一種基于速度閾值的海底管道內(nèi)檢測(cè)器里程修正方法

唐建華1， 宋 通1， 王懷江1， 呼 婧， 李志華

(1.中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司， 天津 300452； 2.北京華航無(wú)線電測(cè)量研究所， 北京 100013)

0 引 言

在某次海管檢測(cè)中，管道內(nèi)檢測(cè)器通過(guò)水壓在海底管道內(nèi)運(yùn)行[1]，水流速度設(shè)置約0.55 m/s[2]，里程按照數(shù)據(jù)采集點(diǎn)個(gè)數(shù)計(jì)算(數(shù)據(jù)行數(shù))[3]。對(duì)照計(jì)算出的里程和管道檢測(cè)信號(hào)中結(jié)構(gòu)件的信號(hào)標(biāo)記結(jié)構(gòu)件的對(duì)應(yīng)位置[4]，計(jì)算每?jī)蓚€(gè)焊縫之間的管節(jié)長(zhǎng)度。管節(jié)應(yīng)為12.5 m左右，但是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的管節(jié)列表卻有過(guò)長(zhǎng)的異?，F(xiàn)象。

針對(duì)里程異常已有相關(guān)的修正方法，例如管道地理坐標(biāo)內(nèi)檢測(cè)的里程校正算法[5]、管道測(cè)繪的數(shù)據(jù)處理及融合方法[6]、里程輪打滑原因分析[7]、管內(nèi)定位技術(shù)的現(xiàn)狀[8]和相關(guān)技術(shù)的研究[9]。本文對(duì)本次檢測(cè)的里程異常提出一種基于速度閾值的里程修正方法，并進(jìn)行詳細(xì)分析與修正。

1 速度分析

發(fā)球筒到收球桶之間的里程范圍內(nèi)有682 274個(gè)采集點(diǎn)，共計(jì)682 274×4=2 729 096個(gè)優(yōu)選里程脈沖幀(1個(gè)采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)4個(gè)里程脈沖幀)。里程輪每轉(zhuǎn)1圈觸發(fā)1個(gè)里程幀[10]，每幀前進(jìn)3.3 mm，發(fā)球筒到收球桶之間的距離按照采集點(diǎn)計(jì)算約9 006.02 m，如圖1所示，結(jié)合時(shí)間信息(見(jiàn)圖2)，可以得到檢測(cè)全程的每2個(gè)采集點(diǎn)之間的速度信息，如圖3所示。

圖1 采集點(diǎn)數(shù)計(jì)算的里程 圖2 時(shí)間信息

觀察里程在5.0～6.0 km處的速度可知：速度平緩處在0.545 m/s左右，范圍在0.4～0.7 m/s，如圖4所示；2.0～4.0 km處以及7.8～8.0 km處的速度在2 m/s左右。

圖3 按照采集點(diǎn)數(shù)解算速度 圖4 里程在5.0～6.0 km處的速度平緩速度值

圖5 原始速度與采集點(diǎn)之間時(shí)間差關(guān)系

本次檢測(cè)器的設(shè)置速度在0.55 m/s左右，由圖4可知速度平緩處為正常的運(yùn)行速度，速度范圍在0.4 ～0.7 m/s，因此設(shè)置0.4 ～0.7 m/s為正常的速度范圍用于后續(xù)相關(guān)計(jì)算。

2 兩個(gè)采集點(diǎn)之間速度與時(shí)間差的關(guān)系

當(dāng)速度在0.4～0.7 m/s之間，通過(guò)1個(gè)采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)的4個(gè)優(yōu)選里程脈沖的里程，結(jié)合采樣頻率的關(guān)系計(jì)算得知：2個(gè)采集點(diǎn)之間的時(shí)間差應(yīng)在19～33 ms。2個(gè)采集點(diǎn)之間的速度與時(shí)間差在同一個(gè)里程處的關(guān)系如圖5所示。

如圖6所示，在里程為2 475 m處，速度加快為2.2 m/s，2個(gè)采集點(diǎn)之間時(shí)間差減小至6 ms。

如圖7所示，在里程為3 517 m處，速度減小為0.23 m/s，2個(gè)采集點(diǎn)之間時(shí)間差增加為57 ms。

圖6 速度過(guò)大與采集點(diǎn)時(shí)間差關(guān)系 圖7 速度過(guò)小與采集點(diǎn)時(shí)間差關(guān)系

從采集點(diǎn)之間的時(shí)間差與速度之間的關(guān)系可以驗(yàn)證：當(dāng)采集點(diǎn)之間時(shí)間差大于33 ms，速度小于0.4 m/s時(shí)，由于里程采樣減慢，數(shù)據(jù)可能丟失；當(dāng)采集點(diǎn)之間時(shí)間差小于19 ms，速度大于0.7 m/s時(shí)，由于里程采樣加快，里程可能異常增加。

3 結(jié)構(gòu)件對(duì)比結(jié)果異常原因

按照采集點(diǎn)計(jì)算的里程，對(duì)照管道檢測(cè)信號(hào)中結(jié)構(gòu)件的信號(hào)，標(biāo)記結(jié)構(gòu)件對(duì)應(yīng)位置，對(duì)824個(gè)檢測(cè)出的結(jié)構(gòu)件里程信息與國(guó)外檢測(cè)器檢測(cè)出的結(jié)構(gòu)件里程信息進(jìn)行比對(duì)。所有結(jié)構(gòu)件按照里程從小到大的順序排列，對(duì)應(yīng)序號(hào)為1～824。

在正常平穩(wěn)運(yùn)行后進(jìn)入直管段，實(shí)際焊縫之間的管節(jié)長(zhǎng)度應(yīng)為12.5 m左右。但是在與國(guó)外檢測(cè)器結(jié)構(gòu)件里程的對(duì)比表中，有多個(gè)序號(hào)對(duì)應(yīng)的管節(jié)長(zhǎng)度出現(xiàn)異常，如表1所示的序號(hào)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)件處的管節(jié)長(zhǎng)度均遠(yuǎn)大于12.5 m。因此，結(jié)構(gòu)件之間的管節(jié)長(zhǎng)度可能出現(xiàn)異常。

為確定這一結(jié)論，按照異常管節(jié)的對(duì)應(yīng)里程，查找圖5中的異常并且判斷數(shù)據(jù)是否丟失(速度過(guò)低)或過(guò)高(里程過(guò)采)。判斷結(jié)果如表1所示。

表1 異常管節(jié)長(zhǎng)度與異常分析列表

第一個(gè)異常管節(jié)序號(hào)為238，出現(xiàn)于在進(jìn)入發(fā)球閥后9 117 s，約152 min，里程距離發(fā)球閥2 134.22 m處。

在管節(jié)長(zhǎng)度異常段，速度也異常，大多有數(shù)據(jù)缺失(速度過(guò)慢)或里程過(guò)采(速度過(guò)大)的情況。序號(hào)為606管段無(wú)速度異常，管節(jié)長(zhǎng)度為25 m左右，可能沒(méi)有數(shù)據(jù)缺失，懷疑少數(shù)了1個(gè)焊縫。

對(duì)比管節(jié)長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)速度范圍在0.4～0.7 m/s，平均速度在0.545 m/s左右時(shí)，管節(jié)長(zhǎng)度在正常范圍內(nèi)。

因此，需對(duì)速度進(jìn)行0.4～0.7 m/s的閾值限制，并且對(duì)超出速度閾值的里程，按照0.545 m/s的預(yù)測(cè)速度進(jìn)行修復(fù)。

4 里程缺失距離估算

速度異常減小會(huì)使里程缺失，造成數(shù)據(jù)缺失。設(shè)置速度下限為0.4 m/s，當(dāng)速度小于0.4 m/s時(shí)，視為里程缺失。

根據(jù)對(duì)平均速度以及里程脈沖數(shù)與采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系計(jì)算得知：當(dāng)速度為0.545 m/s時(shí)，采樣點(diǎn)間的時(shí)間差應(yīng)為24.22 ms；當(dāng)速度達(dá)到下限0.4 m/s時(shí)，采集點(diǎn)間的時(shí)間差達(dá)到上限33 ms。若兩采集點(diǎn)之間時(shí)間差大于33 ms，則視為里程失效，記錄停采時(shí)間的開(kāi)端與結(jié)尾(減去已經(jīng)記錄的采樣點(diǎn)時(shí)間間隔24.22 ms)，得到缺失里程對(duì)應(yīng)的時(shí)間，乘以預(yù)測(cè)速度0.545 m/s，計(jì)算出從發(fā)球端到收球端缺失里程為195.08 m。按照國(guó)外檢測(cè)器的收發(fā)球端間里程9 060.81 m計(jì)算，缺失里程占總里程的2.15%，如表2所示。

表2 停止采集的時(shí)間段與缺失里程長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)一段里程的速度小于0.4 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間段為停采時(shí)間段，這段停采時(shí)間的值為停采時(shí)間結(jié)尾減去停采時(shí)間開(kāi)端。

5 基于速度閾值修正里程

5.1 方法介紹

(1) 當(dāng)速度范圍在0.4～0.7 m/s時(shí)，保留里程相對(duì)變化值。

(2) 當(dāng)速度在正常范圍之外時(shí)，此段里程長(zhǎng)度也是異常的，可用對(duì)應(yīng)變化時(shí)間乘以0.545 m/s的預(yù)測(cè)速度，得到預(yù)測(cè)的里程，進(jìn)行里程相對(duì)變化值的替換。

(3) 將每一段里程相對(duì)變化值進(jìn)行累加，得到修正后里程。

(4) 參數(shù)設(shè)置：

① 設(shè)置計(jì)算速度的采集點(diǎn)間隔，即按照幾個(gè)采集點(diǎn)之間的里程差除以時(shí)間差求速度。采集點(diǎn)間隔可設(shè)置為正整數(shù)：設(shè)置越小，修正越精細(xì)；設(shè)置越大，速度趨于該區(qū)間的平均速度。

② 正常速度的上限、下限預(yù)設(shè)為0.4 m/s和0.7 m/s。

③ 修正后的預(yù)測(cè)速度預(yù)設(shè)為0.545 m/s。

5.2 修正結(jié)果

5.2.1 計(jì)算速度的采集點(diǎn)間隔為1幀

10月15日上午，楚雄某公交公司財(cái)務(wù)人員來(lái)楚雄市開(kāi)發(fā)區(qū)支行辦理小面額存款業(yè)務(wù)，網(wǎng)點(diǎn)工作人員看到堆得像小山似的6萬(wàn)元零鈔時(shí)，無(wú)懼臟和累，齊心協(xié)力，積極為客戶服務(wù)，從整點(diǎn)，挑凈，墩齊，扎把到續(xù)存等操作用時(shí)兩個(gè)半小時(shí)，準(zhǔn)確無(wú)誤、高效完成了這筆存款業(yè)務(wù)。開(kāi)發(fā)區(qū)支行員工高度的責(zé)任心，貼心的服務(wù)，維護(hù)了金融消費(fèi)者對(duì)工行的忠誠(chéng)度、深化了銀企情感紐帶、夯實(shí)了銀企合作基礎(chǔ)，深得客戶好評(píng)。

計(jì)算速度的采集點(diǎn)間隔為1幀，代表計(jì)算速度時(shí)采用2個(gè)采集點(diǎn)之間的里程差除以時(shí)間差。修正后里程如圖8所示，里程修正為9 062.47 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如圖9所示。

圖8 采集點(diǎn)間隔為1幀修正后里程 圖9 采集點(diǎn)間隔為1幀修正后速度結(jié)果

5.2.2 計(jì)算速度的采集點(diǎn)間隔為2幀

計(jì)算速度的采集點(diǎn)間隔為2幀，代表計(jì)算速度時(shí)采用3個(gè)采集點(diǎn)之間的里程差除以時(shí)間差。修正后里程如圖10所示，里程修正為9 062.18 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如圖11所示。

圖10 采集點(diǎn)間隔為2幀修正后里程 圖11 采集點(diǎn)間隔為2幀修正后速度結(jié)果

5.2.3 計(jì)算速度的采集點(diǎn)間隔為5幀

計(jì)算速度的采集點(diǎn)間隔為5幀，代表計(jì)算速度時(shí)采用6個(gè)采集點(diǎn)之間的里程差除以時(shí)間差。修正后里程如圖12所示，里程修正為9 071.65 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如圖13所示。

圖12 采集點(diǎn)間隔為5幀修正后里程 圖13 采集點(diǎn)間隔為5幀修正后速度結(jié)果

5.2.4 計(jì)算速度的采集點(diǎn)間隔為10幀

計(jì)算速度的采集點(diǎn)間隔為10幀，代表計(jì)算速度時(shí)采用11個(gè)采集點(diǎn)之間的里程差除以時(shí)間差。修正后里程如圖14所示，里程修正為9 081.72 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如圖15所示。

圖14 采集點(diǎn)間隔為10幀修正后里程 圖15 采集點(diǎn)間隔為10幀修正后速度結(jié)果

5.3 結(jié)構(gòu)件里程修正結(jié)果

在不同采集點(diǎn)間隔下，設(shè)置速度閾值進(jìn)行里程修正后，異常管節(jié)長(zhǎng)度的修正結(jié)果如表3所示。

表3 異常管節(jié)按照速度閾值修正結(jié)果

從上述結(jié)論可知，本次檢測(cè)缺失了18個(gè)管節(jié)信息，即缺失了18個(gè)焊縫信息。

5.4 采集點(diǎn)間隔的選擇

從表3可以看出，不同采集點(diǎn)間隔下的修正后管節(jié)長(zhǎng)度相差較小，但仍有差距，并且總里程也有10～20 m的區(qū)別。因此，分析并選擇合適的采集點(diǎn)間隔，可使里程和管節(jié)長(zhǎng)度被修回至最接近準(zhǔn)確值。

從圖16可以看出，在速度超出0.4～0.7 m/s范圍內(nèi)時(shí)，不同采集點(diǎn)間隔計(jì)算得到的速度異常區(qū)域的速度差別較大。

圖16 按照不同采集點(diǎn)間隔計(jì)算的速度

1 976～3 800 m處的異常速度如圖17所示。7 640～7 780 m處的異常速度如圖18所示。可以看出：當(dāng)采集點(diǎn)間隔為5幀或10幀時(shí)，許多超速的里程被平均至正常范圍內(nèi)，速度閾值沒(méi)有起作用，修正后里程可能比實(shí)際大；采集點(diǎn)間隔為2幀時(shí)，雖然每點(diǎn)的速度有變化，但是幾乎并沒(méi)有影響速度異常的判斷，因此對(duì)里程修正結(jié)果影響不大。

圖17 1 976～3 800 m段的速度

圖18 7 640～7 780 m段的速度

經(jīng)過(guò)第1 976～3 800 m里程的修正，與采集點(diǎn)間隔為1幀時(shí)相比，采集點(diǎn)間隔為2幀時(shí)的修正結(jié)果減少了0.4 m，采集點(diǎn)間隔為5幀時(shí)的修正結(jié)果增加7.48 m，采集點(diǎn)間隔為10幀時(shí)的修正結(jié)果增加16.86 m。

經(jīng)過(guò)第7 640～7 780 m里程的修正，與采集點(diǎn)間隔為1幀時(shí)相比，采集點(diǎn)間隔為2幀時(shí)的修正結(jié)果減少了0.40 m，采集點(diǎn)間隔為5幀時(shí)的修正結(jié)果增加了8.75 m，采集點(diǎn)間隔為10幀時(shí)的修正結(jié)果增加了18.65 m。

圖19 經(jīng)過(guò)周向角修正后的里程

綜上所述：當(dāng)采集點(diǎn)間隔為1幀或2幀時(shí)，里程修正結(jié)果只有0.40 m的差別；當(dāng)采集點(diǎn)間隔為5幀或10幀時(shí)，里程修正受平均速度影響，誤差較大，不予以采用。當(dāng)采集點(diǎn)間隔為1幀時(shí)，每2個(gè)采集點(diǎn)之間的速度異常定位較準(zhǔn)確，按照速度閾值進(jìn)行里程修正也較準(zhǔn)確，因此后續(xù)采用采集點(diǎn)間隔為1幀的結(jié)果。

5.5 加入基于周向角的里程修正

檢測(cè)器在管道內(nèi)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此時(shí)里程輪記錄的距離大于實(shí)際管道的切向長(zhǎng)度。因此，需要首先結(jié)合周向角對(duì)里程進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行基于速度閾值的修正。周向角修正后，選取采集點(diǎn)間隔為1幀，修正的里程如圖19所示，與未進(jìn)行周向角修正時(shí)的9 062.47 m相比，減小3.9 m，周向角修正后里程為9 058.57 m。

6 異常管節(jié)修正前后里程與國(guó)外檢測(cè)器檢測(cè)結(jié)果對(duì)照

將修正后異常管段的里程與國(guó)外檢測(cè)器檢測(cè)的里程結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)修正后異常管段的里程與國(guó)外檢測(cè)器的檢測(cè)里程結(jié)果吻合度很高，誤差不到2 m。如表4所示，共計(jì)18個(gè)管節(jié)漏檢，對(duì)應(yīng)的18個(gè)焊縫漏檢均可以從數(shù)量上和位置上對(duì)應(yīng)。

表4 異常管節(jié)修正后里程與國(guó)外檢測(cè)器檢測(cè)結(jié)果對(duì)照表

從表4可以看出，修正后的異常管段的里程起始或終止里程誤差最大為1.49 m，異常管段長(zhǎng)度誤差最大為0.65 m，位于序號(hào)666處，此處實(shí)際包含14根管節(jié)。

通過(guò)限制速度范圍，將管節(jié)的里程修回12.5 m的正常水平或12.5 m的倍數(shù)，發(fā)現(xiàn)缺失焊縫信息18個(gè)。另外國(guó)外檢測(cè)器共統(tǒng)計(jì)出12.5 m左右的管節(jié)焊縫701個(gè)，本次檢測(cè)共檢測(cè)出焊縫683個(gè)，正好統(tǒng)計(jì)出18個(gè)缺失焊縫，缺失的焊縫位置與數(shù)量均可與國(guó)外檢測(cè)器對(duì)應(yīng)。

7 結(jié) 論

查找識(shí)別的異常管節(jié)長(zhǎng)度的原因，對(duì)比異常管節(jié)里程區(qū)域速度與采集點(diǎn)的時(shí)間差，發(fā)現(xiàn)里程存在數(shù)據(jù)缺失或過(guò)采現(xiàn)象。限制正常管段的速度范圍為0.4 ～0.7 m/s，將異常管段中的異常速度修正回0.545 m/s，可將異常管段的里程修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)整體里程的修復(fù)。得出結(jié)論如下：

(1) 對(duì)比發(fā)球筒與收球桶之間的里程，采集點(diǎn)計(jì)算出9 017.13 m，修正后的里程約為9 058.57 m，國(guó)外檢測(cè)器檢測(cè)的距離為9 060.81 m。修正后的收發(fā)球筒間里程與國(guó)外檢測(cè)器里程相差2.24 m，占總里程0.025%。

(2) 按照0.4 m/s速度以下視為里程缺失，收發(fā)球筒之間里程缺失約195.08 m，占總里程的2.15%。