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北京化工大学
毕业设计〔中期报告〕
题目 基于小波变换的管道泄漏检测软件模块设计
专 业 电子信息工程学 生 张 三
指导教师 王建林
2025 年 4 月 15 日
北京化工大学毕业设计〔中期报告〕
目 录
第 1 章 课题来源及背景 1
第 2 章 课题意义和主要内容 2
第 节 课题意义 2
第 节 课题主要内容 2
第 3 章 课题进展 3
第 节 已完成工作 3
第 节 尚需完成的工作 5
第 节 存在的问题及解决方法 5
第 4 章 具体时间安排 7
I
北京化工大学毕业设计〔中期报告〕
2
第 1 章 课题来源及背景
现代管道运输起始于 19 世纪中叶。1865 年，萨谬尔·凡·赛克尔〔Samnel Van Sychel〕在美国宾夕法尼亚州泰期绍尔油田内铺设了世界上第一条输油管道〔管径50mm，长 8km〕。经过一百多年的进展，目前世界上大型油气管道已超过 200 万公里。管道运输已成为与铁路、大路、航空、水运并驾齐驱的五大运输手段之一。由于管道在输送气体、液体、浆体等散装物品方面所具有的独特优势，在国民经济建设和国防建设中发挥着不行替代的作用。
据统计，目前世界上总管网的 50%已经使用了 30 年甚至更长时间，由于腐蚀、人为损坏等缘由，管道泄漏事故频频发生,一旦事故发生将会造成巨大的生命财产损失和环境污染。如何及早觉察事故所在,尽快地处理事故，把事故损失减到最小， 是业内人士共同关注的一件大事，管道泄漏监测技术由此而诞生了。
现已有多种管道泄漏检测方法,由于管道泄漏检测是多领域多学科学问的综合, 各种方法在检测方式和技术手段方面差异较大,从最简洁的人工分段沿管道巡察到较为简单的软硬件相结合的方法 ,从陆地检测进展到海底检测,甚至利用飞机或卫星遥感检测大范围管网等。其中负压波检测法是一种基于信号处理的检测方法,具有较高的灵敏度和定位准确度,近年来在国际上颇受重视，与以往管道泄漏检测技术的不同之处在于它能够准时觉察漏点并测出其位置，它是一种不连续的动态泄漏监测系统，全天侯不连续工作，也无需人为事先设置更改任何参数，它的优越性是任何一套人为干预系统无法比较的，而且系统工作所用检测参数仅仅是被监测管线两端的压力。
本课题承受负压波检测法，基于小波变换原理使用 LabVIEW 编程实现根本的管道泄漏检测软件模块设计。
第 2 章 课题意义和主要内容第 节 课题意义
管道泄漏不仅影响管道正常输送，而且当输送有害、易燃、易爆等介质时，还会污染环境，引发火灾、爆炸等，威逼人们的生活环境和生存环境，造成较大的经济损失和社会恐慌。因此，不管从社会和经济的角度、还是从环保和能源节约的角度来考虑，管道泄漏的监测和定位都是格外必要的。基于负压波原理的管道泄漏检测技术，能够有效提高检测区分力、削减误报、漏报、提高定位精度，对于保障能源工业的安全生产，促进先进传感技术、信号处理技术及理论更好地与生产实践相结合，推动先进技术与理论的进步，都具有重大意义。
第 节 课题主要内容
本课题的主要任务是设计基于小波变换的管道泄漏检测系统软件模块。利用负压波原理进展管道泄漏检测的关键技术点是对负压波拐点的推断和定位，承受基于小波变换的原理，可以有效地对负压波产生的拐点进展判别。
查阅国内外关于管道泄漏检测方面的文献，对管道泄漏检测技术的进展和现状全面系统地了解，在此根底上选择负压波法作为此课题的检测方法。
依据检测原理提出管道泄漏检测软件模块总体设计方案。
管道泄漏检测软件模块的具体设计，主要包括：
① 滤波〔数据预处理〕模块。
② 小波分析〔数据处理〕模块。
③ 判漏报警模块。
④ 泄漏定位模块。
利用仿真信号和现场实际信号对所编制的软件模块进展测试。
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第 3 章 课题进展第 节 已完成工作
管道泄漏检测原理
依据课题任务书的要求，在进展文献查阅根底上，选定负压波法作为本课题的检测方法。
压力传感器
a
泄漏点
压力传感器
a
( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )
X
L
Δt = t1- t
1
t 2 t2
图3·1 负压波检测原理图
管道发生泄漏时，在泄漏处由于管道内外的压差， 造成流体的损失而引起局部流体密度减小， 导致瞬时压力降低， 消灭速度差。瞬时的压力作用在流体介质上，形成一个负压波。负压波以声速向管道上下游传播， 经过假设干时间后分别传到设置在两端泵站的压力传感器， 承受信号处理的方法，依据两个传感器检测到的信号变化程度就可以推断管道是否发生了泄漏， 同时依据检测的时间差， 就能进展泄漏定位。
传统定位公式：
X = L + VDt 〔3·1〕
2
其中 X：泄漏点距上游泵站距离， m ；
L：上游泵站与下游泵站间长度， m ；
V ：管输介质中负压波的传播速度， m / s ；
Dt ：上下游传感器接收压力波的时间差， s 。
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小波变换原理
由于工业现场的电磁干扰，输油泵开关、振动等因素，使采集到的压力波形序列夹杂着大量噪声，要实现负压波法，关键在于消退噪声，捕获瞬态信息，即压力波形的奇异点。依据课题任务要求，承受小波变换的方法实现负压波判漏与定位。
小波变换定义:
小波变换可以将信号分解成位于不同频带和时段上的各个成分,从而对信号进展分析。函数的小波变换记为：
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Wf (a, b) = a - 1 ò
f (t)y
æ x - b ö dt
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2 ç a ÷
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R
其中 f Î L2(R) ：能量有限信号；
è ø 〔3·2〕
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a ：尺度因子，打算频域信息；
b ：平移因子，打算时域信息。
小波变换的滤波器组实现—Mallat 算法：
s[i]
G*(ω )
dk-1 , n
2
ck-1 , n
d
H*(ω )
2
G*(ω )
2
k-2 , n
d
c
G*(ω )
2
m0 , n
H*(ω )
2
k-2 , n
cm0 , n
H*(ω )
2
承受如图 所示滤波器组的方法(Mattat 算法)实现小波变换。但是 Mallat 算法存在一个问题是：由于二抽样的原因，所以每经一级小波分解数据量削减一半。因此，随着区分率的变小，低频重量的数据量越来越少，无法准确确定信号突变点位置，因此需要承受多孔算法,它可以在每一个区分率下求出每个抽样点的小波变换值。
图 3·2 用两通道滤波器组实现小波变换
软件系统总体设计方案
软件总体设计方案如图3·3所示。
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首末站
压力 滤波
信号 处理
小波 判漏 泄漏
变换 报警 定位
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图 3·3 软件总体设计方案
滤波处理：由于从现场中采集来的压力信号难免会受到各种工业噪声的影响，有时这些噪声会将有用的信号彻底漂浮。所以在做信号处理之前，进展滤波是必要的。
① Hampel滤波：
② 算数平均滤波：
小波分析：利用Mallat算法实现小波变换，通过多孔算法求出信号每一点小波变换值。
判漏报警：通过设定域值，假设信号点的小波变换值大于这个域值则进展泄漏报警，否则不做处理。
泄漏定位：收到泄漏报警，利用首末站压力信号小波变换值，通过负压波检测原理，对检测出的泄漏点进展定位。
已经使用LabVIEW实现了Hampel算法和算数平均滤波法，并承受仿真信号进展了滤波效果测试，测试结果说明Hampel算法和算术平均滤波法能够有效抑制大脉冲干扰和抑制小幅度高频噪声。在LabVIEW环境下已经构建了软件的整体框架，实现了泄漏报警和泄漏定位两个模块。
第 节 尚需完成的工作
依据小波变换原理,在 LabVIEW 编程环境中实现完善的小波变换算法，包括
Mallat 算法和多孔算法。
将小波变换算法嵌入到已编制的整体软件框架中。
利用仿真信号和现场实际信号对所设计的软件模块进展测试。
第 节 存在的问题及解决方法
存在问题：用滤波器组实现小波变换，还不确定哪种小波更适合于现场实际信号的检测与判漏。
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解决方法：应用多种小波的滤波器组，对现场信号进展测试，选择测试结果最为明显的滤波器组。
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第 4 章 具体时间安排
表 4•1 具体时间安排表
设计〔论文〕各阶段名称
起
止
日
期
1 查阅输油管道泄漏检测系统相关文献，英文资料翻译
2025-2-29
至
2025-3-17
2 生疏 LabVIEW 的使用，编制信号滤涉及软件整体模块
2025-3-18
至
2025-4-10
3 承受 LabVIEW 实现和完善小波变换算法
2025-4-10
至
2025-5-10
4 使用仿真信号和现场实际信号进展软件测试
2025-5-10
至
2025-6-1
5 总结、撰写论文
2025-6-1
至
2025-6-10
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