[發明專利]基于BP網絡用于光纖管道泄漏監測裝置的管道安全識別方法

有效

• 申請號: 200710060354.5
• 申請日: 2007-12-19
• 公開（公告）號: CN101183899A
• 公開（公告）日: 2008-05-21
• 發明（設計）人: 靳世久;曲志剛;周琰;曾周末;封皓
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H04B10/08
• 分類號: H04B10/08;G08C23/06;G06N3/06;G06N3/08
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司
• 代理人: 趙敬

1.一種基于BP網絡用于光纖管道泄漏監測裝置的管道安全識別方法，所述的光纖管道泄漏監測裝置為：干涉型分布式光纖管道泄漏監測裝置，該裝置包括分布式光纖微振動傳感器、引導光纖及微振動檢測器，微振動檢測器由半導體激光二極管光源、光隔離器、兩個光電檢測器和兩個信號調理模塊構成，其中兩個信號調理模塊分別對兩個光電檢測器檢測信號進行信號處理，其作用包括：信號放大、濾波，以上述裝置基于BP神經網絡識別管道安全的方法，其特征在于包括以下過程：

建立危害管道安全事件類型的BP神經網絡模式庫

1)振動信號特征向量提取過程

利用通道數大于2的同步數據采集卡，采集光纖管道泄漏監測裝置輸出的0V～+10V電壓信號，將該電壓信號經模數轉化后的時間序列輸入計算機，并對該時間序列進行小波包分解，計算電壓信號中部分頻率區間上的能量，作為振動信號的特征向量，該振動信號的特征向量提取具體過程包括如下步驟：

(1)設振動信號的采樣頻率為2f，對信號進行j層小波包分解，則形成2^j個等寬頻帶，每個頻帶區間頻寬為f/2^j，經小波包分解后，得到j層小波包系數C_j，k^m，k＝0，1……2^j-1，式中m為小波包空間位置標識，若j層中第k個節點小波包系數長度為n，則m＝0，1……n-1，

(2)設j層節點k對應的小波包分解得到的信號頻帶能量為T_j，k，則有

Tj,k=Σm|Cj,km|2---(1)]]>

(3)對能量T_j，k進行歸一化處理，令

T=Σk=02j-1Tj,k,(k=0,1,...,2j-1)---(2)]]>

則有

Tj,k′=Tj,kΣnTj,k---(3)]]>

式(3)中T′_j，k為對T_j，k歸一化處理后的結果，

(4),T′=[T1′,T2′,...,Tn′]---(4)]]>

式(4)中T′即為振動信號的歸一化特征向量，該特征向量將作為后續BP神經網絡的輸入，

2)以事件的特征向量為BP神經網絡的輸入，訓練及測試BP神經網絡以建立事件模式庫

所述的危害管道安全事件包括管道開孔泄漏和在管道及光纖上方挖掘破壞等，對包括管道泄漏在內的每種危害管道安全事件選擇20個左右采集到0V～+10V的電壓信號樣本，按照上述特征提取流程提取其特征向量，將提取的信號特征向量作為BP神經網絡的輸入，對應事件類型作為輸出對BP神經網絡進行訓練，具體訓練過程包括：

(1)BP神經網絡的網絡權值和閾值初始值設定：

為了避免初始值過大而引起的網絡飽和，同時兼顧網絡的收斂速度和樣本的復雜性，本發明所采用的BP神經網絡的權值和閾值項均預先置為均勻分布的較小隨機數值，取為-0.5～0.5，

(2)BP神經網絡的網絡拓撲結構選擇：

本發明中BP神經網絡采用三層結構，即輸入層、單隱層和輸出層，輸入層節點數由信號特征向量中元素個數確定，輸出層節點數與事件類型個數一致，即系統判斷事件類型總數為i，而系統判斷事件j(1≤j≤i)發生時，BP神經網絡輸出的1×i形式的行向量[a₀a₁...a_i?]中僅a_j＝1，其他元素均為0，若無異常事件發生系統輸出行向量中各元素皆為0，單隱層內節點數應在保證系統逼近精度且情況下盡量少，以提高網絡收斂速度，

(3)對訓練好的BP神經網絡進行測試：

每種異常事件選取10～20個測試樣本，對已訓練完畢的BP神經網絡進行測試，將采集到的異常事件信號的特征向量輸入已訓練好的BP神經網絡，將BP神經網絡經過計算得出的輸出與實際的異常事件類型進行對比，并將系統誤判事件個數與測試樣本總數相除得到系統誤判率，若測試結果的誤判率小于或等于設計要求的誤判率，說明建立的BP神經網絡模型滿足設計要求，可以用于實際的管道沿線安全監測；若誤判率大于設計要求，調整模型參數，重復上述步驟，重新訓練和測試BP神經網絡模型，直到BP神經網絡誤判率滿足系統設計要求，

將完成訓練的BP神經網絡用于實時監控危害管道安全事件

BP神經網絡經測試表明滿足設計要求后，監控系統即可實時采集預警系統兩路光電轉換輸出的電壓信號，提取其中一路振動信號的特征向量，輸入BP神經網絡實現在線識別油氣管道沿線所發生異常事件類型，一旦判斷管道沿線發生BP神經網絡模式庫中存在的異常事件，系統對異常事件進行定位，

預警系統發現異常事件后，通過測量兩路電信號的時間差來對事發點進行定位，定位原理如式(5)所示

X=L-v(Δt-Lv)2---(5)]]>

式(5)中，X為異常事件事發點沿埋設光纜距光纜首端的距離；L為埋設光纜全長；Δt為兩路電信號時差；v為光波在光纖中的傳播速度。