一种供水管网瞬变流事件检测方法技术

本发明专利技术公开了一种供水管网瞬变流事件检测方法。本发明专利技术首先计算管网监测点日常压力信号频谱，确定时间尺度等级；其次计算管网监测点日常压力不同时间尺度下的极差值；然后计算不同时间尺度下的极差阈值，最后对实测压力信号进行瞬变流事件检测。本发明专利技术方法采用多尺度极差检测方法，较传统供水管网瞬变流事件检测方法，不仅具有频率覆盖广、响应及时等优点，而且充分利用极差指标衡量信号波动性，避开了常规的标准差指标，计算量小，减少了计算功耗，是一种基于统计的轻量级特征识别算法，特别适合于前端智能节点应用，进而为供水管网低功耗实时健康监测提供了便利。时健康监测提供了便利。时健康监测提供了便利。

【技术实现步骤摘要】
一种供水管网瞬变流事件检测方法


[0001]本专利技术属于供水管网领域，具体涉及一种供水管网瞬变流事件检测方法。

技术介绍

[0002]供水管网运行过程中，由于用水量变化、泵组启停切换、阀门快速启闭，甚至事故停泵、关阀抢修等，会快速改变管网系统水力负荷，常常引发管道中的瞬态工况变化，形成大幅度的压力波动，严重时形成水锤，对管网造成危害，甚至引起爆管事故。
[0003]利用先进的低功耗高精度传感和处理技术，如高频压力计对供水管网进行瞬变流监测，可以有效开展爆管侦测和水锤防护，保障管网健康运行
[1]。传统的瞬变流事件检测方法包括累积和(CUSUM)
[2]和小波变换(Wavelet Transform，WT)
[3]方法。然而，CUSUM具有响应慢的问题，WT存在对信号转换敏感问题，更严重的瓶颈是：这两种检测算法计算量大，不适宜在前端智能节点应用。
[0004]实际监测中，常常需要高频采集压力信号数据，所有高频数据上传不仅受无线网络带宽限制
[4]，且由于上传功耗较大受前端智能节点电池容量限制。事实上，将所有这些高频、高精度数据周期性发送回云端服务器进行处理，不仅成本高，而且实时性差，实用性不强。也就是说，瞬变流事件的检测尽量在边缘设备(即前端智能节点)上进行，瞬变流过程数据再上传给云端服务器，采用分布式、事件驱动的数据采集、传送、分析方法，能有效支撑供水管网实时监测任务。
[0005]文献[4]提出了一种瞬变流监测方法，即传感器信号峰值触发记录方法：当后一秒的第一个传感器信号检测绝对值x1大于前一秒的开始阈值和绝对差Δ时，触发MCU模块以峰值记录单位时间(频率)记录传感器信号值；当第N秒的第一个传感器信号检测绝对值x
N1
小于前一秒的停止阈值和绝对差Δ时，停止峰值记录，只按设定的时间间隔记录传感器信号数据。此方法对输水管道在线水锤检测是有效的，因为水锤一般是高频的(常用100Hz～250Hz采样频率采集信号)，但对于供水管网中高低频并存的瞬变流信号检测是不适用的。另外，此方法每秒需要计算样本平均值和样本标准差，计算开销大。
[0006][1]Whittle,A.J.,M.Allen,A.Preis,and M.Iqbal."Sensor Networks for Monitoring and Control of Water Distribution Systems."6th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure(SHMII 2013),Hong Kong,December 9
‑
11,2013.
[0007][2]Shin Je Lee；Gibaek Lee；Jung Chul Suh；and Jong Min Lee,Online Burst Detection and Location of Water Distribution Systems and Its Practical Applications,Journal of Water Resources Planning and Management,Volume 142Issue 1
‑
January 2016
[0008][3]Seshan Srirangarajan
·
Michael Allen
·
Ami Preis
·
Mudasser Iqbal
·
Hock Beng Lim
·
Andrew J.Whittle,Wavelet
‑
based Burst Event Detection and Localization in Water Distribution Systems,Journal of Signal Process System
(2013)72:1
–
16
[0009][4]202010223297.3一种瞬变流监测方法和多通道水锤侦测仪，专利技术专利公布号CN 111442799 A，2020.07.24。

技术实现思路

[0010]针对供水管网瞬变流信号频率范围广，常规检测算法存在计算复杂、功耗大的问题，本专利技术采用时序数据多尺度极差统计过程控制SPC方法，识别压力信号中的特征，实现瞬变流事件检测。
[0011]本专利技术方法采取以下步骤：
[0012]步骤1计算管网监测点日常压力信号频谱，确定时间尺度等级。
[0013]对连续采集(不少于1周)的监测点压力信号，采用快速傅里叶变换算法(FFT)进行频谱计算，得到频谱图。
[0014]对大于噪声幅度3倍的频谱按频率进行排序，得到瞬变流最小频率f
min
和最大频率f
max
。
[0015]根据f
min
和f
max
，确定时间尺度等级：一般时间尺度划分为2
‑
3级，第1级可分析最大频率f
max
信号，第2或第3级可分析最小频率f
min
信号。
[0016]供水管网瞬变流压力信号频率范围一般在十分之几赫兹～几赫兹之间。优选地，以采样周期T＝1/f
s
为最小计时单位(1秒内采样次数n＝f
s
)，三级时间尺度定义为：TS1＝n
×
T＝1秒，TS2＝10
×
n
×
T＝10秒,TS3＝10
×
10
×
n
×
T＝100秒。
[0017]所述的监测点采用高频率、高精度的智能压力计(智能节点)，持续快速检测供水压力，采样精度0.5级以上，采样频率f
s
(一般≥10Hz)，7
×
24实时采样。
[0018]步骤2计算管网监测点日常压力不同时间尺度下的极差值。
[0019]不同时间尺度下的极差值计算公式：
[0020]TS1尺度下的极差：
[0021]R1＝Max(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
n
)
‑
Min(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0022]TS2尺度下的极差：
[0023]R2＝Max(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
10n
)
‑
Min(x1,x2,
…
,x
i
,
…<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种供水管网瞬变流事件检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1计算管网监测点日常压力信号频谱，确定时间尺度等级；对连续采集的监测点压力信号，采用快速傅里叶变换算法进行频谱计算，得到频谱图；对大于噪声幅度3倍的频谱按频率进行排序，得到瞬变流最小频率f
min
和最大频率f
max
；根据瞬变流最小频率f
min
和瞬变流最大频率f
max
，确定时间尺度等级；所述的监测点采用高频率、高精度的智能压力计，持续快速检测供水压力，采样精度0.5级以上，采样频率f
s
≥10Hz，7
×
24实时采样；步骤2计算管网监测点日常压力不同时间尺度下的极差值；以三级时间尺度为例，不同时间尺度下的极差值计算公式如下：一级时间尺度TS1下的极差R1：R1＝Max(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
n
)
‑
Min(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
n
)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)二级时间尺度TS2下的极差R2：R2＝Max(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
10n
)
‑
Min(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
10n
)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)三级时间尺度TS2下的极差R3：R3＝Max(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
100n
)
‑
Min(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
100n
)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，x
i
为某尺度下第i个压力采样值，Max()、Min()为取时序序列中的最大值、最小值；对前述连续采集的监测点压力信号，进行不同尺度下连续的极差计算，得到：R1极差值集合{R11,R12,
…
,R1
j
,
…
,R1
J
}，R2极差值集合{R21,R22,
…
,R2
k
,
…
,...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐哲，陈晖，何必仕，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：