[发明专利]一种基于DT-CWT和S4VM的管道堵塞故障识别方法

说明书

本发明公开了一种基于DT‑CWT和S4VM的管道堵塞故障识别方法，属于故障检测技术领域，本发明首先检测管道获得管道的声压信号数据，然后采用双树复小波变换算法对获得的声学信号数据进行分解重构，得到各频段的分量，从各频段的分量中选择有效频段分量，并对有效频段分量进行声压级变换，然后提取变换后有效频段分量的脉冲因子和平均声能量密度，将脉冲因子和平均声能量密度作为用于分类的特征向量并将特征向量输入S4VM分类器中进行训练得到训练器模型，利用训练器模型识别管道不同程度的堵塞并排除三通件的干扰，本方法克服了现有的管道检测信号难以有效处理的问题，对管道损伤小，成本低，安装方便，实用性强。

技术领域

本发明涉及一种基于DT-CWT和S4VM的管道堵塞故障识别方法，属于故障检测技术领域。

背景技术

2015年我国供水管道总长度约71万公里，且每年呈上升趋势，但我国与发达国家相比，管道平均漏损率高，其中堵塞造成的管内的油泥、锈垢会固化，造成原管径变小；淤泥会在管道内沉淀，容易产生硫化氢等易燃易爆气体，造成环境污染并易引起爆管。如果不及时清除管道内的异物，会造成管道堵塞，轻则危害用水安全，重则造成泄漏、爆管，对资源、环境及我国经济造成巨大损失与危害。所以，及时检测管道堵塞，控制管道堵塞量变产生的危害危险，对节约水资源、保障城市用水、推动我国经济持续健康发展有重要意义。

目前埋地排水管道的检测主要集中在事后检测，方法上存在开挖损伤，依赖人工操作，设备昂贵等主要问题。基于声学的检测方法具有低成本、安装方便等特点。导波检测属于声学无损检测领域最新方法之一，可以用来对管道堵塞和泄漏检测与定位，这种方法采用机械应力波沿着管道延伸方向传播，传播距离长并且衰减小，有时单一的位置检测可达数百米，仅需要对传感器安装位置的管道外表面进行处理，能检测难以近距离检测的管道部位。管道发生堵塞时，导致管道横截面积变小，导波在媒质发生变化时，声学特性会发生相应的变化，导波在传播过程中，也会受到管道常规部件例如三通件的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DT-CWT和S4VM的管道堵塞故障识别方法，DT-CWT即为双树复小波变换，S4VM为安全半监督支持向量机，本发明方法克服了现有的管道检测信号难以有效处理的问题，本发明用导波对管道堵塞和泄漏检测获得管道内的回波，获得的回波信号是非线性、非平稳信号，从堵塞声信号机理出发，分析堵塞声信号特征，并利用双树复小波变换和声压级相结合的特征提取方法对信号预处理，根据声波在管道中的传播机理，提取声能量密度和脉冲因子为特征，利用安全半监督支持向量机即S4VM对不同堵塞情况和三通件进行了多分类标注。

本发明的技术方案是：首先检测管道获得管道的声压信号数据，然后采用双树复小波变换算法对获得的声学信号数据进行分解重构，得到各频段的分量，从各频段的分量中选择有效频段分量，并对有效频段分量进行声压级变换，然后提取变换后有效频段分量的脉冲因子和平均声能量密度，将脉冲因子和平均声能量密度作为用于分类的特征向量并将特征向量输入S4VM分类器中进行训练得到训练器模型，利用训练器模型识别管道不同程度的堵塞并排除三通件的干扰。

本发明的具体步骤如下：

(1)首先在管道内放置声学仪器，管道外设有数据采集和信号处理设备，管道的尾端半封闭，声音在管道的传播过程中，遇到管道尾端发生反射、折射、散射，产生大量携带管道结构缺陷信息反射回波，数据采集和信号处理设备采集反射的回波，获得管道的声压信号数据；

(2)数据采集和信号处理设备对信号数据进行处理，采用双树复小波变换算法对声压信号数据进行分解、重构，得到各频段的分量，将各频段的分量分别用时域图表示，观察时域图，将含噪信号大的时域图表示的频段分量去掉，将其他频段的分量作为有效频段分量，并对有效频段分量进行声压级变换，得到各有效频段分量的声压级信号；

(3)提取步骤(2)各有效频段分量的声压级信号的脉冲因子和平均声能量密度，其中各有效频段分量的平均声能量密度的公式提取如下：