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专利号: 2020105092965
申请人: 东北石油大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 气体或液体的贮存或分配
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于改进VMD和1DCNN的油气管道泄漏检测方法,其特征在于:步骤一、利用声波传感器采集在正常、泄漏两种工况下天然气管道中的声波信号;

步骤二、初始化变分模态分解算法VMD的参数,确定VMD模态数K,由2到N从低到高依次选取K值,N>2,选择相关系数值最大的模态分量计算其方差值,并绘制方差的变化曲线,若在当前曲线方差没有峰值且单调递增,则继续计算K为N+1时,相关系数最大IMF的方差值,并重复以上步骤,根据方差最大原则,选取方差值最大时候的当前K值作为最佳K值;

步骤三、利用VMD算法对步骤一采集的声波信号进行自适应分解,获取若干从低频到高频分布的本征模态函数IMF,并计算VMD分解后各个IMFS的方差值,选取其中方差最大的IMF作为有效本征模态函数;

步骤四、通过优化网络结构和超参数构建一维卷积神经网络1DCNN管道泄漏检测模型;

步骤五、将步骤三预处理后的声波信号构建训练样本和测试样本,训练样本输入到步骤四构建的一维卷积神经网络1DCNN管道泄漏检测模型中进行训练,使用测试样本测试模型泛化性能,最终获取分类结果检测管道是否发生泄漏。

2.根据权利要求1所述的基于改进VMD和1DCNN的油气管道泄漏检测方法,其特征在于:所述的步骤四的具体方法为:

通过分析不同网络结构和超参数对泄露检测的准确率和loss值的影响,使用逐一测试的方法进行实验选取最优网络结构和超参数;

所述超参数包含卷积层数目,卷积核数量及尺寸,池化层数目及池化大小,批处理样本数目;

所述网络结构设计为9层,包括输入层,卷积层,池化层,平坦层,全连接层,输出层,每个卷积层后面对应一层池化层,在最后一层全连接层后连接一个softmax分类器,输出模型预测的各个工况的概率;

所述卷积层针对管道一维信号使用一维卷积层,卷积层通过训练得到满足损失函数最小的一组最优卷积核,利用卷积核实现自动特征提取;

X=[x1,x2,...,xt,...,xs]T作为输入信号传递到输入层。其中,X∈Rs×d为时间序列信号,s为信号长度,d为特征值长度,xt表示当前t时刻的特征值向量,R是实数;

时间序列信号经过一维卷积层中进行一维卷积运算:

f(x)=max(x,0)     (2)

其中:*表示一维卷积运算; 表示由卷积核 生成的第j个特征映射,j∈[1,nc],nc表示卷积核个数,每个卷积核对应一个特征映射,并联后构成卷积层;卷积核 表示为一个权值矩阵,m为卷积核尺寸,b为偏置;f(x)为激活函数,用于对经过一维卷积运算后的数据进行非线性化,采用深度学习中主流激活函数ReLu,加速模型收敛,增强模型的稀疏表示;

所述池化层使用一维最大池化层,提取出相邻区域内的最大值,将时间序列信号长度减半,池化层提取出卷积结果中最主要的特征,降低输出的维度,如式3所示:式中 k是在1到s/2的数;

所述平坦层将上一层池化层的输出首尾拼接为一维行向量;所述全连接层与传统神经网络结构一致,由多层隐藏层组成;

所述分类器采用归一化指数函数softmax分类器,将输入转化为和为1的概率分布输出到输出层。

3.根据权利要求2所述的基于改进VMD和1DCNN的油气管道泄漏检测方法,其特征在于:在天然气管道泄漏检测实验室采集正常、泄漏两种工况下天然气管道中的声波信号,每类采集1180组,共2360组,截取每组样本数据采样点数为784,将采集的两类声波信号按步骤三进行处理后,按照8:2的比例分为训练样本和测试样本,构建的训练样本输入到一维卷积神经网络1DCNN管道泄漏检测模型中训练模型,用测试样本测试模型在实际情况下的识别准确性。