本发明提供一种管道泄漏诊断方法，包括如下步骤：在管道首末站分别安装一个动态压力变送器或声波泄漏监测仪，实时、连续地监测管道内部的动态压力信号或声波信号；分别对所述对应首末站的数据进行去噪，计算信号均值，使之变成正负信号；对数据设两个等长度的移动窗，相隔预定间距，以预定步长移动并分别截取等长度的两个时域信号，对两个信号分别作功率谱分析，比对两者的差异，计算相应的特征指标，根据设定的对应泄漏检测灵敏度的阈值，分别对上下游的泄漏诊断标志置1或清零；根据上下游的泄漏诊断标志，进行泄漏的诊断。其能够有效地减少误报，杜绝漏报。
1.一种管道泄漏诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S100，在管道首末站分别安装一个动态压力变送器或声波泄漏监测仪，实时、连续地监测管道内部的动态压力信号或声波信号；
设定泄漏诊断的周期为NT/2，每隔NT/2个周期分别读取从首末站采集的N/2点数据，并分别与最近的N/2点数据一起，构成一帧N点的新数据；
其中，N为数据点数，T为信号采样周期；前N/2点数据为最近的历史数据，后N/2点数据为最新采集的实时数据；
步骤S200，分别对所述对应首末站的N点数据进行去噪，计算信号均值，使之变成正负信号；
步骤S300，对所述历史数据和实时数据，设定两个等长度的移动窗，相隔预定时间间距，以预定步长移动并分别截取等长度的两个时域信号，对两个信号分别作功率谱分析，比对两者的差异，计算相应的特征指标，根据设定的对应泄漏检测灵敏度的阈值，分别对上下游的泄漏诊断标志置1或清零；
步骤S400，根据步骤S300得到的上下游的泄漏诊断标志，进行泄漏的诊断。
2.根据权利要求1所述的管道泄漏诊断方法，其特征在于，所述步骤S300，包括如下步骤：步骤S310，设定如下参数：移动窗长度M，移动窗移动步距step，前后两个移动窗的间距span；
根据所述参数对步骤S200所得到的正负信号进行延拓，根据公式(1)确定延拓数据长度；
(LOOP-1)*step+1+(M+span)+(M-1)-N (1)其中LOOP为使公式(1)为正且数值最小的正整数，并取该LOOP值为功率谱比对的循环次数；
步骤S320，根据所述移动窗长度M、移动窗移动步距step，前后两个移动窗的间距span和循环次数LOOP，根据公式(2)~(5)计算前移动窗的起始时刻stxf、前移动窗的结束时刻edxf、后移动窗的起始时刻stxh、后移动窗的结束时刻edxh；
stxf(k)=(k-1)*step+1 (2)edxf(k)=stxf(k)+(M-1) (3)stxh(k)=stxf(k)+(M+span) (4)edxh(k)=stxh(k)+(M-1) (5)式中k为循环序号，其中，k的最大值为循环次数LOOP值；
步骤S330，根据前、后两个移动窗的起始、结束时刻stxf、edxf、stxh、edxh分别从N点长度数据帧中截取M长度数据，赋给数组fx和fy；
步骤S340，对信号序列fx，fy分别作功率谱分析；
步骤S350，确定信号的有效比对频段对应的功率谱谱线起始和结束位置fstx， fend，fmid介于fstx和 fend之间，根据公式(6)~(9) 分别计算信号序列fx，fy在fstx和fmid之间的功率谱累加和SumPxM、SumPyM，以及在fstx和fend之间的功率谱累加和SumPxE, SumPyE；
其中Powx(k)和Powy(k)分别为信号序列fx和fy的功率谱；
计算信号序列fx和fy在fstx和fmid之间的功率谱之差的累加和DPxy；
如果DPxy为正，则利用式(11)和(12)计算比值RPC和RPZ；
如果DPxy为负，则利用式(13)和(14)计算比值RPC和RPZ；
步骤S370，设上游监测信号的泄漏诊断阈值分别为SetVU1和SetVU2，如果RPC>= SetVU1,并且 RPZ>= SetVU2，则上游泄漏监测信号有异常，上游管道泄漏标志AlarmFlagU置1；否则AlarmFlagU=0；
步骤S380，如果AlarmFlagU不为1，则根据循环次数LOOP，以及不同循环时前、后两个移动窗的起始、结束时刻stxf、edxf、stxh、edxh，对上游信号重复作步骤S330～步骤S370处理；
步骤S390，设下游监测信号的泄漏诊断阈值分别为SetVD1和SetVD2，对下游数据重复步骤S310～步骤S380，并标记下游管道泄漏标志AlarmFlagD为1或0。
3.根据权利要求2所述的管道泄漏诊断方法，其特征在于，所述步骤S400，所述进行泄漏的诊断，包括如下步骤：如果上游管道泄漏标志AlarmFlagU为1，并且下游管道泄漏标志AlarmFlagD也为1，则判断管道中发生了故障，发出故障报警；否则判断管道安全，没有泄漏。
一种管道泄漏诊断方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于燃气管道、油品输送管道、水管等压力流体管道基于动态压力传感器、声波传感器的管道泄漏检测领域，特别是涉及到一种管道泄漏诊断方法。
背景技术
[0002] 埋设在地下的燃气管理、油品输送管道、水管等压力流体管道由于铺设区域广，线路复杂，当管道出现泄漏后，如果发生漏报警，就不能及时发现其泄漏点，从而造成资源的损失浪费，并可能带来安全隐患及环境污染。
[0003] 在现有的管道泄漏检测方法中，普遍采用特征提取结合神经网络模型的方法实现泄漏的诊断。而实现泄漏检测的前提是通过泄漏模拟的方法来获取泄漏样本数据，采用模型学习的方法来训练模型而得到。这种方法要求有较多的样本个数，否则可能造成模型的泛化能力差，从而造成泄漏的漏报警；但由于学习用样本是人工模拟的，且样本个数有限，这些有限数目的模拟样本不可能完全替代真正的爆管、挖破管道等信号更强的管道泄漏，从而不可避免地造成漏报警。
[0004] 因此，探索一种可靠的、不依赖模型的泄漏诊断方法，意义重大。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种管道泄漏诊断方法，其能够有效地减少误报，杜绝漏报。
[0006] 为实现本发明目的而提供的一种管道泄漏诊断方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤S100，在管道首末站分别安装一个动态压力变送器或声波泄漏监测仪，实时、连续地监测管道内部的动态压力信号或声波信号。
[0008] 设定泄漏诊断的周期为NT/2（N为数据点数，T为信号采样周期），每隔NT/2个周期分别读取从首末站采集的N/2点数据，并分别与最近的N/2点数据一起，构成一帧N点的新数据。
[0009] 其中，前N/2点数据为最近的历史数据，后N/2点数据为最新采集的实时数据；
[0010] 步骤S200，分别对所述对应首末站的N点数据进行去噪，计算信号均值，使之变成正负信号；
[0011] 步骤S300，对所述历史数据和实时数据，设两个等长度的移动窗，相隔预定间距，以预定步长移动并分别截取等长度的两个时域信号，对这两个信号分别作功率谱分析，比对两者的差异，计算相应的特征指标，根据设定的对应泄漏检测灵敏度的阈值，分别对上下游的泄漏诊断标志置1或清零。
[0012] 步骤S400，根据步骤S300得到的上下游的泄漏诊断标志，进行泄漏的诊断：如果两个标志都为1，则判断管道发生了故障，否则管道安全。
[0013] 本发明的有益效果：本发明管道泄漏诊断方法，首先在一帧数据上相隔一定时间间隔截取两段等时间长度的信号，通过在选取频段内比对它们的信号功率谱差异，进行泄漏诊断，其极为有效地避免因为泄漏诊断模型泛化能力差、泄漏样本数量少等造成的管道泄漏漏报警，并极为有效地避免因为泄漏诊断模型的过学习而造成的管道泄漏漏报警，有效地提高对未知泄漏的泄漏诊断准确性。
附图说明
[0014] 图1是本发明实施例的管道泄漏诊断方法流程图；
[0015] 图2是本发明实施例管道泄漏诊断方法信号去噪及双极性处理结果示意图；
[0016] 图3是本发明实施例管道泄漏诊断方法的基于移动窗法信号截取及其功率谱比对示意图；
[0017] 图4是本发明实施例管道泄漏诊断方法移动窗的同步移动示意图。
具体实施方式
[0018] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明管道泄漏诊断方法的实现作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019] 本发明实施例的管道泄漏诊断方法，采用动态压力传感器或声波传感器连续监测管道内部动态压力（声波）信号，在一帧数据上相隔一定时间间隔截取两段等时间长度的信号，通过在选取频段内比对它们的信号功率谱差异，实现泄漏的诊断。
[0020] 作为一种可实施方式，本发明实施例的管道泄漏诊断方法，包括如下步骤：
[0021] 步骤S100，在管道首末站分别安装一个动态压力变送器或声波泄漏监测仪，实时、连续地监测管道内部的动态压力信号或声波信号。
[0022] 设定泄漏诊断的周期为NT/2（N为数据点数，T为信号采样周期），每隔NT/2个周期分别读取从首末站采集的N/2点数据，并分别与最近的N/2点数据一起，构成N点新数据各一帧（分别对应上下游信号）。
[0023] 其中，前N/2点数据为最近的历史数据，后N/2点数据为最新采集的实时数据；
[0024] 采用动态压力传感器或声波传感器连续监测管道内部动态压力或者声波信号，是一种现有技术，因此，在本发明实施例中，不再一一详细描述。
[0025] 步骤S200，分别对所述对应首末站的N点数据进行去噪，计算信号的均值，使之变成正负信号。
[0026] 对所述信号进行去噪，计算信号中的信号均值，使之变成正负信号，是一种现有技术，因此，在本发明实施例中，不再一一详细描述。
[0027] 步骤S300，对所述历史数据和实时数据，设定两个等长度的移动窗，相隔预定时间间距，以预定步长移动并分别截取等长度的两个时域信号，对所截取的两个时域信号分别作功率谱分析，比较两者在预设频段内的功率谱差异，计算相应的功率谱特征，根据设定的对应泄漏检测灵敏度的阈值，分别对上下游的泄漏诊断标志置1或清零。
[0028] 作为一种可实施方式，所述步骤S300包括如下步骤：
[0029] 步骤S310，设移动窗长度M，移动窗移动步距step，前后两个移动窗的间距（前一移动窗的末尾与后一移动窗的开始之间相隔的数据点数）span，根据所述参数对步骤S200所得到的正负信号进行延拓，根据公式(1)确定延拓数据长度。
[0030] (LOOP-1)*step+1+(M+span)+(M-1)-N (1)
[0031] 其中LOOP为使公式(1)为正且数值最小的正整数，并取该LOOP值为功率谱比对的循环次数。
[0032] 步骤S320，根据所述移动窗长度M、移动窗移动步距step，前后两个移动窗的间距span和循环次数LOOP，根据公式(2)~(5)计算前移动窗的起始时刻stxf、前移动窗的结束时刻edxf、后移动窗的起始时刻stxh、后移动窗的结束时刻edxh。
[0033] stxf(k)=(k-1)*step+1 (2)
[0034] edxf(k)=stxf(k)+(M-1) (3)
[0035] stxh(k)=stxf(k)+(M+span) (4)
[0036] edxh(k)=stxh(k)+(M-1) (5)
[0037] 式中k为循环序号，其中，k的最大值为循环次数LOOP值。
[0038] 步骤S330，根据前、后两个移动窗的起始、结束时刻stxf、edxf、stxh、edxh分别从N点长度数据帧中截取M长度数据，赋给数组fx和fy。
[0039] 步骤S340，对信号序列fx，fy分别作功率谱分析。
[0040] 步骤S350，确定信号的有效比对频段对应的功率谱谱线起始和结束位置fstx，fmid，fend，根据公式(6)~(10)分别计算信号序列fx，fy在fstx和fmid之间的功率谱累加和SumPxM、SumPyM，以及在fstx和fend之间的功率谱累加和SumPxE,SumPyE。
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] 其中Powx(k)和Powy(k)分别为信号序列fx和fy的功率谱。
[0046] 此外，根据公式(10)
[0047]
[0048] 计算信号序列fx和fy在fstx和fmid之间的功率谱之差的累加和。
[0049] 步骤S360，计算特征比值RPC和RPZ；
[0050] 如果DPxy为正，则利用式(11)和(12)计算比值RPC和RPZ；
[0051]
[0052]
[0053] 如果DPxy为负，则利用式(13)和(14)计算比值RPC和RPZ；
[0054]
[0055]
[0056] 步骤S370，设上游（首站）监测信号的泄漏诊断阈值分别为SetVU1和SetVU2，如果RPC>=SetVU1,并且RPZ>=SetVU2，则上游泄漏监测信号有异常，上游管道泄漏标志AlarmFlagU置1；否则AlarmFlagU=0。
[0057] 步骤S380，如果AlarmFlagU不为1，则根据循环次数LOOP，以及不同循环时前、后两个移动窗的起始、结束时刻stxf、edxf、stxh、edxh，对上游信号重复作步骤S330～步骤S370处理。
[0058] 步骤S390，设下游（末站）监测信号的泄漏诊断阈值分别为SetVD1和SetVD2，对下游数据重复步骤S310～步骤S380，并标记下游管道泄漏标志AlarmFlagD为1或0。
[0059] 步骤S400，根据步骤S300得到的上下游（首末站）管道泄漏标志值，进一步判断管道是否发生了泄漏（异常故障）。
[0060] 具体地，作为一种可实施方式，在步骤S400中，如果上游（首站）管道泄漏标志AlarmFlagU为1，并且下游（末站）管道泄漏标志AlarmFlagD也为1，则管道中发生了故障，发出故障报警；否则管道安全，没有泄漏。
[0061] 下面举一实例，如图1所示，进一步详细说明本发明的管道泄漏诊断方法，本发明可以用任何语言编程实现，并在相应的电脑上运行。
[0062] 步骤1.采用多贝西（Daubechies）db9小波对上下游原始信号作去噪处理，小波去噪尺度为4；经过小波去噪和计算信号均值，得到双极性的上下游信号。其中图2为小波去噪后的双极性的上下游信号。
[0063] 图2中标记1和2分别为上下游泄漏信号的对应位置。
[0064] 步骤2.设信号长度（数据点数）N为6000，采样周期T为20ms，移动窗长度M为2048，移动窗移动步距step为512，前后两个移动窗的间距span为512。对上下游信号分别作长度为144点的边界镜像延拓，图3（下）所示为经过延拓后的上游信号，取循环次数LOOP为4次。
[0065] 步骤3.根据设定的移动窗长度M，移动窗移动步距step，前后两个移动窗的间距span和循环次数LOOP，计算得到前、后两个移动窗的起始、结束时刻stxf、edxf、stxh、edxh[0066] 分别为：
[0067] Stxf＝{1 513 1025 1537}
[0068] Edxf＝{2048 2560 3072 3584}
[0069] Stxh={2561 3073 3585 4097}
[0070] Edxh={4608 5120 5632 6144}
[0071] 步骤4.分别截取1-2048点数据和2561-4608点数据，赋给数组fx和fy。如图3所示。
[0072] 在图3（下）中，3为1-2048点数据，4为2561-4608点数据，5和6分别对应M=2048的移动窗，7对应两者之间的span（512点）。
[0073] 步骤5.分别对fx和fy作功率谱分析，如图3（上）所示，其中8和9分别对应fx和fy的功率谱。
[0074] 步骤6.通过分析对比正常信号和泄漏信号的功率谱，确定fstx,fmid和fend分别为2，6和15，计算SumPxM、SumPyM、SumPxE、SumPyE和DPxy，分别为1.3624e+007、3.3060e+008、2.5163e+008、6.8396e+008和-3.1698e+008，
[0075] 步骤7.计算RPC和RPZ，得RPC=0.9588，RPZ=0.4834。
[0076] 步骤8.设上游信号的泄漏诊断阈值SetVU1和SetVU2分别为0.87和0.3。由于RPC和RPZ分别大于SetVU1和SetVU2，因此上游信号报警标志AlarmFlagU=1。
[0077] 步骤9.如果第一循环的AlarmFlagU不为1，则移动两个窗口（窗函数），分别取513-2560和3073—5120的数据，对应赋给fx和fy，重复步骤4-步骤8，重新进行诊断；如此循环一直到循环结束。图4（下）中，10和11分别对应513-2560和3073—5120的窗函数；否则，进入步骤10。
[0078] 步骤10.对于下游信号，其数据长度N、采样周期T、移动窗长度M、移动窗移动步距step、前后两个移动窗的间距span、边界镜像延拓长度和循环次数LOOP都与上游作一样设定，stxf、edxf、stxh、edxh也作一样设定。并设定下游泄漏诊断阈值SetVD1和SetVD2分别为0.87和0.3。其对应的第一循环的SumPxM、SumPyM、SumPxE、SumPyE和DPxy分别为1.8828e+007、1.0954e+006、2.4721e+007、3.1796e+006和1.7733e+007。对应的RPC和RPZ分别为0.9975和0.7297，分别大于设定值。因此AlarmFlagD=1。
[0079] 步骤11.根据AlarmFlagU和AlarmFlagD都为1，可以确定对应时刻的上下游信号中含有故障信号，发出故障报警。
[0080] 本发明实施例的管道泄漏诊断方法，极为有效地避免因为泄漏诊断模型泛化能力差造成的管道泄漏漏报警，并极为有效地避免因为泄漏诊断模型的过学习而造成的管道泄漏漏报警，有效地提高对未知泄漏的泄漏诊断准确性。
[0081] 最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
