基于欠定盲分离及局域均值分析的城市埋地燃气管道微小泄漏定位方法研究

To ensure the safe operation of the city high pressure and secondary high-pressure buried gas pipeline facilities, it is very important to locate the small leakage accurately. In this research I explore and analyze the stress wave which is generated by the leakage and propagates in the pipe body. Then the task of buried gas pipeline small leakage location is accomplished. It proposes a novel location method aimed at the urban complex circumstance. The research content includes: (1)stress wave extraction on the basis of blind source separation. Under low SNR circumstance , consider ICA (Independent Component Analysis) to remove the noise and then investigate the underdetermined blind separation method to separate the de-noised signals. It will achieve stress wave effective extraction under the complex noise situation. (2)stress wave precise time delay estimation. Study a accurate time delay estimation method based on analyzing the local mean decomposed signal's envelope , instantaneous frequency and energy distribution features. It will improve the estimation precision. (3) Investigate influence factors of the stress wave propagation velocity. Establish the model which express the interaction relationship between stress wave velocity with propogation mode, frequency dispersion, pipe parameters and the other main factors. Combine the theoretical analysis and experiment to accuately estimate the stress wave actual velocity. Integrate all these processes to improve the small leakage location precision. The research achievement will provide novel ideas to accurately locate the pipeline small leakage. It is also helpful to improve the signal extraction efficiency and location precision. This research has important economic and social benefits as well as broad application prospects.

对城市高压及次高压埋地燃气管道的微小泄漏进行定位是确保管道安全运营的重要问题，本项目拟通过分析泄漏产生并沿管道本体传播的应力波信号实现管道微小泄漏定位，提出针对城市复杂情况的一种新的定位方法。研究内容包括：(1)基于盲源分离的应力波提取方法：研究低信噪比下独立分量分析去噪以及混合振动信号欠定盲分离方法，实现复杂噪声情况下应力波的有效提取；(2)应力波信号精确时延估计方法：研究基于局域均值分解后的包络、瞬时频率及能量分布特征的时延估计方法，提高时延估计精度；(3)分析应力波传播速度的影响因素，建立模态、频散、管道本体参数及其他主要因素对应力波传播速度影响的模型，采用理论分析与实验相结合的方法精确估计实际传播速度，综合建模以提高泄漏点定位精度。本项目研究成果将为管道微小泄漏的精确定位提供新思路，有助于提高泄漏信号的提取效率及泄漏点定位精度，具有重要的经济和社会效益以及广阔的应用前景。

针对天然气管道泄漏检测及定位问题，以泄漏应力波为研究对象，本课题完成了基于欠定盲分离及局域均值分解分析的泄漏检测及定位新方法的理论研究。具体内容包括：(1) 基于欠定盲源分离的振动信号分离方法:通过研究管道本体中传播的泄漏应力波信号的特性，采用时频分析方法实现了观测信号的稀疏化处理；由于散点图的线性度直接影响了混合矩阵估计，因此研究利用广义高斯分布形状参数实现了稀疏度度量；在改进单源时频点算法基础上，提出了基于局部方向密度检测及时频点空间密度聚类与霍夫变换结合的混合矩阵估计算法，提高了混合矩阵估计精度；(2) 管道泄漏信号是典型的复杂非平稳信号，针对燃气管道泄漏受孔径、管道内压力、传感器位置等因素影响，研究了基于局域均值分解LMD及其改进算法ELMD的泄漏孔径识别算法，为提高定位精度奠定基础；在本课题研究过程中，结合多种特征提取及识别算法，提出了LMD及ELMD的包络谱熵、有效值熵、多时频值混合特征等特征提取方法，并实现了基于支持向量机及其改进算法、核密度估计及互信息识别以及稀疏表示分类器等多种泄漏孔径识别方法；(3)要获取泄漏点位置信息必须研究泄漏应力波到达两传感器时间差的估计方法，本项目中在局域均值分解理论的基础上，采用自适应分解方法实现复杂振动信号的分解，实现了根据分解结果峭度特征的改进互相关法的泄漏定位；并提出高阶模糊度函数与LMD分解相结合，通过时频参数分析方法提取泄漏信号的时频信息实现的新的基于非平稳信号分析的泄漏定位方法，提高了定位精度；(4) 应力波沿管道传播速度的估计精度是影响泄漏定位精度的重要因素之一，本项目研究了应力波传播时，不同模态、频散特性、管道本体参数及管道所处环境等因素对传播速度的影响，根据固体中导波的基础理论建立波速估计模型，研究应力波传播速度在这些影响因素共同作用下的估计方法。本项目研究达到了预期目标，目前已在本领域国际高水平学术期刊发表研究论文6篇，均为SCI及EI检索，其中5篇论文发表在中科院三区期刊；在国内高水平学术刊物发表论文5篇，EI检索4篇；培养硕士十余名，已毕业4人，其中一人获得研究生国家奖学金。