基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的振動事件檢測方法

2023-06-04 08:46:41 1

專利名稱：基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的振動事件檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的振動事件檢測方法， 屬於光纖振動測量與隨機信號處理學科的交叉領域。
背景技術：
(1)管道安全預警我國正處在快速發展之中，城市化步伐正逐步加快，各種開發建設項目隨處可見， 對埋於地下的管道安全造成威脅，長期以來，國家和各地下管道權屬企業在管道防開挖，防偷盜，防破壞等方面投入了大量人力，物力，財力，但影響管道安全的事件仍時有發生。由機械施工及自然災害所造成的管道事故佔事故總數的70%以上，其中90%以上的重大事故是因為機械施工造成的，如水管被挖破，油氣管道被打穿是經常發生的事情，給生產生活帶來損失。油、氣管道破裂會導致大面積洩露，發生火災，甚至引起爆炸。這將直接造成經濟損失，甚至引起環境汙染。因此管道安全預警系統成為該領域的重點研究之一。目前應用的探測報警器材及系統主要有以下幾種電子脈衝式圍欄、微波牆式報警器、主動紅外報警器、洩露電纜式周界探測報警系統、駐極體振動電纜報警系統和光纖傳感器周界報警系統。與電傳感器相比，光纖傳感器在傳感網絡應用中具有非常明顯的技術優勢光纖傳感器體積小、重量輕、具有非常好的可靠性和穩定性；光纖傳感器能夠抵抗電磁幹擾、抗腐蝕，完全不受雷電影響，能在惡劣的化學環境、野外環境及強電磁幹擾等場所下工作；光纖傳感器無輻射、無易燃易爆材料、防水、環保。光纖傳感器是無源系統、能源依賴性低，可大大節省供電設備與線路的成本，適合油氣管道、機場、基地、倉庫、油庫等長距離、大範圍的安全預警，特別是對於我國已經鋪設的國內、外長距離油氣管道，都有同溝鋪設的通信光纜可以直接利用或復用。由於光線鋪設方便，成本低，並且利用光纖振動測量可以在威脅事件發生初期預警洩露事故並定位事發地點。因此利用光纖測量振動成為管道預警系統研究的主要方法。然而如何對光纖檢測信號進行合理有效的分析，建立什麼樣的事件模型才更為有效，成為研究中的一大熱點和難點。(2)已有的光纖振動測量信號處理方法光纖振動信號處理還存在明顯不足，高虛警率使長距離複雜振動檢測識別面臨嚴峻挑戰，急需在此基礎上開展長距離光纖並發振動辨識方法研究。

圖1給出了現有的光纖振動信號處理流程，研究工作集中在識別和特徵提取領域，先後將小波理論、多尺度混沌分析、經驗模態分解、人工神經元網絡和知識矢量積方法應用到光纖振動測量信號處理中，現有的方法一般直接把單幀檢測的結果作為報警信號。現有的研究存在的主要問題是沒有建立合適的模型、特別是沒有建立合適的系統不確定性模型，且單級報警不能兼顧虛警和檢測兩方面的性能，從而使得已經投入生產的長距離預警系統效率較低甚至被擱置不用，光纖預警系統中的信號處理環節已成為系統和產業發展的最主要瓶頸，本發明提出採用概率模型來實現振動事件的檢測，降低虛警率，提高檢測概率，本發明採用疑似事件和確定事件兩級事件檢測機制，明顯改善系統性能。

發明內容
本發明提出了一種基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的振動事件檢測方法，其特徵在於包括其特徵在於包括建立事件的位置、能量和頻率三維分布模型；建立判斷事件發生的序貫的概率比檢測模型；應用序貫的概率比檢測方法，採用多級檢測機制，實現對于振動事件活動狀態的低虛警率、高檢測率檢測。本發明提供一種隨機分布建模和隨機分析方法，能夠實現基於光纖振動測量的管道預警系統的事件檢測方法。本發明採用隨機概率模型代替現有的確定性模型，準確表示了光纖預警振動事件檢測的不確定性，提高報警精度。根據本發明的一個方面，提供一種管道安全預警系統的振動事件檢測方法，其特徵包括建立事件的三維特徵模型。建立序貫的概率比檢測模型。建立多級檢測機制，實現對于振動事件活動狀態的低虛警率、高檢測率檢測。說明書附1傳統光纖振動測量信號處理圖2本發明的光纖振動測量信號處理圖3基於三維統計特徵模型的序貫概率似然比振源檢測流程；圖4序貫概率比檢測方法的原理示意圖；圖5系統接收數據的有效位置的時間分布(管道施工)；圖6系統接收數據的能量分布(管道施工)；圖7系統接收數據的中心頻率分布(管道施工)；圖8系統檢測結果(管道施工)。
具體實施例方式根據本發明的一個實施例，提出了一種基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的振動事件檢測方法，建立了判斷事件發生的序貫概率比檢測模型，並在此基礎上發展多級振動事件檢測機制，實現對於事件活動狀態的評價，進而實現準確安全報警。根據本發明的一個實施例的光纖振動測量信號處理方法如圖2所示，包括-系統接收光纖振動測量序列(圖2中201)，採用光纖傳感器測量連續的振動信號並對其進行高速採樣；-確定振動信號特徵統計模型(圖2中20 ，其包括振動信號的能量模型、振動信號的中心頻率模型和振動事件的真實位置模型。振動的能量可能在較大範圍內波動，也可能比較平穩，相對于振動能量本身的不確定性，振動能量測量的不確定性可以忽略，所以振動信號的能量模型具有如下形式e'n=en=we~N(e,a2e)其中 為當次測量的能量值；
e為實際有效振動能量均值；CJ2e為實際有效振動能量方差。振動信號的中心頻率指的是單幀數據分析得到的中心頻率，事件的中心頻率可能在較大範圍內波動，也可能比較平穩，相對于振動信號頻率本身的不確定性，振動頻率測量的不確定性可以忽略，假設沒有測量誤差，所以振動信號的中心頻率模型具有如下形式；
權利要求
1.基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的振動事件檢測方法，其特徵在於包括 接收光纖振動測量序列；建立振動特徵的統計模型； 確定關于振動事件的特徵提取的統計模型； 從光纖振動測量序列中進行特徵提取； 對所提取的數據特徵進行振動概率似然比檢測。
2.根據權利要求1的基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的事件檢測方法，其特徵在於所述統計模型包括振動事件的位置模型、振動事件的能量模型、振動事件的頻率模型。
3.根據權利要求2的基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的事件檢測方法，其特徵在於所述建立振動事件的位置模型具有如下形式X' η = Xn+Wx其中X' 為振動事件的測量位置 Xn為振動事件發生的真實位置Wx為振動事件測量噪聲，服從均值為零，方差為σ〗的高斯分布。
4.根據權利要求2的基於概率比檢測的管道安全預警系統的事件檢測方法，其特徵在於所述建立振動事件的能量模型具有如下形式其中e' n為振動信號能量的測量值； %為振動信號能量的真實值； P為實際振動信號能量均值； <為實際振動信號能量方差。
5.權利要求2的基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的事件檢測方法，其特徵在於所述建立振動事件的頻率模型具有如下形式f> In=^f-N(J^2f)其中f' 為振動信號中心頻率的測量值4為振動信號中心頻率的真實值；為振動信號中心頻率均值； σ》為振動信號中心頻率方差。
6.根據權利要求1的基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的事件檢測方法，其特徵在於所述對所提取的數據特徵進行振動概率似然比檢測的步驟包括建立判斷振動事件發生的序貫概率比檢測模型，所述概率比檢測模型具有形式 LR_ P(DIH1)P(H1) Pt p(D\H0)p(H0)^PF對數形式為Z = In^) = lnf^^M^) Lnf^l其中H1為振動源真實存在假設；H0為振動源不存在假設；D為振動源振動信號觀測數據，包括振動信號的位置χ' 振動信號的能量e' n和振動信號的中心頻率f' ;P(H1)和ρ (Htl)分別為振動源真實存在假設和振動源不存在假設的先驗概率； P(DlH1)和p(D|H0)分別為當假設H1和Htl正確時，檢測到振動信號觀測數據D的概率密度函數； 其中振動源真實存在被定義為一個振動事件在其活動範圍內持續存在至少數個掃描周期；如果Pt > Pf,即LR > 1即可認為有振動事件發生的概率大於沒有振動事件發生的概率。
7.根據權利要求6的基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的事件檢測方法，其特徵在於進一步包括由所述概率比檢測模型，得具有如下形式的序貫的概率比檢測模型 L(k) = L(k-l) + AL(k)當第k次量測數據無定位信息時，AL(k) = ln[l-PD]； 當第k次量測數據有定位信息時，ΔΙ㈨=In 其中Pd為檢測概率；Vc為振動信號位置、能量和中心頻率的三維體積； S為新息協方差矩陣； M測量維度，這裡是3; d2為新息歸一化距離。
8.根據權利要求1-7的基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的事件檢測方法，其特徵在於進一步包括將振動檢測分為兩級，即疑似事件和確定事件，設置兩級事件狀態判斷門限Π == ln^^j，其中α為虛假事件被確定的概率； β為真實事件被刪除的概率；當有一幀數據表明振動存在時，建立疑似事件，採用序貫概率比檢測來進一步確定該疑似事件存在的概率，若概率增加超過指定門限Τ2，疑似事件轉為確定事件並報警， 若概率減小低於指定門限Tl，判定疑似事件為虛警。
9.根據權利要求7的基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的事件檢測方法，其所述的新息歸一化距離d2的確定包括取新息協方差矩陣
10.根據權利要求7的基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的事件檢測方法，其特徵在於所述振動信號位置、能量和中心頻率的三維體積\具有形式 Vc = L*E*F ；其中L，E，F分別代表管線長度，能量動態範圍，中心頻率動態範圍。
全文摘要
本發明提供了一種基於序貫概率比檢測的管道安全預警系統的振動事件檢測方法。其特徵在於包括建立事件的位置模型，能量模型以及頻率模型；建立判斷事件發生的序貫概率比檢測模型；採用多級檢測機制，實現對于振動事件活動狀態的低虛警率、高檢測率檢測。
文檔編號F17D5/02GK102563360SQ20121001333
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者劉文揩, 張常年, 曲洪權, 王偉賓, 邢志強 申請人:北方工業大學