ПІДВИЩЕННЯ СТІЙКОСТІ АКУСТИЧНОГО МЕТОДУ КОНТРОЛЮ ВИТОКІВ ШЛЯХОМ ЗАСТОСУВАННЯ ЕНТРОПІЙНИХ ТА РЕЛЯЦІЙНИХ ОЗНАК

Анотація

Вирішення питання надійного транспортування енергоносіїв з використанням трубопровідного транспорту є першочерговим завданням для забезпечення екологічної та економічної стійкості держави. Достовірність відомих методів контролю стану трубопроводів, зокрема, методів акустичного контролю витоків, суттєво залежить від зміни технологічних умов транспортування. Ця проблема потребує розроблення вдосконалених підходів до формування ознак стану, стійких до експлуатаційної невизначеності. Мета роботи полягає у вдосконаленні алгоритму опрацювання діагностичних сигналів в акустичному методі контролю витоків з трубопроводів шляхом розроблення методу класифікації станів, стійкого до зміни параметрів експлуатації. Завдання включають: обґрунтування вибору інформативних ознак акустичного сигналу, які є стійкими до зміни робочого тиску та характеристик тестового акустичного сигналу; вибір оптимальної архітектури класифікатора, який здатний до ефективного узагальнення на нових даних, шляхом порівняння лінійних, нелінійних та ансамблевих методів машинного навчання. Методологія дослідження ґрунтується на опрацюванні зареєстрованих відбитих від неоднорідностей стінок трубопроводу акустичних сигналів, які записані в середовищі заповнення трубопроводу як результат поширення згенерованих тестових сигналів (тестовий метод діагностування). При проведенні експериментальних досліджень сигнали реєструвались для випадків моделювання п’яти різних станів трубопроводу (однорідні стінки та наявні витоки діаметрами 1, 3, 5 та 10 мм) при різних значеннях тиску в трубопроводі та різних характеристиках тестових сигналів. На відміну від традиційних підходів до формування вектора ознак з використанням абсолютних значень спектрально-енергетичних параметрів сигналу в роботі запропоновано розширити вектор ознак ентропійними складовими та реляційними, визначеними зі співвідношення між оцінками, одержаними для кожного каналу реєстрування. Такий підхід дозволив компенсувати синфазні завади, зумовлені зміною робочих умов. Проведено порівняння лінійної (перцепторон), нелінійної (MLP) та ансамблевої (Random Forest) архітектур класифікатора. Якість навчених моделей оцінено з використанням стратифікованої перехресної валідації на навчальному наборі та тестуванні на новій вибірці з невідомими моделям варіаціями тиску та параметрами тестового сигналу. Наукова новизна дослідження полягає у: формуванні комбінованого вектора ознак з використанням ентропійних та реляційних характеристик акустичного сигналу, що забезпечило стійкість класифікатора до змін робочого тиску та несучої частоти тестового сигналу; експериментальному підтвердженні нелінійності задачі класифікації акустичних сигналів витоків у пропонованому просторі ознак; встановленні вищої здатності до узагальнення ансамблевого класифікатору порівняно з нейромережевими, що забезпечив точність класифікації на незалежному наборі даних на рівні 91%). Висновки. Доведено ефективність застосування запропонованого вектора ознак та ансамблевої моделі Random Forest в алгоритмі виявлення стану трубопроводу при застосуванні акустичного методу контролю, який є стійким до змін робочого тиску та параметрів тестового сигналу. Результати дослідження можуть бути використані при розробленні алгоритмічного забезпечення систем моніторингу стану трубопроводів, стійких до зміни технологічних умов транспортування.