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    管道漏磁內(nèi)檢測(cè)信號(hào)的自適應(yīng)成像算法研究

    2019-07-22 07:42:12王增國(guó)崔礦慶唐建華劉金海
    石油工程建設(shè) 2019年3期
    關(guān)鍵詞:漏磁視圖插值

    王增國(guó),崔礦慶,唐建華,高 航,劉金海

    1.中海石油(中國(guó))有限公司,北京 100010

    2.中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司,天津 300452

    3.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司,天津 300452

    4.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110819

    近年來(lái),我國(guó)面臨嚴(yán)峻的油氣管道運(yùn)營(yíng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的現(xiàn)狀,已經(jīng)有很多管道運(yùn)營(yíng)時(shí)間超過(guò)20年,泄漏事故頻繁發(fā)生,給油氣輸送工作帶來(lái)極大不便。開(kāi)展管道檢測(cè)工作十分必要,目前漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)已被世界公認(rèn)為是一種完善的檢測(cè)手段[1-2]。

    隨著檢測(cè)管道數(shù)量及里程數(shù)的增長(zhǎng),檢測(cè)數(shù)據(jù)越來(lái)越多。盡管管道漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度有所提升,但受到管道直徑大小的限制,內(nèi)檢測(cè)器沒(méi)有為硬件設(shè)備預(yù)留擴(kuò)充空間,因此,檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成為當(dāng)前面臨的問(wèn)題;同時(shí)隨著數(shù)據(jù)量的增大,缺陷數(shù)據(jù)的識(shí)別難度也逐漸增大。因此考慮一種切實(shí)有效的數(shù)據(jù)補(bǔ)償方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對(duì)檢測(cè)精度和里程的提升都有著重要意義,而且根據(jù)缺陷漏磁信號(hào)實(shí)現(xiàn)圖像重構(gòu)能夠更直觀地反映管道內(nèi)部環(huán)境的變化狀況。

    本文基于漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)的特征,研究了幾種插值算法在漏磁檢測(cè)信號(hào)中的插值應(yīng)用,并設(shè)計(jì)一種基于三次Hermite 插值的三次樣條插值算法,以此為基礎(chǔ)采取一種自適應(yīng)分段的插值方法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效補(bǔ)償。并且設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)曲線圖形、灰度圖像以及偽彩色圖像顯示的自適應(yīng)成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了快速精準(zhǔn)的漏磁缺陷檢測(cè)識(shí)別。

    1 多尺度自適應(yīng)插值算法

    1.1 多尺度插值算法

    對(duì)漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)而生成圖像的過(guò)程中,最常見(jiàn)的方式是實(shí)現(xiàn)曲線視圖。而由于在管道周向布置的傳感器數(shù)量有限,因此所得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)也有限。在曲線視圖的縱軸方向,以鐘點(diǎn)位置形式表示的傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)是一條條間距不均勻的曲線,這易造成缺陷信息的丟失。因此研究一種有效的數(shù)據(jù)插值方法,能較大程度地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)補(bǔ)償,從而得到更高質(zhì)量的檢測(cè)信號(hào),提高對(duì)微小缺陷信號(hào)的識(shí)別率。

    一般來(lái)講,常見(jiàn)的插值方法有三次Newton 插值法[3]、三次 Lagrange 插值法[4]、三次 Hermite 插值法和反距離權(quán)重插值法[5]等。本文以三次Hermite插值的三次樣條插值算法為基礎(chǔ),根據(jù)原始漏磁曲線信號(hào)的平滑和起伏程度選擇不同的插值方法,提出了一種基于三次Hermite 插值的分段自適應(yīng)插值方法,采用多種補(bǔ)償算法并存的方式,根據(jù)不同的需要,選擇不同精度的補(bǔ)償算法,在誤差與運(yùn)算速度之間求取平衡,保證系統(tǒng)的性能。其主要思想是,將以曲線視圖顯示的漏磁信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分割,根據(jù)各通道數(shù)據(jù)基值,設(shè)定其數(shù)據(jù)閾值,通過(guò)計(jì)算超過(guò)該設(shè)定閾值的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與總數(shù)據(jù)量之比,將該漏磁信號(hào)劃分為3 種不同區(qū)域,并在不同區(qū)域下使用不同的插值算法。管道漏磁數(shù)據(jù)插值研究思路見(jiàn)圖1。

    圖1 管道漏磁數(shù)據(jù)插值研究思路

    若求得的比值在2%以下,則標(biāo)記此區(qū)域?yàn)锳區(qū)域,由于數(shù)據(jù)起伏不大,使用三次Newton 插值方法進(jìn)行插值;若比值在2%~15%之間,則標(biāo)記此區(qū)域?yàn)锽 區(qū)域,出于數(shù)據(jù)起伏波動(dòng)程度的考慮,使用反距離權(quán)重插值方法進(jìn)行插值;若比值在15%以上,則標(biāo)記此區(qū)域?yàn)镃 區(qū)域,由于數(shù)據(jù)起伏較大,使用基于Hermite 插值方法的三次樣條插值方法進(jìn)行插值。

    1.2 基于三次Hermite 插值的三次樣條插值算法

    大量的實(shí)驗(yàn)研究證明,采用常見(jiàn)的諸如三次Newton 插值、三次Lagrange 插值算法等對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行插值,有的計(jì)算較為簡(jiǎn)單,但是插值誤差較大;有的插值精度較高,但是計(jì)算復(fù)雜,運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),因此并不適用于實(shí)際應(yīng)用。

    為此采用三次Hermite 插值算法,經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)原始漏磁數(shù)據(jù)波動(dòng)起伏比較大時(shí),三次Hermite 插值穩(wěn)定,誤差較小,但曲線不夠光滑。為了克服這一缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于三次Hermite插值的三次樣條插值方法。該算法的基本原理簡(jiǎn)介如下。

    設(shè)區(qū)間[a,b]上給定一個(gè)節(jié)點(diǎn)劃分:

    如果S(x)滿足如下兩個(gè)條件:

    (1)在[a,b]上有二階連續(xù)導(dǎo)數(shù);

    (2)在每個(gè)小區(qū)間[xi,xi+1]上是次數(shù)不大于3的多項(xiàng)式。

    則 S(x)為三次Hermite 分段函數(shù)。

    如果被插值函數(shù)f(x)在節(jié)點(diǎn)x0,x1,…,xn-1,xn處的函數(shù)值為:

    并且關(guān)于這個(gè)節(jié)點(diǎn)集的三次Hermite 插值S(x)滿足插值條件:

    假設(shè) S(xi)=mi,i=0,1,…,n,則利用三次Hermite 插值多項(xiàng)式,當(dāng)x∈[xi-1,xi]時(shí),有:

    于是有:

    由S″(xi-0)=S″(xi+0),得到:

    其中:

    式(7)給出了關(guān)于n+1 個(gè)未知數(shù)m0,m1,…,mn的n-1 個(gè)方程,再加上相應(yīng)的邊界條件,就可以確定參數(shù)m0,m1,…,mn。

    若邊界條件為 m0=y′0,mn=y′n則直接代入式(7)中,得到關(guān)于n-1 個(gè)變量m1,…,mn-1的方程組,其矩陣為:

    若邊界條件為 S″( x0)=y″0,S″( xn)=y″n,則由式(8)可得:

    其矩陣形式為:

    2 漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)自適應(yīng)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    本文基于C#及C++編程語(yǔ)言,實(shí)現(xiàn)了管道漏磁內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)為使得插值數(shù)據(jù)更直觀顯示,考慮采用灰度變換的方式,將曲線圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像進(jìn)行顯示,并加以圖像增強(qiáng)[7]、圖像鈍化、圖像銳化處理[8],以提高圖像顯示質(zhì)量[9]。此外為減輕對(duì)比度調(diào)節(jié)對(duì)灰度圖像顯示清晰度的影響[10],考慮采用基于密度分割法的分段自適應(yīng)彩色圖像處理方法,將人眼只能識(shí)別十幾種灰度的圖像轉(zhuǎn)換成人眼能夠識(shí)別更多的細(xì)微彩色圖像。

    為了提高對(duì)小缺陷的識(shí)別率以及處理速度,本體系采取了以下方案:

    (1)采用分段自適應(yīng)插值的方式,根據(jù)不同的需要,選擇不同精度的通道間插值算法,在誤差與運(yùn)算速度之間求取平衡,保證系統(tǒng)的性能。

    (2)優(yōu)化算法性能。通過(guò)改變數(shù)據(jù)處理流程,改變算法編程語(yǔ)言,優(yōu)化算法性能,提高運(yùn)算速度。

    (3)采用分段讀取、分段顯示、圖像無(wú)縫拼接技術(shù),減少顯示時(shí)間。

    (4)采用多線程并行處理技術(shù),充分發(fā)揮多核操作系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì),最大限度地提高數(shù)據(jù)處理速度。

    設(shè)計(jì)的系統(tǒng)流程如圖2所示。

    圖2 自適應(yīng)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

    3 算法及系統(tǒng)仿真

    3.1 自適應(yīng)插值算法仿真顯示

    選取實(shí)測(cè)漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)行編好的插值程序,可以得到基于該算法的插值效果,見(jiàn)圖3。同時(shí)選取漏磁信號(hào)波動(dòng)比較大的380~410 mm 的里程作分析,可得到如圖4所示的誤差曲線。

    圖3 分段自適應(yīng)插值效果

    由圖3、圖4可以看出,分段自適應(yīng)插值方法對(duì)原始數(shù)據(jù)追隨穩(wěn)定,誤差較小,其波峰波谷數(shù)值也較為接近,插值曲線比較平滑。通過(guò)計(jì)算得出基于Hermite 插值的三次樣條插值誤差均方值為1.6×10-3,對(duì)比分析前述四種經(jīng)典插值方法,分段自適應(yīng)插值的均方差最理想。而且,可以保證該種方法的運(yùn)行時(shí)間在0.07 s 以?xún)?nèi)。在曲線光滑度、精讀以及海試運(yùn)行時(shí)間上均滿足想要的插值效果。

    3.2 自適應(yīng)成像系統(tǒng)的測(cè)試

    為了檢驗(yàn)系統(tǒng)整體的自適應(yīng)成像效果,分別對(duì)缺陷信號(hào)及管道整體檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn),檢驗(yàn)其自適應(yīng)插值、灰度視圖及偽彩色視圖的顯示效果。大缺陷信號(hào)三種視圖對(duì)比如圖5所示。

    圖5 大缺陷信號(hào)(單峰)三種視圖對(duì)比圖

    從曲線視圖中能清楚看到每個(gè)大缺陷信號(hào)(單峰)中只有一處波峰,插值后曲線視圖進(jìn)一步顯示出了單峰信號(hào)所具有的特點(diǎn);對(duì)應(yīng)的灰度圖峰值處比較白亮,并且較雙峰窄很多,灰度值較低,白色區(qū)域兩側(cè)黑暗,即波谷,對(duì)比度相對(duì)較高,灰色圖效果清楚;而對(duì)應(yīng)的彩色圖的紅顏色代表波峰,黃色表示波谷,雙峰信息清晰可見(jiàn),也能反映出雙峰信號(hào)特點(diǎn)。

    曲線視圖經(jīng)過(guò)放大后(見(jiàn)圖6),其曲線變化與焊縫、缺陷完全對(duì)應(yīng)。同時(shí)在彩色視圖中可以找到焊縫和缺陷的相對(duì)應(yīng)位置,因此,插值后的曲線視圖、灰度視圖和彩色視圖基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊縫、缺陷的準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)。

    圖6 管道整體信號(hào)的三種視圖對(duì)比

    4 結(jié)束語(yǔ)

    本文主要研究了管道漏磁內(nèi)檢測(cè)信號(hào)的自適應(yīng)插值成像方法。對(duì)幾種常見(jiàn)的插值算法進(jìn)行對(duì)比,并設(shè)計(jì)了一種基于三次Hermite 插值的三次樣條插值算法,以此為基礎(chǔ)采取了一種自適應(yīng)分段的插值方法,對(duì)漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行插值等數(shù)據(jù)的預(yù)處理操作,得到更加豐富的漏磁信號(hào)信息,實(shí)現(xiàn)了對(duì)漏磁數(shù)據(jù)的原始曲線顯示以及插值后的曲線顯示,有效提升了缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)的曲線顯示質(zhì)量,對(duì)小缺陷信號(hào)檢測(cè)有較大幫助;設(shè)計(jì)了整個(gè)自適應(yīng)成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)的曲線顯示、簡(jiǎn)單的灰度圖像顯示及偽彩色圖像顯示。

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