輸水管道是一個(gè)城市的生命線,其泄漏問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重浪費(fèi)水資源、造成經(jīng)濟(jì)損失并危害居民生命健康,因此及時(shí)有效地檢測(cè)并定位泄漏源對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本書(shū)闡述了輸水管道泄漏檢測(cè)與定位的基本理論和方法,詳細(xì)介紹了基于負(fù)壓波信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)的降噪方法、泄漏故障特征挖掘方法、泄漏檢測(cè)方法以及泄漏點(diǎn)定位方法。本書(shū)以變分模態(tài)分解等基本信號(hào)處理方法為基礎(chǔ),利用人工智能研究了負(fù)壓波信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)降噪;利用特征提取技術(shù),展開(kāi)了泄漏點(diǎn)識(shí)別與定位技術(shù)的研究,其中包括負(fù)壓波信號(hào)壓降特征提取、聲發(fā)射信號(hào)異常點(diǎn)識(shí)別等;利用仿真泄漏信號(hào)、實(shí)驗(yàn)室模擬泄漏試驗(yàn)平臺(tái)采集的泄漏信號(hào)以及真實(shí)輸水管道模擬泄漏信號(hào),驗(yàn)證了各種方法的有效性;利用深度學(xué)習(xí)構(gòu)造遷移模型,解決了實(shí)際運(yùn)行輸水管道泄漏特征數(shù)據(jù)較少的問(wèn)題。本書(shū)可供從事管道檢測(cè)和運(yùn)維的工程技術(shù)人員閱讀使用,也可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)的在校師生及科研人員參考。
1)本書(shū)闡述了輸水管道泄漏檢測(cè)與定位的基本理論和方法,詳細(xì)介紹了基于負(fù)壓波信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)的降噪方法、泄漏故障特征挖掘方法、泄漏檢測(cè)方法以及泄漏點(diǎn)定位方法。2)以變分模態(tài)分解等基本信號(hào)處理方法為基礎(chǔ),利用人工智能研究了負(fù)壓波信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)降噪。3)利用特征提取技術(shù),展開(kāi)了泄漏點(diǎn)識(shí)別與定位技術(shù)的研究,其中包括負(fù)壓波信號(hào)壓降特征提取、聲發(fā)射信號(hào)異常點(diǎn)識(shí)別等。4)利用仿真泄漏信號(hào)、實(shí)驗(yàn)室模擬泄漏試驗(yàn)平臺(tái)采集的泄漏信號(hào)以及真實(shí)輸水管道模擬泄漏信號(hào),驗(yàn)證了各種方法的有效性。5)利用深度學(xué)習(xí)構(gòu)造遷移模型,解決了實(shí)際運(yùn)行輸水管道泄漏特征數(shù)據(jù)較少的問(wèn)題。
在城市輸水管道運(yùn)行期間,銹蝕、老化和外部干擾等因素都可能造成管道泄漏。輸水管網(wǎng)的泄漏增加了供水成本,影響供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,加劇了我國(guó)水資源短缺的局面。管道泄漏還會(huì)引發(fā)次生災(zāi)害,例如:管道長(zhǎng)期泄漏,會(huì)沖刷道路和建筑物基礎(chǔ),引發(fā)道路塌陷和建筑物垮塌;管網(wǎng)因泄漏造成水壓下降,導(dǎo)致泄漏點(diǎn)周?chē)奈畚锖图?xì)菌有可能通過(guò)泄漏點(diǎn)進(jìn)入管道造成污染。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展,水資源供需矛盾必將持續(xù)加劇。在現(xiàn)有水資源的狀態(tài)下,提高水的利用效率,把漏失水量降低到經(jīng)濟(jì)合理的水平,已成為目前我國(guó)供水行業(yè)急需解決的重點(diǎn)問(wèn)題。因此,有必要對(duì)輸水管道的泄漏檢測(cè)與定位方法進(jìn)行研究。在輸水管道發(fā)生泄漏后,利用泄漏信號(hào)及時(shí)對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位,并對(duì)泄漏管道進(jìn)行修補(bǔ)和更換,這對(duì)減小因泄漏造成的水資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。為了掌握管道泄漏所引發(fā)的信號(hào)特征,本書(shū)闡述了輸水管道泄漏檢測(cè)與定位的基本理論和方法,詳細(xì)介紹了基于負(fù)壓波信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)兩種不同類(lèi)型信號(hào)的降噪方法、泄漏故障特征挖掘方法、泄漏檢測(cè)方法以及泄漏點(diǎn)定位方法。通過(guò)仿真試驗(yàn)、試驗(yàn)室泄漏模擬試驗(yàn)和真實(shí)輸水管道泄漏模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了各種方法的有效性。最后,為了克服真實(shí)輸水管道泄漏數(shù)據(jù)量少而導(dǎo)致故障特征提取不準(zhǔn)確的問(wèn)題,本書(shū)介紹了一種基于深度學(xué)習(xí)的遷移學(xué)習(xí)模型,大大提高了真實(shí)輸水管道泄漏檢測(cè)與定位的準(zhǔn)確性。這些內(nèi)容既能定性也能定量地描述輸水管道泄漏引發(fā)負(fù)壓波和聲發(fā)射振動(dòng)波動(dòng)態(tài)演化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)機(jī)理,為泄漏信號(hào)分析與處理提供理論支撐,對(duì)發(fā)展泄漏信號(hào)處理與分析新方法具有重要的指導(dǎo)作用,而且建立了更符合工程實(shí)際也易于工程人員理解與應(yīng)用的新方法,有利于推動(dòng)我國(guó)輸水管道故障診斷與漏損治理技術(shù)的發(fā)展,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。本書(shū)基于作者多年研究成果撰寫(xiě)而成,很多成果已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外重要期刊公開(kāi)發(fā)表。本書(shū)共分5章,其中,第1章由西華大學(xué)/青海理工學(xué)院李正貴撰寫(xiě),第2章~第5章由西華大學(xué)江竹撰寫(xiě)。全書(shū)由江竹進(jìn)行章節(jié)設(shè)計(jì)、統(tǒng)稿、內(nèi)容審查和修改完善。本書(shū)得到了西華大學(xué)能源動(dòng)力優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)、四川省科技計(jì)劃(24NSFSC1460),以及西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院、流體及動(dòng)力機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、流體機(jī)械及工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持,在此表示感謝!在本書(shū)的撰寫(xiě)過(guò)程中,得到了西華大學(xué)閆盛楠老師、黃宗柳老師、史廣泰老師等的大力支持,謹(jǐn)在此致以衷心的感謝;同時(shí)還要感謝本課題組所有研究生為本書(shū)撰寫(xiě)工作所提供的幫助。在本書(shū)撰寫(xiě)過(guò)程中,參考了大量的國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),在此對(duì)這些文獻(xiàn)的作者一并表示感謝!限于作者的能力和水平,加之時(shí)間倉(cāng)促,書(shū)中難免有不當(dāng)之處,敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。作 者
江竹,西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院學(xué)術(shù)委員會(huì)主任委員,教授。主要從事信號(hào)處理、故障診斷等領(lǐng)域教研工作。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持科研項(xiàng)目十余項(xiàng),其中包括國(guó)家重大基礎(chǔ)研究(973)項(xiàng)目專(zhuān)題2項(xiàng),總裝備部預(yù)研重點(diǎn)基金項(xiàng)目2項(xiàng),國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金2項(xiàng),其他省部級(jí)項(xiàng)目3項(xiàng)。發(fā)表論文40余篇,其中SCI/EI檢索30余篇。李正貴,青海理工學(xué)院/西華大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,享受?chē)?guó)務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家、第十二屆發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)-人物獎(jiǎng)獲得者,中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作獎(jiǎng)人物獲得者,流體及動(dòng)力機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任。國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目評(píng)委,學(xué)位論文評(píng)審專(zhuān)家。多年從事水力機(jī)械流動(dòng)機(jī)理研究、特種流體機(jī)械新產(chǎn)品開(kāi)發(fā),主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題1項(xiàng),主研國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目專(zhuān)題1項(xiàng)、主持完成國(guó)家重點(diǎn)工程子項(xiàng)目2項(xiàng),主持國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)、主持省級(jí)科研項(xiàng)目5項(xiàng),其他科研項(xiàng)目20多項(xiàng);完成重大技術(shù)改造及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)23項(xiàng);發(fā)表學(xué)術(shù)論文160余篇,ESI 6篇,SCI 50余篇,獲得國(guó)防科技進(jìn)步獎(jiǎng)及其他省部級(jí)科技獎(jiǎng)6項(xiàng),獲得中央企業(yè)科技獎(jiǎng)8項(xiàng)。
前言第1章 緒論11.1 輸水管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀11.2 負(fù)壓波技術(shù)71.3 聲發(fā)射技術(shù)91.3.1 聲信號(hào)的傳播特性91.3.2 聲信號(hào)的幅頻特性101.3.3 聲信號(hào)的衰減特性111.4 輸水管道泄漏定位技術(shù)111.5 本章小結(jié)14第2章 負(fù)壓波信號(hào)降噪152.1 VMD信號(hào)分解原理及參數(shù)設(shè)置162.1.1 VMD原理162.1.2 參數(shù)設(shè)置的影響182.2 基于信息熵的VMD參數(shù)優(yōu)化與信號(hào)降噪222.2.1 信息熵222.2.2 VMD參數(shù)優(yōu)化232.2.3 基于皮爾遜相關(guān)系數(shù)的有效IMF篩選242.2.4 仿真試驗(yàn)282.3 基于遺傳算法和模糊熵的VMD參數(shù)優(yōu)化與信號(hào)降噪302.3.1 壓力信號(hào)重構(gòu)及信號(hào)噪聲估計(jì)302.3.2 基于遺傳算法和模糊熵的VMD參數(shù)優(yōu)化與信號(hào)降噪332.3.3 仿真分析392.4 基于北方蒼鷹算法的VMD參數(shù)優(yōu)化與信號(hào)降噪432.4.1 基于北方蒼鷹算法的變分模態(tài)分解432.4.2 基于北方蒼鷹算法的優(yōu)化變分模態(tài)分解452.4.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)472.4.4 仿真驗(yàn)證482.5 本章小結(jié)51第3章 聲發(fā)射信號(hào)降噪523.1 噪聲的構(gòu)成523.2 VMD-互相關(guān)系數(shù)算法533.3 VMD-希爾伯特變換算法543.3.1 希爾伯特變換原理543.3.2 VMD-希爾伯特變換算法流程573.4 仿真試驗(yàn)593.4.1 互相關(guān)算法603.4.2 VMD-互相關(guān)系數(shù)算法613.4.3 VMD-希爾伯特變換算法643.5 本章小結(jié)67第4章 輸水管道泄漏識(shí)別和泄漏點(diǎn)定位方法684.1 基于負(fù)壓波信號(hào)的輸水管道泄漏識(shí)別與泄漏點(diǎn)定位684.1.1 試驗(yàn)設(shè)備684.1.2 整體試驗(yàn)系統(tǒng)694.1.3 泄漏定位試驗(yàn)設(shè)計(jì)714.2 基于負(fù)壓波信號(hào)管道泄漏識(shí)別與泄漏點(diǎn)定位方法724.2.1 基于VMD的泄漏定位724.2.2 基于改進(jìn)變分模態(tài)分解的泄漏定位824.2.3 基于負(fù)壓波信號(hào)高頻成分的泄漏定位894.3 基于聲發(fā)射信號(hào)管道泄漏識(shí)別與泄漏點(diǎn)定位1164.3.1 輸水管道泄漏定位試驗(yàn)系統(tǒng)1164.3.2 泄漏模擬試驗(yàn)1214.4 本章小結(jié)130第5章 原水管道泄漏識(shí)別和泄漏點(diǎn)定位1315.1 原水管道泄漏檢測(cè)方法1315.1.1 負(fù)壓波數(shù)據(jù)集1335.1.2 基于變窗法的Transformer1395.1.3 基于參數(shù)的Transformer-TL1415.2 泄漏定位方法1435.2.1 負(fù)壓波拐點(diǎn)初定位1435.2.2 負(fù)壓波拐點(diǎn)定位1455.3 試驗(yàn)與結(jié)果分析1465.3.1 泄漏檢測(cè)結(jié)果與分析1465.3.2 泄漏定位結(jié)果與分析1515.4 本章小結(jié)153參考文獻(xiàn)154