一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法及系统

本发明涉及管道泄漏信号检测，具体涉及一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法、检测方法及系统。

背景技术：

1、如今，随着石油和天然气储量的增加，管道运输行业也蓬勃发展。相比其他运输方式，管道运输具有较高的运输效率，可以实现连续、自动和高容量的物流运输，无需等待装卸过程，大大节省了时间和人力成本。然而，管道运输也存在一些局限性。管道系统的建设和维护成本较高，无法灵活调整运输路径。不仅如此，随着管道的“老龄化”问题逐渐增长，管道泄漏造成的爆炸、火灾等突发事故使人们损失惨重，酿成灾难。因此，为了减少泄漏事故的发生，对油气管道进行泄漏检测是非常必要的。

2、然而，在实际管道检测中采集的信号往往受到环境因素的污染，导致检测精度下降，并存在“误报”和“漏报”的问题。因此，在检测的早期阶段对采集到的泄漏信号进行去噪是确保检测技术成功的关键。近年来兴起的变分模态分解（vmd）算法对于管道泄漏检测方面有着独特的优势，可以将采集到的信号分解成多个单分量信号，有助于有效分量的选取，使去噪效果得到极大提升。

3、但vmd参数难以人为选取，使得vmd的分解精度不够，而分解之后对于多模态中有效模态的精确选取依靠人为判断也存有一定误差。故研究如何优化vmd中的参数、如何选取有效分量、如何提高判断泄漏准确率是一个重要的研究方向，具有一定的理论意义和实际价值。

技术实现思路

1、为此，本发明提出一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法及系统、检测方法及系统，用以解决管道泄漏信号因受噪声干扰而导致检测精度下降的问题。

2、根据本发明的一方面，提出一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法，该方法包括以下步骤：

3、采集管道声波信号；

4、对所述管道声波信号进行滤波处理，包括：对所述管道声波信号进行变分模态分解，其中利用残差信号概念构造变分模态分解的目标函数，并对所述目标函数进行迭代求解，获取多个本征模态和其对应的中心频率。

5、进一步地，所述利用残差信号概念构造变分模态分解的目标函数为：在原有构造准则基础上增加约束性准则，所述约束性准则为残差信号的能量应在具有有效分量的频率下最小化。

6、进一步地，所述目标函数表示为：

7、

8、式中，表示带宽；表示第 k个模态；表示第 k个模态对应的中心频率； =表示双重上升参数；表示狄拉克分布；；表示负数结构，；表示滤波器；表示输入的管道声波信号；，表示输入的管道声波信号除去分解得到的模态之外的残差信号； t表示时刻。

9、进一步地，每个本征模态和其对应的中心频率在每次迭代中的更新公式表示为：

10、

11、式中，表示频域空间的第n+1次迭代中第 k个模态；表示频域空间的输入管道声波信号；表示输入信号的中心频率；表示频域空间的第 k次分解得到的模态；表示第n次迭代中第 k个模态对应的中心频率；

12、

13、式中，表示频域空间的第n+1次迭代中第 k个模态对应的中心频率。

14、进一步地，在对所述目标函数进行迭代求解，获取多个本征模态和其对应的中心频率的过程中，对带宽更新的公式进行改进，以使获得的模态和中心频率更准确；所述带宽更新的公式为：

15、

16、式中，t表示输入信号的采样时间。

17、进一步地，在对所述目标函数进行迭代求解，获取多个本征模态和其对应的中心频率的过程中，设置如下迭代终止条件：判断的停止条件是否满足，若满足则输出本征模态和其对应的中心频率；其中，和分别表示第 k-1个模态和第 k个模态对应的功率参数，其计算公式为：

18、

19、式中，表示模态的转置形式。

20、进一步地，在获取多个本征模态和其对应的中心频率后，对多个本征模态进行降噪处理，获取降噪后的管道信号；其中降噪处理的过程包括：计算各个模态与原始输入信号之间的李氏距离；计算相邻两个李氏距离的斜率值，将最大斜率值所对应的模态数作为跳变点；对所有位于跳变点之前的模态进行相加重构，得到降噪后的管道信号。

21、根据本发明的另一方面，提出一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波系统，该系统具有与上述所述的管道泄漏滤波方法步骤对应的程序模块，运行时执行上述管道泄漏滤波方法中的步骤。

22、根据本发明的又一方面，提出一种基于自动变分模态分解的管道泄漏检测方法，该方法包括以下步骤：利用上述所述的管道泄漏滤波方法对待检测管道声波信号进行滤波处理后，输入训练好的分类器中进行识别，以获取管道是否泄漏的识别结果。

23、根据本发明的又一方面，提出一种基于自动变分模态分解的管道泄漏检测系统，该系统具有与上述所述的管道泄漏滤波方法步骤对应的程序模块，运行时执行上述管道泄漏检测方法中的步骤。

24、本发明的有益技术效果是：

25、本发明提出了基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法及系统，在变分模态分解的基础上利用残差信号概念增加约束性准则，构造自动变分模态分解的目标函数，解决了变分模态分解算法寻找目标模态不精确的问题；利用先进数学求解方法对模态和中心频率的公式进行求解，解决了变分模态分解算法求解步骤冗余造成计算成本过高的问题；利用模态的平均功率概念使自动变分模态分解的带宽自动更新，解决了变分模态分解算法的带宽不能随着优化阶段进行改变而无法得到目标模态的问题；利用模态能量的概念设置自动迭代条件，解决了变分模态算法参数设置不准确导致信号分解效果不佳的问题；利用李氏距离来评估自动变分模态分解得到的模态有效性，从而重构纯净信号得到滤波目的。本发明提出的滤波方法简单、准确率高、检测成本低，有效解决了环境噪声对管道泄漏检测造成干扰的问题。

26、本发明还提出了基于自动变分模态分解的管道泄漏检测方法及系统，以利用所述管道泄漏滤波方法对待检测管道声波信号进行滤波处理后，进一步进行检测处理。

技术特征：

1.一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法，其特征在于，所述利用残差信号概念构造变分模态分解的目标函数为：在原有构造准则基础上增加约束性准则，所述约束性准则为残差信号的能量应在具有有效分量的频率下最小化。

3.根据权利要求2所述的一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法，其特征在于，所述目标函数表示为：

4.根据权利要求3所述的一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法，其特征在于，每个本征模态和其对应的中心频率在每次迭代中的更新公式表示为：

5.根据权利要求4所述的一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法，其特征在于，在对所述目标函数进行迭代求解，获取多个本征模态和其对应的中心频率的过程中，对带宽更新的公式进行改进，以使获得的模态和中心频率更准确；所述带宽更新的公式为：

6.根据权利要求5所述的一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法，其特征在于，在对所述目标函数进行迭代求解，获取多个本征模态和其对应的中心频率的过程中，设置如下迭代终止条件：判断的停止条件是否满足，若满足则输出本征模态和其对应的中心频率；其中，和分别表示第k-1个模态和第k个模态对应的功率参数，其计算公式为：

7.根据权利要求6所述的一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法，其特征在于，在获取多个本征模态和其对应的中心频率后，对多个本征模态进行降噪处理，获取降噪后的管道信号；其中降噪处理的过程包括：计算各个模态与原始输入信号之间的李氏距离；计算相邻两个李氏距离的斜率值，将最大斜率值所对应的模态数作为跳变点；对所有位于跳变点之前的模态进行相加重构，得到降噪后的管道信号。

8.一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波系统，其特征在于，该系统具有与上述权利要求1-7中任一项所述的步骤对应的程序模块，运行时执行上述管道泄漏滤波方法中的步骤。

9.一种基于自动变分模态分解的管道泄漏检测方法，其特征在于，包括以下步骤：利用上述权利要求1-7中任一项所述的管道泄漏滤波方法对待检测管道声波信号进行滤波处理后，输入训练好的分类器中进行识别，以获取管道是否泄漏的识别结果。

10.一种基于自动变分模态分解的管道泄漏检测系统，其特征在于，该系统具有与上述权利要求9所述的步骤对应的程序模块，运行时执行上述管道泄漏检测方法中的步骤。

技术总结本发明公开了一种基于自动变分模态分解的管道泄漏滤波方法、检测方法及系统，涉及管道泄漏检测技术领域，用以解决管道泄漏信号因受噪声干扰而导致检测精度下降的问题。所述滤波方法包括：在变分模态分解的基础上利用残差信号的概念增加约束性准则构造自动变分模态分解的目标函数，从而得到更新模态和中心频率的公式；利用模态的功率概念提出更新带宽公式以及自动寻找目标模数的迭代条件；使用李氏距离对所得到的纯净模态进行重构而达到去噪目的。所述检测方法包括：利用管道泄漏滤波方法对待检测管道声波信号进行滤波处理后进一步进行检测处理。本发明提出的方法简单、准确率高、检测成本低，有效解决了环境噪声对管道泄漏检测造成的干扰。技术研发人员：路敬祎,李佳丽,董宏丽,王冬梅,胡仲瑞,王鹏,周怡娜受保护的技术使用者：东北石油大学三亚海洋油气研究院技术研发日：技术公布日：2024/5/12