燃气管网泄漏瞬变压力波检测分析系统及检测分析方法

1.燃气管网泄漏瞬变压力波检测分析系统，包括远程数据中心，其特征在于： 在需要
检测的每个区域内构建的一个独立的ZigBee无线传感器网络，每个独立的ZigBee网络采
用Mesh网状结构，由一个ZigBee网络协调器和多个传感器节点组成，多个传感器节点安
装设置在燃气管网的管线上，用于采集管线内燃气的压力波参数，每个传感器节点都连接
有一个GPS模块，GPS模块用于接收卫星发出的时间基准信号，从而做到信号的严格同步采
集，所述的传感器节点都是路由节点，可以自由连接通信，监测数据通过多跳路由的方式在
网络中传输，最后到达ZigBee网络协调器；
ZigBee网络协调器连接有GPRS模块， 每个ZigBee网络协调器节点都和一个GPRS模
块相连，ZigBee网络协调器负责建立和管理ZigBee无线传感器网络，并接收各传感器节点
的数据上报，将其进行融合处理后传给GPRS模块；
GPRS模块连接远程数据中心，由GPRS模块将数据上传至远程数据中心计算机， 远程
数据中心通过GPRS网络获取现场的上传的压力瞬变信号数据，实现对数据的分析和处理，
通过检测泄漏瞬变压力波对泄漏点进行精准检测和定位。
2.根据权利要求1所述的燃气管网泄漏瞬变压力波检测分析系统，其特征在于：所述
的传感器节点由信号采集单元、信号调理单元、信号转换单元、时间同步单元、数据处理和
无线传输单元以及电源管理单元组成，所述的信号采集单元压电式动态压力传感器及外围
电路实现，负责将管道内介质的瞬变压力波转换为微弱电压信号；信号调理单元负责对压
电式动态压力传感器输出的微弱电压信号进行滤波和放大处理，从而得到适合A/D转换器
输入的电压范围；经过调理的瞬变压力波信号送入信号转换单元进行A/D转换，数据处理
和无线传输单元采用具有微处理器和无线传输功能CC2430芯片，电源管理单元由光伏模
块、蓄电池和电源模块组成，无线传感器网络开始运行后，CC2430首先申请加入网络，成功
后定时启动A/D转换器压力波信号进行转换，转换后的结果送数据传输单元RF前端，经过
天线进行发送。
3.根据权利要求1所述的燃气管网泄漏瞬变压力波检测分析系统，其特征在于：所述
的ZigBee网络协调器要由射频模块CC2420芯片、微处理器Atmega128L、DS3231实时时钟
芯片、Q2406A GPRS通信模块、电源管理模块组成。
4.燃气管网泄漏瞬变压力波检测分析方法，其特征在于：包括以下：
（1）需要检测的每个区域内构建的一个独立的ZigBee无线传感器网络，每个独立的
ZigBee网络采用Mesh网状结构，由一个ZigBee网络协调器和多个传感器节点组成，多个传
感器节点安装设置在燃气管网的管线上，用于采集管线内燃气的压力波参数，每个传感器
节点都连接有一个GPS模块，GPS模块用于接收卫星发出的时间基准信号，从而做到信号的
严格同步采集，所述的传感器节点都是路由节点，可以自由连接通信，监测数据通过多跳路
由的方式在网络中传输，最后到达ZigBee网络协调器；
ZigBee网络协调器连接有GPRS模块， 每个ZigBee网络协调器节点都和一个GPRS模
块相连，ZigBee网络协调器负责建立和管理ZigBee无线传感器网络，并接收各传感器节点
的数据上报，将其进行融合处理后传给GPRS模块；
GPRS模块连接远程数据中心，由GPRS模块将数据上传至远程数据中心计算机， 远程
数据中心通过GPRS网络获取现场的上传的压力瞬变信号数据，实现对数据的分析和处理，
通过检测泄漏瞬变压力波对泄漏点进行精准检测和定位；所述的传感器节点由信号采集
单元、信号调理单元、信号转换单元、时间同步单元、数据处理和无线传输单元以及电源管
理单元组成，所述的信号采集单元压电式动态压力传感器及外围电路实现，负责将管道内
介质的瞬变压力波转换为微弱电压信号；信号调理单元负责对压电式动态压力传感器输
出的微弱电压信号进行滤波和放大处理，从而得到适合A/D转换器输入的电压范围；经过
调理的瞬变压力波信号送入信号转换单元进行A/D转换，数据处理和无线传输单元采用具
有微处理器和无线传输功能CC2430芯片，电源管理单元由光伏模块、蓄电池和电源模块组
成，无线传感器网络开始运行后，CC2430首先申请加入网络，成功后定时启动A/D转换器
压力波信号进行转换，转换后的结果送数据传输单元RF前端，经过天线进行发送；所述的
ZigBee网络协调器要由射频模块CC2420芯片、微处理器Atmega128L、DS3231实时时钟芯
片、Q2406A GPRS通信模块、电源管理模块组成；
（2）传感器节点的采集的压力波信号通过ZigBee网络协调器及GPRS模块输送至
数据处理中心，在数据处理服务器上采用经验模态分解方法对泄漏瞬变压力波信号进
行处理，将瞬变压力波信号分解为若干个不同特征尺度的固有模态函数分量，对压力波 实施经验模态分解的步骤如下：
2.1找出泄漏瞬变压力波信号的所有极大值点，用三次样条函数插值拟合出信号的上
包络线 ；找出泄漏瞬变压力波信号的所有极小值点，同样用三次样条函数插值拟合出
信号的下包络线 ；
2.2计算出上下包络线的平均值，作为平均包络线 ；用原始输泄漏瞬变压力波信
号 减去平均包络线 ，得到一个新的信号 ，若 仍是一个不平稳的信号，
应按照上述过程对其重复处理，经过k次处理后，得到的信号 满足了IMF的条件，则
得到了第一个IMF分量 ，且 = ；
2.3将原始的泄漏瞬变压力波信号 减去第一个IMF分量 ，得到一个去掉高
频成分的泄漏瞬变压力波信号 ， 继续进行上述平稳化处理，可以得到其余的所有
IMF分量及一个趋势量Res如下式（1）：
最后可以得到泄漏瞬变压力波信号 分解后的形式如下式（2）：
式（2）中 表示原始的泄漏瞬变压力波信号 的固有模态函数分量， 表示
原始信号的平均趋势量，原始的泄漏瞬变压力波信号可以分解为一系列的固有模态函数分
量和一个平均趋势量之和；
2.4对每个IMF分量进行归一化峭度特征值计算和提取，由于有效的泄漏瞬变压力波
信号具有较大的峭度特征值，可以通过对每个IMF分量的峭度特征值进行统计分析，筛选
出主要的包含有效信号成分的IMF分量，利用筛选后的IMF分量重构泄漏瞬变压力波信
号；
2.5在获得了有效的泄漏瞬变压力波信号后，采用基于互功率谱相位的广义相关时延
估计方法来确定泄漏点的位置。

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