專利名稱：一種管道信號(hào)噪聲抑制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及壓力管道信號(hào)噪聲消除技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種管道信號(hào)噪聲抑 制方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
管道運(yùn)輸是運(yùn)輸量大、安全性高、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的油氣輸送方式。近期我國(guó)將建成多條 油氣輸送管道，形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫(kù)”，超過10萬(wàn)公里的油氣管輸格局。由于管道運(yùn)輸固有的高壓、易燃、易爆特性，長(zhǎng)輸管道的安全管理極為重要。泄漏 是長(zhǎng)輸管道運(yùn)行中最主要的安全隱患之一，氣體管道的泄漏往往會(huì)造成中毒、火災(zāi)和爆炸 等嚴(yán)重事故。近年來，犯罪分子在原油、成品油管道打孔盜油，給國(guó)家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損 失。因此加強(qiáng)對(duì)管道的安全性管理，提高管道泄漏監(jiān)控的有效性成為當(dāng)務(wù)之急。而對(duì)管道 泄漏的有效監(jiān)控，是以獲得及時(shí)可靠的管道運(yùn)行信號(hào)為基礎(chǔ)的。目前，由于信號(hào)失真而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤報(bào)情況舉不勝舉，使得管道泄漏監(jiān)控成為紙 上談兵，實(shí)際上，油氣管道因及時(shí)監(jiān)控到泄漏信息而獲得的經(jīng)濟(jì)效益微乎其微。
實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)管道監(jiān)控實(shí)際環(huán)境中獲取的監(jiān)控信號(hào)往往信噪比極低，影響和限制了監(jiān)控可 靠性和定位準(zhǔn)確度這一實(shí)際問題，以及目前用于管道信號(hào)中的去噪方法研究滯后這一理論 問題；本實(shí)用新型立足于對(duì)管道信號(hào)噪音的處理，將系統(tǒng)獲得的信號(hào)通過管道信號(hào)噪聲抑 制方法以抑制管道信號(hào)噪聲；即通過自適應(yīng)濾波、背景噪音功率譜估計(jì)、維納濾波，提高被 檢測(cè)信號(hào)的信噪比，然后將去除噪音及干擾之后的目標(biāo)信號(hào)傳輸給系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道 泄漏的有效監(jiān)控。為此，本實(shí)用新型提出了一種管道信號(hào)噪聲抑制系統(tǒng)，該管道信號(hào)模型如下y(n) =s (η) +b (η) +c (η)其中，y (η)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信號(hào)，采集到的信號(hào)可以是加速度信號(hào)、振動(dòng) 信號(hào)、壓力信號(hào)、聲波信號(hào)、溫度信號(hào)和流量信號(hào)，通常，采集到的信號(hào)包括目標(biāo)信號(hào)及各種 噪聲功率譜初始值，并選擇系統(tǒng)信噪比較低的時(shí)刻和頻率點(diǎn)，進(jìn)行背景噪聲功率譜的更新， 之后，通過維納濾波器可以線性最優(yōu)地去除背景噪聲。其中，傳感器包括加速度傳感器，振 動(dòng)傳感器，壓力傳感器，聲波傳感器，溫度傳感器，流量信號(hào)傳感器。對(duì)于管道沒有噪聲源的 無分支管道，在管道上安裝2個(gè)傳感器，兩個(gè)傳感器之間的安裝間距為5米 200米。對(duì)于 管道有噪聲源的無分支管道，在管道上安裝4個(gè)傳感器，4個(gè)傳感器組成2個(gè)傳感器對(duì)，每 個(gè)傳感器對(duì)的2個(gè)傳感器之間的安裝間距為5米 200米。對(duì)于有噪聲源的具有1個(gè)或多 個(gè)分支的管道，在管道上安裝4個(gè)傳感器，4個(gè)傳感器組成2個(gè)傳感器對(duì)，每個(gè)傳感器對(duì)的2 個(gè)傳感器之間的安裝間距為5米 200米。對(duì)于有噪聲源的具有1個(gè)或多個(gè)分支的管道，在 管道上安裝多個(gè)傳感器，多個(gè)傳感器組成2個(gè)傳感器陣列，每個(gè)傳感器對(duì)的2個(gè)傳感器之間 的安裝間距為5米 200米。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1無分支無噪聲源管道傳感器安裝方法；圖2無分支無噪聲源管道傳感器安裝方法；圖3有分支噪聲源管道，4傳感器安裝方法；圖4有分支噪聲源管道，多傳感器安裝方法；圖5系統(tǒng)工作原理框圖；圖6自適應(yīng)噪聲抵消方法。
具體實(shí)施方式
首先，需要在管道上安裝多個(gè)傳感器(可以是加速度傳感器、振動(dòng)傳感器、壓力傳 感器、聲波傳感器、溫度傳感器和流量信號(hào)傳感器等)采集管道上不同位置的信號(hào)。然后利 用維納濾波器抑制平穩(wěn)或者緩慢變化的背景噪聲，利用自適應(yīng)濾波器抑制管道操作引起的 干擾。首先定義管道信號(hào)模型如下y (n) =s (η) +b (η) +c (η)(1)其中，y(n)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信號(hào)。采集到的信號(hào)可以是加速度信號(hào)、振 動(dòng)信號(hào)、壓力信號(hào)、聲波信號(hào)、溫度信號(hào)和流量信號(hào)。通常，采集到的信號(hào)包括目標(biāo)信號(hào)及各 種噪聲和干擾。s (η)是管道內(nèi)待檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)?？梢允羌铀俣刃盘?hào)、振動(dòng)信號(hào)、壓力信號(hào)、聲波信 號(hào)、溫度信號(hào)和流量信號(hào)，該信號(hào)未知。b(n)是背景噪聲信號(hào)。這里把電路噪聲、管道內(nèi)信號(hào)噪聲等功率譜隨時(shí)間緩慢變 化的信號(hào)定義為背景噪聲信號(hào)。c (η)是干擾噪聲信號(hào)。這里把管道操作引起的信號(hào)干擾、人為破壞引起的信號(hào)干 擾等功率譜隨時(shí)間變化較快的信號(hào)定義為干擾噪聲信號(hào)。把公式(1)變換到頻域，結(jié)果如下Y(k) = S(k)+B(k)+C(k)(2)其中，Y(k)是采集到信號(hào)的功率譜；S(k)是目標(biāo)信號(hào)功率譜；B(k)是背景噪聲功 率譜；C(k)是干擾噪聲功率譜。1.傳感器安裝方法為了達(dá)到良好的噪聲抑制效果，需要精心選擇傳感器安裝位置。本實(shí)用新型提出 如下傳感器安裝方法1. 1無分支管道，管道沒有噪聲源選擇管道上安裝2個(gè)傳感器，如圖1所示。兩個(gè)傳感器之間的安裝間距為5米 200 米。通過自適應(yīng)濾波，可以有效過濾來自某個(gè)方向的信號(hào)噪聲。1. 2無分支管道，管道有噪聲源選擇管道上安裝4個(gè)傳感器，如圖2所示。4個(gè)傳感器組成2個(gè)傳感器對(duì)。每個(gè)傳 感器對(duì)的2個(gè)傳感器之間的安裝間距為5米 200米。通過自適應(yīng)濾波，可以有效過濾來自 某個(gè)方向的信號(hào)噪聲。[0034]1. 3有1個(gè)或多個(gè)分支管道，分支管道有噪聲源方法1:在管道上安裝4個(gè)傳感器，如圖3所示。4個(gè)傳感器組成2個(gè)傳感器對(duì)。 每個(gè)傳感器對(duì)的2個(gè)傳感器之間的安裝間距為5米 200米。通過自適應(yīng)濾波，可以有效過 濾來自某個(gè)方向的信號(hào)噪聲。方法2 在管道上安裝多個(gè)傳感器，如圖4所示。多個(gè)傳感器組成2個(gè)傳感器陣列。 每個(gè)傳感器對(duì)的2個(gè)傳感器之間的安裝間距為5米 200米。通過自適應(yīng)濾波，可以有效過 濾來自某個(gè)方向的信號(hào)噪聲?；诖?，本方法及系統(tǒng)利用維納濾波抑制平穩(wěn)或者緩慢變化的背景噪聲，利用自 適應(yīng)濾波器抑制管道操作引起的干擾。系統(tǒng)工作流程框圖如圖5所示。2.維納濾波維納濾波是Norbert Wiener在二十世紀(jì)四十年代提出的一種濾波器，主要是為解 決最佳線性過濾和預(yù)測(cè)問題，它是均方誤差最小準(zhǔn)則上的線性最優(yōu)解。對(duì)于平穩(wěn)噪聲，維納 濾波能夠?qū)崿F(xiàn)較好的噪聲抑制，并且不會(huì)引起很大的目標(biāo)估計(jì)失真和背景殘留噪聲。研究發(fā)現(xiàn)，基于后驗(yàn)信噪比估計(jì)的維納濾波對(duì)平穩(wěn)噪聲，特別是單音干擾降噪效 果非常理想。對(duì)于信噪比0db-20db的條件下，濾波后信噪比大約能提高10db，目標(biāo)信號(hào)得 到有效增強(qiáng)?；诰S納濾波的管道背景噪聲抑制方法通常在頻域進(jìn)行處理，步驟如下1)系統(tǒng)背景噪聲功率譜初始化B(k0)^f]a(k)B(k) (3)由于管道運(yùn)行狀態(tài)不同，背景噪聲也不同。通常，在SCADA系統(tǒng)調(diào)試階段采集不同 狀態(tài)下的系統(tǒng)背景噪聲，并估計(jì)其噪聲功率譜均值。經(jīng)過加權(quán)平均后的噪聲功率譜做為系 統(tǒng)背景噪聲功率譜初始值，如公式(3)所示。本方法及系統(tǒng)選擇4個(gè)狀態(tài)，采集管道背景噪 聲，分別是管道停輸狀態(tài)，管道啟輸狀態(tài)，管道輸送狀態(tài)和管道停輸狀態(tài)。2)背景噪聲功率譜估計(jì)
V nJ [B(kn_x) others在采集到的信號(hào)頻譜圖上，當(dāng)目標(biāo)信號(hào)能量很低時(shí)，信號(hào)主要是噪聲信號(hào)?？梢宰?適應(yīng)的跟蹤噪聲信號(hào)的功率譜，如公式(4)所示。本方法選擇系統(tǒng)信噪比較低的時(shí)刻和頻 率點(diǎn)，進(jìn)行背景噪聲功率譜的更新。其中λ是遺忘因子，本方法及系統(tǒng)中選擇λ取值范圍 為0.8到1.0之間。β用來控制跟蹤噪聲信號(hào)功率譜的信噪比，本方法及系統(tǒng)中選擇β取 值范圍在1.2到5.0之間。3)維納濾波器參數(shù)估計(jì)H(k)= , f⑷~ (5)本方法及系統(tǒng)中認(rèn)為背景噪聲和被檢測(cè)信號(hào)不相關(guān)。在完成背景噪聲功率譜估計(jì) 的情況下，根據(jù)維納濾波，可以獲得去除背景噪聲的線性最優(yōu)解，如公式(5)所示。4)濾波S(k)=Y(k)H(k) (6)[0053]3.自適應(yīng)噪聲抵消采集到的信號(hào)經(jīng)過維納濾波之后得到的信號(hào)包括目標(biāo)信號(hào)s (η)和干擾信號(hào) c (η)。本方法及系統(tǒng)中將采用自適應(yīng)濾波的方法去除管道操作和人為破壞引起的干擾信號(hào)。經(jīng)過維納濾波的信號(hào)主要表示為y(n) =s (η) +c (η)(7)根據(jù)管道現(xiàn)場(chǎng)情況，噪聲傳感器的輸出c (η)經(jīng)參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器后，送入抵 消器，產(chǎn)生的輸出信號(hào)ζ (η)，根據(jù)兩噪聲信號(hào)相關(guān)和信號(hào)噪聲獨(dú)立的特性，利用自適應(yīng)算法 調(diào)節(jié)數(shù)字濾波器的參數(shù)，使得輸出信號(hào)ζ (η)逼近信號(hào)源迭加的噪聲c (η)，這樣抵消器的輸 出信號(hào)e(n)逼近被測(cè)信號(hào)s (η)。如圖6所示，本方法及系統(tǒng)中采用最小均方差誤差準(zhǔn)則，利用LMS方法，估計(jì)自適 應(yīng)濾波器的參數(shù)，并去除干擾噪聲?；谧赃m應(yīng)濾波的干擾噪聲抑制方法，迭代算法步驟如下(1)初始化，選定初始權(quán)值ω (k)。(2)計(jì)算k時(shí)刻濾波器的輸出為:z (k) = ω (k)y(k)。(3)抵消器誤差輸出:e(k) =y (k) -ζ (k)。(4)下一時(shí)刻權(quán)向量更新為w(k+l) = ω (k)+2 μ e (k) y (k)。(5)k = k+1，跳轉(zhuǎn)到步驟O)，重復(fù)迭代，直到算法收斂。算法穩(wěn)定性取決于兩個(gè)因素，自適應(yīng)步長(zhǎng)參數(shù)μ和自相關(guān)矩陣R。算法收斂件是 0< μ < 1/λ max，λ max是相關(guān)矩陣R的最大特征值，權(quán)值向量趨近最佳維納解。μ的取 值和濾波器的階數(shù)成反比，根據(jù)濾波器的階數(shù)取不同的步長(zhǎng)，可以保證較好的處理結(jié)果。當(dāng)濾波器階數(shù)一定時(shí)，μ的大小控制著算法的收斂速度和達(dá)到穩(wěn)態(tài)的失調(diào)量的大 小。收斂速度和失調(diào)量是一對(duì)矛盾，選用較大的μ，有較快的收斂速度，但是由于大的μ值 相應(yīng)的信噪比小，會(huì)導(dǎo)致較大的失調(diào)量；過渡過程出現(xiàn)振蕩，不能收斂。μ取值過小信噪比 大，但收斂速度會(huì)很慢，所以取值要折中。
權(quán)利要求1.一種管道信號(hào)噪聲抑制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括在管道上安裝采集y (η)信號(hào) 的多個(gè)傳感器，采集管道上不同位置的信號(hào)；維納濾波器，對(duì)采集的信號(hào)抑制平穩(wěn)或者緩慢 變化的背景噪聲；自適應(yīng)濾波器，對(duì)經(jīng)過維納濾波器處理后的信號(hào)抑制管道操作引起的干 擾噪聲。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于其傳感器包括加速度傳感器，振動(dòng)傳感器， 壓力傳感器，聲波傳感器，溫度傳感器，流量信號(hào)傳感器。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于對(duì)于管道沒有噪聲源的無分支管道，在管道 上安裝2個(gè)傳感器，兩個(gè)傳感器之間的安裝間距為5米 200米。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于對(duì)于管道有噪聲源的無分支管道，在管道上 安裝4個(gè)傳感器，4個(gè)傳感器組成2個(gè)傳感器對(duì)，每個(gè)傳感器對(duì)的2個(gè)傳感器之間的安裝間 距為5米 200米。
5.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于對(duì)于有噪聲源的具有1個(gè)或多個(gè)分支的管 道，在管道上安裝4個(gè)傳感器，4個(gè)傳感器組成2個(gè)傳感器對(duì)，每個(gè)傳感器對(duì)的2個(gè)傳感器之 間的安裝間距為5米 200米。
6.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于對(duì)于有噪聲源的具有1個(gè)或多個(gè)分支的管 道，在管道上安裝多個(gè)傳感器，多個(gè)傳感器組成2個(gè)傳感器陣列，每個(gè)傳感器對(duì)的2個(gè)傳感 器之間的安裝間距為5米 200米。
專利摘要一種管道信號(hào)噪聲抑制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在管道上安裝采集信號(hào)的多個(gè)傳感器，采集管道上不同位置的信號(hào)；維納濾波器，對(duì)采集的信號(hào)抑制平穩(wěn)或者緩慢變化的背景噪聲；自適應(yīng)濾波器，對(duì)經(jīng)過維納濾波器處理后的信號(hào)抑制管道操作引起的干擾噪聲。
文檔編號(hào)F17D5/02GK201866535SQ200920293128
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者萬(wàn)洪杰, 余水源, 傅強(qiáng), 張海云 申請(qǐng)人:北京知容寓遠(yuǎn)軟件科技有限公司