Частотно-временной корреляционный анализ сигналов в аппаратно-программных средствах локализации утечек трубопроводных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Чан Вьет Тьяу

• Чан Вьет Тьяу
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чан Вьет Тьяу

Введение:.:.

Глава !. Задача обнаружения утечек на трубопроводных системах водоснабжения и теплоснабжения.10І

1.11 Актуальность задачюбнаруженйя'утечек на трубопроводных системах ч.1'0>

1.2 Методы обнаружения; утечек на трубопроводных системах. Г1

1.2Л'Метод понижения давления:. 1.2.2 Методютрицательных ударных волн.

1?.2!З Метод сравнения расходов^.•.V.14'

1.2.4 Методосравненияизмененияскоростирасходов.15'

1.2І5 Акустический метод».

1.2.6 Корреляционно-акустический метод:.

1.2Л Лазернышгазоаналитический метод.„.

1.3 Корреляционно-акустический метод в приложении к задачам.обнаружения^ утечек* начтрубопроводных системах.:.

1<іЗ;Г. Шрирода^акустической эмиссии.„„„„„„„.:.„:.

1.3*2' Єкоростьчупругйх волн:.:.22:

113^3 Определение координат источникаішумовікорреляционньїмї методом : 24"

1.314; Преобразование Фурье:.„. 26;

1.3.5 Приборно-аппаратш.іе комплексьі для обнаружения утечек на основе АЭ>: . л. . . . .„^ .V.

1.4:ВыводыгК;главен .„.„.:.::•.:.;.:.:. 42:

Fлaвa;2^Чacтoтнo-вpeмeннoйíKoppeляциoнныйíaнaлиз:.„.„. 44'

2.1 Корреляционнышакустическишметод поиска утечек: достоинства; ограничения; недостатки*. 45:

2.2 Алгоритм частотно-временного корреляционного аналиіза.

2.3 Численнаяшроверка;алгоритма.:.50?

2.4 Пример применения частотно-временного корреляционного анализа в задачах поиска утечек .і.

2.5 Выводы; к- главе 2.

Глава 3. Апаратно-программная реализация прибора для поиска утечки.

3:1 Вариант с беспроводной связью — передача информации по радиоканалу

3 .1.1 Аппаратная часть прибора.

3.1.2 Программнаяреализация.

3.2 Вариант с проводной связью и с внешним звуковым интерфейсом ЭВМ.

3.2:1 Аппаратная реализация;.80?

3.2:2 Программная реализация.

3:3;Выводы кглаве.З.89/

Глава 4. Экспериментальные исследование частотно-временного корреляционного метода;.алгоритмов и аппаратно-программных средств. 90«

4.1 Определение рабочего частотного диапазона.

4.2 Исследование влияния различных факторов на расчетную величину скорости распространениязвукашо тру бопроводу.95^

4.2.1 Влияние давления транспортируемого вещества на расчетную величину, скорости распространения'звука по трубопроводу.-. 9'6г

4.2.2 Влияние типа транспортируемого вещества на расчетную величину скоростираспространениязвука по трубопроводу.104?

4.213 , Исследование зависимости.скорости распространения звука от частотного спектраюигналов;.:.„.;.:. 109^

4.3 Экспериментальная проверка!работы:прибора .112'

4.3; 117 Экспериментъкс:в03душношсредош.:.;:.:.:. 1 Ш

4.3.2 Эксперименты.с трубопроводом, предназначенным для перекачивания воды.:.

414 Выводы к главе 4.:.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Частотно-временной корреляционный анализ сигналов в аппаратно-программных средствах локализации утечек трубопроводных систем»

Актуальность работы. Задача обнаружения утечек в трубопроводных системах водо- и теплоснабжения, системах транспортировки, нефти, газа и других продуктов была и остается до настоящего времени актуальной < и сложной. По официальной информации Минэнерго РФ в России в 2000-м году суммарная протяженность только тепловых сетей в двухтрубном исчислении составляла около 183 300 км, средний процент износа оценивался в 60-70%. Прямые потери в изношенных трубопроводах тепла доходили до 15% [35]. Потери в системах водопроводов составляют в отдельных регионах до 40% (от 25 млрд. куб м, поданных в сеть) [8]. Потери обусловлены высоким уровнем изношенности трубопроводов, часть которых необходимо заменить, а остальные - обследовать и вовремя устранить имеющиеся* неисправности. Утечки из систем водопроводов, кроме прямых потерь, приводят к множественным другим негативным, последствиям: отключению подачи тепла или воды-населению и предприятиям, разрушению-дорожного полотна^ и- зданий, размораживанию трубопроводов и т.д. Своевременная диагностика состояния» трубопроводов» позволяет снизить затраты на ремонтные и восстановительные работы, а также избежать более серьёзных последствий. В связи с этим актуальность работ по совершенствованию средств обнаружения утечек считается? важной« и актуальной.

Неблагополучное состояние трубопроводных систем заставляет разрабатывать методы и средства, позволяющие достаточно быстро и точно обнаруживать наличие утечек и определять их координаты. При этом в первую очередь речь идет об объективных, инструментальных средствах контроля трубопроводов, позволяющих оперативно и с приемлемой точностью обнаруживать возникающие утечки и определять их местоположение.

Существует множество методов поиска утечек, каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Для решения проблемы в трубопроводных сетях жилищно-коммунального хозяйства населенных пунктов распространены два1 основных метода: акустический и корреляционно-акустический. Первый-из них основан на последовательном прослушивании' трубопровода и выявлении места повышенной интенсивности акустического сигнала. Ограниченность метода и приборов на его основе связана с низкой-чувствительностью; которая обусловлена трудностями выделения сигнала на фоне многочисленных промышленных, уличных и иных шумов. Корреляционный метод базируется на. информации; получаемой с двух разнесенных по трубопроводу датчиков, построении- взаимной корреляционной функции и вычислении по ней координаты утечки [22]. Он позволяет получать более точные результаты, однако на фоне* сильных шумов широкого частотного, спектра многие трудности решения задачи сохраняются. В рамках диссертационной' работы рассматривается^ способ корреляционного анализа сигналов, позволяющий' в определенной степени-улучшить результаты за счет более полного учета частотного спектра акустических сигналов.

Цель диссертационной» работы определена как развитие корреляционного- метода- анализа- на основе учета частотных свойств сигналов^ и использование метода для создания аппаратно-программных средств обнаружения утечек в трубопроводных системах. Для достижения цели необходимо решение следующих задач:

• разработка способа учета частотных свойств сигналов при их корреляционном* анализе;

• создание графических средств для наглядного отображения результатов частотно-временного корреляционного анализа сигналов;

• разработка алгоритмов, программ и аппаратной части приборам для обнаружения утечек трубопроводов;

Методы .исследования. При решении задач, решаемых в диссертации-; использовались методы обработки; информации, в* частности, быстрое преобразование Фурье, численный анализ экспериментальных данных,, математическое моделирование с использованием инструментальных средства автоматизации, математических и инженерных вычислений МаШСАО и интегрированная среда разработки Вог1апс1 Ос1рЫ

Научную новизну полученных в работе результатов определяют:

• способ частотно-временного корреляционного анализа сигналов;.

• частотная фильтрация' сигналов; на; основе частотно-временного^ корреляционного анализа сигналов; .

• ■ повышение точности определения; скорости распространенияакустических сигналов за счет учета их спектрального состава; применение разработанного; частотно-временного корреляционного анализа к задачам обнаружения и локализации сигналов утечек в трубопроводных системах.

Практическая ценность, и. реализация; результатов работы.

Предложен и разработан способ частотно-временного корреляционного анализа сигналов. Он реализован в виде алгоритмов* и программ «Частотно-временной корреляционный" анализ, цифровых сигналов»' и «Программное обеспечение корреляционного течеискателя», а также аппаратно-программных средств для: обнаружения утечек в трубопроводных системах. На защиту выносятся:

• способ частотно-временного корреляционного анализа сигналов;

• программные продукты «Частотно-временной корреляционный; анализ цифровых сигналов» и «Программное обеспечение корреляционного течеискателя»;

• аппаратно-программные средства для обнаружения утечек в; трубопроводных системах.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V и VIIL Всероссийских научно-практических конференциях, студентов, аспирантов ль-молодых ученых "Молодежь,и современные информационные технологии", (г. Томск, 2007 и 2010 гг.), на XIII Международной, научно-практической1 конференции; студентов и молодых ученых «Современные техника и, технологии СТТ 2007», г. Томск, ТПУ, 26, - 30 марта 2007г., на- X научно-практической конференции «Средства и системы автоматизации: проблемы,и» решения», г. Томск,, 19-20 ноября 2009 г., на ХХХ^ Российской школе, посвященная. 65-летнию победы, г. Екатеринбург, 15-17 июня? 2010г., на; зарубежных форумах-в Австрии и, Республике-Корея1 (The Junior- Scientist Conference 2010; Vienna University of Technology Vienna, Vienna, Austria, 7-9 апреля 2010г., The 5th International Forum' on Strategic Technology. (FOST 2010), Ulsan, Republic of Korea, 13-5 октября-20Юг.).

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано' 10 работ, в том числе четыре публикации в изданиях, рекомендованных ВАК. По; базовому научно-техническому решению» получен патент на изобретение «Способ* частотно-временного корреляционного> анализа^ цифровых сигналов». Две программы имеют свидетельства о их государственной регистрации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников» из. 47 наименований и 4 приложений. Содержит 64 рисунков и 9 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Чан Вьет Тьяу

4.41 Выводы к главе 4

В данной главе: был проведен?ряд экспериментов;.результаты которых, могут быть кратко: изложены следующим образом::^

• модифицированный вариант аппаратного обеспечения; течеискателя показал более высокие показатели по точности и .: другим потребительским свойствам, в< частности, аппаратура способна принимать и обрабатывать, достаточно широкий: частотный диапазон акустических сигналов;

• экспериментально доказано предположение, а также выводы других авторов о том, что на значение скорости распространения акустических сигналов вдоль трубопровода влияют частотные спектры сигналов; состав транспортируемой среды и давление внутри трубы (в пределах принятых условий эксперимента по величине давления, среде, объему утечки и т.п.) не оказывают влияния на точность обнаружения утечки;

• зависимость скорости звука по трубопроводу от частотного диапазона нелинейна и это обстоятельство следует учитывать при подготовке программ расчета и методики использования корреляционного течеискателя;

• применение частотно-временного корреляционного метода анализа в течеискателе вместо традиционног корреляционного метода позволяет повысить точность определения координат утечек, повысить эффективность работы устройства, в частности, исключает необходимость применения частотной фильтрации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настояще время проблема потерь носителей в трубопроводных системах тепло- и водоснабжения во многих странах, в том числе в СР Вьетнам, считается актуальной. В России эта проблема за последние годы усложняется. Поэтому предложенный в диссертации способ частотно-временного корреляционного анализа, позволяющий повысить точности локализации утечек, является своевременным, важным и перспективным. Основные полученные в работе результаты сводятся к следующим положениям:

1. Предложен способ частотно-временного корреляционного анализа сигналов, позволяющий учитывать спектральный состав сигналов и принимать решения, направленные в, конечном» итоге на частотную фильтрацию сигналов и улучшение соотношения сигнал/шум.

2. Разработаны алгоритмы1 частотно-временного корреляционного анализа сигналов утечек трубопроводных систем.

3. Созданные алгоритмы, анализа сигналов реализованы в форме соответствующего программного обеспечения, в частности, разработаны и; зарегистрированы программные средства «Программное обеспечение корреляционного течеискателя» и «Частотно-временной корреляционный анализ.цифровых сигналов».

4. Создан графический интерфейс для. наглядного оперативного отображения результатов частотно-временного корреляционного анализа сигналов утечек трубопроводов.

5. Разработаны два варианта аппаратно-программной реализации, прибора для обнаружения утечек трубопроводов, использующего частотно-временной корреляционный анализ сигналов утечек трубопроводов.

6. Полученные результаты позволяют наметить пути и способы дальнейшего повышения точности работы прибора для локализации утечек трубопроводов, в частности, необходимо иметь специализированные модули радиопередатчик/приемник для связи датчиков с базовым блоком, использовать потенциал современных процессоров в осуществлении параллельных вычислений и технологий облачного вычислении, повысить точность экспериментального определения скорости распространения акустических сигналов по трубопроводам различных типов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чан Вьет Тьяу, 2011 год

1. Айфичер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический подход. 2-е изд. М.: Вильяме, 2008. — 992 с.

2. Акустическое контактное течеискание / Ю.Б. Дротбот, Г.А. Грешников, В.Н. Богачёв -М.: Машиностроение, 1989.

3. Александр Радзишевский. Основы аналогового и цифрового звука. — М.: Вильяме, 2006. 288 с.

4. Александр Фролов, Григорий Фролов. Мультимедиа для Windows© Том 15. -М.: Диалог-МИФИ, 1994, 284 стр.

5. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1989.

6. Большая советская энциклопедия, http://bse.sci-lib.com/articlel 12516.html

7. Брукс Ф.П. мл. Как проектируются и создаются программные комплексы. Мифический человеко-месяц / Пер. с англ. Н.А.Черемных.- М.: Наука, 1979. 152 с.

8. В. С. Ромейко. Изношенные трубопроводы — главная беда ЖКХ России- сайт Строительного портала i-Stroy.ru http://www.i-stroy.ru/docu/jkh/iznoshennyietruboprovodyiglavnayabedazhkhro/588 .html

9. Витязев В.В. Новое в цифровой обработке сигналов // Электросвязь. — 1998. № 10.

10. Витязев В.В. Цифровая обработка сигналов; ретроспектива и современное состояние // Электросвязь. 1997. - №6.

11. Витязев В.В. Цифровые процессоры обработки сигналов. Учеб. пособие. Рязань: РРТИ, 1989.

12. Гольянов А. А. Анализ методов обнаружения утечек на нефтепроводах // НИС, ЦНИИТЭ11ЕФТЕХИМ. Сер. «Транспорт, и хранение нефтепродуктов». Вып. 10-11, 2002.

13. ГОСТ 27655-88. Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения:

14. Долбня, Е. В:, Соболь Н. В:, Кочемасов В. Н- Спектральная и кепстральная обработка радиосигналов с применением, устройств на поверхностных акустических войнах. Зарубежная радиоэлектроника, 1962. Аб 4.-С. 3-32.

15. Дьяконов В.П. Энциклопедия МаШсас! 200И и МаШсас! И М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 832 с.

16. Евсиков М;Ю!. Распознавание многочастотных сигналов, передаваемым; по цифровым каналам связи // Электросвязь. 1998. -№11. - С. 34-38.

17. Иванов В.И., Белов В.М. Акустико-эмиссионный контроль сварки и* сварных соединений. -М.: Машиностроение, 1981.

18. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации. -М.: Сов. радио, 1974. 432 с.- 19. Куньсянь Д., Франц Дж.А., Саймар Р. Цифровые; процессоры обработки сигналов // ТИИЭР. 1987. - № 9. - С. 23-27.

19. Лезин Ю. С., Пахомов Ю. И., Кротов Д. И. Техника обработки сигналов в радиотехнических системах. Горький^: Г1Ш; 1979: — 95 с.

20. Лихарев В.А. Цифровые методы и устройства в радиолокации. М.: Сов. радио, 1973.-456 с.

21. Методика определения неучтенных расходов и; потерь воды в системах ' коммунального водоснабжения Утверждена приказом Министерствапромышленности и энергетики Российской Федерации от 20.12.2004 г. №172.

22. Нуссбаумер Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления свертки. М.: Радио и связь, 1985. - 248 с.

23. Ольга Иоффе Подземный город // ТехСовет 2007 - №4 - с. 46

24. Сайт компании ' «GUTERMANN INTERNATIONAL» http://www.gutermann-uk:com/aquascan700.php30.' Сайт/ компании «МАСТЕР КИТ» http://www.masterkit.kiev.ua/Documents/soundef-p.html

25. Сайт компании «Энергоаудит» http://www.energoaudit.ru/goods/techeiskatel/techl.html

26. Сайт ООО "Измерительные приборы"; http://www.kipkr.rU/products/l/20/lider-ktm-250.html33; Св:-во гос. per: прогр. для ЭВМ 2010615394, Российская Федерация. Программное обеспечение корреяционного течеискателя / Аврамчук

27. Сергей Кара-Мурза, Сергей Телегин Царь-Холод идет в Россию или что реформаторы сделали с теплоснабжением нашей' страны. — сайт Сергея Кара-Мурзы http://www.kara-murza.ru/books/liolod/Holod010.html

28. Патент РФ № 2405163: Способ частотно-временного корреляционного анализа цифровых сигналов / Аврамчук В:С., Еончаров В:И;, Чан В: Т. 26.05.2010. " ' , .

29. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой. М:: Сов. энциклопедия, 1979.-4оос. ■;; . ;

30. Уолт Кестер. Проектирование систем цифровой и смешанной обработки сигналов / Под ред. А.А.Власенко. — М.:Техносфера, 2010. —328 с. ' ■'■■'' ' -/'г' '39. , Фролов А.В; Фролов, F.B. Мультимедиа для. Windows, М.: Диалог1. МИФИ, 1995 г

31. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры / Под ред.проф. A.M. Трахтмана.-Mi: Советское радио^ 1980. 224 с.

32. Ширман Я. Д., Манжос В. Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.-416 с.

33. Шнайдер JI.A. Акустико-эмиссионный метод контроля. Томск: Издательство ТПУ, 2004.

34. Эммануил С. Айфичер, Барри У. Джервис. Цифровая обработка сигналов: практический подход. 2-е издание. М.: Вильяме, 2008

35. Ю.Б. Дротбот, Г.А. Грешников, В.Н. Богачёв. Акустическая эмиссия. Применение её для испытания материалов и изделий М.: Издательство стандартов, 1976.

36. Язык Pascal и основы программирования в Delphi. Учебное пособие. -М.: Бином-Пресс, 2004.-496 с.

37. Burg I.P. Maximum Entropy Spectral Analysis. Proc. 37th Meeting of the Society of Exploration Geophysicists. Oklahoma City, Okla., October 1967.

38. Numerical recipes in C: the art of scientific computing / William H. Press, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Brian P. Flannery 2nd ed. CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS 2007