一种基于光纤传感的气体管道泄漏检测方法

本发明涉及管道泄漏监测，具体的说，涉及一种基于光纤传感的气体管道泄漏检测方法。

背景技术：

1、目前气体管道监测信号的处理方法主要有功率谱分析法、基于频域的时均方法、时域分析等。通过管道内泄漏时会引起实测管道应力波信号功率谱的变化，可以通过分析这种信号的变化来检测泄漏，由于影响管道应力波传播的因素很多，很难用解析的方法描述管道振动。通过对管道泄漏时振动信号做基于频域的时均处理判断泄漏的发生，在实际工程的应用中限制较大，而简单的时域分析普遍存在泄漏特征不明显，检测精度低、误报率高的问题。

技术实现思路

1、针对目前管道泄漏信号处理方法中存在的问题，本发明提出了一种基于光纤传感的气体管道泄漏检测方法。本发明采用分布式光纤传感系统监测管道状态，在频域下结合信号去噪算法处理光纤监测信号，并获得重构信号。计算重构信号的滑动标准差，并据此给出合适的阈值，若该值持续时间在指定范围内，则可精确判断管道是否发生泄漏。本发明让泄漏后的值持续保持在一定范围内，设定合适的报警阈值即可精确判断管道是否发生泄漏，误判率低，检测精度高，实用性强且具有较好的信噪比。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案具体介绍如下。

3、一种基于光纤传感的气体管道泄漏检测方法，包括以下步骤：

4、步骤一、首先将分布式光纤振动传感das系统采集到的时域信号f(t1)进行小波阈值去噪预处理，得到去噪后的重构信号f(t2)；

5、步骤二、利用改进后的粒子群pso优化变分模态分解vmd中的模态分解数k和惩罚因子α，找到优化后的k和α的最优组合，将最优参数组合[k，α]值输入vmd算法进行信号分解，得到k个imf分量，再利用模糊散布熵从中选取有效分量，进而将有效分量进行叠加重构得到重构信号f(t3)；

6、步骤三、将重构信号f(t3)用平滑算法进行处理，得到重构信号f(t3)的滑动标准差，进而依据滑动标准差设定报警阈值，当滑动标准差与噪声最大值的差值超过报警阈值并维持时长达到窗口长度的百分之九十，即判断管道发生了泄漏。

7、本发明中，步骤二中，利用改进后的粒子群pso优化变分模态分解vmd中的模态分解数k和惩罚因子α，找到优化后的k和α的最优组合的方法如下：

8、①设置vmd参数范围，并对粒子群算法的各参数初始化，以及确定寻优过程中适应度函数；

9、②初始化粒子群，以待优化参数组合[k，α]作为粒子群的位置，并随机产生粒子的初始位置p与移动速度v；

10、③在不同粒子位置处分别进行vmd处理，计算每个粒子的适应度值；

11、④对比不同位置处的适应度函数值，从而更新个体局部极值与种群全局极值，更新粒子速度v和位置p；

12、⑤循环迭代步骤③～④，至最大迭代次数，输出最佳适应度值与最佳粒子位置[k，α]。

13、本发明中，步骤①中，vmd参数范围：k在[2,10]之间,α在[0,5000]之间；以最小包络熵minen为寻优过程中适应度函数。

14、本发明中，改进粒子群算法中的参数包括个体学习因子c1，群体学习因子c2，比例因子c3，惯性权重ω，在[0,1]范围内随机选取的参数r3，以及与目标粒子对应的专家粒子h；

15、步骤④中，更新粒子速度和位置更新粒子速度v和位置p，更新式为：

16、

17、

18、其中，是ith粒子的第jth个最佳成分,是在粒子群迭代iter中最佳粒子的第jth个成分。

19、本发明中，步骤二中，首先利用模糊散布熵测量输入信号的方差与每个imf的方差之间相似性：

20、

21、其中m为嵌入维度，c为类别个数，d为时延，为散布模式，v＝1,2,…,c，为每种散布模式的概率，imf(r)为第r个imf分量；

22、然后将d定义为相邻两个imf之间的最大斜率：

23、d＝max|fuzzdispen(imf(r),m,c,d)-fuzzdispen(imf(r+1),m,c,d)|，r＝1,2,…(k-1)  (10)

24、以d增量最大的两个相邻模态分量作为有效分量选取的转折点，d突变最大之前的模态分量为有效分量，d突变最大及其之后的模态分量视为噪声信号。

25、和现有技术相比，本发明的有益效果在于，

26、本发明通过上述步骤二的信号分解算法，提高了监测信号的信噪比并降低了信号的均方根误差。通过上述步骤三的平滑算法，得到重构信号的滑动标准差，进而依据滑动标准差设定报警阈值，用滑动标准差与噪声最大值的差值超过报警阈值并维持时长达到窗口长度的百分之90来判断泄漏，可有效降低气体管道泄漏的误报率，检测精度高，实用性强。

技术特征：

1.一种基于光纤传感的气体管道泄漏检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的气体管道泄漏检测方法，其特征在于，步骤二中，利用改进后的粒子群pso优化变分模态分解vmd中的模态分解数k和惩罚因子α，找到优化后的k和α的最优组合的方法如下：

3.根据权利要求2所述的基于光纤传感的气体管道泄漏检测方法，其特征在于，步骤①中，vmd参数范围：k在[2,10]之间,α在[0,5000]之间；以最小包络熵minen为寻优过程中适应度函数。

4.根据权利要求2所述的基于光纤传感的气体管道泄漏检测方法，其特征在于，步骤②中，改进粒子群算法中的参数包括个体学习因子c1，群体学习因子c2，比例因子c3，惯性权重ω，在[0,1]范围内随机选取的参数r3，以及与目标粒子对应的专家粒子h；

5.根据权利要求1所述的基于光纤传感的气体管道泄漏检测方法，其特征在于，步骤二中，首先利用模糊散布熵测量输入信号的方差与每个imf的方差之间相似性：

技术总结本发明公开了一种基于光纤传感的气体管道泄漏检测方法。本发明采用分布式光纤传感系统监测管道状态，在频域下结合信号去噪算法处理光纤监测信号，并获得重构信号。计算重构信号的滑动标准差，并据此给出合适的阈值，若该值持续时间在指定范围内，则可精确判断管道发生了泄漏。本发明让泄漏后的值持续保持在一定范围内，设定合适的报警阈值即可精确判断管道是否发生泄漏，误判率低，检测精度高，实用性强且具有较好的信噪比。技术研发人员：左健存,徐弘萱受保护的技术使用者：上海第二工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18