KR20240013643A - Apparaus and method for detecting leakage position in water pipe - Google Patents
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Abstract
본 발명은 송배수관 누수 위치추정 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 음향 신호를 상관분석 하여 송배수관에 발생한 누수 위치를 검출할 수 있는 송배수관 누수 위치추정 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치는 송배수관의 양단에 설치된 음향 센서로부터 생성된 소리 신호를 각각 주파수 변환하는 주파수 변환부와, 상기 주파수 변환된 신호를 곱하여 교차스펙트럼을 생성하는 교차스펙트럼 생성부와, 상기 교차스펙트럼을 역 변환하여 시간영역의 교차상관 값을 생성하는 역변환부와, 상기 교차상관 값에 대해 필터링을 적용하는 필터링 후처리부와, 상기 필터링 후처리 된 결과로부터 상관 봉우리를 검출하는 상관 봉우리 검출부와, 상기 상관 봉우리 검출부로부터 검출된 복수의 상관 봉우리 위치값 및 각 상관 봉우리 위치값에 대응하는 음향 센서 간의 거리를 이용해 송배수관 음속을 산출하는 음속 추정부를 포함한다. The present invention relates to a water supply and drainage pipe leak location estimation technology, and more specifically, to a water supply and drainage pipe water leak location estimation device and method that can detect the location of a water leak occurring in a water transmission and drainage pipe by correlation analysis of acoustic signals. For this purpose, the device for estimating the location of a water transmission and drainage pipe leak according to the present invention includes a frequency converter that converts the frequencies of sound signals generated from acoustic sensors installed at both ends of the water transmission and drainage pipe, and a cross section that multiplies the frequency converted signals to generate a cross spectrum. A spectrum generation unit, an inverse transformation unit for inversely transforming the cross spectrum to generate a cross-correlation value in the time domain, a filtering post-processing unit for applying filtering to the cross-correlation value, and a correlation peak from the filtering post-processed result. It includes a correlation peak detection unit that detects a correlation peak, and a sound speed estimation unit that calculates the sound speed of the water transmission and drainage pipe using the distance between the plurality of correlation peak position values detected by the correlation peak detection unit and the acoustic sensor corresponding to each correlation peak position value.
Description
본 발명은 송배수관 누수 위치추정 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 음향 신호를 상관분석 하여 송배수관에 발생한 누수 위치를 검출할 수 있는 송배수관 누수 위치추정 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a water supply and drainage pipe leak location estimation technology, and more specifically, to a water supply and drainage pipe water leak location estimation device and method that can detect the location of a water leak occurring in a water transmission and drainage pipe by correlation analysis of acoustic signals.
도 1과 같이, 누수가 의심되는 송배수관 양단에 음향기록계(logger)를 부착하고 저장된 소리 신호를 PC로 가져와서 소리 신호를 교차상관(cross correlation) 하면, 누수 지점에서 두 센서 간의 거리 차이에 의하여 상관 그래프의 최대치(correlation peak)가 도 2와 같이, 0이 아닌 Td만큼 떨어진 지점에 생긴다. 이를 도착시간차(TDOA)라고 한다. 누수 지점이 정확히 두 기록계의 한가운데라면 시간지연이 없으므로 Td=0이 될 것이다. As shown in Figure 1, when a sound logger is attached to both ends of a water supply pipe where a water leak is suspected, the stored sound signal is imported to a PC, and the sound signal is cross-correlated, the distance difference between the two sensors at the point of water leak determines the As shown in Figure 2, the correlation peak of the correlation graph occurs at a point that is not 0 but is separated by Td. This is called time difference of arrival (TDOA). If the leak point is exactly in the middle of the two recorders, there will be no time delay, so Td = 0.
송배수관 파이프의 소리 전파속도 V와 센서 간의 거리 D를 알고 있다면 누수 지점에서 가까운 센서까지의 거리 L은 L= (D - V*Td)/2에 의하여 계산되므로 Td를 계산하면 누수 위치를 정확하게 추정할 수 있다. If you know the sound propagation speed V of the water supply and drainage pipe and the distance D between the sensors, the distance L from the point of water leak to the nearest sensor is calculated by L= (D - V*Td)/2, so calculating Td accurately estimates the location of the water leak. can do.
이러한 교차상관(cross correlation)에 의한 누수 위치추정 방법에서 핵심이 되는 사항은 어떻게 도착시간차 Td를 정확하게 계산하는가이다. The key issue in the water leak location estimation method using cross correlation is how to accurately calculate the arrival time difference Td.
음향신호를 기본 교차상관(Basic cross correlation) 알고리즘으로 계산하면 노이즈 등 여러 가지 원인으로 뚜렷한 상관 봉우리(correlation peak)가 안 생겨서 Td를 정확하게 구하기 어렵다(도 3의 (a) 그래프 참조).When the acoustic signal is calculated using the basic cross correlation algorithm, a clear correlation peak does not occur due to various reasons such as noise, so it is difficult to accurately obtain Td (see graph (a) in Figure 3).
이를 개선하기 위하여 상관 계산을 할 때 여러 가지 가중함수(weighting function)를 부여하여 좀 더 뚜렷한 상관 봉우리를 얻는 방법을 개발하였는데 이를 일반 교차상관(Generalized Cross Correlation)이라 한다. 기본 교차상관은 가중함수가 1인 경우이다.To improve this, a method was developed to obtain clearer correlation peaks by assigning various weighting functions when calculating correlation, and this is called generalized cross correlation. The basic cross-correlation is when the weighting function is 1.
도 3의 (a) 그래프와 달리 (b), (c), (d) 그래프에서 보는 것과 같이, 일반 교차상관을 사용하면 비교적 뚜렷한 상관 봉우리를 나타내므로 Td를 정확하게 구할 수 있다. 일반 교차상관 알고리즘 중에서 SCOT, PHAT, ML 등이 많이 쓰이고 있다. Unlike the graph in (a) of Figure 3, as shown in the graphs (b), (c), and (d), when general cross-correlation is used, Td can be accurately obtained because it shows relatively clear correlation peaks. Among general cross-correlation algorithms, SCOT, PHAT, and ML are widely used.
일반 교차상관 방법 중에서 상수도 누수 탐지에 성능이 우수하여 많이 쓰이는 방법이 SCOT 또는 PHAT 방법이다. 비교적 잡음이 섞인 환경에서도 상관 그래프에서 상관 봉우리(correlation peak)가 잘 나타나서 도착시간차(Td)를 구하기가 쉽기 때문이다(도 3의 (b), (c), (d) 참조). Among general cross-correlation methods, the SCOT or PHAT method is the most widely used method as it has excellent performance in detecting water supply leaks. This is because correlation peaks are clearly visible in the correlation graph even in a relatively noisy environment, making it easy to obtain the arrival time difference (Td) (see Figures 3 (b), (c), and (d)).
그런데 SCOT이나 PHAT 양단에 설치된 두 음향 센서(logger) 간에 신호 반사 등 알 수 없는 원인으로 비정상적으로 아주 첨예한 상관 봉우리(correlation peak)가 생겨 실제 누수 위치를 찾기 어렵게 하는 문제가 종종 일어난다.However, abnormally sharp correlation peaks occur due to unknown causes such as signal reflection between two acoustic sensors (loggers) installed at both ends of the SCOT or PHAT, making it difficult to find the actual location of the water leak.
도 4와 같이 Td=0 부근에 생기는 비정상 상관 봉우리는 PHAT이나 SCOT에서 발생하고 기본 교차상관(Basic cross Correlation, BCC))에는 잘 안 나타나는데, 그렇다고 이런 예외적 상황 때문에 대부분 성능이 좋은 SCOT이나 PHAT을 포기하고 성능이 뒤떨어지는 기본 교차상관을 사용할 수는 없다. As shown in Figure 4, the abnormal correlation peak that occurs around Td = 0 occurs in PHAT or SCOT and does not appear in basic cross correlation (BCC). However, because of this exceptional situation, most people give up SCOT or PHAT, which have good performance. You cannot use the default cross-correlation, which has poor performance.
한편, 아무리 도착시간차 Td를 정확하게 계산하더라도 송배수관 파이프의 소리 전파속도 V를 부정확하게 입력하면 누수위치 L에 큰 오차가 발생할 수 있다. 송배수관 음속은 송배수관의 재질, 직경 및 두께에 따라 수백 m/sec에서 1300m/sec 정도까지 매우 다양하며 그 차이가 크다. Meanwhile, no matter how accurately the arrival time difference Td is calculated, if the sound propagation speed V of the transmission and drainage pipe is entered incorrectly, a large error may occur in the leak location L. The speed of sound in water transmission and drainage pipes varies widely, from hundreds of m/sec to around 1,300 m/sec, depending on the material, diameter, and thickness of the water transmission and drainage pipes, and the difference is large.
일반적으로 소리를 이용한 누수위치 추정 장비 업체에서는 각종 관에 대한 음속을 DB로 제공하는데 이 음속 DB에 없는 관종 또는 관경인 경우 사용자가 직접 음속을 측정하거나 추정하여 입력해야 하는 문제점이 있다. In general, companies that use sound-based water leak location estimation equipment provide the sound speed for various pipes in a database, but for pipe types or pipe diameters that are not in this sound speed DB, there is a problem in that the user must directly measure or estimate the sound speed and enter it.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 송배수관의 누수 위치를 정확하게 파악하여 송배수관의 보수작업을 효율적으로 하는 것이다. The present invention was created to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to efficiently perform repair work on the water supply and drainage pipes by accurately identifying the location of water leaks in the water supply and drainage pipes.
본 발명의 다른 목적은 누수 위치추정을 위한 도착시간차를 정확하게 계산하는 것이다. Another object of the present invention is to accurately calculate the arrival time difference for water leak location estimation.
본 발명의 다른 목적은누수 위치추정을 위한 송배수관 음속을 정확하게 계산하는 것이다. Another purpose of the present invention is to accurately calculate the speed of sound in water transmission and drainage pipes for estimating the location of water leaks.
이를 위해, 본 발명에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치는 송배수관의 양단에 설치된 음향 센서로부터 생성된 소리 신호를 각각 주파수 변환하는 주파수 변환부와, 상기 주파수 변환된 신호를 곱하여 교차스펙트럼을 생성하는 교차스펙트럼 생성부와, 상기 교차스펙트럼을 역 변환하여 시간영역의 교차상관 값을 생성하는 역변환부와, 상기 교차상관 값에 대해 필터링을 적용하는 필터링 후처리부와, 상기 필터링 후처리 된 결과로부터 상관 봉우리를 검출하는 상관 봉우리 검출부와, 상기 상관 봉우리 검출부로부터 검출된 복수의 상관 봉우리 위치값 및 각 상관 봉우리 위치값에 대응하는 음향 센서 간의 거리를 이용해 송배수관 음속을 산출하는 음속 추정부를 포함한다. For this purpose, the device for estimating the location of a water transmission and drainage pipe leak according to the present invention includes a frequency converter that converts the frequencies of sound signals generated from acoustic sensors installed at both ends of the water transmission and drainage pipe, and a cross section that multiplies the frequency converted signals to generate a cross spectrum. A spectrum generation unit, an inverse transformation unit for inversely transforming the cross spectrum to generate a cross-correlation value in the time domain, a filtering post-processing unit for applying filtering to the cross-correlation value, and a correlation peak from the filtering post-processed result. It includes a correlation peak detection unit that detects a correlation peak, and a sound speed estimation unit that calculates the sound speed of the water transmission and drainage pipe using the distance between the plurality of correlation peak position values detected by the correlation peak detection unit and the acoustic sensor corresponding to each correlation peak position value.
본 발명에 따른 송배수관 누수 위치추정 방법은 송배수관의 양단에 설치된 음향 센서의 소리 신호를 분석하는 장치가 송배수관 누수 위치를 추정하는 방법으로서, 상기 음향 센서로부터 발생한 소리 신호를 각각 주파수 변환하는 제1 단계와, 상기 주파수 변환된 신호를 곱하여 교차스펙트럼을 생성하는 제2 단계와, 상기 교차스펙트럼을 역 변환하여 시간영역의 교차상관 값을 생성하는 제3 단계와, 상기 교차상관 값에 대해 필터링을 적용하는 제4 단계와, 상기 필터링 후처리된 결과로부터 상관 봉우리를 검출하는 제5 단계와, 상기 음향 센서의 설치 위치를 다르게 하여 상기 제1 단계 내지 제5 단계를 반복하면서 획득한 복수의 상관 봉우리 위치값 및 각 상관 봉우리 위치값에 대응하는 음향 센서 간의 거리를 이용해 송배수관 음속을 산출하는 제6 단계를 포함한다. The method for estimating the location of a water transmission and drainage pipe leak according to the present invention is a method of estimating the location of a water transmission and drainage pipe water leak by a device that analyzes sound signals from acoustic sensors installed at both ends of the water transmission and drainage pipe. A method of frequency converting the sound signal generated from the acoustic sensor is used. Step 1, a second step of generating a cross-spectrum by multiplying the frequency-converted signal, a third step of inversely converting the cross-spectrum to generate a cross-correlation value in the time domain, and filtering the cross-correlation value. A fourth step of applying, a fifth step of detecting correlation peaks from the filtered post-processed results, and a plurality of correlation peaks obtained by repeating the first to fifth steps by varying the installation position of the acoustic sensor. It includes a sixth step of calculating the speed of sound in the transmission and drainage pipe using the distance between the acoustic sensors corresponding to the position value and each correlation peak position value.
상술한 바와 같이, 본 발명은 누수 위치추정을 위한 도착시간차 및 송배수관 음속을 정확하게 계산할 수 있어서 송배수관의 누수 위치를 정확하게 파악함으로써 송배수관의 보수작업을 효율적으로 할 수 있는 효과가 있다. As described above, the present invention can accurately calculate the arrival time difference and sound speed of the water supply and drainage pipe for estimating the location of the water leak, so it has the effect of efficiently performing repair work on the water supply and drainage pipe by accurately identifying the location of the water leak in the water supply and drainage pipe.
도 1은 일반적인 송배수관 누수 위치추정 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 소리 신호를 교차상관 하여 얻은 상관 그래프를 나타낸 도면.
도 3은 다양한 형태의 상관 그래프를 나타낸 도면.
도 4는 비정상적인 상관 봉우리가 발생한 상관 그래프를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 송배수관 누수 위치추정 방법의 처리 과정을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 필터링 후처리 단계를 통해 비정상적 상관 봉우리가 감쇄한 상관 그래프를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송배수관 누수 위치추정 방법의 처리 과정을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송배수관 음속을 구하기 위한 거리-시간지연 그래프를 나타낸 도면.Figure 1 is a diagram showing the configuration of a general water supply and drainage pipe leak location estimation device.
Figure 2 is a diagram showing a correlation graph obtained by cross-correlating sound signals.
Figure 3 is a diagram showing various types of correlation graphs.
Figure 4 is a diagram showing a correlation graph in which abnormal correlation peaks occur.
Figure 5 is a diagram showing the configuration of a water supply and drainage pipe water leak location estimation device according to the present invention.
Figure 6 is a diagram showing the processing process of the water supply and drainage pipe leak location estimation method according to the present invention.
Figure 7 is a diagram showing a correlation graph in which abnormal correlation peaks are attenuated through a filtering post-processing step according to the present invention.
Figure 8 is a diagram showing the configuration of a water supply and drainage pipe leak location estimation device according to another embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram showing the configuration of a water supply and drainage pipe water leak location estimation device according to another embodiment of the present invention.
Figure 10 is a diagram showing the processing process of a method for estimating the location of a water supply and drainage pipe leak according to another embodiment of the present invention.
Figure 11 is a diagram showing a distance-time delay graph for calculating the speed of sound in a transmission and drainage pipe according to another embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention.
그러나 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. However, the present invention may be implemented in various other forms and is not limited to the embodiments described herein.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to “include” a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.
또한, 명세서에 기재된 "……부", "…… 모듈"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, the terms "...unit" and "...module" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a device and method for estimating the location of a water supply and drainage pipe leak according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 5는 본 발명에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치의 개략적인 구성을 나타낸 것이다. Figure 5 shows a schematic configuration of a device for estimating the location of a water supply and drainage pipe leak according to the present invention.
본 발명에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치(100)는 수도 파이프 등의 송배수관에 발생하는 누수 지점을 검출하는 장치이다. 송배수관 누수 위치추정 장치는 퍼스널 컴퓨터(PC)이거나 전용 컴퓨팅 장치가 될 수 있다. The water supply and drainage pipe water leak location estimation device 100 according to the present invention is a device that detects water leak points occurring in water supply and drainage pipes, such as water pipes. The water pipe leak location estimation device can be a personal computer (PC) or a dedicated computing device.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치(100)는 송배수관(미도시)의 양단에 설치된 제1 음향 센서(10) 및 제2 음향 센서(20)로부터 소리(음향) 신호를 수신하여 송배수관에 발생한 누수 위치를 검출한다. Referring to FIG. 5, the water transmission and drainage pipe water leak location estimation device 100 according to the present invention detects sound (sound) from the first acoustic sensor 10 and the second acoustic sensor 20 installed at both ends of the transmission and drainage pipe (not shown). It receives a signal and detects the location of water leaks in the water supply and drainage pipes.
누수 위치추정 장치(100)는 주파수 변환부(30), 켤레(conjugate) 처리부(35), 교차스펙트럼 생성부(40), 가중함수 곱셈부(50), 역변환부(60), 필터링 후처리부(70), 상관봉우리 검출부(80), 누수위치 계산부(90) 등을 포함한다. The water leak location estimation device 100 includes a frequency conversion unit 30, a conjugate processing unit 35, a cross-spectrum generation unit 40, a weighting function multiplier 50, an inverse conversion unit 60, and a filtering post-processing unit ( 70), a correlation peak detection unit 80, a water leak location calculation unit 90, etc.
주파수 변환부(30)는 제1 음향 센서(10) 및 제2 음향 센서(20)로부터 각각 소리 신호를 입력받아 주파수 변환을 통해 주파수 신호를 출력한다. 주파수 변환부(30)는 제1 푸리에변환 모듈(32) 및 제2 푸리에변환 모듈(34)을 구비한다. 제1 푸리에변환 모듈(32)은 제1 소리 신호 x1(n)를 푸리에 변환하고, 제2 푸리에변환 모듈(34)은 제2 소리 신호 x2(n)를 푸리에 변환한다. The frequency converter 30 receives sound signals from the first and second acoustic sensors 10 and 20, respectively, and outputs frequency signals through frequency conversion. The frequency converter 30 includes a first Fourier transform module 32 and a second Fourier transform module 34. The first Fourier transform module 32 performs Fourier transform on the first sound signal x1(n), and the second Fourier transform module 34 performs Fourier transform on the second sound signal x2(n).
제2 푸리에변환 모듈(34)에서 출력된 제2 주파수 신호 X2(f)는 켤레 처리부(35)를 통해 켤레화 되어 X2*(f)가 되고, 제1 푸리에변환 모듈(32)에서 출력된 제1 주파수 신호 X1(f)와 켤레화 된 X2*(f)는 각각 교차스펙트럼 생성부(40)에서 곱셈 연산되어 주파수 영역에서의 교차스펙트럼 X1(f)X2*(f)으로 출력된다. The second frequency signal X2(f) output from the second Fourier transform module 34 is conjugated through the conjugate processing unit 35 to become The 1-frequency signal
교차스펙트럼은 가중함수 곱셈부(50)에서 적당한 가중함수 W(f)와 곱해져 W(f)X1(f)X2*(f)가 되고, 역변환부(60)에서 역푸리에변환(inverse Fourier transform)을 통해 시간 영역에서의 교차상관값 R×1×2(t)이 출력된다. The cross spectrum is multiplied by an appropriate weighting function W(f) in the weighting function multiplier 50 to become W(f) ), the cross-correlation value R × 1 × 2 (t) in the time domain is output.
이후 필터링 후처리부(70)는 교차상관값에 대해 필터링을 수행한다. 필터링 후처리부(70)는 소정 크기의 Savitzky-Golay filter를 교차상관값에 적용하여 급격히 변하는 값을 스무딩(smoothing) 한다. Afterwards, the filtering post-processing unit 70 performs filtering on the cross-correlation value. The filtering post-processing unit 70 applies a Savitzky-Golay filter of a predetermined size to the cross-correlation value to smooth out rapidly changing values.
상관봉우리 검출부(80)는 필터링 후처리된 교차상관값에서 상관 봉우리를 찾아서(peak finding) 시간 축에서 그 위치를 구하여 도착시간차(Td)를 계산한다. The correlation peak detection unit 80 finds a correlation peak in the cross-correlation value processed after filtering, obtains its position on the time axis, and calculates the arrival time difference (Td).
누수위치 계산부(90)는 상관봉우리 검출부(80)에서 계산된 도착시간차(Td)와 기 알고 있는 소리전파속도(v) 및 두 음향센서 간의 거리(D)를 이용하여 종래의 방식대로 누수 위치를 계산한다. The water leak location calculation unit 90 uses the arrival time difference (Td) calculated in the correlation peak detection unit 80, the known sound propagation speed (v), and the distance (D) between the two acoustic sensors to locate the water leak in the conventional manner. Calculate .
도 6은 본 발명에 따른 송배수관 누수 위치추정 방법의 처리 과정을 나타낸 것이다. Figure 6 shows the processing process of the water supply and drainage pipe leak location estimation method according to the present invention.
도 6에 도시된 각 단계는 본 발명에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치에서 수행된다. 구체적으로 각 단계는 송배수관 누수 위치추정 장치의 각 기능(주파수 변환, 곱셈 연산, 이동평균 계산, 피크 검출 등)을 가진 해당 소프트웨어 또는 하드웨어에 의해 수행되나, 설명의 편의상 송배수관 누수 위치추정 장치가 각 단계를 수행하는 것으로 설명한다. Each step shown in Figure 6 is performed in the water supply and drainage pipe leak location estimation device according to the present invention. Specifically, each step is performed by the corresponding software or hardware with each function of the water transmission and drainage pipe leak location estimation device (frequency conversion, multiplication operation, moving average calculation, peak detection, etc.), but for convenience of explanation, the water transmission and drainage pipe leak location estimation device is Each step is explained as performed.
도 6을 참조하면, 먼저 송배수관 누수 위치추정 장치는 송배수관의 양단에 설치된 음향 센서로부터 각각 소리 신호를 수신하여 푸리에 변환(Fourier transform) 하는 주파수 변환 단계(S100)를 수행한다. Referring to FIG. 6, first, the water transmission and drainage pipe leak location estimation device receives sound signals from acoustic sensors installed at both ends of the water transmission and drainage pipe and performs a frequency conversion step (S100) of Fourier transform.
주파수 변환 단계(S100)가 완료되면, 송배수관 누수 위치추정 장치는 푸리에 변환된 두 주파수 신호를 곱셈 연산하여 주파수 영역에서의 교차스펙트럼을 출력하는 교차스펙트럼 생성 단계(S102)를 수행한다. 교차스펙트럼 생성 단계(S102) 전에, 송배수관 누수 위치추정 장치는 두 주파수 신호 중의 하나를 켤레화하는 단계를 수행한다. When the frequency conversion step (S100) is completed, the water transmission and drainage pipe leak location estimation device performs a cross-spectrum generation step (S102) in which the two Fourier-transformed frequency signals are multiplied and a cross-spectrum in the frequency domain is output. Before the cross-spectrum generation step (S102), the water transmission and drainage pipe leak location estimation device performs a step of conjugating one of the two frequency signals.
교차스펙트럼 생성 단계(S102)가 완료되면, 송배수관 누수 위치추정 장치는 푸리에 역변환을 통해 시간영역에서의 교차상관값을 출력하는 역변환 단계(S104)를 수행한다. 역변환 단계(S104) 전에, 송배수관 누수 위치추정 장치는 교차스펙트럼에 적당한 가중함수를 곱하여 일반 교차상관을 수행한다. When the cross-spectrum generation step (S102) is completed, the transmission and drainage pipe leak location estimation device performs an inverse transformation step (S104) that outputs a cross-correlation value in the time domain through inverse Fourier transform. Before the inverse conversion step (S104), the transmission and drainage pipe leak location estimation device performs general cross-correlation by multiplying the cross spectrum by an appropriate weighting function.
역변환 단계(S104)가 완료되면, 송배수관 누수 위치추정 장치는 시간영역에서의 교차상관값에 대해 필터링을 적용하는 필터링 후처리 단계(S106)를 수행한다. When the inverse conversion step (S104) is completed, the water transmission and drainage pipe leak location estimation device performs a filtering post-processing step (S106) in which filtering is applied to the cross-correlation value in the time domain.
필터링 후처리 단계(S106)에서, 송배수관 누수 위치추정 장치는 교차상관 값 R×1×2(t)을 소정 크기의 Savitzky-Golay filter를 적용하여 스무딩(smoothing)한다. Savitzky-Golay filter는 데이터의 중요 경향(trend)을 유지 하면서도 데이터를 스무딩 하는 컨벌루션 기법이다. In the filtering post-processing step (S106), the water supply and drainage pipe leak location estimation device smoothes the cross-correlation value R × 1 × 2 (t) by applying a Savitzky-Golay filter of a predetermined size. The Savitzky-Golay filter is a convolution technique that smoothes data while maintaining important trends in the data.
이때 Savitzky-Golay filter의 윈도우 길이가 너무 크면 상관 그래프가 과도하게 무뎌져서 정상적인 상관 봉우리가 뭉개질 우려가 있다. 또한 길이가 너무 작으면 스무딩이 완전히 되지 않아 비정상 피크를 제거하지 못하는 경우가 있다. 본 발명의 출원인은 컴퓨터 실험 결과 누수 탐지를 위한 소리 신호에 적합한 필터 길이가 9, 차수(order)는 2 정도임을 발견하였다.At this time, if the window length of the Savitzky-Golay filter is too large, there is a risk that the correlation graph will become excessively dull and the normal correlation peaks will be crushed. Additionally, if the length is too small, smoothing may not be complete and abnormal peaks may not be removed. As a result of a computer experiment, the applicant of the present invention found that the filter length suitable for sound signals for water leak detection is 9 and the order is about 2.
이에 따라 본 발명의 실시예에서는 크기 9인 Savitzky-Golay filter(9,2) 즉, 길이(length) 9, 다항식 차수(polynomial order) 2를 교차상관값에 대해 적용한다. Accordingly, in the embodiment of the present invention, a Savitzky-Golay filter (9,2) of size 9, that is, length 9, polynomial order 2, is applied to the cross-correlation value.
이를 파이썬(Python) 코드로 표현하면 다음과 같다. This can be expressed in Python code as follows.
from scipy.signal import savgol_filterfrom scipy.signal import savgol_filter
phat_filtered=savgol_filter(phat,9,2)phat_filtered=savgol_filter(phat,9,2)
본 발명에 따른 필터링 후처리 단계(S106)을 거치면, 도 7과 같이 비정상적인 상관 봉우리들이 감쇄하고 정상적인 상관 봉우리들이 복원됨으로써 비정상 봉우리로 인한 잘못된 도착시간차(도착지연시간) 추정을 방지할 수 있다. After going through the filtering post-processing step (S106) according to the present invention, abnormal correlation peaks are attenuated and normal correlation peaks are restored, as shown in FIG. 7, thereby preventing incorrect arrival time difference (arrival delay time) estimation due to abnormal peaks.
본 발명에 따른 방법을 적용하면 기본 교차상관 방식보다 누수 위치 판정에서 대부분의 경우 나은 일반 교차상관 방식을 사용하면서도 종종 발생하는 단점을 개선할 수 있게 된다. By applying the method according to the present invention, it is possible to improve the disadvantages that often occur while using the general cross-correlation method, which is better in most cases than the basic cross-correlation method in determining the location of the water leak.
도 6에서 설명한 송배수관 누수 위치추정 방법의 처리 과정을 보다 구체적으로 설명한다. 송배수관 누수 위치추정을 위한 처리 과정은 상관관계 분석 알고리즘을 실행하는 송배수관 누수 위치추정 장치의 프로세서(이하, 프로세서)에 의해 수행될 수 있다. The processing process of the water supply and drainage pipe leak location estimation method described in FIG. 6 will be described in more detail. The processing process for estimating the location of a water pipe leak can be performed by a processor (hereinafter referred to as processor) of the water pipe water leak location estimation device that executes a correlation analysis algorithm.
먼저 프로세서는 음향기록계(제1 음향 센서 및 제2 음향 센서)로부터 데이터(소리 신호)를 가져오고 이어서 상관관계 분석 파라미터를 가져온다. First, the processor retrieves data (sound signals) from the acoustic recorder (first acoustic sensor and second acoustic sensor) and then retrieves correlation analysis parameters.
프로세서는 분석을 위한 FFT(Fast Fourier Transform) 크기, 데이터를 나눌 세그먼트 수, 분석할 데이터 세그먼트의 시작과 끝의 배열 인덱스 수를 계산한다. The processor calculates the FFT (Fast Fourier Transform) size for analysis, the number of segments to divide the data into, and the number of array indices at the start and end of the data segment to be analyzed.
다음 프로세서는 각 음향 센서의 데이터의 해당 세그먼트를 읽고 데이터 세그먼트의 실수 부분의 제로 평균(zero mean)을 산출한다. The processor then reads the corresponding segment of data from each acoustic sensor and calculates the zero mean of the real part of the data segment.
만약 데이터에 윈도우 함수(window function) 적용이 필요하면 프로세서는 특정한 윈도우 함수를 따르는 윈도우 데이터를 생성한다. If a window function needs to be applied to the data, the processor generates window data that follows a specific window function.
다음 시간 도메인 필터를 사용하여 데이터를 필터링할 필요가 있으면 프로세서는 지정된 통과 대역에 따라 데이터 필터링을 수행한 후 각 음향 센서의 세그먼트 데이터를 FFT 크기 수만큼 0으로 채워 복소수를 만든다. If the data needs to be filtered using the following time domain filter, the processor performs data filtering according to the specified passband and then pads the segment data of each acoustic sensor with zeros equal to the number of FFT sizes to create a complex number.
다음 프로세서는 각 음향 센서의 세그먼트 데이터에 대한 FFT를 실행하고, 주파수 도메인 필터를 사용하여 데이터를 필터링할 필요가 있으면 지정된 통과대역에 따라 데이터 필터링을 수행한 후, 각 음향 센서의 세그먼트 데이터의 자동상관관계, 세그먼트 데이터의 교차상관관계 함수, 각 주파수에서 자동상관관계와 교차상관관계의 평균을 계산한다. The next processor runs an FFT on the segmented data from each acoustic sensor, performs data filtering according to the specified passband if necessary using a frequency domain filter, and then autocorrelates the segmented data from each acoustic sensor. Calculate the relationship, cross-correlation function of segment data, and the average of auto-correlation and cross-correlation at each frequency.
이후, 프로세서는 초과된 세그먼트 수가 있는지 즉, 모든 세그먼트 데이터를 계산했는지 확인하여 모든 세그먼트 데이터가 계산되지 않았으면 다음 데이터 세그먼트를 가져와 상술한 과정을 반복하고, 모든 세그먼트 데이터가 계산되었으면 지정된 세그먼트 수가 1인지 확인한다. Afterwards, the processor checks whether there is an excess number of segments, i.e., whether all segment data has been calculated. If not all segment data has been calculated, then fetches the next data segment and repeats the above-described process. If all segment data has been calculated, then checks whether the specified number of segments is 1. Confirm.
지정된 세그먼트 수가 1이 아니면, 프로세서는 활성 필터(active filter)를 사용하여 데이터 필터링이 필요한지 확인하여 필요하면 지정된 활성 필터를 사용하여 평균 교차상관관계 데이터 필터링을 수행한 후 필터링되거나 필터링되지 않은 교차상관관계 함수에 대해 역변환 FFT를 실행하여 시간영역의 교차상관관계 함수를 생성한다. If the number of segments specified is not 1, the processor determines whether data filtering is necessary using an active filter, and if necessary, performs filtering of the average cross-correlation data using the specified active filter and then filters the filtered or unfiltered cross-correlation data. An inverse FFT is performed on the function to generate a cross-correlation function in the time domain.
그러면 프로세서는 교차상관관계 함수의 절대 최대 피크 위치를 결정하여 도착시간차를 구하고 데이터를 처음 읽은 음향 센서로부터의 누수위치를 계산하고 사용된 활성 필터의 성능지수를 결정한다. The processor then determines the absolute maximum peak position of the cross-correlation function, obtains the arrival time difference, calculates the leakage location from the acoustic sensor that first read the data, and determines the figure of merit of the active filter used.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치 및 방법을 설명하기 위한 도면이다. Figures 8 to 11 are diagrams for explaining a device and method for estimating the location of a water supply and drainage pipe leak according to another embodiment of the present invention.
도 6 및 도 7을 참조하여 상술한 내용에서는 음속 DB 등을 통해 송배수관 음속이 미리 정해져 있다는 전제가 있으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 송배수관 음속을 알 수 없는 상황에서 이를 정확하게 계산하는 과정을 포함한다. In the content described above with reference to FIGS. 6 and 7, there is an assumption that the sound speed of the transmission and drainage pipe is predetermined through the sound speed DB, etc.; however, in another embodiment of the present invention, a process of accurately calculating the sound speed of the transmission and drainage pipe is performed in a situation where the sound speed of the transmission and drainage pipe is unknown. Includes.
이를 위해, 도 8에 도시된 바와 같이, 송배수관의 특정 위치를 기준 위치로 하여 음향 센서(logger)를 고정 설치하고, 반대편에 위치를 바꿔가면서 다른 음향 센서를 설치하여 양 음향 센서 간의 교차상관을 수행한다. 이때 적어도 3개 이상의 위치에서 교차상관을 구하는 것이 바람직하다. For this purpose, as shown in FIG. 8, an acoustic sensor (logger) is fixedly installed using a specific position of the water supply and drainage pipe as a reference position, and another acoustic sensor is installed on the opposite side while changing the position to establish a cross-correlation between the two acoustic sensors. Perform. At this time, it is desirable to obtain cross-correlation at at least three or more positions.
각 교차상관 시마다 두 음향 센서 간의 거리는 미리 측정하여 알고 있고, 교차상관 후에 나오는 봉우리 위치에 의해 도착시간차(시간지연)가 나오므로, 3개 위치에 대해 교차상관을 한 경우, 거리는 각각 D1, D2, D3가 되고, 각 거리에 대한 도착시간차는 각각 Td1, Td2, Td3가 된다. For each cross-correlation, the distance between the two acoustic sensors is measured and known in advance, and the arrival time difference (time delay) is determined by the peak position after cross-correlation, so when cross-correlation is performed for three positions, the distances are D1, D2, It becomes D3, and the arrival time difference for each distance becomes Td1, Td2, and Td3, respectively.
도 9에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 송배수관 누수 위치추정 장치의 구성을 보면, 음속 추정부(85)가 추가되어 있음을 확인할 수 있다. Looking at the configuration of the water supply and drainage pipe leak location estimation device according to another embodiment of the present invention shown in Figure 9, it can be seen that the sound speed estimation unit 85 has been added.
음속 추정부(85)는 상관 봉우리 검출부(80)로부터 검출된 복수의 상관 봉우리 위치값 및 음향 센서 간의 거리를 이용해 송배수관 음속을 산출한다. The sound speed estimation unit 85 calculates the sound speed of the transmission and drainage pipe using the plurality of correlation peak position values detected by the correlation peak detection unit 80 and the distance between the acoustic sensors.
음속 추정부(85)는 상관 봉우리 위치값에 의한 도착시간차 및 음향 센서 간의 거리로 이루어진 3개 이상의 좌표를 이용하여 선형 회귀(linear regression)를 통해 획득한 기울기로부터 송배수관 음속을 산출할 수 있다. The sound speed estimation unit 85 can calculate the sound speed of the transmission and drainage pipe from the slope obtained through linear regression using three or more coordinates consisting of the arrival time difference by the correlation peak position value and the distance between the acoustic sensors.
도 11에 도시된 바와 같이, 거리-시간지연 그래프 상의 3개 점 (D1, Td1), (D2, Td2), (D3, Td3)을 연결하는 최적 직선을 구하여 직선의 기울기로부터 송배수관 음속 V를 구할 수 있다. As shown in FIG. 11, the optimal straight line connecting the three points (D1, Td1), (D2, Td2), and (D3, Td3) on the distance-time delay graph is obtained, and the transmission and drainage pipe sound speed V is calculated from the slope of the straight line. You can get it.
한편 선형 회귀 방식을 사용하지 않고 교차상관을 두 번만 시행하여 수학식을 통해 직접 음속을 구할 수도 있다. 즉, 교차상관을 두 번만 시행하여 얻은 2개 점 (D1, Td1), (D2, Td2)을 이용해 식 V=(D2-D1)/(Td2-Td-1) 으로부터 음속을 구할 수 있다. 그러나 식을 이용한 방법은 선형 회귀로부터 구한 값보다 시간은 덜 걸리지만 정확도는 떨어진다. On the other hand, the speed of sound can be obtained directly through a mathematical equation by performing cross-correlation only twice without using a linear regression method. In other words, the speed of sound can be obtained from the equation V=(D2-D1)/(Td2-Td-1) using the two points (D1, Td1) and (D2, Td2) obtained by performing cross-correlation only twice. However, the method using the equation takes less time than the value obtained from linear regression, but is less accurate.
이와 같이 송배수관 음속이 구해지면 누수위치 계산부(90')는 음속 추정부(85)에서 산출된 송배수관 음속과 상관 봉우리 검출부(80)로부터 검출된 복수의 봉우리 위치값 중에서 어느 하나의 위치값에 의한 도착시간차를 이용해 누수위치를 계산하게 된다. When the speed of sound in the water transmission and drainage pipe is obtained in this way, the water leak position calculation unit 90' calculates the sound speed of the water transmission and drainage pipe calculated in the sound speed estimation unit 85 and the position value of one of the plurality of peak position values detected by the peak detection unit 80. The location of the leak is calculated using the arrival time difference.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송배수관 누수 위치추정 방법의 처리 과정을 나타내며, 도 6과 비교할 때 음속 추정 단계(S109)가 추가되어 있음을 확인할 수 있다. Figure 10 shows the processing process of the water transmission and drainage pipe leak location estimation method according to another embodiment of the present invention, and compared to Figure 6, it can be seen that the sound speed estimation step (S109) has been added.
도 10을 참조하면, 도 6에서 상술한 주파수 변환 단계(제1 단계)(S100) 내지 상관 봉우리 검출 단계(제5 단계)(S108)가 음향 센서의 설치 위치를 다르게 하여 반복적으로 수행되면서 복수의 상관 봉우리가 검출된다. Referring to FIG. 10, the frequency conversion step (first step) (S100) to the correlation peak detection step (fifth step) (S108) described above in FIG. 6 are performed repeatedly by varying the installation position of the acoustic sensor, thereby generating a plurality of Correlation peaks are detected.
그러면 음속 추정 단계(S109)는 복수의 상관 봉우리 위치값 및 음향 센서 간의 거리를 이용해 송배수관 음속을 산출한다. Then, in the sound speed estimation step (S109), the sound speed of the transmission and drainage pipe is calculated using the plurality of correlation peak position values and the distance between the acoustic sensors.
즉, 음속 추정 단계(S109)는 상관 봉우리 위치값에 의한 도착시간차 및 음향 센서 간의 거리로 이루어진 3개 이상의 좌표를 이용하여 도 11에 도시된 선형 회귀(linear regression)를 통해 획득한 기울기로부터 송배수관 음속을 산출할 수 있다. That is, the sound speed estimation step (S109) is the transmission and drainage pipe from the slope obtained through linear regression shown in FIG. The speed of sound can be calculated.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다. The embodiments of the present invention described above are not only implemented through devices and methods, but can also be implemented through programs that implement functions corresponding to the configurations of the embodiments of the present invention or recording media on which the programs are recorded.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also possible. It falls within the scope of rights.
10, 20: 음향센서
100, 100': 송배수관 누수 위치추정 장치
30: 주파수 변환부
35: 켤레 처리부
40: 교차스펙트럼 생성부
50: 가중함수 곱셈부
60: 역변환부
70: 필터링 후처리부
80: 상관봉우리 검출부
90, 90': 누수위치 계산부10, 20: Acoustic sensor 100, 100': Transmission and drainage pipe leak location estimation device
30: frequency conversion unit 35: conjugate processing unit
40: Cross-spectrum generation unit 50: Weighting function multiplication unit
60: Inverse conversion unit 70: Filtering post-processing unit
80: Correlation peak detection unit 90, 90': Leakage location calculation unit
Claims (4)
상기 주파수 변환된 신호를 곱하여 교차스펙트럼을 생성하는 교차스펙트럼 생성부와,
상기 교차스펙트럼을 역 변환하여 시간영역의 교차상관 값을 생성하는 역변환부와,
상기 교차상관 값에 대해 필터링을 적용하는 필터링 후처리부와,
상기 필터링 후처리 된 결과로부터 상관 봉우리를 검출하는 상관 봉우리 검출부와,
상기 상관 봉우리 검출부로부터 검출된 복수의 상관 봉우리 위치값 및 각 상관 봉우리 위치값에 대응하는 음향 센서 간의 거리를 이용해 송배수관 음속을 산출하는 음속 추정부를 포함하는 송배수관 누수 위치추정 장치.a frequency converter that converts the frequencies of sound signals generated from acoustic sensors installed at both ends of the water transmission and drainage pipe;
a cross-spectrum generator that generates a cross-spectrum by multiplying the frequency-converted signal;
an inverse transform unit that inversely transforms the cross spectrum to generate a cross-correlation value in the time domain;
a filtering post-processing unit that applies filtering to the cross-correlation value;
a correlation peak detection unit that detects correlation peaks from the filtered post-processed results;
A water transmission and drainage pipe leak location estimation device comprising a sound speed estimation unit that calculates the sound speed of a water transmission and drainage pipe using a plurality of correlation peak position values detected from the correlation peak detection unit and the distance between acoustic sensors corresponding to each correlation peak position value.
상기 음속 추정부는 상기 상관 봉우리 위치값에 의한 도착시간차 및 음향 센서 간의 거리로 이루어진 3개 이상의 좌표를 이용하여 선형 회귀(linear regression)를 통해 획득한 기울기로부터 송배수관 음속을 산출하는 것을 특징으로 하는 송배수관 누수 위치추정 장치.According to paragraph 1,
The sound speed estimation unit calculates the sound speed of the water transmission and drainage pipe from the slope obtained through linear regression using three or more coordinates consisting of the distance between acoustic sensors and the arrival time difference due to the correlation peak position value. Drain pipe leak location estimation device.
상기 음향 센서로부터 발생한 소리 신호를 각각 주파수 변환하는 제1 단계와,
상기 주파수 변환된 신호를 곱하여 교차스펙트럼을 생성하는 제2 단계와,
상기 교차스펙트럼을 역 변환하여 시간영역의 교차상관 값을 생성하는 제3 단계와,
상기 교차상관 값에 대해 필터링을 적용하는 제4 단계와,
상기 필터링 후처리된 결과로부터 상관 봉우리를 검출하는 제5 단계와,
상기 음향 센서의 설치 위치를 다르게 하여 상기 제1 단계 내지 제5 단계를 반복하면서 획득한 복수의 상관 봉우리 위치값 및 각 상관 봉우리 위치값에 대응하는 음향 센서 간의 거리를 이용해 송배수관 음속을 산출하는 제6 단계를 포함하는 송배수관 누수 위치추정 방법.In the method of estimating the location of a water transmission and drainage pipe leak by a device that analyzes sound signals from acoustic sensors installed at both ends of the water transmission and drainage pipe,
A first step of converting the frequencies of each sound signal generated from the acoustic sensor;
A second step of generating a cross spectrum by multiplying the frequency converted signal;
A third step of inversely transforming the cross-spectrum to generate a cross-correlation value in the time domain;
A fourth step of applying filtering to the cross-correlation value,
A fifth step of detecting correlation peaks from the filtered post-processed results;
A method for calculating the speed of sound in a transmission and drainage pipe using a plurality of correlation peak position values obtained by repeating the first to fifth steps by varying the installation position of the acoustic sensor and the distance between the acoustic sensors corresponding to each correlation peak position value. A method of estimating the location of a water supply and drainage pipe leak including 6 steps.
상기 제6 단계는 상기 상관 봉우리 위치값에 의한 도착시간차 및 음향 센서 간의 거리로 이루어진 3개 이상의 좌표를 이용하여 선형 회귀(linear regression)를 통해 획득한 기울기로부터 송배수관 음속을 산출하는 것을 특징으로 하는 송배수관 누수 위치추정 방법.According to paragraph 3,
The sixth step is characterized in that the transmission and drainage pipe sound speed is calculated from the slope obtained through linear regression using three or more coordinates consisting of the arrival time difference by the correlation peak position value and the distance between the acoustic sensors. Method for estimating location of water supply and drainage pipe leaks.
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