本發(fā)明涉及管道泄露估算
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種供水管道泄露量估算系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
：城市供水管網(wǎng)泄漏是一個全球國家普遍存在的問題，但在我國尤為嚴(yán)重。我國人均水資源占有量僅為世界人均的四分之一，是一個水資源短缺的國家，城市容納了大量人口，這些人口的生活用水、工業(yè)用水都是通過供水管道進(jìn)行輸送的。根據(jù)建設(shè)部調(diào)查，我國供水管網(wǎng)平均漏損率在20％以上，甚至有的中小城市供水效率只有30％多，漏損率高達(dá)66％。如此低的供水效率不僅對城市人口的生活工作帶了不變，由漏水引發(fā)的城市公共安全隱患也逐日增加。伴隨著智慧城市的建設(shè)目標(biāo)的提出，各級政府部門都把城市供水管網(wǎng)漏損的目標(biāo)控制作為一項(xiàng)重要工作，并提出相應(yīng)的保障措施。因此對供水管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時分布式泄漏監(jiān)測與定位并快速估算流體管道的泄漏量對分析和預(yù)測泄漏事故的損失十分重要。傳統(tǒng)流體泄露量的估算中大多只針對氣體，且氣體的泄露量通常是通過“小孔模型”進(jìn)行計(jì)算。但按照這一模型需要知道小孔的大小，但通常情況下泄露點(diǎn)埋于地下或水下，小孔的大小并不知曉，因此應(yīng)用這種方法很難對流體泄漏量進(jìn)行快速估算。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明實(shí)施例提供了一種供水管道泄露量估算系統(tǒng)及方法，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。一種供水管道泄露量估算系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括壓電傳感器、壓力計(jì)、信號采集卡和上位計(jì)算機(jī)，所述壓電傳感器和壓力計(jì)均安裝在供水管的外壁上，且所述壓電傳感器的安裝位置與所述供水管上的泄露孔之間的距離為10cm；所述壓電傳感器采集所述供水管的振動信號，所述壓力計(jì)采集所述供水管內(nèi)的壓力，所述信號采集卡將所述振動信號和壓力上傳至所述上位計(jì)算機(jī)，所述上位計(jì)算機(jī)對所述振動信號進(jìn)行處理后得到近似熵平均值和標(biāo)準(zhǔn)差平均值；所述上位計(jì)算機(jī)將所述根據(jù)近似熵平均值和標(biāo)準(zhǔn)差平均值以及壓力帶入預(yù)先計(jì)算得到的三元線性回歸數(shù)學(xué)模型，計(jì)算獲得所述供水管上的泄露孔直徑；所述上位計(jì)算機(jī)根據(jù)所述泄露孔直徑以及伯努利方程計(jì)算所述供水管的泄漏量。優(yōu)選地，所述壓電傳感器使用超聲耦合劑耦合至所述供水管上。優(yōu)選地，所述三元線性回歸數(shù)學(xué)模型為：y＝b0+b1x1+b2x2+b3x3其中，y為泄露孔直徑，x1為供水管內(nèi)部壓力、x2為近似熵平均值、x3為標(biāo)準(zhǔn)差平均值，b0、b1、b2和b3為各個自變量的系數(shù)，通過在實(shí)驗(yàn)室測量得到的數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。優(yōu)選地，所述伯努利方程為：其中，ql表示液體泄露速度，cd為液體泄露系數(shù)，且cd介于0.6與0.64之間，a表示泄露孔面積，根據(jù)所述泄露孔直徑計(jì)算得到，ρ表示泄露液體密度，p表示供水管內(nèi)介質(zhì)壓力，p0表示環(huán)境壓力，g表示重力加速度，h表示泄露孔之上液位高度。本發(fā)明還提供了一種供水管道泄露量估算方法，所述方法包括以下步驟：將壓電傳感器使用超聲耦合劑耦合在供水管上距離泄露孔10cm處，同時在所述供水管上的外壁上安裝壓力計(jì)，將所述壓電傳感器和壓力計(jì)與信號采集卡連接，同時將所述信號采集卡與上位計(jì)算機(jī)連接；檢測所述供水管上因泄露引起的振動信號，以及所述供水管內(nèi)的壓力，將所述振動信號和壓力上傳至所述上位計(jì)算機(jī)；對所述振動信號進(jìn)行處理獲得近似熵平均值和標(biāo)準(zhǔn)差平均值，將所述近似熵平均值和標(biāo)準(zhǔn)差平均值以及壓力帶入預(yù)先計(jì)算得到的三元線性回歸數(shù)學(xué)模型，計(jì)算獲得所述供水管上的泄露孔直徑；根據(jù)所述泄露孔直徑以及伯努利方程計(jì)算所述供水管的泄漏量。優(yōu)選地，所述三元線性回歸數(shù)學(xué)模型為：y＝b0+b1x1+b2x2+b3x3其中，y為泄露孔直徑，x1為供水管內(nèi)部壓力、x2為近似熵平均值、x3為標(biāo)準(zhǔn)差平均值，b0、b1、b2和b3為各個自變量的系數(shù)，通過在實(shí)驗(yàn)室測量得到的數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。優(yōu)選地，所述三元線性回歸數(shù)學(xué)模型的具體計(jì)算方法為：在實(shí)驗(yàn)室中使用所述壓電傳感器、壓力計(jì)、信號采集卡和上位計(jì)算機(jī)測量多組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均包括泄露孔直徑、壓力、標(biāo)準(zhǔn)差平均值和近似熵平均值；以測量得到的數(shù)據(jù)做初始矩陣a和b，其中所述初始矩陣a中的數(shù)據(jù)包括壓力、標(biāo)準(zhǔn)差平均值和近似熵平均值，所述初始矩陣b包括泄露孔直徑；根據(jù)所述初始矩陣a和b計(jì)算得到回歸系數(shù)矩陣b；以所述回歸系數(shù)矩陣b中的數(shù)據(jù)作為三元線性回歸數(shù)學(xué)模型的自變量系數(shù)b0、b1、b2和b3，建立所述三元線性回歸數(shù)學(xué)模型。優(yōu)選地，所述伯努利方程為：其中，ql表示液體泄露速度，cd為液體泄露系數(shù)，且cd介于0.6與0.64之間，a表示泄露孔面積，根據(jù)所述泄露孔直徑計(jì)算得到，ρ表示泄露液體密度，p表示供水管內(nèi)介質(zhì)壓力，p0表示環(huán)境壓力，g表示重力加速度，h表示泄露孔之上液位高度。本發(fā)明實(shí)施例中的一種供水管道泄露量估算系統(tǒng)及方法，具體基于新型壓力傳感器(wsα壓電傳感器)測量流體泄漏產(chǎn)生的管壁振動參數(shù)，將壓電傳感器輸出的模擬電壓信號經(jīng)采集器采集后，得到振動信號中用于表征信號復(fù)雜度的近似熵和表征能量的標(biāo)準(zhǔn)差。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)三元線性回歸模型，建立近似熵平均值、標(biāo)準(zhǔn)差平均值、管道內(nèi)流體壓力與泄漏孔徑的函數(shù)關(guān)系，并根據(jù)伯努利方程，實(shí)現(xiàn)對供水管道泄漏量快速估算。該泄漏量估算系統(tǒng)與方法的實(shí)現(xiàn)，能夠快速估算城市供水管道泄漏點(diǎn)小孔大小，從而得到流體泄漏量，將顯著減小計(jì)算的復(fù)雜性。一定程度上解決我國面臨的供水效率低與以此導(dǎo)致的城市公共安全隱患問題，有利于實(shí)際現(xiàn)場泄漏診斷與搶修作業(yè)，避免水資源浪費(fèi)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和社會意義。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明供水管道泄漏量估算系統(tǒng)示意圖；圖2a和圖2b分別是本發(fā)明中直徑為5mm泄露孔在兩種壓力下的標(biāo)準(zhǔn)差與近似熵分布示意圖；圖3是本發(fā)明系統(tǒng)及方法根據(jù)相關(guān)泄漏現(xiàn)象得到的回歸結(jié)果作殘差分析示意圖；圖4是本發(fā)明供水管道泄漏量估算方法流程圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。參照圖1，本發(fā)明實(shí)施例中提供的一種供水管道泄露量估算系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括壓電傳感器100、壓力計(jì)110、信號采集卡120和上位計(jì)算機(jī)130，所述壓電傳感器100和壓力計(jì)110均安裝在供水管200的外壁上，且所述壓電傳感器100的安裝位置與所述供水管200上的泄露孔210之間的距離為10cm，所述壓電傳感器100采集所述供水管200的振動信號，所述壓力計(jì)110采集所述供水管100內(nèi)的壓力，所述信號采集卡120將所述振動信號和壓力上傳至所述上位計(jì)算機(jī)130。所述上位計(jì)算機(jī)130上安裝有信號處理軟件，對所述振動信號進(jìn)行處理后得到用于表征信號復(fù)雜度的近似熵平均值和表征能量的標(biāo)準(zhǔn)差平均值。近似熵是一種描述信號復(fù)雜性和規(guī)律性的非線性動力學(xué)方法，它是一種只需較少數(shù)據(jù)即可測量信號復(fù)雜性和統(tǒng)計(jì)量化的非線性動力學(xué)方法；標(biāo)準(zhǔn)差是一種描述信號能量表征的物理量，標(biāo)準(zhǔn)差是離散數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的距離的平均值，它是方差的算數(shù)平均根，反映了數(shù)據(jù)的離散程度，它是通過隨機(jī)信號均值與均方值來定義的，標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中μx和分別為振動信號的均值和均方值。在實(shí)際應(yīng)用前，先在實(shí)驗(yàn)室測量多組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均包括泄露孔直徑、壓力、標(biāo)準(zhǔn)差平均值和近似熵平均值，圖2a和圖2b展示了泄露孔直徑為5mm時在壓力為0.07mpa和0.18mpa下的標(biāo)準(zhǔn)差平均值和近似熵平均值，實(shí)際測量得到的9組數(shù)據(jù)如表1所示：表1不同泄露孔直徑、壓力下的近似熵與標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)表直徑(mm)壓力(mpa)近似熵平均值標(biāo)準(zhǔn)差平均值50.072.874444.411150.183.103950.748380.083.475861.018280.13.74985.322280.123.831493.369480.143.9542112.6398110.083.607872.6818110.093.9693113.847150.082.886546.9843由表1中數(shù)據(jù)易見，泄漏孔直徑受壓力、近似熵平均值及標(biāo)準(zhǔn)差平均值共同影響。為此有必要考核四個參量之間的相關(guān)性。通過計(jì)算，泄露孔直徑與壓力、近似熵平均值及標(biāo)準(zhǔn)差平均值的相關(guān)系數(shù)如下表2所示。表2泄露孔直徑與壓力、近似熵和標(biāo)準(zhǔn)差的相關(guān)系數(shù)表參量相關(guān)系數(shù)泄露孔直徑與壓力-0.24612泄露孔直徑與近似熵平均值0.805651泄露孔直徑與標(biāo)準(zhǔn)差平均值0.712608容易看出，泄露孔直徑與三個量中近似熵平均值、標(biāo)準(zhǔn)差平均值的線性相關(guān)性較高，而與壓力相關(guān)性較低，但也存在一定的相關(guān)性，這是由于泄露孔直徑與壓力的相關(guān)性是通過近似熵平均值、標(biāo)準(zhǔn)差平均值間接取得聯(lián)系的。為了得到泄露孔直徑與壓力、近似熵平均值及標(biāo)準(zhǔn)差平均值的相互關(guān)系表達(dá)式，可以采用以泄露孔直徑為因變量，以壓力、近似熵平均值及標(biāo)準(zhǔn)差平均值為自變量的三元線性回歸數(shù)學(xué)模型。為了得到泄露孔直徑與壓力、近似熵平均值及標(biāo)準(zhǔn)差平均值的相互關(guān)系表達(dá)式，以泄露孔直徑y(tǒng)為因變量，以供水管內(nèi)部壓力x1、近似熵平均值x2、標(biāo)準(zhǔn)差平均值x3為自變量做三元線性回歸數(shù)學(xué)模型(2)式：y＝b0+b1x1+b2x2+b3x3(2)求解個系數(shù)的具體操作如下：首先以表1中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，做下列初始矩陣：利用初始矩陣a和b求解回歸系數(shù)矩陣b：則式(2)中的各系數(shù)為：b0＝-10.7568,b1＝-22.9534,b2＝6.762624,b4＝-0.03717故，所述三元線性回歸數(shù)學(xué)模型的具體形式為：y＝-10.7568-22.9534x1+6.762624x2-0.03717x3(5)得到所述三元線性回歸數(shù)學(xué)模型后，需要對回歸結(jié)果作分析與檢驗(yàn)，以確保其可信度。經(jīng)過計(jì)算，可知總離差平方和sst＝44，回歸平方和ssr＝35.214，殘差平方和sse＝8.786，回歸決定系數(shù)說明線性擬合可信度較高。f統(tǒng)計(jì)量值為6.6802，統(tǒng)計(jì)量f對應(yīng)的概率p＝0.0336，其小于顯著性水平0.05，所以三元線性回歸數(shù)學(xué)模型成立。將表1中的數(shù)據(jù)帶入到三元線性回歸數(shù)學(xué)模型后，所得部分回歸結(jié)果及其殘差如下表3所示。表3回歸數(shù)據(jù)結(jié)果及殘差列表實(shí)際泄露孔直徑(mm)回歸后泄露孔直徑(mm)殘差5.05.424232534-0.424235.04.2158377450.7841628.08.644484935-0.644488.09.129630204-1.129638.08.928702487-0.92878.08.583838838-0.5838411.09.1036365151.89636311.09.7887516981.2112485.05.180885043-0.18089利用matlab軟件，計(jì)算出各個殘差的置信區(qū)間，并做殘差分析效果圖，如圖3所示。圖3可知，回歸數(shù)據(jù)的殘差離零點(diǎn)均較近，且殘差的置信區(qū)間均包含零點(diǎn)，這說明回歸模型能較好的符合表1中的數(shù)據(jù)。得到所述三元線性回歸數(shù)學(xué)模型后，所述上位機(jī)計(jì)算機(jī)130將對所述振動信號處理得到的近似熵平均值和標(biāo)準(zhǔn)差平均值以及所述壓力計(jì)110測量得到的壓力帶入所述三元線性回歸數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到相應(yīng)的泄露孔直徑。最后，所述上位計(jì)算機(jī)130根據(jù)式(6)所示的伯努利方程根據(jù)泄露孔直徑計(jì)算所述供水管200的泄露量：其中，ql表示液體泄露速度，cd為液體泄露系數(shù)，且cd介于0.6與0.64之間，a表示泄露孔面積，ρ表示泄露液體密度，p表示供水管內(nèi)介質(zhì)壓力，p0表示環(huán)境壓力，g表示重力加速度，h表示泄露孔之上液位高度?；谙嗤陌l(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種供水管道泄漏量估算方法，該方法的實(shí)施可參照上述系統(tǒng)的實(shí)施，重復(fù)之處不再贅述，如圖4所示所述方法包括以下步驟：步驟300，將壓電傳感器使用超聲耦合劑耦合在供水管上距離泄露孔10cm處，同時在所述供水管上的外壁上安裝壓力計(jì)，將所述壓電傳感器和壓力計(jì)與信號采集卡連接，同時將所述信號采集卡與上位計(jì)算機(jī)連接；步驟310，所述壓電傳感器檢測所述供水管上因泄露引起的振動信號，所述壓力計(jì)檢測所述供水管內(nèi)的壓力，所述信號采集卡將所述振動信號和壓力上傳至所述上位計(jì)算機(jī)；步驟320，所述上位計(jì)算機(jī)對所述振動信號進(jìn)行處理獲得近似熵平均值和標(biāo)準(zhǔn)差平均值，將所述根據(jù)近似熵平均值和標(biāo)準(zhǔn)差平均值和壓力帶入預(yù)先計(jì)算得到的三元線性回歸數(shù)學(xué)模型，計(jì)算獲得所述供水管上的泄露孔直徑；具體地，所述三元線性回歸數(shù)學(xué)模型由以下步驟獲得：在實(shí)驗(yàn)室中使用壓電傳感器、壓力計(jì)、信號采集卡和上位計(jì)算機(jī)測量多組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均包括泄露孔直徑、壓力、標(biāo)準(zhǔn)差平均值和近似熵平均值；以測量得到的數(shù)據(jù)做初始矩陣a和b，其中所述初始矩陣a中的數(shù)據(jù)包括壓力、標(biāo)準(zhǔn)差平均值和近似熵平均值，所述初始矩陣b包括泄露孔直徑；根據(jù)所述初始矩陣a和b計(jì)算得到回歸系數(shù)矩陣b；以所述回歸系數(shù)b中的數(shù)據(jù)作為三元線性回歸數(shù)學(xué)模型的自變量系數(shù)，建立所述三元線性回歸數(shù)學(xué)模型。步驟330，所述上位計(jì)算機(jī)根據(jù)所述泄露孔直徑以及伯努利方程計(jì)算所述供水管的泄漏量。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學(xué)存儲器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個機(jī)器，使得通過計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲器中，使得存儲在該計(jì)算機(jī)可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。當(dāng)前第1頁12