一种基于电磁波和声音模板库算法的PCCP管道断丝检查方法

技术领域

本发明涉及一种PCCP管道断丝检查方法，尤其涉及一种基于电磁波和声音模板库算法的PCCP管道断丝检查方法。

背景技术

PCCP全称是预应力钢筒混凝土管，在带钢筒的混凝土管芯上螺旋缠绕高强钢丝并覆盖砂浆保护层而制成的管材。PCCP主要作为输水管材，已在国内外得到广泛应用。在我国得到了较快的发展，在南水北调工程和山西万家寨引黄工程等重大工程中均得到了应用。但是，但在使用过程中存在突发性的爆管问题，一旦爆管发生，不仅仅导致供水中断，甚至引起交通、环境、卫生等公共安全事故，严重影响PCCP管道运行安全。国内外也发生过多起PCCP安全事故，比如利比亚大人工河工程曾多次爆管。如何在爆管发生前就能够有效预判爆管发生，以便管理单位能够及时维修，已成为解决PCCP管道安全的关键所在。

经研究，导致PCCP爆管的主要原因是PCCP中的预应力钢丝断裂，由于预应力钢丝受腐蚀、氢脆、内部高压或者过载等因素的影响而出现断丝现象，当断丝数量不断增加时，管道强度不断地降低尽而引发突发性的爆管事故。如何有效的检测、监测PCCP断丝情况，是解决预防爆管问题的关键。

国外在PCCP管道断丝检查方面发展较早,较为成功地应用在PCCP管道断丝检测方面的属拿大Pure公司开发研制的SoundPrint声发射监测技术，但在国内，这方面的实践应用还不是很多，还没有成熟的针对PCCP管道断丝检测和监测。技术在断丝位置的识别方面还存在较大困难。目前国内外用于PCCP管道断丝检测技术主要包括超声检测技术、电磁波检测技术和分布式光纤声波监测技术。

超声检测技术能够有效评估PCCP混凝土的裂缝、减薄等缺陷，但无法检测预应力钢丝的缺陷和断丝情况。

电磁波检测技术是用于断丝的离线检测，通过探测处理PCCP钢丝电磁波返回信号进行断丝识别。检测精度高、简单便捷，不需要给PCCP自身加装任何设施。但需要在PCCP管道停水、中断管道正常运行的条件下进行的断丝检测，不适合连续检测和在线实时监测，也存在易受环境电磁干扰、以及无法检测预应力钢丝腐蚀状态和氢脆断裂的局限。此外，采集获得数据专业性强，需要专业人员参与才能准确识别断丝。

分布式光纤声传感技术用于断丝的在线监测，通过在PCCP管道内部布设声传感光纤，实时在线监测PCCP管道断丝声音，根据信息特征和特定算法实时识别断丝和发生位置。此方法是目前PCCP管道断丝检测方面最先进、最全面、精度最高、最准确的方法，无需断水、可实时在线评估管道结构状态。但需要给管道加装设备，对网络环境、电力环境要求高，对于偏远地区，无电力、网络环境的地方无法使用。同时，受周边环境噪声影响，干扰PCCP管道断丝声音信号数据采集，如果没有专业的综合分析处理，无法准确识别断丝。

基于现有的以上PCCP管道断丝检测技术的各种缺陷，每种技术只能实现特定环境下的PCCP管道断丝检测，不能全面覆盖各种环境的断丝检测和监测。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于电磁波和声音模板库算法的PCCP管道断丝检查方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于电磁波和声音模板库算法的PCCP管道断丝检查方法，包括以下步骤：

S1、构建包括数据采集模块、数据分析处理模块和检测和监测综合显示模块的PCCP管道断丝检查系统；

S2、利用数据采集模块采集电磁波数据、断丝发生时的声音数据和声源位置数据并传输至数据分析处理模块；

S3、利用数据分析处理模块对步骤S2采集的数据进行综合分析和处理，完成断丝的个数和位置识别，并进行PCCP管道爆管风险评估；

S4、利用检测和监测综合显示模块对断丝个数和位置以及PCCP管道爆管风险评估结果进行显示。

本发明具有以下有益效果：本发明通过将多种断丝采集技术的融合应用，并重点进行算法提升，提高PCCP管道断丝识别精度和效率，通过加强对采集数据后的后期综合处理算法，解决PCCP管道断丝采集领域对采集设备要求高的问题。通过综合多种技术，使一套系统适应各种环境的PCCP管道断丝检测、监测。

优选地，步骤S2包括以下分步骤：

S21、采集PCCP管道内部电磁波数据，将其处理后存储为数据文件，通过便携式存储设备将其导出并传输至数据分析处理模块；

S22、实时监听PCCP管道内部断丝声音，当有断丝发生时将声音信号传输至数据采集模块，提取声音数据和声源位置数据后传输至数据分析处理模块。

该优选方案具有以下有益效果：基于不同的应用场景，支持通过电磁波检测技术的断丝数据采集和通过分布式传感光纤技术的数据采集，具有灵活性。

优选地，步骤S3包括以下分步骤：

S31、构建断丝检测统一数据库和断丝数据库，数据分析处理模块对接收到的电磁波数据、声音数据和声源位置数据进行分别处理和融合处理后，将其存储至断丝检测统一数据库；

S32、构建PCCP电磁波断丝信号特征模板库，读取断丝检测统一数据库的电磁波数据，经过处理后识别出断丝个数和断丝位置，并将识别结果存储至断丝数据库，基于识别过程自主更新PCCP电磁波断丝信号特征模板库；

S33、构建PCCP断丝声音模板库，读取断丝检测统一数据库的声音数据和声源位置数据，经过处理后识别出断丝个数和断丝位置，并将识别结果存储至断丝数据库，基于识别过程自主更新PCCP断丝声音模板库；

S34、构建评估模板库，基于步骤S32和S33的识别结果分析爆管风险等级，进一步分析确定PCCP管道维修等级和预测爆管位置，并将分析结果存储至爆管预警数据库。

该优选方案具有以下有益效果：基于电磁波数据、声音数据和声源位置数据对断丝信息进行识别，同时还根据识别过程通过几期自学习训练模型对相应模板库进行不断的更新，逐步实现自动识别处理，提高识别精度，降低误报率。

优选地，步骤S31包括以下分步骤：

S311、构建断丝检测统一数据库和断丝数据库；

S312、对接收的电磁波数据、声音数据和声源位置数据进行完整性校验和合法性校验，丢弃错误数据，得到完整电磁波数据、完整声音数据和完整声源位置数据；

S313、对完整电磁波数据进行解析、滤波、去噪和创建索引处理，得到处理后电磁波数据；

S314、对完整声音数据和完整声源位置数据进行解析、FFT滤波和去噪处理，得到处理后声音数据和处理后声源位置数据；

S315、将处理后电磁波数据、处理后声音数据和处理后声源位置数据进行融合处理，并存储至断丝检测统一数据库。

该优选方案具有以下有益效果：综合运用了电磁波技术和光纤声传感技术采集PCCP断丝特征数据和断丝瞬间声音数据，克服了单一数据采集方法的缺陷，实现了各种环境、情况下的PCCP管道断丝检测和爆管预警。

优选地，步骤S32包括以下分步骤：

S321、构建包括PCCP管基础特征模板库、PCCP断丝电磁波数据模板库、管道连接点电磁波模板库和断丝个数与信号长度关系模板库的PCCP电磁波断丝信号特征模板库；

S322、读取断丝检测统一数据库的电磁波数据，通过波形特征检查过滤无效电磁波数据；

S323、根据管道连接点电磁波模板库，采用电磁波波峰、波谷的提取及波形比对方法，提取管道连接点处的波形数据并进行删除；

S324、通过PCCP断丝电磁波数据模板库、断丝个数与信号长度关系模板库，采用连续波形振荡周期突变分析比对方法识别断丝个数；

S325、基于电磁波数据中波形时钟、计程仪距离数据计算断丝位置；

S326、将识别的断丝个数和断丝位置存储至断丝数据库；

S327、基本识别过程自主更新PCCP电磁波断丝信号特征模板库。

该优选方案具有以下有益效果：基于PCCP管道已断裂钢丝与正常钢丝对电磁波回波信号特征的不同，通过电磁波探测技术探测断丝特征数据，并通过信号分析处理等算法识别断丝和断丝位置，实现了断丝检测。

优选地，步骤S33包括以下分步骤：

S331、构建包括PCCP断丝声音特征模板库、声音强度特征和断丝个数关系模板库的PCCP断丝声音模板库；

S332、读取断丝检测统一数据库的声音数据和声源位置数据，采用声音波形处理方法过滤无效声音；

S333、基于声音特征模板库、声音强度特征和断丝个数关系模板库、声音波形相似度分析和动态时间规划算法识别断丝个数；

S334、采用声源定位方法确定断丝位置；

S335、将识别的断丝个数和断丝位置存储至断丝数据库；

S336、基于识别过程自主更新PCCP断丝声音模板库。

该优选方案具有以下有益效果：基于PCCP管道断丝瞬间释放的声音，通过被安装在管道内部的光纤声传感器接收断丝声音，再通过传输光缆传输到中央处理设备，经过分析处理后，实时确定断丝数量、定位断丝位置，实线了断丝的在线监测。

优选地，步骤S34包括以下分步骤：

S341、采用有限元分析方法构建爆管风险与断丝个数关系模板库，构建风险等级和维修预警关系模板库；

S342、基于断丝数据库中的断丝个数，采用爆管风险与断丝个数关系模板库分析得到爆管风险等级和预测爆管位置；

S343、基于步骤S342得到的爆管风险等级，采用风险等级和维修预警关系模板库确定PCCP管道维修等级；

S344、将爆管风险等级、预测爆管位置和PCCP管道维修等级存储至爆管预警数据库。

该优选方案具有以下有益效果：基于识别的断丝数据，通过有限元模型，建立断丝根数与爆管关系数学模型，结合管道参数、环境、运行状态等基础资料，建立风险评估模型，进行管道爆管风险评估，当存在爆管风险时，给予预警并存储，实现了爆管的评估及预警功能。

优选地，步骤S4包括以下分步骤：

S41、基于断丝数据库中的断丝位置和断丝个数信息，通过地图显示管网、断丝位置；

S42、读取爆管预警数据库中的爆管风险等级、预测爆管位置和PCCP管道维修等级并进行显示。

该优选方案具有以下有益效果：通过地图展示了所有监测管道管网分布、监测站点、断丝位置、时间、根数、速率等，通过颜色标定区分管道各段不同的爆管风险等级，通过多种图标精准显示断丝位置。通过不同区域颜色标定显示易发生断丝和爆管风险的管道所在区域。点击断丝位置图标可详细显示断丝数据、断丝声音频谱、变化趋势曲线等，便于用户综合掌握断丝情况。

附图说明

图1是本发明一种基于电磁波和声音模板库算法的PCCP管道断丝检查方法的流程图；

图2是本发明实施例中PCCP管道断丝检查系统的应用过程示意图；

图3是本发明实施例中数据分析处理模块处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明综合运用了电磁波技术、光纤声传感技术采集PCCP断丝特征数据和断丝瞬间声音数据，通过综合运用信号分析、比对、有限元分析、机器学习等多种算法对采集的数据进行分析处理，识别断丝数量和发生断丝位置，再基于断丝数量和PCCP管道基础特征数据进行PCCP爆管分析评估，当有爆管风险时，给予预警。

请参照图1，本发明提供了一种基于电磁波和声音模板库算法的PCCP管道断丝检查方法，包括以下步骤：

S1、请参照图2，构建包括数据采集模块、数据分析处理模块和检测和监测综合显示模块的PCCP管道断丝检查系统；该系统能接收处理电磁波检测、光纤声传感监测的数据，并通过数据分析处理系统综合处理，通过综合显示系统进行综合显示。

S2、利用数据采集模块采集电磁波数据、断丝发生时的声音数据和声源位置数据并传输至数据分析处理模块；本步骤基于不同的应用场景，支持通过电磁波检测技术的断丝数据采集和通过分布式传感光纤技术的数据采集。

本发明实施例中，步骤S2包括以下分步骤：

S21、采集PCCP管道内部电磁波数据，将其处理后存储为数据文件，通过便携式存储设备将其导出并传输至数据分析处理模块；

电磁波技术原理：基于变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场，电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。

对于钢丝电磁波采集设备的数据，采用离线数据接入方式，从检测设备导出数据，接着导入到数据分析处理模块进行处理，具体采集过程如下：

1)操作人员线下通过手推车等采集设备沿管道内部扫测PCCP管道内壁采集PCCP钢丝电磁波数据；

2)采集设备对电磁波数据进行初步滤波等处理并存储为数据文件；

3)检测设备扫测完成后，操作人员将数据文件导出至便携式存储装置(U盘)；

4)接着操作人员通过软件平台将导出的数据文件上传至数据分析处理模块，待下一步进行断丝分析处理。

S22、实时监听PCCP管道内部断丝声音，当有断丝发生时将声音信号传输至数据采集模块，提取声音数据和声源位置数据后传输至数据分析处理模块。

分布式光纤声传感技术原理：把水中的声音信号转换成光信号，再通过光纤传到信号处理系统转换为声音信号，钢丝断裂瞬间，探测其声音信号，根据信息特征和特定算法实时识别断丝和发生位置。

对于光纤声传感监测设备的数据，采用网络在线方式采集接入，按采集周期通过网络实时将声音、位置及断丝事件数据上传数据分析处理模块，具体过程如下：

1)首先在PCCP管道内加装声传感光纤和数据采集处理设备；

2)采集设备实时在线监听PCCP管道内断丝声音，当有断丝发生时，传感光纤将声音信号传输至采集设备；

3)采集设备对信号进行初步处理，提取声音和声源位置数据，并通过网络上传至数据分析处理模块。

S3、利用数据分析处理模块对步骤S2采集的数据进行综合分析和处理，完成断丝的个数和位置识别，并进行PCCP管道爆管风险评估；

本步骤接收数据采集模块的数据后，先进行FFT滤波、去噪、信号识别、比对等分析处理识别断丝，计算断丝速率、数量和位置，接着对断丝数量和位置进行爆管风险分析评估，当存在爆管风险时，给予预警。

请参照图3，本发明实施例中，步骤S3包括以下分步骤：

S31、构建断丝检测统一数据库和断丝数据库，数据分析处理模块对接收到的电磁波数据、声音数据和声源位置数据进行分别处理和融合处理后，将其存储至断丝检测统一数据库；

本发明实施例中，步骤S31包括以下分步骤：

S311、构建断丝检测统一数据库和断丝数据库；

S312、对接收的电磁波数据、声音数据和声源位置数据进行完整性校验和合法性校验，丢弃错误数据，得到完整电磁波数据、完整声音数据和完整声源位置数据；

S313、对完整电磁波数据进行解析、滤波、去噪和创建索引处理，得到处理后电磁波数据；

S314、对完整声音数据和完整声源位置数据进行解析、FFT滤波和去噪处理，得到处理后声音数据和处理后声源位置数据；

S315、将处理后电磁波数据、处理后声音数据和处理后声源位置数据进行融合处理，并存储至断丝检测统一数据库，待断丝分析识别处理。

S32、构建PCCP电磁波断丝信号特征模板库，读取断丝检测统一数据库的电磁波数据，经过处理后识别出断丝个数和断丝位置，并将识别结果存储至断丝数据库，基于识别过程自主更新PCCP电磁波断丝信号特征模板库；本步骤对电磁波数据进行了处理，通过波形比对、回归分析、自学习训练等算法进行连接点波形数据去除，通过正常钢丝波形和断丝波形的比对，识别断丝；通过信号强度与断丝数量的关系识别断丝数量，并通过机器自学习训练模型建立断丝与波形特征的关系，逐步实现自动识别处理。

本发明实施例中，步骤S32包括以下分步骤：

S321、构建包括PCCP管基础特征模板库、PCCP断丝电磁波数据模板库、管道连接点电磁波模板库和断丝个数与信号长度关系模板库的PCCP电磁波断丝信号特征模板库，后续将通过自学习技术不断更新此模板库；

S322、读取断丝检测统一数据库的电磁波数据，通过波形特征检查过滤无效电磁波数据；

S323、根据管道连接点电磁波模板库，采用电磁波波峰、波谷的提取及波形比对方法提取管道连接点处的波形数据并进行删除；

S324、根据PCCP断丝电磁波数据模板库、断丝个数与信号长度关系模板库，采用连续波形振荡周期突变分析比对技术识别断丝和断丝个数；

S325、基于电磁波数据中波形时钟、计程仪距离数据计算断丝位置；

S326、将识别的断丝个数和断丝位置存储至断丝数据库；

S327、基本识别过程自主更新PCCP电磁波断丝信号特征模板库。

S33、构建PCCP断丝声音模板库，读取断丝检测统一数据库的声音数据和声源位置数据，经过处理后识别出断丝个数和断丝位置，并将识别结果存储至断丝数据库，基于识别过程自主更新PCCP断丝声音模板库；本步骤对采集的声音数据进行断丝声音识别处理，通过有限元分析模型与声音模板库(钢丝断裂、异常活动、流水、误报等声音模板)进行相似度匹配，建立数学模型，并结合大数据比对、机器学习和神经网络等智能识别算法确定声音类型，并产生断丝、异常活动、停水等事件，并存储大数据库，基于机器自学习训练模型不断更新声音模板库，提高识别精度，降低误报率。

本发明实施例中，步骤S33包括以下分步骤：

S331、构建包括PCCP断丝声音特征模板库、声音强度特征和断丝个数关系模板库的PCCP断丝声音模板库；

S332、读取断丝检测统一数据库的声音数据和声源位置数据，采用声音波形处理方法过滤无效声音；

S333、基于声音特征模板库、声音强度特征和断丝个数关系模板库、声音波形相似度分析和动态时间规划算法识别断丝个数；

S334、采用声源定位方法确定断丝位置；

S335、将识别的断丝个数和断丝位置存储至断丝数据库；

S336、基于识别过程自主更新PCCP断丝声音模板库。

S34、构建评估模板库，基于步骤S32和S33的识别结果分析爆管风险等级，进一步分析确定PCCP管道维修等级和预测爆管位置，并将分析结果存储至爆管预警数据库。

本发明实施例中，步骤S34包括以下分步骤：

S341、采用有限元分析方法构建爆管风险与断丝个数关系模板库，构建风险等级和维修预警关系模板库；

S342、基于断丝数据库中的断丝个数，采用爆管风险与断丝个数关系模板库分析得到爆管风险等级和预测爆管位置；

S343、基于步骤S342得到的爆管风险等级，采用风险等级和维修预警关系模板库确定PCCP管道维修等级；

S344、将爆管风险等级、预测爆管位置和PCCP管道维修等级存储至爆管预警数据库。

S4、利用检测和监测综合显示模块对断丝个数和位置以及PCCP管道爆管风险评估结果进行显示。

本发明实施例中，步骤S4包括以下分步骤：

S41、基于断丝数据库中的断丝位置和断丝个数信息，通过地图显示管网、断丝位置；

S42、读取爆管预警数据库中的爆管风险等级、预测爆管位置和PCCP管道维修等级并进行显示。

本步骤通过Web GIS展示所有监测管道管网分布、监测站点、断丝位置、时间、根数、速率等，通过颜色标定区分管道各段不同的爆管风险等级，通过多种图标精准显示断丝位置。通过不同区域颜色标定显示易发生断丝和爆管风险的管道所在区域。点击断丝位置图标可详细显示断丝数据、断丝声音频谱、变化趋势曲线等。

本步骤可以实现以下功能：

1、断丝跟踪分析功能

对断丝事件的数量、速率、位置等进行跟踪监测，通过数据窗口、变化趋势图、地图等方式实时显示事件时间、断丝动态。从管道某位置点发生第一根断丝开始，就对该相同位置点的断丝动态进行跟踪，计算数量、速率并存储，当该位置点断丝根数、速率达到上限值时，给予预警提示。也通过耳机可收听断丝声音。

可按管道节、自定义管道区域进行跟踪监测，可通过GIS图设置断丝点的根数和速率计算区域，该区域内的断丝作为该点断丝计数。

通过实时记录表显示所有断丝事件以及发生时间、地点、次数、速度等，通过瀑布图显示断丝频率、速度及幅度，通过频谱图显示断丝事件波形，从而对管道断丝事件、各种声音等情况一目了然。

对断丝事件进行统计，形成日、月等监测报告；分析断丝变化趋势。

2、历史数据查询功能

查询历史断丝事件、声音、采样、爆管预警等数据，通过数据记录、波形、图表、变化曲线等多种方式显示历史监测数据

3、基础资料管理功能

PCCP管道参数、管网地理位置、采集站点信息、土壤及地下水信息、维修数据等基础资料的添加、修改、查询等管理。

本发明包括了电磁波技术的应用和分布式光纤声波传感技术的应用，将多种采集技术统一处理。

PCCP管道采用的是高强度钢丝，一般情况下，单根高强度钢丝破断的全波形能量及持续时间分布在一条可达到43KHz的等频率时间带上，最大峰值会达到50-60KHz，如果声波频率40kHz，采样频率至少达到2倍即80kHz,才能完整采样，但受断裂方式(腐蚀引起、氢脆引起)、管道内外环境影响、混凝土厚度等多种因素影响，断丝产生的能量频率存在高、低频多样性，而目前大多数光纤声波传感设备采样频率在40kHz以内，不能采集完整的声波，这样会导致断丝识别不准确，尤其是声源定位会产生很大偏差。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所描述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。