基于離散小波分析的地下金屬管線測量精度控制方案

賈 堯，張以文，張守好，白宗杰，吳碩先

（水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濟南 250000）

1 基于離散小波分析的地下金屬管線測量精度控制方案研究

1.1 利用離散小波分析處理地下金屬管線測量信號

1.2 實現(xiàn)地下金屬管線測量精度控制

為使得對地下金屬管線測量的精度盡可能高，以測量誤差最小為控制優(yōu)化目標，建立如下的優(yōu)化函數(shù)：

上式中，f 為測量電磁波頻率；v 為電磁波在管線上的理想傳輸速度；v'為電磁波在管線上的實際傳輸速度；δ 為測量裝置本身的誤差；ζ 為其它干擾產(chǎn)生的誤差。本文選擇遺傳算法與RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合后混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解公式（4）中建立的地下金屬管線測量誤差最小化目標函數(shù)。以3層前向RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，使用遺傳算法確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中隱含層的中心，從而確定混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各項參數(shù)。

采用二進制編碼將RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的輸入節(jié)點、隱含層節(jié)點以浮點數(shù)表示的形式進行編碼，編碼長度與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點的個數(shù)相同。遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中的目標函數(shù)求極值過程確定，則混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)度函數(shù)如下：

（1）設(shè)初始群體大小為20，根據(jù)給定出的地下金屬管線測量信號頻率、信號強度，計算出電磁信號在測量過程中的損耗數(shù)值，將數(shù)值轉(zhuǎn)換為二進制編碼。設(shè)置迭代次數(shù)，抽取預(yù)處理后的值計算適應(yīng)度函數(shù)。

（2）將計算出的適應(yīng)度函數(shù)值作為混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算傳輸測量誤差的起始參數(shù)。按照遺傳算法的進化、變異、遺傳過程得到一次計算值。

（3）使用歷史數(shù)據(jù)對模型進行校正，校驗數(shù)據(jù)誤差的平方值作為混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解的終止條件。當混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達到終止條件后，停止計算?；旌仙窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的數(shù)據(jù)，則為對地下金屬管線進行測量的誤差值。將參數(shù)置零，等待下一次計算。

將混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算得到的誤差值作為金屬管線測量裝置控制器的輸入偏差，從而實現(xiàn)對地下金屬管線測量精度的控制。通過以上步驟，完成了對基于離散小波分析的地下金屬管線測量精度控制方案的研究。

2 實驗研究

上文研究了基于離散小波分析的地下金屬管線測量精度控制方案，本節(jié)將對該方案實施的有效性進行實驗驗證。

2.1 實驗內(nèi)容

本次實驗采用將本文研究的基于離散小波分析的地下金屬管線測量精度控制方案與傳統(tǒng)的地下金屬管線測量精度控制方案相對比的形式。實驗的對比指標為測量金屬管線時，應(yīng)用兩種測量精度控制方法進行測量的誤差以及金屬管線測量控制器的輸出響應(yīng)變化曲線。通過對比以上兩個指標數(shù)據(jù)信息，評價兩種測量精度控制方案的可靠性高低。

2.2 實驗結(jié)果及分析

表1 不同控制方案下測量誤差對比

應(yīng)用兩個金屬管線測量精度控制方案進行控制時，測量結(jié)果的誤差如下表所示，分析表中數(shù)據(jù)，得出對應(yīng)的實驗結(jié)論。

對上表中的數(shù)據(jù)進行分析可知，應(yīng)用本文方案對金屬管線測量精度進行控制時，其測量誤差要遠遠小于應(yīng)用傳統(tǒng)方案進行精度控制時的測量誤差。并且本文方案對測量精度控制的誤差不隨實際測量值的變化而變化，而傳統(tǒng)方案控制時，實際測量值越大，測量誤差越大。平均計算，應(yīng)用本文方案進行控制時的平均誤差約為傳統(tǒng)方案測量的平均誤差的1/4，即應(yīng)用本文方案能夠提升約75%的精度。

應(yīng)用兩個金屬管線測量精度控制方法進行控制時，管線測量裝置的控制器的輸出響應(yīng)變化曲線如下所示，分析圖中曲線之間的關(guān)系，得出實驗結(jié)論。

圖1 測量裝置控制器的輸出響應(yīng)變化曲線

對上圖中的曲線進行分析可知，應(yīng)用本文方案控制時，地下金屬管線測量裝置控制器的輸出電流經(jīng)過0.80s 回歸至穩(wěn)態(tài)，而應(yīng)用傳統(tǒng)方案的測量裝置控制器輸出電流經(jīng)過1.12s 回歸至穩(wěn)態(tài)。并且，當向測量裝置施加電磁干擾信號時，應(yīng)用本文方案的控制器電流偏離參考電流的幅度約為0.8A，而應(yīng)用傳統(tǒng)方案的控制器電流偏離參考電流的幅度約為4.7A。說明應(yīng)用本文方案進行對地下金屬管線測量精度控制時，能夠更快調(diào)整誤差較大的工況回歸穩(wěn)態(tài)，即本文方案應(yīng)用時的魯棒性更佳。

綜上所述，本文研究的基于離散小波分析的地下金屬管線測量精度控制方案應(yīng)用時的效果更佳，具有可靠性。

3 結(jié)語

本文研究了基于離散小波分析的地下金屬管線測量精度控制方案。通過與傳統(tǒng)的地下金屬管線測量精度控制方案的對比實驗，驗證了本文研究地下金屬管線測量精度控制方案在實際應(yīng)用時，測量誤差遠遠小于傳統(tǒng)的測量精度控制方案，具有更好的精度控制效果，可以實際推廣使用。