基于小波能谱和小波信息熵的管道异常振动事件识别方法
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器产 生信号 的高 频 细 节分 量 , 通 滤 波 器 产 生 信 号 的 低 低频 近似分 量 。每次分解 后将 信号 的采样 频率 降低一 半 , 一步对 低频 分量重 复 以上 分解 过 程 , 到获 得预 下 直 期 的低 频分 量 。对 信 号 ( ) 行上 述 ‘层 小 波分 n进 , 解 后 , . 分解 尺度 下 k时刻 的高频 系数 为 ( )低 第 层 后, 频系数 为 o( ) 进行单 子带 重构 后得 到 小波 重构 系数 k ,
小波变换 后 的能量 与原始 信 号 的能 量 之 间存在 等 价关
中非常关键的技术 , 本文仅对管道安全异常事件识别 问题进行研究。如何在长距离 、 围环境复杂( 周 管道经 过 农 田 、 流 、 路等 ) 破坏 因素 多 ( 河 铁 、 蓄意 入侵 、 械施 机 工等) 的条 件下 准 确 而 迅 速地 识 别 管 道 入安 全 异 常事
1 基 本 原 理
1 1 小波 能谱计 算方 法 . 按照 能量方 式表示 的小 波分 解结 果 称 为小 波能 量
谱。把不同尺度上信 号的能量求解 出来 , 将这些能量 值按顺序排列形成特征向量 以供分析 , 从而识别出信 号 的特征频 带 并 进 行 特 征提 取 , 就 是 基 于 小 波 变 换 这 提取信号能量特征的基本原理 。根据 Pr vl J a e 定理 , sa
基 金 项 目( o2 00 5 0 2 ) N .0 80 6 0 0
∑D n + j )=∑ () J ) A( ( 凡 n
振 第2 9卷第 5期
动
与
冲
击
J OURN B AL 0F VI RAT1 0N AND HOCK S
基 于小 波能谱 和 小 波信 息熵 的 管道异 常振 动事件 识别 方法
张景川 ,曾周末 ,赖 平 ,封 皓 ,靳世久
30 7 ) 00 2
( 天津大学 精密测试技术与仪器 国家重点实验室 , 天津
道的现场实验结果表 明, 该方 法可 以快速有效地识别管道周 围发生 的泄漏及其他 异常情况 , 总体识别准确 率达到 9 . 其 8
5 , % 有效 降低 了误报警率 , 具有较强 的在线工况识别能力 。 关键词 :油气管道 ; 分布式光纤传感器 ; 小波能谱 ; 小波信息熵 ; 式识别 模
摘 要 :提出了基于小波能谱和小波信息熵的油气管道异常振动事件识别方法。基于 M c — ene光纤干涉 a Zhdr h
仪原理的分布式光纤油气管道安全监测系统实时检测管道沿途振动信号 , 对测量 的时间序列进行小 波变换 , 据小 波系 根 数计算小波能谱与小波信息熵 , 通过小 波能谱和小波信息熵值两种测度识别不同的管道安全异 常事件 。港枣线成品油管
本文结合小波分析理论和信息熵原理, 充分利用
其各 自 优点, 出了一种基于小波能谱和小波信息熵 提 的油气管 道异常事 件识 别 方法 。本 文 对 三种 典 型 常发 性威胁管道安全事件( 管道泄漏 、 人工挖掘 、 机械挖掘)
的信号进行小波分解 , 提取信号 的频带能量特征 , 得到 小波 能谱 , 同时 计 算 信 号 的小 波信 息熵 。系 统 首 先 并 根据信号的小波能谱 区分 出泄漏信 号和挖掘信号 , 然
件, 是系统 亟需解 决 的问题 。
系。因此 , 用小波能量谱来表示 原始信 号的能量分布 是 可靠 的 。
小 波变换通 常 包 括连 续 、 散及 多 分辨 率 分 析 的 离 小 波变换 。多 分辨率 分析 采 用正 交小 波 基将 信 号分 解 为不 同尺度 下 的各 个 分 量 , 分 利 用 了信 号 在 各 尺 度 充
式。数值计算结果表明 , 系统可以根据信 号的小波能 谱和小 波信息 熵两 种测度 快 速有 效 地识 别 管道 异 常 事 件 。较 文献 [ ] 的方 法 , 方法 不需 要 大量 数据 样本 5中 该
进行神 经 网络训 练 , 也省 去 了结 构复 杂 的分 类 器 , 方法 更为简单 , 以实现 管道安 全异 常事件 的在线 识别 。 可
D( ) ik 。原始 信号序列 ( ) 和A () 凡 可表示为各重构
系数之 和 , : 即
( )=D1 n n ( )+A ( ) =D ( )+A ( l凡 1凡 1 )+ (, 2 / 7 )=
l l 1
基金项 目:国家 自 然科学基金重点项 目 ( o6 54 5 ) 教育部博 士点 N .0 30 0 ;
后根据信 号 的小 波 信 息 熵 最 大 值 识 别 不 同 的挖 掘 模
上的信息 , 能够更全 面、 更精确地揭示 信号 的内在特 征, 并有 相应 的 Maa 快速 小 波变 换 算法 , lt l 因此本 文 采 用 多分辨 率分 析 小 分解 。 基于多分辨率分析的快速小波变换相 当于重复使用一 组高通和低通滤波器对信号进行逐步分解 , 高通滤波
中 图分 类 号 :T 2 7 T 9 16 N 4 ;N 1 . 文 献标 识 码 :A
管道运输作为一种安全 、 经济 的运输方式 已经在 世 界各地得 到 了广 泛应 用 。 由于管 道 输送 介 质 的危 险
性 和污染性 , 管道泄 漏会 造成 巨大 的环 境 污染 、 济 损 经 失及 人身伤 害¨IJ 2。本课 题 组 针对 可 造 成 管道 泄 漏 的 诸多 因素 , 构建 了分 布式 光纤 油气 管道 安 全监 测 系 统 , 它能够 对管 道 安全 构 成 威 胁 的行 为 进 行早 期 的监 测 、 预警 以及定位 J 。 在 管道安 全监 测 系统 ( 以下 简 称 系统 ) , 道 泄 中 管 漏 和非法 入侵事 件 的模 式 识别 和 精确 定 位技 术 是 系统
小波变换 后 的能量 与原始 信 号 的能 量 之 间存在 等 价关
中非常关键的技术 , 本文仅对管道安全异常事件识别 问题进行研究。如何在长距离 、 围环境复杂( 周 管道经 过 农 田 、 流 、 路等 ) 破坏 因素 多 ( 河 铁 、 蓄意 入侵 、 械施 机 工等) 的条 件下 准 确 而 迅 速地 识 别 管 道 入安 全 异 常事
1 基 本 原 理
1 1 小波 能谱计 算方 法 . 按照 能量方 式表示 的小 波分 解结 果 称 为小 波能 量
谱。把不同尺度上信 号的能量求解 出来 , 将这些能量 值按顺序排列形成特征向量 以供分析 , 从而识别出信 号 的特征频 带 并 进 行 特 征提 取 , 就 是 基 于 小 波 变 换 这 提取信号能量特征的基本原理 。根据 Pr vl J a e 定理 , sa
基 金 项 目( o2 00 5 0 2 ) N .0 80 6 0 0
∑D n + j )=∑ () J ) A( ( 凡 n
振 第2 9卷第 5期
动
与
冲
击
J OURN B AL 0F VI RAT1 0N AND HOCK S
基 于小 波能谱 和 小 波信 息熵 的 管道异 常振 动事件 识别 方法
张景川 ,曾周末 ,赖 平 ,封 皓 ,靳世久
30 7 ) 00 2
( 天津大学 精密测试技术与仪器 国家重点实验室 , 天津
道的现场实验结果表 明, 该方 法可 以快速有效地识别管道周 围发生 的泄漏及其他 异常情况 , 总体识别准确 率达到 9 . 其 8
5 , % 有效 降低 了误报警率 , 具有较强 的在线工况识别能力 。 关键词 :油气管道 ; 分布式光纤传感器 ; 小波能谱 ; 小波信息熵 ; 式识别 模
摘 要 :提出了基于小波能谱和小波信息熵的油气管道异常振动事件识别方法。基于 M c — ene光纤干涉 a Zhdr h
仪原理的分布式光纤油气管道安全监测系统实时检测管道沿途振动信号 , 对测量 的时间序列进行小 波变换 , 据小 波系 根 数计算小波能谱与小波信息熵 , 通过小 波能谱和小波信息熵值两种测度识别不同的管道安全异 常事件 。港枣线成品油管
本文结合小波分析理论和信息熵原理, 充分利用
其各 自 优点, 出了一种基于小波能谱和小波信息熵 提 的油气管 道异常事 件识 别 方法 。本 文 对 三种 典 型 常发 性威胁管道安全事件( 管道泄漏 、 人工挖掘 、 机械挖掘)
的信号进行小波分解 , 提取信号 的频带能量特征 , 得到 小波 能谱 , 同时 计 算 信 号 的小 波信 息熵 。系 统 首 先 并 根据信号的小波能谱 区分 出泄漏信 号和挖掘信号 , 然
件, 是系统 亟需解 决 的问题 。
系。因此 , 用小波能量谱来表示 原始信 号的能量分布 是 可靠 的 。
小 波变换通 常 包 括连 续 、 散及 多 分辨 率 分 析 的 离 小 波变换 。多 分辨率 分析 采 用正 交小 波 基将 信 号分 解 为不 同尺度 下 的各 个 分 量 , 分 利 用 了信 号 在 各 尺 度 充
式。数值计算结果表明 , 系统可以根据信 号的小波能 谱和小 波信息 熵两 种测度 快 速有 效 地识 别 管道 异 常 事 件 。较 文献 [ ] 的方 法 , 方法 不需 要 大量 数据 样本 5中 该
进行神 经 网络训 练 , 也省 去 了结 构复 杂 的分 类 器 , 方法 更为简单 , 以实现 管道安 全异 常事件 的在线 识别 。 可
D( ) ik 。原始 信号序列 ( ) 和A () 凡 可表示为各重构
系数之 和 , : 即
( )=D1 n n ( )+A ( ) =D ( )+A ( l凡 1凡 1 )+ (, 2 / 7 )=
l l 1
基金项 目:国家 自 然科学基金重点项 目 ( o6 54 5 ) 教育部博 士点 N .0 30 0 ;
后根据信 号 的小 波 信 息 熵 最 大 值 识 别 不 同 的挖 掘 模
上的信息 , 能够更全 面、 更精确地揭示 信号 的内在特 征, 并有 相应 的 Maa 快速 小 波变 换 算法 , lt l 因此本 文 采 用 多分辨 率分 析 小 分解 。 基于多分辨率分析的快速小波变换相 当于重复使用一 组高通和低通滤波器对信号进行逐步分解 , 高通滤波
中 图分 类 号 :T 2 7 T 9 16 N 4 ;N 1 . 文 献标 识 码 :A
管道运输作为一种安全 、 经济 的运输方式 已经在 世 界各地得 到 了广 泛应 用 。 由于管 道 输送 介 质 的危 险
性 和污染性 , 管道泄 漏会 造成 巨大 的环 境 污染 、 济 损 经 失及 人身伤 害¨IJ 2。本课 题 组 针对 可 造 成 管道 泄 漏 的 诸多 因素 , 构建 了分 布式 光纤 油气 管道 安 全监 测 系 统 , 它能够 对管 道 安全 构 成 威 胁 的行 为 进 行早 期 的监 测 、 预警 以及定位 J 。 在 管道安 全监 测 系统 ( 以下 简 称 系统 ) , 道 泄 中 管 漏 和非法 入侵事 件 的模 式 识别 和 精确 定 位技 术 是 系统