KR20220105039A - Apparatus And Method For Remotely Detecting Pipe Leakage In A Non-contact and Non-destructive Manner Through Ultrasonic Sound - Google Patents
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Abstract
Description
배관 누설 원격 탐지 기술이 제공된다. 보다 상세하게는, 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치 및 이를 위한 방법이 제공된다. Pipe leak remote detection technology is provided. More particularly, an apparatus and method for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound are provided.
배관 설비들은 사람을 예로 들면 혈관에 해당한다. 출혈, 즉, 배관 내부매체의 누설은 설비의 가동에 큰 영향을 준다. 누설 유체 또는 가스의 손실, 환경파괴 등을 생각하면, 그 영향은 매우 크다. 예를 들어, 부식성이 높은 매체(유체, 가스)와 Na 등과 같은 매우 위험한 물질의 누설은 환경에 막대한 영향을 끼친다. 그리고 가연성 고압가스 누출사고는 2차 재해의 위험을 초래할 위험이 있으므로, 누설을 조기에 발견할 수 있는 탐지시스템이 요구된다. Plumbing fixtures are blood vessels, for example in humans. Bleeding, that is, leakage of the internal medium of the pipe, has a great influence on the operation of the equipment. Considering the loss of leakage fluid or gas, environmental destruction, etc., the effect is very large. For example, the leakage of highly corrosive media (fluids, gases) and very hazardous substances such as Na has a huge impact on the environment. In addition, a leaking accident of flammable high-pressure gas has a risk of causing a secondary disaster, so a detection system that can detect the leak early is required.
본 발명의 일 실시예는 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치 및 이를 위한 방법을 제공하기 위한 것이다. One embodiment of the present invention is to provide an apparatus and method for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound.
본 발명의 일 실시예에 따른 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치는, 음향 신호를 수집하는 음향센서와, 음향 신호로부터 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 도출하는 신호처리부와, 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지하는 제어부를 포함하고, 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지한다. An apparatus for remotely detecting a pipe leak according to an embodiment of the present invention includes an acoustic sensor for collecting an acoustic signal, a signal processing unit for deriving a power spectrum having a FFT line for each frequency from the acoustic signal, and an FFT line for each frequency and a control unit for detecting a pipe leak by analyzing a power spectrum having
신호처리부는 음향 신호 중 소정의 초음파 대역 이외의 대역의 신호를 제거하고 소정의 초음파 대역의 음향 신호를 출력하는 필터와, 초음파 대역의 음향 신호를 디지털 음향 신호로 변환하는 파형검출부와, 디지털 음향 신호에 대해 FFT 변환을 수행하여 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 도출하는 디지털신호처리부를 포함할 수 있다. The signal processing unit includes a filter that removes signals in a band other than a predetermined ultrasound band from among the acoustic signals and outputs an acoustic signal in a predetermined ultrasound band, a waveform detection unit that converts an acoustic signal in the ultrasound band into a digital acoustic signal, and a digital acoustic signal It may include a digital signal processing unit for deriving a power spectrum having an FFT line for each frequency by performing FFT transformation on the .
제어부는 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼이 입력되면, 전력 스펙트럼에 대응하여 배관의 누설 여부에 대한 확률을 출력하는 인공신경망과, 확률에 따라 상기 배관의 누설 여부를 결정하는 탐지모듈을 포함할 수 있다. When a power spectrum having an FFT line for each frequency is input, the control unit may include an artificial neural network that outputs a probability of whether the pipe is leaked in response to the power spectrum, and a detection module that determines whether the pipe is leaked according to the probability. have.
제어부는 누설 여부를 나타내는 레이블을 포함하는 전력 스펙트럼인 학습 데이터를 인공신경망에 입력하고, 인공신경망이 학습 데이터에 대한 출력값을 산출하면, 출력값과 레이블과의 이진 교차 엔트로피 손실이 최소가 되도록 상기 인공신경망의 가중치를 최적화하는 학습모듈을 포함할 수 있다. The control unit inputs training data, which is a power spectrum including a label indicating whether leakage, into the neural network, and when the neural network calculates an output value for the training data, the binary cross entropy loss between the output value and the label is minimized. It may include a learning module for optimizing the weight of .
본 발명의 일 실시예에 따른 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법은 음향센서가 음향 신호를 수집하는 단계와, 신호처리부가 음향 신호로부터 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 도출하는 단계와, 제어부가 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지하는 단계를 포함하고, 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지한다. A method for remotely detecting a pipe leak according to an embodiment of the present invention includes the steps of: an acoustic sensor collecting an acoustic signal; a signal processing unit deriving a power spectrum having an FFT line for each frequency from the acoustic signal; and detecting a pipe leak by analyzing a power spectrum having an FFT line for each frequency, and remotely detecting the pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound.
전력 스펙트럼을 도출하는 단계는, 신호처리부의 필터가 음향 신호 중 소정의 초음파 대역 이외의 대역의 신호를 제거하고 소정의 초음파 대역의 음향 신호를 출력하는 단계와, 신호처리부의 파형검출부가 초음파 대역의 음향 신호를 디지털 음향 신호로 변환하는 단계와, 신호처리부의 디지털신호처리부가 디지털 음향 신호에 대해 FFT 변환을 수행하여 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 도출하는 단계를 포함할 수 있다. The step of deriving the power spectrum includes, by the filter of the signal processing unit, removing a signal in a band other than a predetermined ultrasound band from among the acoustic signals and outputting an acoustic signal in a predetermined ultrasound band, and a waveform detecting unit of the signal processing unit in the ultrasound band. It may include converting the sound signal into a digital sound signal, and the digital signal processing unit of the signal processing unit performing FFT conversion on the digital sound signal to derive a power spectrum having FFT lines for each frequency.
전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지하는 단계는, 제어부의 인공신경망이 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼이 입력되면, 전력 스펙트럼에 대응하여 배관의 누설 여부에 대한 확률을 출력하는 단계와, 제어부의 탐지모듈이 확률에 따라 배관의 누설 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. The step of analyzing the power spectrum to detect the pipe leakage includes: when the artificial neural network of the control unit receives a power spectrum having an FFT line for each frequency, outputting a probability of whether the pipe leaks in response to the power spectrum; The detection module may include determining whether the pipe is leaking according to the probability.
배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법은 음향센서가 음향 신호를 수집하는 단계 전, 제어부의 학습모듈이 누설 여부를 나타내는 레이블을 포함하는 전력 스펙트럼인 학습 데이터를 인공신경망에 입력하는 단계와, 인공신경망이 학습 데이터에 대한 출력값을 산출하는 단계와, 학습모듈이 출력값과 레이블과의 이진 교차 엔트로피 손실이 최소가 되도록 인공신경망의 가중치를 최적화하는 단계를 포함할 수 있다. A method for remotely detecting a pipe leak includes, before the acoustic sensor collects an acoustic signal, inputting, by a learning module of the control unit, learning data, which is a power spectrum including a label indicating leakage, into an artificial neural network; Calculating an output value for the training data, and the learning module may include optimizing the weight of the artificial neural network so that the binary cross entropy loss between the output value and the label is minimized.
본 발명의 일 실시예에 따른 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법은, 배관 설비를 기준으로 서로 다른 복수의 위치에 설치된 복수의 탐지장치가 측정한 배경 신호와 설치 위치를 매핑하는 단계와, 복수의 탐지장치 각각이 측정한 누설 신호 대 배경 신호의 S/N의 비를 산출하는 단계와, 산출된 S/N의 비가 가장 큰 값을 가지는 탐지장치가 감시하는 영역을 누설이 발생한 영역으로 특정하는 단계를 포함하고, 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지한다. A method for remotely detecting a pipe leak according to an embodiment of the present invention includes the steps of: mapping a background signal measured by a plurality of detection devices installed at a plurality of different locations with respect to a pipe facility and an installation location; calculating the ratio of S/N of the leakage signal to the background signal measured by each detection device of remotely detecting pipe leaks in a non-contact and non-destructive manner via ultrasonic sound.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치 및 이를 위한 방법을 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide an apparatus and a method for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 전력 스펙트럼을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공신경망의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공신경망의 학습 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 인공신경망을 통해 전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 1 is a view for explaining the configuration of an apparatus for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph for explaining a power spectrum for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining the configuration of an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a method for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a learning method of an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart illustrating a method of detecting a pipe leakage by analyzing a power spectrum through an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.
7 and 8 are diagrams for explaining a method for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention.
9 and 10 are graphs for explaining a method for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Prior to the detailed description of the present invention, the terms or words used in the present specification and claims described below should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors should develop their own inventions in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be appropriately defined as a concept of a term for explanation. Accordingly, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical ideas of the present invention, so various equivalents that can replace them at the time of the present application It should be understood that there may be water and variations.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this case, it should be noted that the same components in the accompanying drawings are denoted by the same reference numerals as much as possible. In addition, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obscure the gist of the embodiments of the present invention will be omitted. For the same reason, some components are exaggerated, omitted, or schematically illustrated in the accompanying drawings, and the size of each component does not fully reflect the actual size.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치의 구성에 대해서 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 전력 스펙트럼을 설명하기 위한 그래프이다. 도 3은 일 본 발명의 실시예에 따른 인공신경망의 구성을 설명하기 위한 도면이다. First, a configuration of an apparatus for remotely detecting pipe leakage in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention will be described. 1 is a view for explaining the configuration of an apparatus for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention. 2 is a graph for explaining a power spectrum for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention. 3 is a diagram for explaining the configuration of an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치(100: 이하, 탐지장치)는 초음파를 통해 배관의 누설을 원격으로 탐지한다. 고압 배관의 결함, 예를 들어 천공, 균열 등에 의해 누설이 발생할 경우, 초음파가 발생된다. 고압 배관 내부의 유체 혹은 기체가 공기 중으로 유출되면, 압력이 저하하고 팽창하여 탄성파가 발생된다. 유출된 기체는 유출부에서 난류가 되어 초음파를 생성한다. 이에 따라, 탐지장치(100)는 기체, 예컨대, 가스의 누설률(leak rate)이 1x10-3 std. cc/sec 이상일 때, 난류로 인해 생성되는 초음파를 탐지할 수 있다. 탐지장치(100)는 전술한 바와 같은 초음파 음향 신호를 검출하여, 배관의 누설 여부를 비접촉 그리고 비파괴 방식으로 원격으로 탐지한다. Referring to FIG. 1 , an
이를 위하여, 탐지장치(100)는 음향센서(110), 신호처리부(120) 및 제어부(130)를 포함한다. 또한, 탐지장치(100)의 제어부(130)는 통신인터페이스(140)를 더 포함할 수 있으며, 통신인터페이스(140)를 통해 데이터기록장치(200: Data Logger)와 연결될 수 있다. To this end, the
음향센서(110)는 음향 신호를 수집한다. 예를 들어, 음향센서(110)는 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 구조의 초소형 마이크로폰을 통해 구현할 수 있다. The
신호처리부(120)는 음향센서(110)가 수집한 음향 신호로부터 초음파 대역의 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 도출한다. 이를 위하여, 신호처리부(120)는 증폭기(121), 필터(123), 파형검출기(125) 및 디지털신호처리기(127)를 포함할 수 있다. The
증폭기(121)는 음향센서(110)가 수집한 음향 신호를 증폭한다. The
필터(123)는 증폭된 음향 신호에서 소정의 초음파 대역, 예를 들어, 20kHz~100kHz의 음향 신호만을 출력하도록 필터링한다. 예를 들어, 필터(123)는 증폭된 음향 신호 중 소정의 초음파 대역 이외의 대역, 예를 들어, 20kHz 이하의 가청주파수 대역의 신호를 제거하는 필터링을 수행한다. 이러한 필터링에 따라 필터(123)는 소정의 초음파 대역의 음향 신호를 출력한다. The
파형검출기(125)는 초음파 대역의 음향 신호를 디지털 음향 신호로 변환한다. 예를 들어, 필터(123)에 의해 필터링된 초음파 대역의 음향 신호는 아날로그 음향 신호이며, 파형검출기(125)는 이러한 20kHz~100kHz 대역의 아날로그 음향 신호를 256kHz 표본화 주파수 fs로 변환하여 디지털 음향 신호를 생성한다. 그리고 파형검출기(125)는 생성된 디지털 음향 신호를 출력한다. The
디지털신호처리기(127)는 디지털 음향 신호에 대해 고속푸리에변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 수행하여 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 도출한다. 이때, FFT를 위한 블록 길이(샘플링 포인트 개수) N은 1,024개로 한다. 또한 FFT 연산시간 τ와 주파수 분해능 Δf는 다음의 수학식 1 및 2를 통해 산출된다. The
[수학식 1][Equation 1]
τ≤ N/fs ≒ 4 msτ≤ N/f s ≒ 4 ms
[수학식 2][Equation 2]
Δf ≤ fs/N = 250 Hz Δf ≤ f s /N = 250 Hz
이와 같이, 디지털 음향 신호를 250Hz 단위 주파수 분해능으로 초음파 대역(20kHz~100kHz)을 FFT를 통해 주파수 변환하여 전력 스펙트럼(power spectrum)을 구하면 초음파 대역(20kHz~100kHz) 내에서 주파수 분해능에 따른 주파수 별로 복수의 FFT 라인이 형성된다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 디지털 음향 신호의 대역이 20kHz~100kHz이고, 주파수 분해능이 250Hz이기 때문에 320개의 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼(power spectrum)이 도출될 수 있다. 여기서, X 축은 주파수(kHz)를 나타내고, Y 축은 전력 스펙트럼(power spectrum)을 나타낸다. In this way, if a power spectrum is obtained by frequency-converting a digital sound signal to a frequency resolution of 250Hz through an ultrasonic band (20kHz to 100kHz) through FFT, multiple An FFT line is formed. For example, as shown in FIG. 2 , a power spectrum having 320 FFT lines may be derived because the band of the digital sound signal is 20 kHz to 100 kHz and the frequency resolution is 250 Hz. Here, the X axis represents the frequency (kHz), and the Y axis represents the power spectrum.
제어부(130)는 초음파 대역의 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지한다. 예컨대, 제어부(160)는 신호처리부(150)가 생성한 20kHz~100kHz 대역의 320개 FFT 라인(power spectrum) 들을 분석하여 배관의 누설 여부를 검출한다. The
배관에서 고압가스가 누설될 경우, 기계소음 환경 하에서 배관 누설을 가청음 주파수 영역의 소음계로 검출하는 것은 거의 불가능하다. 따라서 일 실시예에 따르면, 발생되는 누설 음향 주파수 영역 중 20kHz 이하의 가청음 영역은 제거하고, 기계 소음을 포함한 배경 잡음 대비 누설 음향의 구분이 상대적으로 용이한 20kHz~100kHz 범위의 초음파 대역에서 전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지한다. 이를 위하여, 제어부(130)는 인공신경망(131), 학습모듈(133) 및 탐지모듈(135)을 포함할 수 있다. When high-pressure gas leaks from a pipe, it is almost impossible to detect pipe leakage with a sound level meter in the audible frequency range under a mechanical noise environment. Therefore, according to one embodiment, the audible sound region of 20 kHz or less among the leakage acoustic frequency region is removed, and the power spectrum is obtained in the ultrasonic band in the range of 20 kHz to 100 kHz, where it is relatively easy to distinguish the leak sound from the background noise including the mechanical noise. Analyze to detect pipe leaks. To this end, the
인공신경망(131)은 복수의 계층을 포함하며, 복수의 계층 각각은 적어도 하나의 연산을 수행하는 모듈을 포함한다. 예를 들어, 인공신경망(131)은 복수의 연산으로 이루어진 복수의 계층을 가지며, 복수의 계층 간의 연산의 결과가 전달된다. 이때, 연산의 결과의 전달은 가중치가 부여되어 전달된다. The artificial
도 3을 참조하면, 인공신경망(131)은 입력층(10: input layer), 제1 및 제2 컨벌루션층(20, 40: convolution layer), 제1 및 제2 풀링층(30, 50: pooling layer), 완전연결층(60: fully-connected layer) 및 출력층(70: output layer)을 포함한다. 제1 및 제2 컨벌루션층(20, 40)은 컨벌루션 연산을 수행하며, 제1 및 제2 풀링층(30, 50)은 풀링 연산을 수행하고, 완전연결층(60)은 활성화함수에 의한 연산을 수행한다. Referring to FIG. 3 , the artificial
본 발명의 실시예에 따른 인공신경망(131)은 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼이 입력되면, 전력 스펙트럼에 대해 복수의 계층의 가중치가 적용되는 복수의 연산을 통해 배관의 누설 여부에 대한 확률을 산출하고, 산출된 확률을 출력값으로 출력하도록 학습된다. 예를 들어, 학습이 완료된 인공신경망(131)은 전력 스펙트럼이 입력되면, 복수의 계층의 가중치가 적용되는 복수의 연산을 통해 배관의 누설 여부에 대한 확률을 산출하고, 산출된 배관의 누설 여부에 대한 확률을 출력한다. When a power spectrum having an FFT line for each frequency is input, the artificial
보다 구체적으로, 입력층(10: input layer)에 전력 스펙트럼이 입력되면, 제1 컨벌루션층(20)의 필터(커널: W)를 이용한 컨벌루션 연산이 수행되어 그 결과가 제1 풀링층(30)에 입력되고, 입력된 결과값에 대해 필터(W)를 이용한 제1 풀링층(30)의 풀링 연산이 수행되어 그 결과가 제2 컨벌루션층(40)에 입력된다. 계속해서, 입력된 결과값에 대해 제2 컨벌루션층(40)의 필터(W)를 이용한 컨벌루션 연산이 수행되어 그 결과가 제2 풀링층(50)에 입력되고, 입력된 결과값에 대해 제2 풀링층(50)의 풀링 연산이 수행되어 그 결과가 완전연결층(60)에 입력된다. 그러면, 완전연결층(60)의 활성화함수에 의한 연산이 수행되며, 그 결과가 출력층(70)에 입력되어 출력값으로 출력된다. 전술한 각 계층의 연산은 가중치가 적용되어 다음 계층으로 전달된다. 출력층(70)은 2개의 노드(O1, O2)를 가지며, 제1 노드(O1)는 배관이 누설되었을 확률에 대응하며, 제2 노드(O2)는 배관이 누설되지 않았을 확률에 대응한다. More specifically, when a power spectrum is input to the
학습모듈(133)은 인공신경망(131)을 학습시키기 위한 것이다. 학습모듈(133)은 학습 데이터를 이용하여 인공신경망(131)을 학습시킨다. 학습 데이터는 누설 여부를 나타내는 레이블을 포함하는 전력 스펙트럼이다. 학습모듈(133)은 이러한 전력 스펙트럼인 학습 데이터를 인공신경망(131)에 입력한다. 이에 따라, 인공신경망(131)이 학습 데이터에 대해 복수의 계층의 가중치가 적용되는 복수의 연산을 통해 출력값을 산출할 것이다. 그러면, 학습모듈(133)은 인공신경망(131)의 출력값과 레이블과의 이진 교차 엔트로피 손실이 최소가 되도록 인공신경망(131)의 가중치를 최적화함으로써 인공신경망(131)을 학습시킨다. 이러한 학습모듈(133)의 학습 방법에 대해서는 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다. The
탐지모듈(135)은 학습된 인공신경망(131)의 출력에 따라 배관 누설을 탐지한다. 탐지모듈(135)은 신호처리부(120)가 생성한 전력 스펙트럼을 인공신경망(131)에 입력한 후, 입력된 전력 스펙트럼에 대한 인공신경망(131)의 출력값을 획득한다. 인공신경망(131)의 출력값은 배관 누설 여부 대한 확률이며, 탐지모듈(135)은 그 확률이 기 설정된 임계치 이상이면, 배관 누설이 발생한 것으로 판단한다. 예컨대, 인공신경망(131)의 제1 노드(O1)의 값이 제2 노드(O2)의 값 보다 크고 임계치 이상인 경우, 탐지모듈(135)은 배관이 누설된 것으로 판단할 수 있다. 가령, 임계치가 75%라고 가정하면, 일례로, 제1 및 제2 노드(O1, O2)의 값이 (O1, O2) = (0.8176, 0.1824)이면, 누설 되었을 확률이 82%이고, 누설되지 않았을 확률이 18%이기 때문에 누설된 것으로 판단할 수 있다. 다른 예로, 제1 및 제2 노드(O1, O2)의 값이 (O1, O2) = (0.7211, 0.2789)이면, 누설 되었을 확률이 72%이고, 누설되지 않았을 확률이 28%로 누설되었을 확률이 높지만 임계치 미만의 확률을 가지기 때문에 누설되지 않은 것으로 판단할 수 있다. 이러한 탐지모듈(135)의 배관 누설 탐지 방법에 대해서는 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다. The
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. Next, a method for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention will be described. 4 is a flowchart illustrating a method for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention.
음향센서(110)는 S110 단계에서 음향 신호를 수신한다. 그러면, 신호처리부(120)의 증폭기(121)는 S120 단계에서 음향센서(110)가 수집한 음향 신호를 증폭한다. 이어서, 신호처리부(120)의 필터(123)는 S130 단계에서 증폭된 음향 신호에서 소정의 초음파 대역, 예를 들어, 20kHz~100kHz의 음향 신호만을 출력하도록 필터링한다. 예를 들어, 필터(123)는 증폭된 음향 신호 중 소정의 초음파 대역 이외의 대역, 예를 들어, 20kHz 이하의 가청주파수 대역의 신호를 제거하는 필터링을 수행한다. 이러한 필터링에 따라 필터(123)는 소정의 초음파 대역의 음향 신호를 출력한다. The
다음으로, 신호처리부(120)의 파형검출기(125)는 S140 단계에서 초음파 대역의 음향 신호를 디지털 음향 신호로 변환한다. 예를 들어, 필터(123)에 의해 필터링된 초음파 대역의 음향 신호는 아날로그 음향 신호이며, 파형검출기(125)는 이러한 20kHz~100kHz 대역의 아날로그 음향 신호를 256kHz 표본화 주파수 fs로 변환하여 디지털 음향 신호를 생성한다. 그리고 파형검출기(125)는 생성된 디지털 음향 신호를 출력한다. Next, the
다음으로, 신호처리부(120)의 디지털신호처리기(127)는 S150 단계에서 디지털 음향 신호에 대해 FFT를 수행하여 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 도출한다. 예컨대, FFT를 위한 블록 길이(샘플링 포인트 개수) N은 1,024개가 될 수 있고, 또한 FFT 연산시간 τ와 주파수 분해능 Δf는 전술한 수학식 1 및 2에 따라 산출된다. 이와 같이, 디지털 음향 신호를 250Hz 단위 주파수 분해능으로 초음파 대역(20kHz~100kHz)을 FFT를 통해 주파수 변환하여 전력 스펙트럼을 구하면 초음파 대역 내에서 주파수 분해능에 따른 주파수 별로 복수의 FFT 라인이 형성된다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 디지털 음향 신호의 대역이 20kHz~100kHz이고, 주파수 분해능이 250Hz이기 때문에 320개의 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼(power spectrum)이 도출될 수 있다. Next, the
다음으로, 제어부(130)는 S160 단계에서 초음파 대역의 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지한다. 예컨대, 제어부(160)는 신호처리부(150)가 생성한 20kHz~100kHz 대역의 320개 FFT 라인을 분석하여 배관의 누설 여부를 검출한다. Next, the
일 실시예에 따르면, 제어부(130)는 인공신경망(131)을 이용하여 초음파 대역의 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지한다. 이러한 방법에 대해서 보다 상세하게 설명하기로 한다. According to an embodiment, the
인공신경망(131)을 이용하기 위해 인공신경망(131)에 대한 학습이 선행되어야 한다. 그러면, 이러한 학습 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인공신경망의 학습 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. In order to use the artificial
도 5를 참조하면, 학습모듈(133)은 S210 단계에서 학습 데이터를 마련한다. 학습 데이터는 누설 여부를 나타내는 레이블을 포함하는 전력 스펙트럼이다. 예를 들어, 배관이 누설된 상황에서 음향센서(110)를 통해 음향 신호를 수신하고, 신호처리부(120)를 통해 전력 스펙트럼을 추출한 신호를 학습 데이터로 사용할 수 있다. 또한, 대조군으로 배관이 누설되지 않은 상황에서 음향센서(110)를 통해 음향 신호를 수신하고, 신호처리부(120)를 통해 전력 스펙트럼을 추출한 신호를 학습 데이터로 사용할 수 있다. 누설된 상황의 학습 데이터에 대한 레이블은 제1 및 제2 노드의 값으로 (O1, O2)=(1, 0)과 같이 설정되며, 누설되지 않은 상황의 학습 데이터(대조군)에 대한 레이블은 제1 및 제2 노드의 값으로 (O1, O2)=(0, 1)과 같이 설정될 것이다. Referring to FIG. 5 , the
다음으로, 학습모듈(133)은 S220 단계에서 학습 데이터를 인공신경망(131)에 입력한다. 그러면, 인공신경망(131)은 학습 데이터에 대해 가중치가 적용되는 복수의 계층의 복수의 연산을 수행하여 학습 데이터에 대한 출력값을 산출할 것이다. 그러면, 학습모듈(133)은 S230 단계에서 인공신경망(131)의 출력값과 레이블과의 이진 교차 엔트로피 손실(binary cross entropy loss)이 최소가 되도록 최적화 알고리즘을 이용하여 인공신경망(131)의 가중치를 최적화한다. 복수의 학습 데이터를 이용하여 전술한 S210 단계 내지 S230 단계를 반복하여 학습을 완료할 수 있다. Next, the
전술한 바와 같이, 인공신경망(131)의 학습이 완료되면, 인공신경망(131)을 이용하여 배관 누설을 탐지할 수 있다. 이러한 방법에 대해서 보다 상세하게 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 인공신경망을 통해 전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. As described above, when the learning of the artificial
도 6을 참조하면, 탐지모듈(135)은 S310 단계에서 진단 데이터를 수신할 수 있다. 진단 데이터는 앞서 도 4와 같은 처리를 거쳐 도출된 음향 신호의 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼이다. Referring to FIG. 6 , the
탐지모듈(135)은 S320 단계에서 전력 스펙트럼을 인공신경망(131)에 입력한다. 그러면, 인공신경망(131)은 전력 스펙트럼에 대응하여 복수의 계층의 가중치가 적용되는 복수의 연산을 통해 상기 배관의 누설 여부에 대한 확률을 산출할 것이다. The
그러면, 탐지모듈(135)은 S330 단계에서 인공신경망(131)이 산출한 확률에 따라 배관의 누설 여부를 결정한다. 가령, 임계치가 75%라고 가정하면, 일례로, 제1 및 제2 노드(O1, O2)의 값이 (O1, O2) = (0.8176, 0.1824)이면, 누설 되었을 확률이 82%이고, 누설되지 않았을 확률이 18%이기 때문에 누설된 것으로 판단할 수 있다. 다른 예로, 제1 및 제2 노드(O1, O2)의 값이 (O1, O2) = (0.7211, 0.2789)이면, 누설 되었을 확률이 72%이고, 누설되지 않았을 확률이 28%로 누설되었을 확률이 높지만 임계치 미만의 확률을 가지기 때문에 누설되지 않은 것으로 판단할 수 있다. Then, the
고압 배관에서 가스가 누설될 경우, 발생 되는 누설음향은 가청주파수 영역을 포함한 전 주파수 영역에서 일정한 분포를 보인다. 최근접거리에서는 20kHz 이하의 가청주파수 영역에서도 고온배관의 누설음향을 들을 수 있다. 하지만, 플랜트(Plant) 등의 기계소음, 생활소음 등의 주위잡음이 매우 크기 때문에, 일정 범위를 벗어난 거리에서는 누설음향을 듣는 것이 거의 불가능하다. 따라서 일 실시예에 따르면, 초음파 대역의 신호를 이용하여 원거리에서 비접촉 방식으로 누설 음향을 검출할 수 있다. When gas leaks from a high-pressure pipe, the leakage sound is uniformly distributed in the entire frequency range including the audible frequency range. At the nearest distance, you can hear the leaking sound of the high-temperature pipe even in the audible frequency range of 20 kHz or less. However, since ambient noise such as mechanical noise such as a plant or living noise is very large, it is almost impossible to hear a leak sound at a distance out of a certain range. Therefore, according to an embodiment, the leak sound may be detected from a long distance in a non-contact manner using a signal of the ultrasonic band.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 7 and 8 are diagrams for explaining a method for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention. 9 and 10 are graphs for explaining a method for remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound according to an embodiment of the present invention.
일 실시예에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이, 배관 설비(PS)와 배관 설비(PS)의 일 측방에 이격되어 데이터서버캐비닛(NS) 배치되어 있을 때, 복수의 탐지장치(100: 101, 102, 104, 105)가 배관 설비(PS)에 대해 4개의 서로 다른 방향 배치된다. According to an embodiment, as shown in FIG. 7 , when the data server cabinet NS is spaced apart from one side of the piping facility PS and the piping facility PS, a plurality of detection devices 100: 101 , 102 , 104 , 105 are arranged in four different orientations with respect to the plumbing fixture PS.
데이터기록장치(200)는 인터페이스모듈(210), 저장모듈(220) 및 제어모듈(230)을 포함한다. 인터페이스모듈(210)은 복수의 탐지장치(100: 101, 102, 104, 105)와 통신하기 위한 장치이다. 이러한 통신은 유선 혹은 무선 프로토콜이 될 수 있다. 저장모듈(220)은 배관 설비를 기준으로 서로 다른 복수의 위치에 설치된 복수의 탐지장치가 측정한 배경 신호와 설치 위치를 매핑하여 저장한다. 제어모듈(230)은 인터페이스모듈(210)을 통해 복수의 탐지장치(100: 101, 102, 104, 105) 각각으로부터 누설 신호를 수신하여 기 저장된 배경 신호와의 비교를 통해 누설이 발생한 영역으로 특정한다. 이와 같이, 누설이 발생한 영역을 특정하는 방법에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. The
탐지장치(100: 101, 102, 104, 105)는 설치 위치 또는 방향에 따라, 도 9에 도시된 그래프와 같이, 배경 (B/G, background) 신호가 상이하다. 따라서 초음파 누설탐지기의 배경 신호와 설치 위치를 매핑하고, 도 10과 같이, 각각의 설치된 지점들의 탐지장치(100: 101, 102, 104, 105)에서 탐지한 신호의 S/N 비 차이를 비교하면, S/N 비 가 가장 큰 값을 나타내는 곳의 탐지장치(100: 101, 102, 104, 105)의 설치 영역을 누설이 발생하는 것으로 특정할 수 있다. The detection device 100: 101, 102, 104, 105 has different background (B/G, background) signals, as shown in the graph shown in FIG. 9 , according to the installation position or direction. Therefore, if the background signal and the installation location of the ultrasonic leak detector are mapped, and the S/N ratio difference of the signals detected by the detection devices (100: 101, 102, 104, 105) of each installed point is compared as shown in FIG. , it is possible to specify the installation area of the detection device (100: 101, 102, 104, 105) where the S/N ratio shows the largest value as the leakage occurring.
예컨대, 도 7 및 도 8을 참조하면, 제1 누설지점(Leak point#1) 및 제2 누설지점(leak point#2)에 해당하는 0.2mm 노즐에, 70kPa의 압력조건에서 공기가 누설되었다고 가정한다. 도 9는 서로 다른 4개의 위치에 설치된 탐지장치(100: 101, 102, 104, 105)가 탐지한 배경 신호를 나타낸다. 이와 같이, 서로 다른 4개의 위치에 설치된 탐지장치(100: 101, 102, 104, 105)가 탐지한 배경신호가 모두 상이함을 알 수 있다. For example, referring to FIGS. 7 and 8 , it is assumed that air leaked to the 0.2mm nozzle corresponding to the first
또한, 도 9에 도시된 그래프와 같이, 탐지장치(100: 101, 102, 104, 105)의 설치 위치에 따른 누설초음파 음향신호의 배경신호가 주파수(FFT 라인)에 따라 상이하기 때문에 배경신호의 주파수(FFT line)에 따른 신호의 특성과 설치 위치를 매핑할 수 있다. In addition, as shown in the graph shown in FIG. 9, the background signal of the ultrasonic leak sound signal according to the installation position of the detection device 100: 101, 102, 104, 105 is different depending on the frequency (FFT line). It is possible to map the characteristics of the signal according to the frequency (FFT line) and the installation location.
도 10은 제2 누설지점(Leak point#2)에서 공기가 누설될 때의 서로 다른 4개의 위치에 설치된 탐지장치(100: 101, 102, 104, 105)가 탐지한 각각의 설치위치에서 검출한 초음파 대역의 음향신호를 측정한 누설 신호를 나타낸다. 10 is a second leak point (Leak point #2) when the air leaks from the detection device (100: 101, 102, 104, 105) installed at four different positions detected at each installation position detected. It represents the leakage signal obtained by measuring the acoustic signal in the ultrasonic band.
도 10에서 배경 신호(AVG (B/G)) 및 누설 신호(AVG (0.2 mm leak))를 비교하는 경우, 설치 위치에 따른 누설 신호 대 배경 신호의 S/N 비를 구하면, 제1 및 제4 탐지장치(101, 104)가 탐지한 누설 신호 대 배경 신호의 S/N 비는 0.1이하 또는 음의 값으로 배경 신호와 누설 신호의 구분이 되지 않음을 나타내고, 제2 및 제5 탐지장치(102, 105)가 탐지한 누설 신호 대 배경 신호의 S/N의 비는 2.56dB, 0.27dB로 산출된다. 이와 같이, S/N 비의 비교로부터, S/N 비가 가장 큰 값을 나타내는 곳의 탐지장치인 제2 탐지장치(102)의 감시 영역에서 누설이 발생하였음을 알 수 있다. When comparing the background signal (AVG (B/G)) and the leakage signal (AVG (0.2 mm leak)) in FIG. 10, if the S/N ratio of the leakage signal to the background signal according to the installation location is obtained, the first and second 4 The S/N ratio of the leakage signal to the background signal detected by the
데이터기록장치(200)의 저장모듈(220)은 배관 설비(PS)를 기준으로 서로 다른 복수의 위치에 설치된 복수의 탐지장치(101, 102, 104, 105) 각각의 설치위치를 저장할 수 있다. 이때, 데이터기록장치(200)의 제어모듈(230)은 인터페이스모듈(210)을 통해 복수의 탐지장치(101, 102, 104, 105) 각각이 측정한 배경 신호를 수신할 수 있다. 그러면, 제어모듈(230)은 도 9에 도시된 그래프와 같이, 복수의 탐지장치(101, 102, 104, 105) 각각의 설치 위치에 따른 누설초음파 음향신호의 배경신호가 주파수(FFT 라인)에 따라 상이하기 때문에 배경신호의 주파수(FFT line)에 따른 신호의 특성과 설치 위치를 매핑하고, 이를 저장모듈(220)에 저장할 수 있다. 또한, 데이터기록장치(200)의 제어모듈(230)은 인터페이스모듈(210)을 통해 복수의 탐지장치(101, 102, 104, 105) 각각이 측정한 누설 신호를 수신할 수 있다. 그러면, 제어모듈(230)은 복수의 탐지장치(101, 102, 104, 105) 각각이 측정한 누설 신호 대 기 저장된 배경 신호의 S/N의 비를 산출할 수 있다. 그러면, 제어모듈(230)은 산출된 S/N의 비가 가장 큰 값을 가지는 탐지장치(101, 102, 104, 105 중 어느 하나)가 감시하는 영역을 누설이 발생한 영역으로 특정할 수 있다. The
한편, 앞서 설명된 본 발명의 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터수단을 통하여 판독 가능한 프로그램 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 여기서, 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명의 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 예컨대 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함한다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어를 포함할 수 있다. 이러한 하드웨어 장치는 본 발명의 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다. Meanwhile, the method according to the embodiment of the present invention described above may be implemented in the form of a program readable by various computer means and recorded in a computer readable recording medium. Here, the recording medium may include a program command, a data file, a data structure, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the recording medium may be specially designed and configured for the embodiment of the present invention, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. For example, the recording medium includes magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, and magneto-optical media such as floppy disks ( magneto-optical media), and hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions may include high-level languages that can be executed by a computer using an interpreter or the like, as well as machine language such as generated by a compiler. Such hardware devices may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments of the present invention, and vice versa.
이상 본 발명을 몇 가지 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다. The present invention has been described above using several examples, but these examples are illustrative and not restrictive. As such, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various changes and modifications can be made in accordance with the doctrine of equivalents without departing from the spirit of the present invention and the scope of rights set forth in the appended claims.
110: 음향센서
120: 신호처리부
121: 증폭기
123: 필터
125: 파형검출기
127: 디지털신호처리기
130: 제어부
131: 인공신경망
133: 학습모듈
135: 탐지모듈
140: 통신인터페이스
200: 데이터기록장치110: sound sensor
120: signal processing unit
121: amplifier
123: filter
125: waveform detector
127: digital signal processor
130: control unit
131: artificial neural network
133: learning module
135: detection module
140: communication interface
200: data recording device
Claims (9)
상기 음향 신호로부터 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 도출하는 신호처리부; 및
상기 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지하는 제어부;
를 포함하고, 초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하는, 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치. an acoustic sensor for collecting acoustic signals;
a signal processing unit for deriving a power spectrum having an FFT line for each frequency from the sound signal; and
a control unit for detecting a pipe leak by analyzing a power spectrum having the FFT line for each frequency;
A device for remotely detecting a pipe leak, comprising: remotely detecting a pipe leak in a non-contact and non-destructive manner through ultrasonic sound.
상기 신호처리부는,
상기 음향 신호 중 소정의 초음파 대역 이외의 대역의 신호를 제거하고 상기 소정의 초음파 대역의 음향 신호를 출력하는 필터;
상기 초음파 대역의 음향 신호를 디지털 음향 신호로 변환하는 파형검출부; 및
상기 디지털 음향 신호에 대해 FFT 변환을 수행하여 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 도출하는 디지털신호처리부;
를 포함하는, 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치. In claim 1,
The signal processing unit,
a filter for removing a signal in a band other than a predetermined ultrasound band from among the acoustic signals and outputting an acoustic signal in the predetermined ultrasound band;
a waveform detection unit converting the sound signal of the ultrasonic band into a digital sound signal; and
a digital signal processing unit for deriving a power spectrum having an FFT line for each frequency by performing FFT conversion on the digital sound signal;
A device for remotely detecting a pipe leak, comprising a.
상기 제어부는,
상기 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼이 입력되면, 상기 전력 스펙트럼에 대응하여 상기 배관의 누설 여부에 대한 확률을 출력하는 인공신경망; 및
상기 확률에 따라 상기 배관의 누설 여부를 결정하는 탐지모듈;
을 포함하는, 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치. In claim 1,
The control unit is
an artificial neural network for outputting a probability of whether the pipe is leaking in response to the power spectrum having the FFT line for each frequency being input; and
a detection module for determining whether the pipe is leaking according to the probability;
A device for remotely detecting a pipe leak, comprising a.
상기 제어부는,
누설 여부를 나타내는 레이블을 포함하는 전력 스펙트럼인 학습 데이터를 상기 인공신경망에 입력하고,
상기 인공신경망이 학습 데이터에 대한 출력값을 산출하면,
상기 출력값과 상기 레이블과의 이진 교차 엔트로피 손실이 최소가 되도록 상기 인공신경망의 가중치를 최적화하는 학습모듈을 포함하는, 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 장치. In claim 3,
The control unit is
Input the training data, which is a power spectrum including a label indicating whether leakage, to the artificial neural network,
When the artificial neural network calculates an output value for the learning data,
and a learning module for optimizing the weight of the artificial neural network so that the binary cross entropy loss between the output value and the label is minimized.
신호처리부가 상기 음향 신호로부터 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 도출하는 단계; 및
제어부가 상기 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지하는 단계;
를 포함하고,
초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하는, 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법. Acoustic sensor collecting an acoustic signal;
deriving, by a signal processing unit, a power spectrum having an FFT line for each frequency from the sound signal; and
detecting, by a control unit, a power spectrum having the FFT line for each frequency to detect a pipe leak;
including,
A method for remotely detecting pipe leaks, comprising remotely detecting pipe leaks in a non-contact and non-destructive manner via ultrasonic acoustics.
상기 전력 스펙트럼을 도출하는 단계는
상기 신호처리부의 필터가 상기 음향 신호 중 소정의 초음파 대역 이외의 대역의 신호를 제거하고 상기 소정의 초음파 대역의 음향 신호를 출력하는 단계;
상기 신호처리부의 파형검출부가 상기 초음파 대역의 음향 신호를 디지털 음향 신호로 변환하는 단계; 및
상기 신호처리부의 디지털신호처리부가 상기 디지털 음향 신호에 대해 FFT 변환을 수행하여 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼을 도출하는 단계;
를 포함하는, 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법. In claim 5,
The step of deriving the power spectrum is
removing, by a filter of the signal processing unit, a signal in a band other than a predetermined ultrasound band from among the acoustic signals and outputting an acoustic signal in the predetermined ultrasound band;
converting, by the waveform detecting unit of the signal processing unit, the sound signal of the ultrasonic band into a digital sound signal; and
deriving, by the digital signal processing unit of the signal processing unit, a power spectrum having an FFT line for each frequency by performing FFT conversion on the digital sound signal;
A method for remotely detecting a pipe leak, comprising:
상기 전력 스펙트럼을 분석하여 배관 누설을 탐지하는 단계는
상기 제어부의 인공신경망이 상기 주파수별 FFT 라인을 가지는 전력 스펙트럼이 입력되면, 상기 전력 스펙트럼에 대응하여 상기 배관의 누설 여부에 대한 확률을 출력하는 단계; 및
상기 제어부의 탐지모듈이 상기 확률에 따라 상기 배관의 누설 여부를 결정하는 단계;
를 포함하는, 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법. In claim 5,
Detecting the pipe leakage by analyzing the power spectrum
when the artificial neural network of the controller receives the power spectrum having the FFT line for each frequency, outputting a probability of whether the pipe is leaked in response to the power spectrum; and
determining, by the detection module of the control unit, whether the pipe is leaking according to the probability;
A method for remotely detecting a pipe leak, comprising:
상기 음향센서가 음향 신호를 수집하는 단계 전,
상기 제어부의 학습모듈이 누설 여부를 나타내는 레이블을 포함하는 전력 스펙트럼인 학습 데이터를 상기 인공신경망에 입력하는 단계;
상기 인공신경망이 학습 데이터에 대한 출력값을 산출하는 단계; 및
상기 학습모듈이 상기 출력값과 상기 레이블과의 이진 교차 엔트로피 손실이 최소가 되도록 상기 인공신경망의 가중치를 최적화하는 단계;
를 더 포함하는, 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법. In claim 7,
Before the sound sensor collects the sound signal,
inputting, by the learning module of the control unit, learning data that is a power spectrum including a label indicating whether leakage is present to the artificial neural network;
calculating, by the artificial neural network, an output value for the training data; and
optimizing, by the learning module, the weights of the artificial neural network such that the binary cross entropy loss between the output value and the label is minimized;
Further comprising, a method for remotely detecting a pipe leak.
상기 복수의 탐지장치 각각이 측정한 누설 신호 대 배경 신호의 S/N의 비를 산출하는 단계; 및
산출된 S/N의 비가 가장 큰 값을 가지는 탐지장치가 감시하는 영역을 누설이 발생한 영역으로 특정하는 단계;
를 포함하고,
초음파 음향을 통해 비접촉 및 비파괴 방식으로 배관 누설을 원격으로 탐지하는, 배관 누설을 원격으로 탐지하기 위한 방법.mapping a background signal measured by a plurality of detection devices installed at a plurality of locations different from each other based on a piping facility and an installation location;
calculating a ratio of S/N of the leakage signal to the background signal measured by each of the plurality of detection devices; and
specifying an area monitored by a detection device having the largest value of the calculated S/N ratio as a leakage area;
including,
A method for remotely detecting pipe leaks, comprising remotely detecting pipe leaks in a non-contact and non-destructive manner via ultrasonic acoustics.
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CN116576405A (en) * | 2023-07-12 | 2023-08-11 | 上海电机学院 | Air duct leakage signal detection method and system |
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KR20090122131A (en) | 2008-05-22 | 2009-11-26 | 경희대학교 산학협력단 | Leak monitoring system using vision and acoustic information |
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2021
- 2021-01-19 KR KR1020210007594A patent/KR20220105039A/en not_active Application Discontinuation
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KR20090122131A (en) | 2008-05-22 | 2009-11-26 | 경희대학교 산학협력단 | Leak monitoring system using vision and acoustic information |
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