c db 4th International Conference on Computer Integrated Manufacturing CIP November 2007

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1 4th International Conferene on Computer Integrated Manufaturing CIP November 27 Implémentation en Temps Réel d'un lgorithme de Détetion de Fuite d'eau des Réseaux de Distribution sur le Proesseur TMS32C621 en Utilisant la Corrélation oustique Miloud entoumi 1, Djamel Chikouhe 2, Mohamed ouamar 1, li Khelfa 3 1 Département d Eletronique, Université de M'sila, lgérie 2 Département d Eletronique, Université de M'sila, lgérie Laboratoire LIS, Département d Eletronique, Université de Sétif, lgérie 3 Laboratoire LIS, Département d Eletronique, Université de Sétif, lgérie bentoumi_miloud@yahoo.fr, dj_hikou@yahoo.fr, khalfaali2@yahoo.fr Résumé - Dans et artile, la tehnique de la orrélation aoustique est utilisée omme méthode de détetion de fuite d'eau sur les réseaux de distribution. Elle a été implémentée sur deux miroordinateurs (P3 et P4) et le proesseur de signal TMS32C621. La fuite d eau a été simulée par un signal aléatoire se propageant dans les deux sens sur la onduite donnant naissane à deux signaux déalés dans le temps. L algorithme implémenté est ainsi testé ave es deux signaux. La fontion orrélation obtenue nous a permis de loaliser la fuite à travers le pi de la orrélation obtenue. Des tests de simulation ont par la suite onfirmé le bon fontionnement du système élaboré à l aide d exemples de signaux ayant un nombre d éhantillons variant de 64 à 124. Enfin une omparaison en terme de temps de alul entre le DSP et les PC onfirme la supériorité du DSP. I. INTRODUCTION L exploitation des réseaux de distribution d eau potable à travers le monde souffre des fuites nombreuses qui peuvent surgir à des endroits arbitraires diffiiles à déterminer. En plus des pertes éonomiques énormes liées aux fuites, il s ajoute les risques d épidémies engendrées par es fuites onstituants ainsi un grand danger pour la santé publique. La rédution du temps ompris entre la formation d une fuite et sa loalisation préise est parmi les fateurs déterminants pour atteindre un bon rendement du réseau de distribution. Une étude réalisée par l'ssoiation Internationale de Distribution d Eau (IDE) montre que la quantité d eau perdue transportée par les réseaux de distribution se situerait entre 2 et 3 % de la prodution totale. Cela a ramené les exploitations des réseaux a penser à utiliser des moyens plus performants afin de déteter es fuites en un temps reord. Dans le domaine de la détetion de fuite, il y a plusieurs méthodes et tehniques. Les déteteurs atuellement utilisés peuvent être lassés en deux prinipales atégories: Les déteteurs à base d éoute de bruit aoustique qui néessitent de l opérateur des déplaements pour loaliser exatement l endroit de es fuites et les déteteurs à base de orrélation aoustique qui permettent la détetion des fuites à distane, et qui donnent l endroit de la fuite ave une grande préision. Le mirosystème envisagé dans et artile est struturé autour d un miroordinateur PC et un proesseur de traitement numérique du signal (DSP). L arhiteture de e système est représentée par une arte EVMC621 qui dispose d un DSP (TMS32C621). Dans e système de type Maitre-Eslave, le PC joue le rôle du Maître et le DSP effetue les tahes d un eslave, et assure le traitement des signaux. Le DSP est utilisé dans e système de détetion à ause de l algorithme de orrélation adoptée omme tehnique de traitement des fuites et qui est exigent en temps de alul. Le DSP est un proesseur spéialisé bien adapté pour e type d algorithme de traitement du signal [1-16]. L objetif de notre travail est d implémenter la tehnique de orrélation sur le DSP hoisi (TMS32C621) et étudier ses performanes en termes de temps d exéution en la testant à l aide de deux signaux aléatoires déalés dans le temps simulant ainsi une fuite. Ensuite, nous omparons le temps d exéution de l algorithme de orrélation implémenté sur DSP par rapport à elui implémenté sur PC. II. CORRÉLTION COUSTIQUE La fuite émet deux vibrations se propageant le long de la onduite d'eau dans les deux sens. Des apteurs disposés de part et d autre de la fuite permettent de apter es deux vibrations à des instants différents. Les signaux aoustiques reueillis en et omportant, en plus du bruit de fuite des bruits parasites, N 1 ( en, N2( en. Ces bruits, en général gaussiens, ne sont ni orrélés entre eux ni ave ( et (. On aura don: d S ( = ( + N1( = b( t ) + N1( (1) d S ( = ( + N 2( = b( t ) + N 2( (2) ve aet b les oeffiients de diffusion ompris entre et 1. "" étant la vitesse de propagation dans la onduite.

2 4th International Conferene on Computer Integrated Manufaturing CIP November 27 D Fig.1. Paramètres du alul de la position de la fuite. L'interorrelation entre S et S est: Γ Γ = E [ S ( S ( t τ) ] d d = E ( b( t ) + N1( )( b( t τ ) + N 2( = lim T 1 T T + 2 T 2 d b( Fuite d d ( b( t ) + N1 ( )( b( t τ ) + N2( dt Soit, en raison des hypothèses mentionnées et en supposant les erreurs d'estimation négligeables, on a: d (3) La relation (3) n'est vérifiée que pour des proessus S ( et S ( stohastiques, stationnaires et ergodiques don pour des vitesse onstantes durant toute la durée d observation. τ étant la différene des temps de propagation. On onstate, sur la figure 3, que l emplaement du pi de orrélation est la position de la fuite. La fontion de orrélation est don diretement interprêtable. Les systèmes de détetion à base de orrélation aoustique sont les plus performants. Leur grand avantage réside dans le fait qu ils permettent la détetion d une fuite et sa loalisation à distane, tout en évitant le déplaement de l opérateur III. RCHITECTURE DU SYSTÈME Le système de traitement des signaux de fuites, est struturé essentiellement autour d un PC et d un DSP à virgule fixe appelé TMS32C621 appartenant à la famille TMS32C6 de Texas Instrument (figure 3). Γ ( = Γ( τ τ ) (4) PC ve: d d τ = (5) Γ(τ ) est don, à un oeffiient près, la fontion EVM-C621 d autoorrélation de S ( translatée de τ. On a évidement, D D τ, D d = τ +, 2 2 D d = τ 2 2 Γ (τ) Système de réeption Transmission des signaux mplifiateurs D τ D τ Préamplifiateurs Capteurs Fuite Fig. 3 La fontion d autoorrélation des deux signaux de fuites et l emplaement du pi de orrélation orrespondant à la fuite sur un anal. Fig. 4 Shéma du système de détetion de fuites. En effet, l éoulement du fluide à travers l orifie de fuite engendre un bruit qui se propage le long de la analisation.

3 4th International Conferene on Computer Integrated Manufaturing CIP November 27 Fig. 5 Le shéma blo de la arte d'évaluation de DSP TMS32C621. Il est transformé en signaux életriques aux points et par deux mirophones, et transmis sous forme d ondes radio vers la station de ontrôle où se trouve le PC/DSP. ssumant la tahe d eslave, une arte EVM C621 assure l aquisition des signaux et effetue le traitement. Le alul réalisé onsiste à exéuter la fontion d interorrélation entre les signaux aptés aux points et. Le résultat obtenu permettra d obtenir simultanément une onfirmation de présene de la fuite, ainsi que sa loalisation en repérant le déalage orrespondant [2,7]. La arte d'évaluation du DSP TMS32C621 ontient le proesseur, une mémoire RM statique de 64Kx32, une mémoire dynamique de 2Mx32, un CODEC audio stéréo, le ontrôleur PCI, l'alimentation, le port JTG et deux onneteurs pour l'interfae de l'extension de la mémoire et de la périphérie. Le onneteur d extension de la périphérie permet les onnexions d'une autre arte par l intermédiaire de deux ports séries. Les deux LED qui sont installées sur la arte de développement peuvent être ommandées "soft" par l'utilisateur. Par l'intermédiaire de l'interfae PCI, on peut faire des éhanges de messages et de données entre le proesseur du signal et le miroordinateur PC "hôte". IV. SIMULTION SUR PC La tehnique de orrélation employée est un algorithme exigeant en temps de alul. Cei nous a orienté à utiliser un DSP omme proesseur spéialisé dont l arhiteture est bien adaptée pour e type d algorithme de traitement. Dans e travail, il s agit de valider la tehnique de détetion de fuite d eau adaptée sur le TMS32C621 et étudier les performanes du système en terme de rapidité d exéution.

4 4th International Conferene on Computer Integrated Manufaturing CIP November 27. Tests de validation On utilise deux boules pour le alul de la fontion de orrélation. La boule extérieure est exéutée (M+1) fois, alors que la boule intérieure est exéutée M fois. Pour le lanement du programme, l utilisateur aura besoin d introduire ertains paramètres à savoir, le nombre d éhantillons N du signal à traiter, le nombre M qui représente la fenêtre de d observation de la fontion de orrélation et qui doit être inférieur à N, ainsi que les retards prévus R1 et R2 sur les deux signaux. Des exemples de détetion de fuites sont onsidérés: Premier Cas : Dans e as, la fontion d interorrélation des signaux transmis par une fuite au milieu d une analisation a une valeur maximale à l origine, et qui tend vers zéro aux autres points. L absisse du pi de la fontion de orrélation, orrespondant à la position de la fuite, est don plaée au milieu de la onduite. Deuxième Cas : L absisse du pi de la fontion d interorrélation orrespond à la position de la fuite où le signal transmis arrive au point avant le point. Dans e as, ette fuite est plus prohe du point. (a) Le signal s [N] Début Initialisation Calul de Γ SS (K) () La orrélation [M] après l exéution du programme. K=K+1 Fig. 7 Détetion d une fuite au milieu de la onduite. Le nombre de yle d horloge obtenu après exéution: Le temps d'exéution = x 5ns = ns K M p N Oui Cas d'un nombre d'éhantillons N = 128 Non Fin Fig. 6 Struture générale du programme de alul de la fontion orrélation.. Détetion d une fuite au milieu de la onduite (R1= ; R2= ) Cas d'un nombre d'éhantillons N = 64 (a) Le signal s [N].

5 4th International Conferene on Computer Integrated Manufaturing CIP November 27 () La orrélation [M] après l exéution du programme. Fig. 9 Détetion d une fuite loalisée à une position différente du milieu de la onduite. Le nombre de yle d horloge obtenu après exéution : Le temps d'exéution = *5ns= ns. Cas d'un nombre d'éhantillons N = 128 () La orrélation [M] après l exéution du programme. Fig. 8 Détetion d une fuite au milieu de la onduite. Le nombre de yle d horloge obtenu après exéution: Le temps d'exéution = x 5ns = ns. C. Détetion d une fuite loalisée à une position différente du milieu de la onduite (R1= 1; R2= 2) (a) Le signal s [N]. Cas d'un nombre d'éhantillons N = 64 (a) Le signal s [N]. () La orrélation [M] après l exéution du programme. Fig. 1 Détetion d une fuite loalisée à une position différente du milieu de la onduite.

6 4th International Conferene on Computer Integrated Manufaturing CIP November 27 Le nombre de yle d horloge obtenu après exéution: Le temps d'exéution = x 5ns = ns. Temps d'éxeution (ms) PC(P3) DSP(C621) PC(P4) Nombres d'éhantillons Fig. 11 Temps d exéution sur le proesseur TMS32C621, et les miroordinateurs P3 et P4. D. Interprétation de résultats Nous remarquons que le temps d exéution roit ave l augmentation du nombre d éhantillons. Le pi de la fontion orrélation nous donne la position préise de la fuite située entre les deux apteurs. E. Rapidité En vue d une évaluation en matière de vitesse de alul du DSP hoisi, nous avons effetué une omparaison direte des temps de alul de la fontion orrélation exéutée à la fois par les PC Pentium 3 (1 GHZ), Pentium 4 (1.7 GHZ) et le proesseur TMS32C621 pour un nombre d éhantillons N = 64, 128, 256, 512 et 124. Selon le graphe obtenu à la figure 11, nous remarquons que le temps d exéution sur DSP est plus ourt que elui obtenu sur les deux types de PC, onfirmant ainsi la supériorité du DSP. RÉFÉRENCES [1] Texas Instruments, "TMS32C621 fixed-point digitql sgnql proessor", Marh 24. [2] Texas Instrument, "TMS32C6 Peripherals Referene Guide", February 21. [3] Texas Instrument, "TMS32C62xx CPU and Instrution Set Referene Guide", revision, July [4] Texas Instrument, "TMS32C621/671 Evaluation Module User s Guide", February 21. [5] Panos Papamihalis, Ray Simar, "The TMS32C3 Floating-Point Digital Signal Proessor", IEEE Miro, Deember 1988, pp [6] Rulph Chassing, " Senior Projet Course in Digital Signal Proessing with the TMS32", IEEE Trans.on Eduation, Vol. 32, No. 2, May 1989, pp [7] NT Seshan, "High veloi TI proessing", IEEE Signal Proessing Magazine, Marh 1998, pp [8] Kun-Shan Lin, Gene. Frantz et Ray Simar, "The TMS32O Family of Digital Signal Proessors", Pro. of the IEEE, Vol. 75, No. 9, September 1987, pp [9] C. K. Tse and C. Y. Tam, " Quasi-Linear Controller for DC/DC Converter Using a TMS32 Digital Signal Proessor", 25th nnual IEEE Power Eletronis Speialists Conferene, Vol.2, 2-25 Jun 1994, pp [1] Jun Zhang, Pu Han, Ruixin Li et Dongfeng Wang, "TMS32 DSP ased Wavelet Paket Deompose on Vibration Signature nalysis of Turbine", IEEE, 23, pp [11] Zhou Yao, Hu Qiansheng, "Implementation of the Indution Mahine roken-ars Fault Diagnosing Instrument Using TMS32 Digital Signal Proessor", Proeedings of the Eighth International Conferene on Eletrial Mahines and Systems ICEMS 25, Vol. 3, Sept. 25, pp [12] Sen M. Kuo, Gerald D. Miller, " n Innovative Course Emphasizing Real-Time Digital Signal Proessing ppliations", IEEE Trans.on Eduation, Vol. 39, No. 2, May 1996, pp [13] Vitor E. Derunner, Linda S. Derunner, Sridhar Radhakrishnan, and. Kamal Khan, "The Teleomputing Laboratory: Multipurpose Laboratory", IEEE Trans.on Eduation, Vol. 44, No. 4, Nov. 21, pp [14] Frederik Vermeulen, Franky Catthoor, Lode Nahtergaele, Diederik Verkest, and Hugo De Man, "Power-Effiient Flexible Proessor rhiteture for Embedded ppliations", IEEE Trans. On VLSI systems, Vol. 11, No. 13, June 23, pp [15] Ruixin Li, Taiyong Wang, Jun Zhang, Pu Han, Lijing Zhang, " TMS32 DSP ased Neural Networks On Fault Diagnosti System of Turbo- Generator ", IEEE International Conferene on Systems, Man and Cybernetis, Vol. 4, 5-8 Ot. 23, pp [16] Won-Sik aik, Min-Huei Kim, Nam-Hun Kim, Dong-Hee Kim, Kyeong- Ho Choi, Don-Ha Hwang, Jung-Soo Jang, "Improved Rotor Position Estimation for the Sensorless Control System of SRM", IEEE ISIE 25, June 2-23, 25, Dubrovnik, Croatia, pp V. CONCLUSION La tehnique de la orrélation aoustique a été adoptée dans et artile omme méthode de détetion. Elle a été implémentée sur deux PC (P3 et P4) et le DSP TMS32C621. La fuite d eau a été simulée par un signal aléatoire se propageant dans les deux sens sur la onduite donnant naissane à deux signaux déalés dans le temps. L algorithme implémenté est ainsi testé ave es deux signaux. La fontion orrélation obtenue nous a permis de loaliser la fuite à travers le pi de la orrélation obtenue. Des tests de simulation ont par la suite onfirmé le bon fontionnement du programme élaboré à l aide d exemples de signaux ayant un nombre d éhantillons variant de 64 à 124. Enfin une omparaison en terme de temps de alul entre le DSP et les PC effetuée onfirme la supériorité du DSP.