一种基于光纤光栅传感器的输水管道泄漏监测方法

本发明涉及一种检测输水管道损伤的新型传感方法与装置，它采用光纤光栅传感网络实时在线检测输水管道上不同程度的损伤，实现对输水管道不同损伤的监测分类，属于光纤传感领域。

背景技术：

1、管道运输作为满足工业化和居民生活用水需求的重要手段，在运输领域的比重逐步提升。但管道存在设备老化以及人为破坏等多种外部因素，管道泄漏时有发生，甚至对人们的生命财产安全造成伤害。为了避免或者降低事故的发生概率，但在环境中充斥的噪声会影响机器对信号的处理，因此对管道信号的监测有一定研究价值。

技术实现思路

1、本发明提出的光纤光栅输水管道损伤监测分类系统是一种新型在线检测装置，它具有以下独特优点：(1)光纤光栅输水管道损伤分类检测系统在传感及传输区域完全采用光信号，与电绝缘，具有本质安全、防爆、防雷击、抗电磁干扰等特点；(2)光纤光栅传感器，即光纤布拉格光栅(fiber bragg grating，fbg)尺寸小、重量轻，易于在安装输水管道的狭窄空间进行安装和使用；(3)从若干个输水管道到监测室一般都有几百米到几公里的距离，采用光纤光栅输水管道损伤检测传感系统能够实现对所有光纤光栅传感器波长进行解调和采集来实现对输水管道损伤的准分布式测量；(4)采用新型去噪算法能有效的消除环境噪声以及流体信号的非平稳性和非线性特征，能够进一步提升输水管道损伤分类的精度。包括以下步骤：

2、s1：依据管道长度和尺寸以及空间间隔，确定光纤光栅传感器的数量总数量。

3、s2：把这些光纤光栅传感器每隔一定的空间间隔分别环绕布局安装在输水管道同一水平面上的各个标识区域。

4、s3：其中，第一个传感器用于环境温度补偿，其余传感器紧贴安装在输水管道上，用于监测输水管道的泄漏振动；

5、s4：过程控制台通过控制水泵从水箱中取水从管道流下，光纤光栅传感器沿管道铺设并分别与波长解调仪连接，最后连接计算机并在其上面进行后端处理。

6、s5：它通过光纤光栅传感网络实时在线监测输水管道损伤状态，当输水管道出现不同程度的损伤时，后端计算机的处理会对不同的管道工况进行分类。

7、s6：一般情况下，对于充满环境噪声和干扰的非平稳非线性的输水管道流体信号，采用经验模态分解方法，但经验模态分解所存在的端点效应及模态混叠问题，使得管道系统的抗干扰能力并不稳定。本发明提出引入水母搜索优化算法，其运动搜索方式多样而具有较强的搜索能力，通过更优秀的算法来对分解的两个参数进行寻优。

8、s7：对于信号处理部分，先将水木搜索优化算法初始化：水母个数n＝50，最大迭代次数中maxcycle＝20，分布系数β＝3，运动系数γ＝0.1，将变分模态分解(variation modedecomposition，vmd)的参数[k，α]作为水母搜索优化(jellyfish search optimizer，jso)算法中的位置参数，模型参数的搜寻范畴(上界u＝10，下界1＝-10)，其余参数如常进行设置。

9、s8：设[s1，s2…sk]为每个分解层数的信息嫡，定义各个模态分量间的信息差异系数为a，有：

10、s9：s＝(s1-s)2+(s2-s)2+…+(sk-s)2；

11、s10：初始信号和重构信号间的误差系数为e；

12、s11：e＝sum[abs(f-x1-…xk)]，式中，sum表示求和，abs表示取绝对值；

13、s12：适应度函数为p；

14、s13：p＝a/e；

15、s14：由于a和e分别影响分解信号的模态分量差异和相似值，因此需要在较小e值的情况下，尽量减少a值，从而得到较大的p值。循环迭代至提前设置好的最大迭代次数，得到最佳适应度值p及其解。

16、s15：通过用jso算法来对vmd方法进行优化来进一步提升系统的抗干扰能力，为下一步的信号特征提取做贡献。

17、s16：计算单元每隔一定时间间隔读取、存储相邻二个时刻的振动数据，并判断其是否满足算法停止状态其中，所述时间间隔可设置为几分钟，并可调。

18、对于输水管道的损伤，在本发明中，采用波分复用技术，选用若干组具有不同中心波长的全同光纤光栅，分别布置在输水管道的同一水平线上的各个标识区域，实时在线监测输水管道的损伤状态。

技术特征：

1.一种光纤光栅输水管道损伤监测系统，其特征在于：一个过程控制台、一个水泵、若干个光纤光栅传感器(fiber bragg grating，fbg)、一个波长解调仪、一个计算单元；其中，过程控制台通过控制水泵从水箱中取水从管道流下，光纤光栅传感器沿管道铺设并分别与波长解调仪连接，最后连接计算机并在其上面进行后端处理。

2.如权利要求1所述的光纤光栅输水管道损伤监测、系统的应用，其特征在于：用于输水管道损伤监测分类。

3.如权利要求2所述的光纤光栅大输水管道损伤监测系统的应用，其特征在于用法是：

4.对于信号处理部分，先将水母搜索优化算法初始化，将将变分模态分解(variationmode decomposition，vmd)的参数[k，α]作为水母搜索优化(jellyfish searchoptimizer，jso)算法中的位置参数，其余参数设置:

5.综合评价指标q由峭度kr和相关系数rxy，并加入方差比f组成：

技术总结本发明涉及一种基于分布式光纤光栅传感网络的泄漏分类方法，属于光纤传感器的传感应用技术领域，在该方法过程中首先控制台通过控制水泵从水箱中取水从管道流下，根据阀门控制泄漏的不同程度，将光纤光栅传感器沿管道铺设并分别与波长解调仪连接，通过计算机采集到管道泄漏的初始信号后进行处理。处理流程首先通过水母搜索优化算法对变分模态分解的参数进行寻优，然后计算分量信号的综合评价指标并选择重构信号分量，得到降噪泄漏信号后再提取信号的平均值、标准差和峭度特征，最后通过支持向量机来对管道的四种工况(正常工况和大、中和小三种泄漏工况)进行分类。它通过光纤光栅传感网络实现了监测输水管道不同损伤状态的目的。技术研发人员：陈勇,廖钧鹏,刘焕淋,姚知民,许力受保护的技术使用者：重庆邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11