基于kpca-rbf曲線擬合的輸油管道泄漏流量估計(jì)裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明一種基于KPCA-RBF曲線擬合的輸油管道泄漏流量估計(jì)裝置及方法，屬于輸油管道檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，利用KPCA核主元分析，對(duì)輸油管道存在非線性關(guān)系的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效降維，大大減少主元變量個(gè)數(shù)；采用KPCA-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)曲線擬合的方式來(lái)進(jìn)行泄漏流量的估計(jì)，避免求解高階方程組，提高泄漏流量估計(jì)的準(zhǔn)確度和精度；此外，將影響泄漏流量的信息作為系統(tǒng)輸入，能有效適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，提高泄漏流量估計(jì)方法的實(shí)用性；本發(fā)明采用FPGA+DSP架構(gòu)，相對(duì)于單FPGA或單DSP系統(tǒng)，F(xiàn)PGA+DSP系統(tǒng)具有更高的運(yùn)算處理能力；FPGA+DSP架構(gòu)同時(shí)具備FPGA實(shí)時(shí)性好和DSP開(kāi)發(fā)難度低的優(yōu)點(diǎn)，減少了開(kāi)發(fā)周期和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并且更適用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)功能劃分明確，大大提高系統(tǒng)整體性能指標(biāo)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于KPCA-RBF曲線擬合的輸油管道泄漏流量估計(jì)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于輸油管道檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于KPCA-RBF曲線擬合的輸油管道泄漏流量估計(jì)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]管道運(yùn)輸是一種非常重要的運(yùn)輸方式，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用。隨著管道輸送工業(yè)的發(fā)展，大部分輸油管道已服役二十年以上，其中不可避免的老化程度嚴(yán)重，加上一些其他自然原因引起的輸油管道的腐蝕與破壞，尤其是人為的盜油事件屢見(jiàn)不鮮，管道泄漏現(xiàn)象頻頻發(fā)生。準(zhǔn)確地判斷泄漏流量的大小，對(duì)于控制事故發(fā)生的概率及嚴(yán)重程度、制定合理有效的應(yīng)急救援措施具有十分重要的意義。
[0003]目前主要的泄漏流量估計(jì)方法是基于管道泄漏模型，通過(guò)求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程的數(shù)值解，或者利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，得到泄漏流量的估計(jì)值，這種方法建模簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，但是基于模型法求解過(guò)程復(fù)雜，求解出的泄漏流量準(zhǔn)確度和精度較低，并且由于模型過(guò)于理想化，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種基于KPCA-RBF曲線擬合的輸油管道泄漏流量估計(jì)裝置及方法，以達(dá)到有效的降低系統(tǒng)模型求解的復(fù)雜度，以及提高泄漏流量估計(jì)值的準(zhǔn)確度和精度的目的。
[0005]一種基于KPCA-RBF曲線擬合的輸油管道泄漏流量估計(jì)裝置，該裝置包括壓力傳感器、流量傳感器、密度傳感器、溫度傳感器、多路開(kāi)關(guān)、信號(hào)放大電路、Α/D轉(zhuǎn)換器、FPGA、DSP控制器和上位機(jī)，其中，
[0006]壓力傳感器:用于測(cè)量輸油管道首端和末端的內(nèi)部壓力值，并把測(cè)量值發(fā)送至多路開(kāi)關(guān)；
[0007]流量傳感器:用于測(cè)量輸油管道首端和末端的內(nèi)部流量值，并把測(cè)量值發(fā)送至多路開(kāi)關(guān)；
[0008]密度傳感器:用于測(cè)量輸油管道內(nèi)部的密度值，并把測(cè)量值發(fā)送至多路開(kāi)關(guān)；
[0009]溫度傳感器:用于測(cè)量輸油管道內(nèi)部的溫度值，并把測(cè)量值發(fā)送至多路開(kāi)關(guān)；
[0010]多路開(kāi)關(guān):用于選擇所需采集的信號(hào)，并把信號(hào)發(fā)送至信號(hào)放大電路；
[0011]信號(hào)放大電路:用于對(duì)采集的信號(hào)值進(jìn)行放大并發(fā)送至Α/D轉(zhuǎn)換器中；
[0012]Α/D轉(zhuǎn)換器:用于對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA中；
[0013]FPGA:用于判斷采集的信號(hào)是否超出各自設(shè)定的閾值范圍，并將超出閾值范圍的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至FPGA與DSP控制器的共享中；
[0014]DSP控制器:用于對(duì)歷史數(shù)據(jù)的訓(xùn)練樣本集和待擬合樣本集進(jìn)行KPCA核主元分析降維，并將新的待擬合樣本集內(nèi)部的每組歷史數(shù)據(jù)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，將歷史泄漏流量樣本作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出，進(jìn)行訓(xùn)練構(gòu)建RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；并將實(shí)時(shí)測(cè)量樣本集進(jìn)行KPCA核主元分析降維，將降維后的實(shí)時(shí)測(cè)量樣本集作為訓(xùn)練好的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，獲得輸油管道泄漏流量估計(jì)值；
[0015]上位機(jī):用于顯示實(shí)時(shí)估計(jì)的結(jié)果。
[0016]所述的壓力傳感器的輸出端、流量傳感器的輸出端、密度傳感器的輸出端和溫度傳感器的輸出端均連接多路開(kāi)關(guān)的輸入端，多路開(kāi)關(guān)的輸出端連接信號(hào)放大電路的輸入端，信號(hào)放大電路的輸出端連接Α/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，Α/D轉(zhuǎn)換器的輸出端連接FPGA的輸入端，F(xiàn)PGA的第一輸出端連接DSP控制器的輸入端，F(xiàn)PGA的第二輸出端連接多路開(kāi)關(guān)的控制端，F(xiàn)PGA的第三輸出端連接上位機(jī)的輸入端。 [0017]采用基于KPCA-RBF曲線擬合的輸油管道泄漏流量估計(jì)裝置進(jìn)行的估計(jì)方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1、將輸油管道泄漏時(shí)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并將歷史數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練樣本集和待擬合樣本集，所述的歷史數(shù)據(jù)包括輸油管道首端壓力、輸油管道末端壓力、輸油管道內(nèi)部密度、輸油管道內(nèi)部溫度、介質(zhì)黏度、介質(zhì)的雷諾數(shù)、管道截面積、管道的粗糙度和泄漏點(diǎn)的位置；
[0019]所述的訓(xùn)練樣本集和待擬合樣本集均為列數(shù)為歷史數(shù)據(jù)組數(shù)，行數(shù)為歷史數(shù)據(jù)種數(shù)的矩陣；
[0020]訓(xùn)練樣本集內(nèi)部歷史數(shù)據(jù)組數(shù)小于待擬合樣本集內(nèi)部歷史數(shù)據(jù)組數(shù)；
[0021]步驟2、對(duì)訓(xùn)練樣本集和待擬合樣本集進(jìn)行KPCA核主元分析降維，具體如下:
[0022]步驟2-1、確定核函數(shù)，并對(duì)該核函數(shù)進(jìn)行中心化處理；
[0023]計(jì)算核函數(shù)K (Xi，χ)的公式如下:
[0024]K(X^X) = a KpUi, χ) +β KrUi, χ) (I)
[0025]其中，Kp(Xi, χ)表示多項(xiàng)式核函數(shù)，KpUi, χ) = (Xi.x+l)d ；Kr(Xi, χ)表示高斯核

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函數(shù)，
【權(quán)利要求】
1.一種基于KPCA-RBF曲線擬合的輸油管道泄漏流量估計(jì)裝置，其特征在于，該裝置包括壓力傳感器、流量傳感器、密度傳感器、溫度傳感器、多路開(kāi)關(guān)、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA、DSP控制器和上位機(jī)，其中， 壓力傳感器:用于測(cè)量輸油管道首端和末端的內(nèi)部壓力值，并把測(cè)量值發(fā)送至多路開(kāi)關(guān); 流量傳感器:用于測(cè)量輸油管道首端和末端的內(nèi)部流量值，并把測(cè)量值發(fā)送至多路開(kāi)關(guān); 密度傳感器:用于測(cè)量輸油管道內(nèi)部的密度值，并把測(cè)量值發(fā)送至多路開(kāi)關(guān)； 溫度傳感器:用于測(cè)量輸油管道內(nèi)部的溫度值，并把測(cè)量值發(fā)送至多路開(kāi)關(guān)； 多路開(kāi)關(guān):用于選擇所需采集的信號(hào)，并把信號(hào)發(fā)送至信號(hào)放大電路； 信號(hào)放大電路:用于對(duì)采集的信號(hào)值進(jìn)行放大并發(fā)送至A/D轉(zhuǎn)換器中； A/D轉(zhuǎn)換器:用于對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA中；FPGA:用于判斷采集的信號(hào)是否超出各自設(shè)定的閾值范圍，并將超出閾值范圍的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至FPGA與DSP控制器的共享中； DSP控制器:用于對(duì)歷史數(shù)據(jù)的訓(xùn)練樣本集和待擬合樣本集進(jìn)行KPCA核主元分析降維，并將新的待擬合樣本集內(nèi)部的每組歷史數(shù)據(jù)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，將歷史泄漏流量樣本作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出，進(jìn)行訓(xùn)練構(gòu)建RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；并將實(shí)時(shí)測(cè)量樣本集進(jìn)行KPCA核主元分析降維，將降維后的實(shí)時(shí)測(cè)量樣本集作為訓(xùn)練好的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，獲得輸油管道泄漏流量估計(jì)值； 上位機(jī):用于顯示實(shí)時(shí)估計(jì)的結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于KPCA-RBF曲線擬合的輸油管道泄漏流量估計(jì)裝置，其特征在于，所述的壓力傳感器的輸出端、流量傳感器的輸出端、密度傳感器的輸出端和溫度傳感器的輸出端均連接多路開(kāi)關(guān)的輸入端，多路開(kāi)關(guān)的輸出端連接信號(hào)放大電路的輸入端，信號(hào)放大電路的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端連接FPGA的輸入端，F(xiàn)PGA的第一輸出端連接DSP控制器的輸入端，F(xiàn)PGA的第二輸出端連接多路開(kāi)關(guān)的控制端，F(xiàn)PGA的第三輸出端連接上位機(jī)的輸入端。
3.采用權(quán)利要求1所述的基于KPCA-RBF曲線擬合的輸油管道泄漏流量估計(jì)裝置進(jìn)行的估計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、將輸油管道泄漏時(shí)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并將歷史數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練樣本集和待擬合樣本集，所述的歷史數(shù)據(jù)包括輸油管道首端壓力、輸油管道末端壓力、輸油管道內(nèi)部密度、輸油管道內(nèi)部溫度、介質(zhì)黏度、介質(zhì)的雷諾數(shù)、管道截面積、管道的粗糙度和泄漏點(diǎn)的位置； 所述的訓(xùn)練樣本集和待擬合樣本集均為列數(shù)為歷史數(shù)據(jù)組數(shù)，行數(shù)為歷史數(shù)據(jù)種數(shù)的矩陣； 訓(xùn)練樣本集內(nèi)部歷史數(shù)據(jù)組數(shù)小于待擬合樣本集內(nèi)部歷史數(shù)據(jù)組數(shù)； 步驟2、對(duì)訓(xùn)練樣本集和待擬合樣本集進(jìn)行KPCA核主元分析降維，具體如下: 步驟2-1、確定核函數(shù)，并對(duì)該核函數(shù)進(jìn)行中心化處理； 計(jì)算核函數(shù)K(xi;x)的公式如下:
K(X^X) = a Kp(xi； χ) + β Kr(xi； x) (I)其中，Kp(XpX)表示多項(xiàng)式核函數(shù)，Kp (Xi, x) = (Xi.x+l)d ；Kr(xi； x)表示高斯核函數(shù)，
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的估計(jì)方法，其特征在于，步驟2-1所述的參數(shù)α、β、(1和0，確定上述參數(shù)的方法為K折交叉驗(yàn)證方法，具體步驟如下: 步驟2-1-1、根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置交叉驗(yàn)證折數(shù)，根據(jù)該折數(shù)將訓(xùn)練樣本集平均分割為多個(gè)子樣本，并任意選取其中一個(gè)子樣本作為驗(yàn)證模型的數(shù)據(jù)，其他子樣本作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)；步驟2-1-2、根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定α、β、(1、σ四個(gè)參數(shù)的取值范圍及固定步長(zhǎng)，確定上述四個(gè)參數(shù)的所有組合，根據(jù)步驟2-1至步驟2-3獲得第一組參數(shù)值的非線性主元分量，并將用于驗(yàn)證模型的數(shù)據(jù)代入獲得的非線性主元分量中； 步驟2-1-3、計(jì)算驗(yàn)證模型的數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的非線性主元分量的列平均相似度； 計(jì)算公式如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的估計(jì)方法，其特征在于，步驟6所述的對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位，計(jì)算公式如下:
【文檔編號(hào)】F17D5/02GK103994334SQ201410240469
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】馬大中, 張化光, 劉金海, 汪剛, 馮健, 吳振寧, 陳琛, 屈純 申請(qǐng)人:東北大學(xué)