輸水管道是一個城市的生命線,其泄漏問題會嚴重浪費水資源、造成經(jīng)濟損失并危害居民生命健康,因此及時有效地檢測并定位泄漏源對城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本書闡述了輸水管道泄漏檢測與定位的基本理論和方法,詳細介紹了基于負壓波信號和聲發(fā)射信號的降噪方法、泄漏故障特征挖掘方法、泄漏檢測方法以及泄漏點定位方法。本書以變分模態(tài)分解等基本信號處理方法為基礎(chǔ),利用人工智能研究了負壓波信號和聲發(fā)射信號降噪;利用特征提取技術(shù),展開了泄漏點識別與定位技術(shù)的研究,其中包括負壓波信號壓降特征提取、聲發(fā)射信號異常點識別等;利用仿真泄漏信號、實驗室模擬泄漏試驗平臺采集的泄漏信號以及真實輸水管道模擬泄漏信號,驗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,解決了實際運行輸水管道泄漏特征數(shù)據(jù)較少的問題。本書可供從事管道檢測和運維的工程技術(shù)人員閱讀使用,也可供相關(guān)專業(yè)的在校師生及科研人員參考。
1)本書闡述了輸水管道泄漏檢測與定位的基本理論和方法,詳細介紹了基于負壓波信號和聲發(fā)射信號的降噪方法、泄漏故障特征挖掘方法、泄漏檢測方法以及泄漏點定位方法。2)以變分模態(tài)分解等基本信號處理方法為基礎(chǔ),利用人工智能研究了負壓波信號和聲發(fā)射信號降噪。3)利用特征提取技術(shù),展開了泄漏點識別與定位技術(shù)的研究,其中包括負壓波信號壓降特征提取、聲發(fā)射信號異常點識別等。4)利用仿真泄漏信號、實驗室模擬泄漏試驗平臺采集的泄漏信號以及真實輸水管道模擬泄漏信號,驗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,解決了實際運行輸水管道泄漏特征數(shù)據(jù)較少的問題。
在城市輸水管道運行期間,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)濟效益,加劇了我國水資源短缺的局面。管道泄漏還會引發(fā)次生災(zāi)害,例如:管道長期泄漏,會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)致泄漏點周圍的污物和細菌有可能通過泄漏點進入管道造成污染。隨著我國社會經(jīng)濟持續(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)濟合理的水平,已成為目前我國供水行業(yè)急需解決的重點問題。因此,有必要對輸水管道的泄漏檢測與定位方法進行研究。在輸水管道發(fā)生泄漏后,利用泄漏信號及時對泄漏點進行定位,并對泄漏管道進行修補和更換,這對減小因泄漏造成的水資源浪費和經(jīng)濟損失具有重要意義。為了掌握管道泄漏所引發(fā)的信號特征,本書闡述了輸水管道泄漏檢測與定位的基本理論和方法,詳細介紹了基于負壓波信號和聲發(fā)射信號兩種不同類型信號的降噪方法、泄漏故障特征挖掘方法、泄漏檢測方法以及泄漏點定位方法。通過仿真試驗、試驗室泄漏模擬試驗和真實輸水管道泄漏模擬試驗驗證了各種方法的有效性。最后,為了克服真實輸水管道泄漏數(shù)據(jù)量少而導(dǎo)致故障特征提取不準確的問題,本書介紹了一種基于深度學(xué)習(xí)的遷移學(xué)習(xí)模型,大大提高了真實輸水管道泄漏檢測與定位的準確性。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)負壓波和聲發(fā)射振動波動態(tài)演化過程的動力學(xué)機理,為泄漏信號分析與處理提供理論支撐,對發(fā)展泄漏信號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際也易于工程人員理解與應(yīng)用的新方法,有利于推動我國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)用價值。本書基于作者多年研究成果撰寫而成,很多成果已經(jīng)在國內(nèi)外重要期刊公開發(fā)表。本書共分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,第2章~第5章由西華大學(xué)江竹撰寫。全書由江竹進行章節(jié)設(shè)計、統(tǒng)稿、內(nèi)容審查和修改完善。本書得到了西華大學(xué)能源動力優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)、四川省科技計劃(24NSFSC1460),以及西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院、流體及動力機械重點實驗室、流體機械及工程四川省重點實驗室的大力支持,在此表示感謝!在本書的撰寫過程中,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,謹在此致以衷心的感謝;同時還要感謝本課題組所有研究生為本書撰寫工作所提供的幫助。在本書撰寫過程中,參考了大量的國內(nèi)外相關(guān)文獻,在此對這些文獻的作者一并表示感謝!限于作者的能力和水平,加之時間倉促,書中難免有不當(dāng)之處,敬請讀者批評指正。作 者
江竹,西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院學(xué)術(shù)委員會主任委員,教授。主要從事信號處理、故障診斷等領(lǐng)域教研工作。作為項目負責(zé)人主持科研項目十余項,其中包括國家重大基礎(chǔ)研究(973)項目專題2項,總裝備部預(yù)研重點基金項目2項,國家重點實驗室開放基金2項,其他省部級項目3項。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,享受國務(wù)院政府特殊津貼專家、第十二屆發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎-人物獎獲得者,中國產(chǎn)學(xué)研合作獎人物獲得者,流體及動力機械重點實驗室執(zhí)行主任。國家自然科學(xué)基金項目評委,學(xué)位論文評審專家。多年從事水力機械流動機理研究、特種流體機械新產(chǎn)品開發(fā),主持國家重點研發(fā)計劃項目子課題1項,主研國家重點研發(fā)計劃項目專題1項、主持完成國家重點工程子項目2項,主持國家自然基金面上項目2項、主持省級科研項目5項,其他科研項目20多項;完成重大技術(shù)改造及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)23項;發(fā)表學(xué)術(shù)論文160余篇,ESI 6篇,SCI 50余篇,獲得國防科技進步獎及其他省部級科技獎6項,獲得中央企業(yè)科技獎8項。
前言第1章 緒論11.1 輸水管道泄漏檢測與定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀11.2 負壓波技術(shù)71.3 聲發(fā)射技術(shù)91.3.1 聲信號的傳播特性91.3.2 聲信號的幅頻特性101.3.3 聲信號的衰減特性111.4 輸水管道泄漏定位技術(shù)111.5 本章小結(jié)14第2章 負壓波信號降噪152.1 VMD信號分解原理及參數(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282.3 基于遺傳算法和模糊熵的VMD參數(shù)優(yōu)化與信號降噪302.3.1 壓力信號重構(gòu)及信號噪聲估計302.3.2 基于遺傳算法和模糊熵的VMD參數(shù)優(yōu)化與信號降噪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 評價指標472.4.4 仿真驗證482.5 本章小結(jié)51第3章 聲發(fā)射信號降噪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 輸水管道泄漏識別和泄漏點定位方法684.1 基于負壓波信號的輸水管道泄漏識別與泄漏點定位684.1.1 試驗設(shè)備684.1.2 整體試驗系統(tǒng)694.1.3 泄漏定位試驗設(shè)計714.2 基于負壓波信號管道泄漏識別與泄漏點定位方法724.2.1 基于VMD的泄漏定位724.2.2 基于改進變分模態(tài)分解的泄漏定位824.2.3 基于負壓波信號高頻成分的泄漏定位894.3 基于聲發(fā)射信號管道泄漏識別與泄漏點定位1164.3.1 輸水管道泄漏定位試驗系統(tǒng)1164.3.2 泄漏模擬試驗1214.4 本章小結(jié)130第5章 原水管道泄漏識別和泄漏點定位1315.1 原水管道泄漏檢測方法1315.1.1 負壓波數(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 負壓波拐點初定位1435.2.2 負壓波拐點定位1455.3 試驗與結(jié)果分析1465.3.1 泄漏檢測結(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154