【CN109681789A】基于变分模态分解的流体管道泄漏声振动相干检测定位方法【专利】

管道泄漏声发射定位方法研究作者：张英杰衣粟张国庆孙洪彬王培东吴畏来源：《科技风》2021年第12期摘要：声发射信号不仅能检测管道是否泄漏，其携带系统结构中的某些特征信能够计算出管道泄漏的位置。

分析管道泄漏时产生声发射信号的原理以及声发射信号在管道内的传播特点，介绍了声发射信号在管道介质中传播的时间与传播距离的关系，计算传播距离定位泄漏位置和通过声发射信号强度计算传播距离来定位管道泄漏位置两种方法。

关键词：管道泄漏;声发射;弹性波在管道运输过程中，由于管道腐蚀、管道材料质量、人为破坏等原因常常会引起管道泄漏，一旦管道发生泄漏现象，需要以最快的速度找到泄漏位置及时补救，这无疑将消耗巨大的人力物力，所以需要一种省时省力的管道泄漏定位方法。

声发射作为管道泄漏检测的一种方法，检测管道是否出现泄漏现象是其最基本的功能，除此之外，聲发射信号本身携带大量与泄漏源相关的信息，不仅能够对泄漏量大小进行量化，而且在一定算法的基础上能够准确定位管道的泄漏位置。

关于声发射研究，国内方面，杨哲[1]对于燃气管道泄漏声发射信号的研究;郑旭[2]探讨了声发射技术在管道泄漏中运用的方案;汪文有[3]论述了声发射技术在实际管道泄漏检测中的应用策略;李帅永[4]等人在管道泄漏声发射时频定位技术进行了研究。

国外方面，H.Y.Sim等研究人员进行了基于声发射技术的压缩机气门泄漏损失研究。

本文在声发射检测管道泄漏的基础上，介绍了两种声发射定位管道泄漏位置的方法，利用声发射信号在管道材料中的传播特点，方法一直接采用声发射信号在管道介质中的传播时间，来定位泄漏位置;方法二则采用声发射传感器检测到某位置的声发射信号强度来间接得到声发射信号传播的距离，计算出管道泄漏的位置，两种方法都利用声发射信号所携带的信息来探究基于声发射检测管道泄漏位置的方法。

基于改进的经验模态分解方法的热网管道泄漏检测方法李宏;申瑞琦【摘要】管道泄漏检测技术是保障管道安全生产的重要手段.为了延长管道使用寿命、及时发现和处理管道泄漏事故,通常采用基于声波检测的管道泄漏检测方法.对基于声波检测的热网管道泄漏检测方法进行了研究.对经验模态分解方法进行了分析,针对其存在的端点效应问题提出了一种改进的方法,经过仿真实验和性能对比,验证了方法的有效性和优越性.将这种改进的EMD算法应用在热网管道泄漏检测中,取得了较好的管道信息处理效果.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)026【总页数】4页(P224-227)【关键词】泄漏检测;经验模态分解;端点效应【作者】李宏;申瑞琦【作者单位】东北石油大学电气信息工程学院,大庆163318;东北石油大学电气信息工程学院,大庆163318【正文语种】中文【中图分类】TH165.3;TN911.6管道设备用于输送流体具有便于管理和控制，同时成本费用又较为低廉［1，2］。

基于以上优点，近年来管道运输及管道安全已经成为社会和经济的发展命脉。

但由于长时间的运行磨损、设备的自然老化、地理和气候环境的变化以及人为损坏等原因，管道泄漏故障也时有发生。

为了能在最短时间内对管道泄漏事故进处理，减小其造成的各种损失，管道泄漏检测技术应运而生。

在现阶段，又对管道泄漏检测提出了提高定位精度、检测小泄漏信号、降低误报警率等新的要求。

声波检测法［3］与传统的负压波法、质量/体积平衡法、瞬态模型法等相比具有灵敏度高、定位精度高、误报率低，维护费用低、适应性强等优点。

其工作原理是采集管道发生泄漏时管内流体与管壁摩擦震动产生的声波信息，对其进行算法分析从而判断管道是否发生泄漏。

经验模态分解算法在处理非线性非平稳信号序列方面有着非常明显的优势［4，5］，它可以对一个信号同时将不同尺度(频率)的波动或趋势逐级分解开来，产生一系列具有不同特征尺度的数据序列称为本征模函数。

基于变分模态分解的故障诊断方法研究一、本文概述本文旨在探讨基于变分模态分解（Variational Mode Decomposition, VMD）的故障诊断方法。

随着工业技术的快速发展，设备故障诊断成为保障工业系统安全、稳定运行的关键环节。

传统的故障诊断方法多依赖于信号处理和模式识别技术，但在处理复杂、非线性的故障信号时，这些方法往往难以取得理想的效果。

变分模态分解作为一种新型的信号处理方法，其独特的模态分解能力和对非线性、非平稳信号的适应性使其在故障诊断领域具有广阔的应用前景。

本文将首先介绍变分模态分解的基本原理和算法实现，然后详细阐述如何将其应用于故障诊断中。

我们将通过模拟实验和实际案例，验证基于变分模态分解的故障诊断方法的有效性和优越性。

我们还将探讨该方法在实际应用中可能遇到的问题和解决方案，以及未来的发展方向。

通过本文的研究，我们期望能够为工业故障诊断领域提供一种更加准确、高效的方法，为工业系统的安全、稳定运行提供有力保障。

我们也希望能够通过本文的研究，推动变分模态分解在信号处理和模式识别领域的更广泛应用和发展。

二、变分模态分解理论基础变分模态分解（Variational Mode Decomposition，VMD）是一种新型的非递归、自适应的信号处理方法，它基于变分原理和模态带宽约束，能够有效地将复杂信号分解为一系列具有稀疏特性的子模态函数。

VMD方法在信号处理、故障诊断等领域具有广泛的应用前景。

VMD方法的核心思想是通过构造和求解约束变分问题，将信号分解为一系列带宽有限的模态函数。

与经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）等方法相比，VMD具有更好的数学理论基础和更高的分解精度。

在VMD中，每个模态函数都被视为一个调频调幅信号，其瞬时频率和幅值随时间变化。

VMD方法的基本步骤包括：定义一个变分约束问题，将信号分解为多个模态函数；然后，通过求解该变分问题，得到每个模态函数的解析表达式；根据求得的模态函数对原始信号进行重构。

基于EMD和小波分解的管道泄漏声发射源定位
吴旭景;杜斌;叶陈
【期刊名称】《无损检测》
【年(卷),期】2015(037)010
【摘要】由于管道泄漏声发射检测信号中含有大量噪声,因此在一定程度上影响了泄漏源定位的精准度.针对这一问题,首先将管道泄漏声发射信号进行经验模态分解(EMD),然后对其中高频分量进行小波分解去噪,保留有用的信号特征,最后对有效分量进行重构得到去噪后的管道泄漏声发射信号,并通过相关分析进行定位.结果表明:相比单一的信号处理方法,采用EMD和小波分解相结合的方法对声发射信号进行去噪重构,并进行相关分析计算,得到的泄漏源定位更精确.
【总页数】4页(P60-63)
【作者】吴旭景;杜斌;叶陈
【作者单位】浙江省特种设备检验研究院,杭州310020;浙江省特种设备检验研究院,杭州310020;沈阳特种设备检测研究院,沈阳110179
【正文语种】中文
【中图分类】TE973;TG115.28
【相关文献】
1.基于EEMD的声发射管道泄漏定位检测 [J], 周颖涛;周绍骑;姚远航;晁文胜
2.基于EMD和小波变换的热网管道泄漏检测与定位方法 [J], 李宏;申瑞琦
3.基于EMD和小波包降噪的压力管道微泄漏源定位研究 [J], 王建国;刘朋真;王少
锋;高琳
4.一种基于小波分解的储罐声发射源定位波形滤波算法研究 [J], 刘功祥
5.基于MCKD和EMD分解的压力管道泄漏源定位研究 [J], 王建国;刘朋真;刘艳明;祝祥亚
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专利名称：基于自适应多元变分模态分解的流体管道泄漏定位方法
专利类型：发明专利
发明人：李帅永,毛维培,夏传强,程振华,姜定杰,黄庆卿
申请号：CN202010323569.7
申请日：20200422
公开号：CN111503527A
公开日：
20200807
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于自适应多元变分模态分解的流体管道泄漏定位方法，属于管道泄漏检测领域。

该方法包括：S1：采用AMVMD算法，根据两路泄漏信号的频率曲线相加后提取频率曲线的驼峰数，自适应确定多元变分模态的模态分解个数；S2：根据两路泄漏信号的模态分量的信号清晰度，利用最大微分法自适应提取模态分量；根据测量管道的长度和泄漏传播信号的速度确定泄漏信号的延时范围，选择提取两路泄漏信号模态分量的时间延迟在延时范围的模态分量作为有效模态分量，重构有效泄漏信号；S3：确定时间延迟，结合泄漏信号传播速度和两传感器的距离确定泄漏点位置。

本发明能提高信噪比，有效减少泄漏定位误差。

申请人：重庆邮电大学
地址：400065 重庆市南岸区黄桷垭崇文路2号
国籍：CN
代理机构：北京同恒源知识产权代理有限公司
代理人：赵荣之
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第 43 卷第 2 期2023 年 4 月振动、测试与诊断Vol. 43 No. 2Apr.2023 Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis基于变分模态分解的管道泄漏信号降噪方法∗刘伯相1，张远民2，江竹1（1.西华大学能源与动力工程学院　成都，610039）　（2.联通（四川）产业互联网有限公司　成都，637000）摘要管道泄漏信号的降噪是精确定位泄漏点的关键，但该信号具有非平稳、非线性的特性，传统方法对这类信号的去噪效果有限。

为了有效剔除噪声以提升泄漏定位的精度，提出了一种基于变分模态分解（variational mode decomposition，简称VMD）的自适应降噪方法。

首先，通过相关系数筛选有效固有模态函数（intrinsic mode function，简称IMF）实现信号重构；其次，根据重构信号信息熵的最小值，得到VMD的最优分解层数和最优降噪信号；最后，通过负压波理论实现泄漏定位，并搭建了管道泄漏实验系统对所提方法进行验证。

结果表明：该方法能有效抑制噪声，保留了信号的波形特征，且能识别出明显的负压波拐点；泄漏定位的最小相对误差为0.9%，最大为3.75%。

与传统方法相比，所提方法定位的精度更高，结果更稳定。

关键词负压波；泄漏定位；自适应降噪；变分模态分解；信息熵；相关系数中图分类号TH86；TN911.7引言供水管道为城市提供了最方便和经济的供水方式。

在管道运行期间，锈蚀、老化和外部干扰因素都可能造成管道泄漏［1⁃3］。

在管道泄漏检测中，基于声信号［4］、光纤信号［5］和压力信号［6］的方法得到了广泛的研究。

其中，基于压力信号的检测方法因其低成本、易于操作、检测距离远且具有较高的灵敏度和泄漏定位精度，已经得到了广泛的实际应用［7］。

受周围环境或管内物质摩擦的干扰，实际供水管道中采集的压力信号混有大量噪声。

噪声的干扰会使泄漏引起的负压波拐点难以识别，进而导致管道泄漏定位存在较大的误差，甚至无法定位。

基于独立分量分析的管道异常振动事件定位方法张景川;曾周末;曹庆松;封皓;靳世久【摘要】针对传统互相关时延估计法定位管道故障点的局限性,提出了基于独立分量分析(ICA)的互相关时延估计方法用于管道异常振动事件定位.利用ICA滤波后的管道沿线振动信号进行互相关运算,抑制了相关高斯噪声引起的时延估计误差,为管道安全监测系统提供了一种新的高精度时延估计方法.仿真结果和现场实验数据表明,该方法可以快速精确地定位管道周围异常事件的发生位置,改善了相关运算的时延估计性能,相对于传统互相关时延估计法,可进一步降低时延估计的平均误差和均方差,具有更高的定位精度和定位一致性.%Aiming at the limitation of conventional cross-correlation algorithms for time-delay estimation, a cross-correlation algorithm for time-delay estimation based on independent component analysis (ICA) for locating petroleum pipeline abnormal vibration events was proposed, it was used in the distributed optical fiber petroleum pipeline safety detection system for the safety of pipeline. During the pipeline detection, the environment was very complicated, the correlated Gaussian noises impacted the accuracy of time-delay estimation. ICA had good effect on removing the Gaussian interference and could protect available signals effectively. Using the de-noised signals with ICA, the cross-correlation analysis for time-delay estimation was conducted with the proposed method, the correlated Ganssian noises were suppressed effectively. Finally, compared with the results of the conventional cross-correlation algorithms, the simulation results and the signals obtained from tests proved that the proposedmethod can decrease the average error and mean square deviation of the time-delay estimation and improve locating accuracy and consistency.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2011(030)004【总页数】5页(P81-85)【关键词】油气管道;分布式光纤传感器;独立分量分析;互相关;时延估计【作者】张景川;曾周末;曹庆松;封皓;靳世久【作者单位】天津大学,精密测试技术与仪器国家重点实验室,天津,300072;天津大学,精密测试技术与仪器国家重点实验室,天津,300072;天津大学,精密测试技术与仪器国家重点实验室,天津,300072;天津大学,精密测试技术与仪器国家重点实验室,天津,300072;天津大学,精密测试技术与仪器国家重点实验室,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】TN247;TN911.6随着油气资源的开发以及能源需求的激增，管道运输作为一种安全、经济的运输方式在世界各地得到广泛应用。

基于EEMD的声发射管道泄漏定位检测
周颖涛;周绍骑;姚远航;晁文胜
【期刊名称】《四川兵工学报》
【年(卷),期】2015(036)003
【摘要】为提高管道泄漏声发射定位精度,针对管道泄漏声发射信号的非平稳特性,提出了基于经验模态分解(EEMD)的声发射管道泄漏定位新方法;该方法将管道泄漏产生的声发射(AE)信号进行小波去噪,经EEMD分解为若干个本征模态函数(IMF),对具有实际物理意义的IMF进行重构,通过互相关法确定时差进行定位;仿真和实验表明:该方法消除了直接相关法和经验模态分解(EMD)方法的缺点,提高了定位精度.【总页数】5页(P110-113,116)
【作者】周颖涛;周绍骑;姚远航;晁文胜
【作者单位】后勤工程学院军事供油工程系,重庆401331;后勤工程学院军事供油工程系,重庆401331;后勤工程学院军事供油工程系,重庆401331;68099部队,宝鸡721700
【正文语种】中文
【中图分类】TE973.6
【相关文献】
1.基于声波的管道泄漏点定位检测仪的开发 [J], 沈功田;刘时风;王玮
2.基于EMD和相关分析的管道泄漏定位检测研究 [J], 毛海杰;李炜;冯小林
3.基于改进CEEMD的管道多点泄漏定位分析 [J], 邢志祥; 朱一龙; 郝永梅; 蒋军成;
盛璘; 杨健; 杨克
4.基于改进CEEMDAN-熵方法的管道泄漏工况识别 [J], 李传宪; 逯雯雯; 石亚男; 杜世聪; 郑琬郁; 李鹏宇
5.基于EEMD的负压波法管道泄漏定位信号降噪 [J], 孟子楠;闫骁瑾;王佳豪;李润五
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基于模态声发射检测技术的管道泄漏研究的开题报告一、选题背景管道泄漏是工业安全领域面临的重要问题，它可能会造成严重的人身伤害和财产损失。

因此，一旦管道系统中发生泄漏，必须迅速采取措施进行监测和修复。

目前，随着科技的不断进步，很多新的技术被应用到管道泄漏检测中。

其中，基于模态声发射检测技术备受关注。

该技术可以通过对声波的检测，快速准确地判断管道系统是否发生泄漏，从而提高了泄漏检测的效率和准确度。

二、选题意义管道泄漏可能造成灾难性的后果，因此及时发现漏点和进行修复非常重要。

传统的管道泄漏检测技术通常需要时间较长且容易出现误判。

而基于模态声发射检测技术具有检测速度快、准确度高、适用性广等优点，可以有效地减少管道泄漏导致的风险和影响。

因此，开展基于模态声发射检测技术的管道泄漏研究具有重要的现实意义和应用价值。

三、研究内容和方法本文的研究内容为基于模态声发射检测技术的管道泄漏监测与分析。

具体包括以下几个方面：1. 基于模态声发射检测技术的管道泄漏监测原理和方法研究；2. 基于模态声发射检测技术的声波特征提取和信号处理算法研究；3. 基于模态声发射检测技术的管道泄漏监测实验设计和数据采集；4. 基于实验数据的管道泄漏监测算法优化和验证；5. 基于优化后的算法开发相应的管道泄漏监测设备，并进行实际应用验证。

本文研究采用实验分析法、数学建模分析法等多种研究方法，对基于模态声发射检测技术的管道泄漏检测进行深入分析和探究。

具体包括实验仪器和设备的选择、数据采集和处理算法的设计与优化、实验结果分析等。

四、预期成果本文研究将有望取得以下预期成果：1. 建立基于模态声发射检测技术的管道泄漏监测方法和理论框架；2. 设计实验方案和建立管道泄漏检测实验平台，获得实验数据；3. 研发基于模态声发射检测技术的数据处理算法，并验证其有效性和准确性；4. 开发基于优化算法的管道泄漏检测设备，为现实工程应用提供技术支撑。

五、参考文献1. Frid, E., & Noble, C. (2013). Modal acoustic emission based pipeline monitoring. Mechanical systems and signal processing, 37(1-2), 347-360.2. Mousavi, S. M., Keramat, M., & Tutunchilar, S. (2017). A review on acoustic and ultrasonic methods for pipeline leak detection. Journal of loss prevention in the process industries, 47, 85-105.3. ABAQUS. Abaqus Theory Manual. Providence, USA: Dassault Systèmes Simulia Corp., 2014.4. Seyyedmahmoudian, M., Marzband, M., & Moghavvemi, M. (2016). A review of acoustic method applied in natural gas pipeline inspection. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53, 1635-1647.。