处的管道噪声信号，并将管道噪声信号发送至数据处理端。

数据处理端可以使用上位机、远端计算机、移动设备或云计算平台，其包括：识别模块、管道节点选取模块、相关性计算模块、定位模块；

本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是现场可编程门阵列（Field－Programmable GateArray，FPGA）、集成电路（Integrated Circuit，IC）等。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个单元中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行并实现上述方法实施例中的全部或部分流程。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

Claims

1.一种管道节点的渗漏定位方法，用于在具有多个管道节点的管道系统中定位渗漏位置，其特征在于，方法具体包括如下步骤：

S1、采集各个所述管道节点处的管道噪声信号；

S2、对各个所述管道节点处的管道噪声信号进行识别，检测存在渗漏噪声信号的管道节点；

S3、将采集到所述存在渗漏噪声信号的管道节点作为中心管道节点；

S4、获取与所述中心管道节点相邻的若干相邻管道节点；

S5、计算每个所述相邻管道节点与所述中心管道节点处的管道噪声信号之间的互相关系数、相干系数；

S6、根据所述互相关系数及所述相干系数判断与所述渗漏位置相邻的相邻管道节点，作为定位管道节点；当某个中心管道节点存在多个相邻管道节点时，分别计算该中心管道节点与每个相邻管道节点的互相关系数及相干系数标准差，并根据互相关系数和相干系数标准差的综合最大值选择定位管道节点；其中，所述互相关系数和相干系数标准差的综合最大值用相干系数标准差与1的差值来和互相关系数相乘得到；

S7、根据所述定位管道节点与所述中心管道节点采集的渗漏噪声信号计算所述渗漏位置与所述定位管道节点和所述中心管道节点的距离。

2.如权利要求1所述的一种管道节点的渗漏定位方法，其特征在于，所述步骤S2使用专家系统对所述管道噪声信号进行识别并检测存在渗漏噪声信号的管道节点。

3.如权利要求2所述的一种管道节点的渗漏定位方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：

S21、计算各个所述管道节点处的管道噪声信号的若干种渗漏识别特征值；

S22、根据所述渗漏识别特征值计算渗漏评分；

S23、将管道噪声信号在某一指定时长内所述渗漏评分均高于预设门限的管道节点检测为存在渗漏噪声信号。

4.如权利要求1所述的一种管道节点的渗漏定位方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括如下步骤：

S71、计算所述定位管道节点与所述中心管道节点采集的渗漏噪声信号广义互相关函数；

S72、选取所述广义互相关函数最大值时两渗漏噪声信号间的时延；

S73、根据所述时延计算所述渗漏位置与所述定位管道节点和所述中心管道节点的距离。

5.如权利要求4所述的一种管道节点的渗漏定位方法，其特征在于，所述步骤S71具体包括如下步骤：

S711、计算所述定位管道节点与所述中心管道节点采集的渗漏噪声信号的广义互相关函数；

S712、将所述广义互相关函数分割为若干包络并叠加得到平均包络；

所述步骤S72具体包括如下步骤：

S721、计算所述平均包络中广义互相关函数最大值时两渗漏噪声信号间的时延。

6.一种智能消火栓，应用于管道系统，其特征在于，包括数据处理端和与所述数据处理端通信连接的若干个子消火栓；

所述若干子消火栓中的每个在所述管道系统中构成一处管道节点，并采集自身处的管道噪声信号；

所述数据处理端包括：识别模块、管道节点选取模块、相关性计算模块、定位模块；

所述识别模块用于对各个所述管道节点处的管道噪声信号进行识别，检测存在渗漏噪声信号的管道节点；

所述管道节点选取模块用于将采集到所述存在渗漏噪声信号的管道节点作为中心管道节点，及获取与所述中心管道节点相邻的若干相邻管道节点；

所述相关性计算模块用于计算每个所述相邻管道节点与所述中心管道节点处的管道噪声信号之间的互相关系数、相干系数；

所述定位模块根据所述互相关系数及所述相干系数判断与所述渗漏位置相邻的相邻管道节点，作为定位管道节点；当某个中心管道节点存在多个相邻管道节点时，分别计算该中心管道节点与每个相邻管道节点的互相关系数及相干系数标准差，并根据互相关系数和相干系数标准差的综合最大值选择定位管道节点；其中，所述互相关系数和相干系数标准差的综合最大值用相干系数标准差与1的差值来和互相关系数相乘得到；

所述定位模块还用于根据所述定位管道节点与所述中心管道节点采集的渗漏噪声信号所述渗漏位置与所述定位管道节点和所述中心管道节点的距离。