一种基于多频段声波信息融合的第三方施工预警系统及方法与流程

本发明涉及管道监测，具体是一种基于多频段声波信息融合的第三方施工预警系统及方法。

背景技术：

1、近5年来，我国燃气管网泄漏事故原因中，第三方施工破坏平均比例高达82％，是近20年来地下燃气管网破坏的主要原因。为了减少第三方施工活动行为对城市地下燃气管网的破坏，现有的信号识别预警方法技术路线大致有两大类：一类是基于svm、神经网络、决策树、图像识别等机器学习与深度学习算法的分类模型，另一类是基于设定多个监测指标阈值与规则的分类模型。这些预警技术方案多被应用于不同感知原理的第三方施工监测技术中，如分布式光纤声波感知技术、光纤振动探测技术、基于加速度传感器的土体振动监测技术、视频监控技术、gps定位等技术。然而，这些监测技术绝大多数在长输油气管道中应用较多，针对城市地下管网的应用较少，其中最重要的原因来自于复杂的城市环境噪声的影响，城市施工活动频繁、种类繁多、交通系统复杂、人类生产生活等产生的噪声均会对第三方施工信号的识别产生严重影响，此外，以往的预警技术主要是直接对采集到的信号源进行特征提取与融合，缺乏对多个频段施工信号分析，也缺乏对噪声源的过滤和降噪处理，致使对施工信号特征信息提取不足，导致误报率高的问题。因此需要急需一种基于多频段声波信息融合的第三方施工预警系统来解决问题。

技术实现思路

1、对于现有存在的一些问题，本发明的目的在于提供一种基于多频段声波信息融合的第三方施工预警系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于多频段声波信息融合的第三方施工预警系统，包括信号采集模块、数据处理模块、滤波降噪模块、模型处理模块和显示模块；

4、所述信号采集模块通过数据传输装置与数据处理模块输入端通信连接，信号采集模块用于感知采集第三方施工信号及噪声信号；数据传输装置用于将信号采集模块采集到的第三方施工信号及噪声信号传输到数据处理模块中；数据处理模块用于对采集的原始信号进行截断，保持具有统一的数据结构特征；

5、数据处理模块输出端与滤波降噪模块输入端通信连接，滤波降噪模块用于对处理后的信号进行滤波降噪处理；

6、滤波降噪模块输出端与模型处理模块的输入端通信连接，模型处理模块用于将从时域和频域分别提取信号特征，用于分类模型训练、评估和预警，并通过模型计算预警结果；

7、模型处理模块输出端和显示模块通信连接；显示模块用于显示施工类型及预警信息，并将预警信息传输到燃气管道权属单位。

8、作为本发明进一步的方案：所述的信号采集模块包括多组声发射传感器，多组声发射传感器用于感知到第三方施工信号及噪声信号。

9、作为本发明进一步的方案：所述的数据处理模块包括加窗运算单元，加窗运算采用矩形窗对信号进行阶段处理，矩形窗口大小0.5s，相邻两个矩形窗重叠区域为50％。

10、作为本发明进一步的方案：所述的滤波降噪模块包括带通滤波器和小波降噪模块，通滤波器输入端与加窗运算单元的输出端通信连接，通滤波器输出端与小波降噪模块的输入端通信连接；

11、通滤波器采用chebyshevⅱ型带通滤波器对低频、中频、高频三个频段信号进行带通滤波处理，滤波频段根据施工信号频率分布特征；

12、小波降噪模块采用小波降噪法对低频、中频、高频三个频段的原始信号进行降噪处理，主要是对监测环境中的背景噪声源进行降噪。

13、作为本发明进一步的方案：所述的模型处理模块包括特征提取单元和模型计算单元，特征提取单元输入端与小波降噪模块的输出端通信连接，特征提取单元输出端与模型计算单元的输入端通信连接；

14、特征提取单元分别对降噪后的低频、中频、高频三个频段信号进行特征提取，每个信号特征计算范围为信号采集模块中的矩形窗内的信号，特征包括4个时域特征和4个频域特征；

15、模型计算单元将包括低频、中频、高频信号的总计的12个时域特征和12个频域特征输入训练好的二次svm分类算法模型中进行计算，得到最终信号的类型。

16、作为本发明进一步的方案：所述的显示模块包括预警信息发布模块，预警信息发布模块用于输出预警的类型和位置。

17、一种基于多频段声波信息融合的第三方施工预警方法，其方法步骤如下：

18、s1、信号采集，多组声发射传感器用于感知到第三方施工信号及噪声信号，并将信息通过数据传输装置传输到第三方施工预警系统；

19、s2、数据处理，通过加窗运算单元将原始信号进行截断，保持具有统一的数据结构特征；采用矩形窗对信号进行阶段处理，矩形窗口大小0.5s，相邻两个矩形窗重叠区域为50％；

20、s3、滤波降噪，对加窗运算单元处理后的信号进行滤波降噪处理；

21、s4、模型处理，对处理后的信号进行提取信号特征，用于分类模型训练、评估和预警，并通过模型计算预警结果；

22、s5、预警展示，确定展示预警信息，并将预警信息传输到燃气管道权属单位，进行现场监督管理。

23、作为本发明再进一步的方案：步骤s3具体为

24、1)带通滤波，对不同频段信号进行带通滤波，滤波频段根据施工信号频率分布特征，分为低频带通滤波信号，频率范围：1hz-1.5khz，中频带通滤波信号，频率范围：0.75khz-2.25khz，高频带通滤波信号，频率范围：1.5khz-3khz；

25、2)小波降噪，小波降噪模块采用小波降噪法对低频、中频、高频三个频段的原始信号进行降噪处理，降噪参数：小波类型db10，降噪水平10，噪声估计算法采用fdr算法，q＝0.05，噪声估计基于各层级，并采用硬阈值函数。

26、作为本发明再进一步的方案：步骤s4具体为

27、1)特征提取，特征提取单元分别对降噪后的低频、中频、高频带通滤波信号进行特征提取，每个信号特征计算范围为信号采集模块中的矩形窗内的信号，特征包括4个时域特征和4个频域特征，时域特征包括峰值、峰峰值、有效值rms、波峰因子，频域特征包括均值频率、功率带宽、中心频率、信噪比；

28、2)模型计算，模型计算单元将包括低频、中频、高频信号的总计的12个时域特征和12个频域特征输入训练好的二次svm分类算法模型中进行计算，得到最终信号的类型。

29、作为本发明再进一步的方案：步骤s5中的预警信息包括非施工信号和施工信号，施工信号包括两种情况，一种是施工器械直接与管道壁面撞击产生的冲击脉冲信号，信号间隔时间较长；另一种是道路破碎施工信号信号间隔较短，频率在5-15hz。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

31、本发明的成功应用有利于对市政道路施工、燃气、供水等地下管道维护更新过程中第三方施工破坏行为的有效预警，包括开挖施工、钻孔施工、打桩施工等施工行为，也可以实现对正在实施的，并对管道本体造成直接或间接损伤的施工行为的监测预警。本发明与现有技术相比最大的特点在于本发明提出的多频段施工信号特征提取方法，可以实现当部分频段信号被噪声淹没时，仍能够利用其他频段信号实现特征提取和特征融合，为施工信号识别提供了更多的可能，可以显著提高对第三方施工信号的识别能力。