[发明专利]一种基于压力扰动提取的供水管网爆管侦测方法

权利要求书

1.一种基于压力扰动提取的供水管网爆管侦测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)收集、预处理压力监测数据，建立压力监测值矩阵；

(2)采用傅里叶变换对压力监测值矩阵进行时域、频域特征分析，提取扰动信息，生成压力扰动值矩阵；

(3)采用孤立森林算法检测压力扰动值矩阵中的异常值；

(4)基于爆管事件下的管网压力响应特征，筛选检测出的异常值，输出爆管侦测结果；

步骤(1)具体为：

(11)对历史数据的日期及时间编号；

(12)对于待侦测时刻t＝(x，y)，(x，y)表示第x天第y时刻，提取t时刻前m天的SCADA压力监测数据；

(13)对提取的压力监测数据进行预处理；

(14)将预处理后的各监测点的压力数据分割为m个长度为N的行向量，N为监测点一天的采样数据个数，将行向量按照时间顺序储存在各监测点对应的压力监测值矩阵P中的各行，对于第i个监测点，其对应的压力监测值矩阵P_i为：

其中，P_i中的元素p_j,k表示监测点i在第j天第k时刻的压力监测值，P_i的第m行代表监测点i在待侦测时刻前一天的压力监测值，对于n个监测点，共生成n个压力监测值矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种基于压力扰动提取的供水管网爆管侦测方法，其特征在于，步骤(13)具体为：

(131)将存在大量空白数据的监测点作为无效监测点，弃用该监测点的压力监测数据；

(132)对保留的监测点的压力监测数据进行线性插值，填补缺失值；

(133)设置高低阈值去除保留的监测点中不合理的压力监测数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于压力扰动提取的供水管网爆管侦测方法，其特征在于，步骤(2)具体为：

(21)对各监测点的压力监测值矩阵中的各行进行傅里叶变换，设压力监测值矩阵中的每一行为长度是N的离散信号x[n]，其傅里叶变换X[k]为：

其中，X[k]为x[n]的傅里叶变换，是基频为的周期复指数函数；

(22)提取监测信号中的高频组分：提取出的频域上的高频组分X’[k]为：

其中，μ是用于控制选取高频项数量的参数；

(23)采用傅里叶逆变换，将提取出的频域上的高频组分X’[k]转换为时域信号x’[n]：

(24)生成压力扰动值矩阵H：对于第i个监测点，其对应的压力扰动值矩阵H_i为：

其中，H_i中的元素h_j,k表示监测点i在第j天第k时刻的压力监测值中提取出的高频组分，对于n个监测点，共生成n个压力扰动值矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种基于压力扰动提取的供水管网爆管侦测方法，其特征在于，步骤(3)具体为：

(31)根据压力扰动值矩阵提取侦测矩阵D，D为：

其中，侦测矩阵D的第i列对应为高频组分矩阵H_i的最后一列，侦测矩阵D的每一行为长度为n的行向量，侦测矩阵D的最后一行为待侦测时刻各监测点的压力扰动值；

(32)将侦测矩阵D输入孤立森林算法，侦测矩阵D的每一行为一个检测样本，建立t个孤立树，对于每个孤立树，随机选取一个维度x作为研究对象，1≤x≤n，在该维度上随机选取一个分界值，将检测样本分为两部分，并重复该过程，直到所有检测样本均与其他检测样本分离开来；

(33)对于每个孤立树中的每一个检测样本，将该检测样本与其他检测样本分离所需的次数即为该检测样本在此孤立树中的路径长度，计算各检测样本在所有的孤立树中的平均路径长度，选取k个平均路径长度最小的检测样本作为异常样本；

(34)若侦测矩阵D的最后一行属于被选出的异常样本，则判断待检测时刻为异常状态，进入步骤(4)；否则输出结果：未发生爆管。

5.根据权利要求1所述的一种基于压力扰动提取的供水管网爆管侦测方法，其特征在于，步骤(4)具体为：

(41)获取定性指数A：

其中，D(i,j)为侦测矩阵D中第i行第j列数据，m为侦测矩阵D总行数，n为侦测矩阵D总列数，Sum_m为侦测矩阵D最后一行的加和；

(42)获取定量指数B：

其中，λ为控制压力波动筛选阈值的参数，δ为Sum_i,i＝1,2,…,m-1的标准差；

(43)若定性指数A和定量指数B均为1，则输出结果：发生爆管；否则，输出结果：未发生爆管。