井文照

(上海海事大学 物流工程学院，中国 上海 201306)

0 引言

水资源作为不可替代的自然资源，在经济发展和人民生活中占有重要地位。而我国是一个水资源严重短缺的国家，因此，节约和保护水资源，减少浪费对我国来说尤为重要。据《中国城市建设统计年鉴2013年》统计，2012年我国城市供水管道总长度达54.6 亿公里，供水总量约为440 亿立方米，而供水漏损量将近70 亿立方米，漏损率达到了15.9，这远远超过了国家要求的标准[1]。供水行业因漏损而造成的直接损失就达70 亿元。为了更好的利用水资源，世界各国很早就开展了漏损检测技术及设备的研究、开发工作。目前的检漏方法有大地湿度检测法、升压法、红外线照相法、探地雷达等。本文采用的是相关算法对管道进行检漏。与以上方法相比，相关法更加快捷方便。

供水管道泄漏发生后，由于管道内外的压力差，水流经过漏点时会形成涡流，会使管道发生振动而产生应力波。应力波会沿着管道壁向管道两端传播，此时，在管道两端安装两个压电式加速度传感器，接收从泄漏处传过来的应力波信号。通过泄漏声波信号到达两个传感器的时间差则可以计算出泄漏点的位置[2]。

1 相关算法原理及系统设计

1.1 定位原理

泄漏声波信号是由流体激发的连续并且稳定的信号，没有明确的起点和终点，所以，应用一般的方法无法计算出两个传感器的时间差。相关分析法的实质是计算两路时延信号间的相似程度，就是根据一路信号以及相对于这路信号有时延的信号的相似性来计算这两路信号的时间差，从相关波形的波峰可得出时间延迟量。从而实现泄漏位置的定位[3]。定位原理如图1 所示。

图1 管道泄漏定位原理图

泄漏点到传感器A、B 的距离分别为LA、LB，被测管道总长度为L，其中，L=LA+LB。声波信号沿管道传播的速度为V，其大小与管道材质、内径及管道壁厚度等参数有关。泄漏噪声沿管道传播到A 点与B 点的时间差为：

其中，Δt 为根据相关算法求出的时间延迟量。

1.2 相关算法

如图1 所示，设传感器A、B 接收到的信号信号分别为x(t)和y(t)。建立数学模型，如下式：

式中：s（）t 为泄漏源信号，假设泄漏处管道供水的压力和泄漏口径大小不变，则此信号为平稳过程；

α 为衰减因子；

D 为延迟时间；

r1、r2为噪声。

假设噪声信号和源信号是零均值、高斯分布、互不相关的随机变量，对于有限的信号采集时间t，则互相关函数为：

使Rxy（τ ）达到最大值的τ则为时间延迟量。

在实际计算的Rxy（τ ）过程中，需要将x（t ）和y（t ）离散化为x（k）和y（k）。则离散信号x（k ）和y（k ）的互相关函数为：

式中：K 为总采样点数；

k 为第k 个采样点；

m 为延时的点数。

使式（5）达到最大值的m 的值即为时间延迟量。假设m=m0时，式（5）取得最大值，则时间延迟量Δt=Tm0。其中，为时间间隔。根据式（1）即可计算出泄漏点位置[4]。

2 LabVIEW 设计

本设计使用LabVIEW 软件编写的程序作为上位机，完成泄漏信号的存储与分析。整个系统的设计框图如图2 所示。将两个加速度传感器分别安装在一段供水管道的两端，将信号输出端连接到电荷放大器，对微弱的电荷进行适当的放大，并输出电压信号；用嵌入式开发板对电荷放大器的输出电压信号进行采集，并进行A/D 转换和信号预处理，最后通过串口转USB 接口传输 给PC 机上的LabVIEW；在LabVIEW 上编写程序，对两路信号进行存储和互相关分析，根据分析结果求得时间延迟量，最终实现泄漏位置的定位。

图2 系统结构框图

VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是美国国家仪器公司（NI）开发的可以与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口，它本身不具有仪器编程能力，而是调用底层的驱动程序的高层的API，可以控制VXI、串口、USB 和GPIB 等仪器。

本设计使用LabVIEW 的VISA 来控制USB 设备以实现与嵌入式设备的通信与数据传输。如图3 所示。使用VISA Configure Serial Port.vi 对串口进行配置，设置其波特率为115200、数据比特为8 位、无奇偶校验位、1 个停止位等；VISA Open.vi 用来打开VISA 资源名称所指定设备的会话句柄；VISA Read.vi 从指定设备或接口中读取指定数量的字节，“字节总数”端口用来设置指定数量的字节，“读取缓冲区”端口输出通过串口发来的数据，此端口与Write To Spreadsheet File.vi连接，将数据写入指定的电子表格文件；VISA Close.vi 在读取完成后将打开串口关闭。设置完成后，运行程序可以实现对数据的传输与存储。

图3 数据采集与存储框图

最后对采集的数据作互相关分析。如图4 所示。由于采集了两路信号，分别存储在不同的文件中，所以使用两个Read From Spreadsheet File.vi 读取两个文件中的数据，在输出端连接波形图显示控件，运行程序时输出数据的波形；同时，将Read From Spreadsheet File.vi 的输出端连接到Cross Correction.vi，对两路信号进行互相关运算，并输出互相关分析后的波形图。最后，根据波形图中的波形数据，计算出时间延时量。

图4 互相关分析程序框图

3 仿真实验

本实验利用LabVIEW 编程产生模拟信号来模拟两路压电式加速度传感器采集的泄漏声波信号。如图5、图6 所示。

图5 模拟传感器1 采集的泄漏声波信号

图6 模拟传感器2 采集的信号。两路模拟信号的采样频率为1000HZ，采样点数为1000。其中，信号2 采集比信号1 有200 个采样点数的时延，由采样频率可以得出有0.2s 的时间时延。

图5 模拟信号1

图6 模拟信号2

对采集的信号进行相关分析，得到如图7 所示波形图，根据相关算法原理，在相关波形的波峰得到信号的时间延迟量，由图可知在采样点200 处取得峰值。可以得出模拟信号2 比模拟信号1 延迟了200采样点。根据采样频率可计算出时间延迟量为0.2s，与模拟信号的延迟量相吻合。故有较高的精确率，满足设计要求。

图7 互相关分析

4 结束语

本文介绍了供水管道泄漏定位的一种方法，并且使用LabVIEW编写程序实现相关函数算法，能够准确估计时间延迟，方法简单，易于实现，有比较高的精确度。通过设计虚拟仪器进行信号处理和分析是一条切实可行的途径。

［1］中华人民共和国住房与城乡建设部[Z].中国城市建设统计年鉴，2013.

［2］王桂增，叶昊，著.流体输送管道的泄漏检测与定位[M].北京：清华大学出版社，2010：7-9.

［3］杨进.供水管道泄漏检测定位中的信号分析及处理研究[D].重庆大学，2007.

［4］李飞，陶涛.供水管网漏损评估与控制方法[J].中国给水排水，2012(18)：35-39.

［5］陈玉华，刘时风，耿荣生，沈功田.声发射信号的谱分析和相关分析[J].无损检测，2002(09)：395-399.

［6］杨乐平，李海涛，赵勇，等.LabVIEW 高级程序设计[M].北京：清华大学出版社，2003.