一种管道声学连通检测方法、装置及电子设备与流程

本发明涉及管道检测，具体涉及一种管道声学连通检测方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、地下管网错综复杂，管道拓扑连通状态是管网运维、泄漏定位工作的基础依据，当前常采用向管道内发射声波激励信号，采集远端声波信号判断管道之间是否具备声学通路，以此识别管道连通关系；该方式依靠声波沿管道介质传播特性实现非开挖检测，相比开挖探测、示踪探测具备成本低、实施便捷的优势，现已广泛应用于给排水、燃气管道的现场检测场景。

2、传统管道声学连通检测方案大多采用固定阈值判别接收信号与激励信号的匹配峰值，阈值无法跟随现场动态变化的环境噪声自适应调整，噪声强度升高时极易产生大量虚假匹配峰值；同时传统方案仅依靠信号幅值阈值单层筛选峰值，难以区分随机噪声偶然生成的超阈值峰值与声波传播形成的真实声纹峰值，缺少时序维度的校验手段，容易出现误判，难以满足复杂管网现场高精度连通识别的需求。

技术实现思路

1、本发明提供一种管道声学连通检测方法、装置及电子设备，以解决现有管道声学检测采用固定阈值易受现场噪声干扰、仅依靠幅值筛选难以甄别伪峰值，连通识别误检率较高的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种管道声学连通检测方法，方法包括：

3、获取发射终端的声纹信号、采集终端接收的管道声波信号，以及采集终端信号采集的环境噪声信号，管道声波信号是在声纹信号发射过程中同步采集的，环境噪声信号是在声纹信号发射前采集的；根据声纹信号和管道声波信号计算二者之间的第一相关性系数序列；根据声纹信号和噪声信号计算二者之间的第二相关性系数序列；根据第二相关性系数序列，从第一相关性系数序列中确定候选峰值集合；基于声纹信号的发射间隔、管道声波信号的采集频率及各相邻峰值之间的距离对候选峰值集合进行筛选，确定发射终端所在的管段与采集终端所在的管段之间的连通性。

4、本发明提供的管道声学连通检测方法，获取发射端发出的声纹信号、采集端采集的管道声波信号及环境噪声信号，通过区分激励发射前后时段实现有效信号与基线噪声的数据分离；计算管道声波信号与声纹信号的第一相关性系数序列以及噪声信号与声纹信号的第二相关性系数序列，依托统一匹配规则生成两组可横向对比的相似度序列，量化接收波形与声纹模板的匹配程度，建立信号匹配的数值评判基础；基于第二相关性系数序列确定阈值并筛选候选峰值集合，利用纯噪声对应的相关系数波动特征自适应设置判定门限，剔除大部分噪声小幅波动造成的虚假匹配点，完成第一层干扰过滤；结合发射周期、采集频率、峰值间距筛选候选峰值并判定连通性，利用声纹信号周期性发射的固有时序特征，对阈值筛选留存的疑似峰值进一步校验，剔除单次幅度筛选无法消除的随机伪峰值。两级筛选相互协同，无需预设固定阈值，适配管道现场动态变化的噪声工况，显著降低噪声引发的误检概率，提升了管道声学连通检测准确度。

5、在一种可选的实施方式中，根据声纹信号和管道声波信号计算二者之间的第一相关性系数序列，包括：

6、将声纹信号转换为浮点数，计算声纹信号的均值；分别计算各时刻下的声纹信号与均值的差值，得到零均值声纹信号；将管道声波信号转换为浮点数，以声纹信号的长度为滑动窗口大小，通过滑动窗口计算管道声波信号在不同滑动窗口内的局部均值；分别计算各滑动窗口内管道声波信号与对应的局部均值的差值，得到零均值管道声波信号；对零均值声纹信号及零均值管道声波信号进行互相关计算，得到各取样时间下的第一互相关系数，取样时间是根据滑动窗口位置序号与管道声波信号采样频率的比值确定的；分别计算零均值声纹信号的模版能量、零均值管道声波信号各滑动窗口对应的管道声波信号局部能量；基于各取样时间下的第一互相关系数、模板能量及管道声波信号局部能量，得到第一相关性系数序列。

7、本发明提供的管道声学连通检测方法，先将声纹信号转换为浮点数并全局去均值，消除模板信号直流分量对波形匹配计算的干扰；以声纹信号长度作为滑动窗口，对管道声波信号逐窗口求取局部均值并分段去均值，通过分段滑窗的方式适配管道声波信号基线随时间缓慢漂移的工况，避免全局均值无法跟踪时变基线而导致匹配失效；随后逐窗口开展互相关运算得到互相关系数，结合模板能量与窗口局部能量实施归一化处理，生成第一相关性系数序列，序列中各系数能够量化不同时刻管道声波信号片段与声纹信号的波形相似度，形成沿时间轴连续分布的匹配特征，精准标记疑似声纹到达的时序位置，为后续候选峰值的提取提供完备、可信的数据基础。

8、在一种可选的实施方式中，根据声纹信号和噪声信号计算二者之间的第二相关性系数序列，包括：

9、将声纹信号转换为浮点数，计算声纹信号的均值；分别计算各时刻下的声纹信号与均值的差值，得到零均值声纹信号；将噪声信号转换为浮点数，以声纹信号的长度为滑动窗口大小，通过滑动窗口计算噪声信号在不同滑动窗口内的局部均值；分别计算各滑动窗口内噪声信号与对应的局部均值的差值，得到零均值噪声信号；对零均值声纹信号及零均值噪声信号进行互相关计算，得到各取样时间下的第二互相关系数，取样时间是根据滑动窗口位置序号与噪声信号采样频率的比值确定的；分别计算零均值声纹信号的模版能量、零均值噪声信号各滑动窗口对应的噪声信号局部能量；基于第二互相关系数、模板能量及噪声信号局部能量，得到第二相关性系数序列。

10、本发明提供的管道声学连通检测方法，先将声纹信号转换为浮点数并全局去均值，消除模板信号直流分量对波形匹配计算的干扰；以声纹信号长度作为滑动窗口，对环境噪声信号逐窗口求取局部均值并分段去均值，通过分段滑窗适配环境噪声基线随时间缓慢漂移的工况，避免全局均值无法跟踪时变基线而导致匹配结果失真；随后逐窗口开展互相关运算得到互相关系数，结合模板能量与窗口局部能量实施归一化处理，生成第二相关性系数序列，序列中各系数能够量化不同时刻环境噪声片段与声纹信号随机匹配的波形相似度，客观呈现纯噪声条件下相关系数的波动范围，为后续自适应检测阈值的求解提供完备、可信的数据基础。

11、在一种可选的实施方式中，根据第二相关性系数序列，从第一相关性系数序列中确定候选峰值集合，包括：

12、根据第二相关性系数序列确定检测阈值；遍历第一相关性系数序列中各归一化互相关性系数，与检测阈值进行比较，若归一化互相关性系数大于或等于检测阈值，则将其对应的峰值确定为候选峰值；将所有候选峰值进行汇总得到候选峰值集合。

13、本发明提供的管道声学连通检测方法，基于第二相关性系数序列统计特征求解检测阈值，依托纯噪声下相关系数的实际波动水平生成判定门限，替代固定阈值；遍历第一相关性系数序列，将系数超过检测阈值的极值点筛选汇总得到候选峰值集合，能够直接剔除幅值低于噪声波动上限的虚假匹配点，减少参与后续时序筛选的数据数量，降低后续步骤运算开销，同时保留所有疑似声纹到达时刻对应的峰值，为峰值时序校验提供精准有效的候选数据。

14、在一种可选的实施方式中，根据第二相关性系数序列确定检测阈值，包括：

15、求解第二相关性系数序列的均值与标准差；将均值、标准差与预设安全系数进行线性加权运算，得到初始检测阈值；对初始检测阈值做上限约束处理得到检测阈值。

16、本发明提供的管道声学连通检测方法，通过求解第二相关性系数序列的均值与标准差，结合预设安全系数线性加权得到初始检测阈值，再对初始检测阈值实施上限约束得到检测阈值；利用均值、标准差量化噪声相关系数的分布特征，借助安全系数预留判定冗余，同时上限约束避免阈值异常抬高造成有效峰值漏检，最终得到适配现场噪声波动水平的稳定检测阈值，保障阈值能够合理区分噪声虚假相关值与声纹匹配产生的真实相关峰值。

17、在一种可选的实施方式中，基于声纹信号的发射间隔、管道声波信号的采集频率及各相邻峰值之间的距离对候选峰值集合进行筛选，确定发射终端所在的管段与采集终端所在的管段之间的连通性，包括：

18、根据声纹信号的发射间隔、管道声波信号的采集频率及预设松弛系数，计算最小峰值间距约束；根据各相邻峰值之间的距离与管道声波信号采集频率的比值，确定各相邻峰值的实际采样间隔；若相邻峰值之间的距离大于或等于最小峰值间距约束，且，相邻峰值的实际采样间隔与声纹信号的发射间隔的差值小于或等于偏差阈值，则将相邻峰值对应的两个峰值存入有效峰值集合；若有效峰值集合内的峰值总数和声纹信号发射总数相同，则判定发射终端所在的管段与采集终端所在的管段之间存在联通性，否则不存在连通性。

19、本发明提供的管道声学连通检测方法，根据声纹信号发射间隔与管道声波信号采样频率计算最小峰值间距约束与偏差阈值，将物理时域的发射周期约束转换为采样点维度的可计算判据，避免固定时间间隔无法适配不同采样率的问题；采用最小峰值间距约束对候选峰值中的相邻峰值进行初筛，剔除峰值间距小于约束值的峰值对，利用真实声纹峰值间距必然不小于发射周期对应采样点数、噪声伪峰值多随机密集分布的特性，快速滤除噪声连续扰动形成的密集虚假峰值，大幅缩减后续校验的候选数据量；进一步，采用偏差阈值校验相邻峰值的实际采样间隔与理论采样间隔的差值，保留差值符合要求的相邻峰值并纳入有效峰值集合，兼容声波传播时延波动与采样离散带来的固有偏移，避免严格匹配理论间隔造成的真实峰值漏判，在过滤伪峰值的同时兼顾检测灵敏度；最后，比对有效峰值集合内的峰值总数与声纹信号发射总数并据此判定管段连通性，依托声学连通时采集端应得到与发射数量一致的有效峰值、噪声难以生成数量完全匹配且满足间距约束的峰值序列的原理，从整体序列维度最终确认信号真实性。

20、第二方面，本发明提供了一种管道声学连通检测装置，装置包括：

21、信号数据获取模块，用于获取发射终端的声纹信号、采集终端接收的管道声波信号，以及采集终端信号采集的环境噪声信号，管道声波信号是在声纹信号发射过程中同步采集的，环境噪声信号是在声纹信号发射前采集的；

22、第一相关性系数序列计算模块，用于根据声纹信号和管道声波信号计算二者之间的第一相关性系数序列；

23、第二相关性系数序列计算模块，用于根据声纹信号和噪声信号计算二者之间的第二相关性系数序列；

24、候选峰值集合确定模块，用于根据第二相关性系数序列，从第一相关性系数序列中确定候选峰值集合；

25、管道间连通性判定模块，用于基于声纹信号的发射间隔、管道声波信号的采集频率及各相邻峰值之间的距离对候选峰值集合进行筛选，确定发射终端所在的管段与采集终端所在的管段之间的连通性。

26、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的管道声学连通检测方法。

27、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的管道声学连通检测方法。

28、第五方面，本发明提供了一种计算机程序产品，包括计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的管道声学连通检测方法。