1、由于各種人為和自然因素,比如管道腐蝕、地質(zhì)沉降和城市建設(shè)等,城市供水管網(wǎng)泄漏事故時(shí)有發(fā)生,不可避免,若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏故障管道和確定管道泄漏位置,將造成大量水資源浪費(fèi)。目前對(duì)壓力管道泄漏檢測(cè)與定位的主要研究工作集中在長(zhǎng)輸油、輸氣管道上,研發(fā)了解決相應(yīng)實(shí)際問題的漏點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和定位方法及儀器系統(tǒng)。由于供水管網(wǎng)與長(zhǎng)輸油管道和輸氣管道在空間分布、構(gòu)成及工作條件上存在較大的差異,供水管網(wǎng)具有自身特點(diǎn):1)管網(wǎng)空間分布復(fù)雜,主副及更次級(jí)管道組成一個(gè)復(fù)雜

2、的拓?fù)涔芫W(wǎng)系統(tǒng),分支多、節(jié)點(diǎn)多;2)主副及更次級(jí)管道供水負(fù)荷不同,因此,在一個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)中的管道條件(如管內(nèi)供水壓力、管道材質(zhì)、管徑、管壁厚度、管道間接口形式和管道埋設(shè)條件等)復(fù)雜多變,主副及更次級(jí)管道條件差異較大;3)泄漏形式多種多樣,包括小孔、裂紋和管道接口破裂等。因此,通常用于輸油或輸氣管道的泄漏檢測(cè)與定位方法較難在供水管道上應(yīng)用。目前,基于泄漏聲信號(hào)處理的方法已廣泛應(yīng)用在供水管道泄漏檢測(cè)與定位中,主要的研究工作集中在泄漏聲信號(hào)的傳

3、播機(jī)理、各種時(shí)延估計(jì)定位算法優(yōu)化和泄漏檢測(cè)儀器系統(tǒng)構(gòu)建上,對(duì)泄漏聲信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理、泄漏聲信號(hào)特征提取及辨識(shí),以及解決我國(guó)供水管道泄漏檢測(cè)定位中所面臨的實(shí)際問題做的工作或研究較少,如傳統(tǒng)時(shí)延估計(jì)泄漏定位方法需要準(zhǔn)確知道被測(cè)管道長(zhǎng)度和泄漏聲傳播速度這兩個(gè)參數(shù),但在實(shí)際應(yīng)用中,兩參數(shù)存在較大誤差或難以獲得,常導(dǎo)致定位不準(zhǔn)或錯(cuò)誤。針對(duì)以上問題,論文主要研究工作如下:1.根據(jù)流體力學(xué)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)基本理論,分析了因泄漏引起的泄漏管段流場(chǎng),認(rèn)為因泄

4、漏引起的管內(nèi)空泡聲、湍流聲和湍流附面層脈動(dòng)壓力是引起泄漏處管道振動(dòng)的激勵(lì)源,分析了管道泄漏條件(開口大小、管內(nèi)壓力等)與空泡聲、湍流聲和湍流附面層脈動(dòng)壓力間的關(guān)系;應(yīng)用薄殼振動(dòng)理論研究了在上述激勵(lì)源下的管道振動(dòng)特性。進(jìn)行了泄漏聲產(chǎn)生機(jī)理實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了管道泄漏條件與泄漏聲信號(hào)間的關(guān)系。2.從泄漏聲產(chǎn)生機(jī)理出發(fā),分析了管道泄漏處湍流擬序結(jié)構(gòu)與空泡間相互作用的機(jī)理,認(rèn)為在該機(jī)理作用下,泄漏聲信號(hào)產(chǎn)生過程具有“不可重復(fù)”的特征;由于相關(guān)函數(shù)具有分

5、析時(shí)間序列擬序結(jié)構(gòu)的能力,且近似熵從統(tǒng)計(jì)的角度區(qū)別時(shí)間過程的復(fù)雜性,因此,提出將信號(hào)相關(guān)分析和近似熵理論相結(jié)合的方法,提取泄漏聲信號(hào)“不可重復(fù)”的特征,辨識(shí)管道泄漏故障發(fā)生;在實(shí)際檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng),由于各種管內(nèi)和管外固定聲源噪聲(如閥門噪聲、工地施工噪聲等)常導(dǎo)致泄漏誤判和漏點(diǎn)定位錯(cuò)誤,重點(diǎn)分析了管內(nèi)固定噪聲源(閥門噪聲和接口噪聲)的產(chǎn)生機(jī)理和特征,為復(fù)雜干擾環(huán)境下的泄漏辨識(shí)提供理論支持。將提出的泄漏信號(hào)特征提取和辨識(shí)方法應(yīng)用于實(shí)際供水管道泄漏

6、檢測(cè)中,在各種管內(nèi)管外干擾源下,提出的方法與其他方法相比具有低的漏檢和誤檢率。3.闡述了廣義互相關(guān)、自適應(yīng)濾波等時(shí)延估計(jì)方法的基本原理及其在泄漏定位中的應(yīng)用,分析了這些傳統(tǒng)定位方法在實(shí)際泄漏點(diǎn)定位中存在的問題。4.研究了泄漏聲信號(hào)在以管道、管內(nèi)流體和管道埋設(shè)介質(zhì)等構(gòu)成的信道中傳播的特征,從而構(gòu)建了新的泄漏信號(hào)傳感模型;闡述了盲系統(tǒng)辨識(shí)基本原理,由于泄漏聲信號(hào)傳播信道是高階系統(tǒng),且信道間存在病態(tài)問題,因此,提出采用overlap-save

7、和相關(guān)函數(shù)配準(zhǔn)原理構(gòu)建代價(jià)函數(shù),解決高階信道估計(jì)和信道間的病態(tài)問題;采用遺傳算法對(duì)多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行全局最優(yōu)化,避免梯度算法收斂陷入局部最小點(diǎn),對(duì)泄漏聲信道辨識(shí)進(jìn)行優(yōu)化。通過高階信道盲辨識(shí)仿真及實(shí)際泄漏聲傳播信道盲辨識(shí),驗(yàn)證了該方法的有效性。5.實(shí)際泄漏檢測(cè)定位環(huán)境中,不可避免存在干擾噪聲,尤其是各種突發(fā)干擾噪聲,分析了該類噪聲對(duì)泄漏聲傳播信道盲辨識(shí)的影響,提出了突發(fā)干擾噪聲抑制方法;借助泄漏聲信道盲辨識(shí),研究了泄漏聲傳播速度與管道條件間的

8、關(guān)系,進(jìn)而獲得一種不依賴聲傳播速度的泄漏定位方法;通過從辨識(shí)的泄漏聲傳播信道中提取新的定位參數(shù),獲得不依賴管道長(zhǎng)度的泄漏定位方法。盲系統(tǒng)辨識(shí)與傳統(tǒng)時(shí)延估計(jì)泄漏定位方法實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,盲系統(tǒng)辨識(shí)方法具有高于傳統(tǒng)定位方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和定位精度。6.應(yīng)用多功能、高性能的數(shù)字混合信號(hào)處理器構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理嵌入式系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分布采集;以性價(jià)比極高的便攜式個(gè)人計(jì)算機(jī)為儀器系統(tǒng)主機(jī),采用虛擬儀器技術(shù),將泄漏聲信號(hào)特征提取及辨識(shí)方法、盲