長輸管道多通道變形檢測設(shè)備軟件系統(tǒng)研究

趙 鵬， 管 鑫， 曹 雷， 楊 煥

（1.中油管道檢測技術(shù)有限責(zé)任公司， 河北 廊坊 065000； 2.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京100044）

0 引言

油氣輸送管道會因長期運(yùn)營而產(chǎn)生變形、 腐蝕及焊縫開裂等缺陷問題，從而導(dǎo)致泄露、堵塞等事故，甚至引發(fā)嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，造成人員傷亡及巨大的經(jīng)濟(jì)損失，亟待對運(yùn)營管道進(jìn)行檢測，消除隱患[1]。 通過專用設(shè)備進(jìn)行變形檢測是隱患早期排查的主要技術(shù)手段， 其沿圓周方向布置有多個(gè)傳感器， 傳感器測得的數(shù)值反映了管道的變形信息。 檢測器在管道內(nèi)運(yùn)動[2]，每隔一定距離傳感器測量一組數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、位移、檢測器角度等形成了海量的檢測數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)自動分析處理，通過真實(shí)檢測出管道存在的各種缺陷、 幾何變形及其準(zhǔn)確位置并給出定量描述[3]，從而為管道的安全評價(jià)與完整性管理提供依據(jù)。因此開發(fā)完善的管道變形檢測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)， 對于提高變形檢測的精度和效率，具有重要意義。 本文針對變形檢測數(shù)據(jù)分析和分析系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行了系統(tǒng)研究， 開發(fā)了多通道變形檢測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)， 完成了變形數(shù)據(jù)的預(yù)處理、分析識別和圖形顯示，為離線管道缺陷分析提供強(qiáng)有力的工具。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

編制一個(gè)能夠?qū)艿雷冃螜z測器檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀入，處理，顯示，分析，自動識別管道變形信息和結(jié)果輸出的多通道數(shù)據(jù)分析軟件。 該軟件不僅具有數(shù)據(jù)顯示功能，還包括環(huán)焊縫、凹陷、彎頭、法蘭、三通等特征的增加、刪除、調(diào)整操作。 提供文件列表的形式[5]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要包括六個(gè)功能模塊。 其總體框架設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.3 系統(tǒng)主流程的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主流程的設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 系統(tǒng)流程圖

1.4 計(jì)算機(jī)軟硬件需求

（1）操作系統(tǒng)：Windows 8、Internet Explorer 11.0 及其以上版本。

（2）應(yīng)用軟件：MicrosoftSQL，Office2010 及其以上版本。

（3）數(shù)據(jù)庫：Microsoft SQL Server 2008 簡體中文版。

（4）用戶權(quán)限：用戶必須處于Power User 或者Administrator 或者以上權(quán)限組中， 普通的User、Guest 權(quán)限使用本軟件時(shí)可能會出現(xiàn)異常。

（5）硬件系統(tǒng)：最低配置：I5 處理器，內(nèi)存4G 以上。

（6）開發(fā)環(huán)境：Visual Studio 2010 C#。

2 管道內(nèi)主要特征區(qū)塊識別算法

為實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)凹陷、環(huán)焊縫、三通等特征的自動識別需要一套縝密的算法。

（1）管壁凹陷是最常見的管道形變[3]，管道凹陷可定義為一個(gè)差異于基準(zhǔn)點(diǎn)的“連續(xù)”的采樣點(diǎn)集，點(diǎn)集中最大值與基準(zhǔn)值之差為凹陷的最大深度， 而凹陷發(fā)生的寬度可計(jì)算為周向點(diǎn)集中邊界點(diǎn)所對應(yīng)的檢測探頭間夾角所對應(yīng)的弧長。 而長度取決于軸向點(diǎn)集中對應(yīng)的最小和最大采樣時(shí)刻所對應(yīng)的位移差。

（2）三通反映在檢測器數(shù)據(jù)上的變化正好與凹陷相反，三通的特征包括三通發(fā)生的周方位、三通長和三通寬，其分析算法和凹陷同理，不再贅述。

（3） 環(huán)焊縫可定義為一個(gè)周向上連續(xù)凹陷的點(diǎn)的集合。

圖3 凹陷俯視圖

3 功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 用戶管理

包括添加、刪除、修改用戶功能，涉及到用戶名稱，權(quán)限。 普通用戶可以添加普通用戶和修改用戶信息及密碼，只用系統(tǒng)用戶才能夠刪除用戶、添加管理員用戶，見圖4。

3.2 工程管理

圖4 用戶登錄及管理

（1）新建工程。新建工程時(shí)，輸入工程編號、工程名稱、 里程輪直徑、脈沖數(shù)、前后排探頭偏差、AGM 偏差、焊縫閾值、缺陷閾值等必要信息，再選擇標(biāo)定文件和主數(shù)據(jù)文件之后，即可創(chuàng)建一個(gè)新的工程。

（2）打開工程。 可以從現(xiàn)有工程列表中選擇任意工程打開，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。

（3）備份工程。 將分析處理完成后的數(shù)據(jù)庫文件及主數(shù)據(jù)文件備份到某一個(gè)指定的位置， 備份后系統(tǒng)會提示是否刪除工程。

（4）刪除工程。 刪除指定的工程，用復(fù)選框決定是否同時(shí)刪除相關(guān)的數(shù)據(jù)文件。

（5）恢復(fù)工程。 將某一工程數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)庫文件恢復(fù)到指定的位置。

3.3 檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)入及轉(zhuǎn)換

將檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)， 轉(zhuǎn)換為適合軟件進(jìn)行處理的形式，包括主數(shù)據(jù)導(dǎo)入、標(biāo)定數(shù)據(jù)導(dǎo)入、跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、mapping 數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

3.4 檢測數(shù)據(jù)圖形顯示

系統(tǒng)包括三種顯示模式：曲線顯示、灰度顯示和偽彩色顯示。三種視圖之間的顯示是同步的。通過選擇不同的瀏覽速度，可實(shí)現(xiàn)視圖的向前或向后自動滾屏顯示。 通過設(shè)置里程或時(shí)間值，視圖可以自動跳轉(zhuǎn)到指定位置處。

（1）曲線顯示。將主通道變形信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為曲線圖，正常管道的圖形顯示為平滑的直線， 異常情況的圖形為波動的曲線，如圖5 所示。 在主視圖左邊緣顯示屏幕中心位置所對應(yīng)的周向在縮放、拖拽、滾動時(shí)周向?qū)崟r(shí)響應(yīng)變化。 主視圖可以拖拽；可以在水平、垂直方向縮放；可以切換為灰度圖、偽彩色圖、三維圖。所有人工分析操作均基于此視圖進(jìn)行，環(huán)焊縫、腐蝕缺陷、管道附屬物等特征以不同的符號在視圖中進(jìn)行標(biāo)注。

圖5 數(shù)據(jù)曲線顯示

（2）灰度顯示。 灰度圖是將檢測到的MFL 數(shù)據(jù)用不同的灰度等級進(jìn)行顯示， 所體現(xiàn)的管道特征信息非常直觀、清晰，便于分析人員進(jìn)行分析和處理。 首先計(jì)算各個(gè)通道的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)， 將各個(gè)變形檢測探頭檢測到的變形數(shù)據(jù)與對應(yīng)通道的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比， 根據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的偏差大小生成確定灰度的變化量，形成最初的灰度值；其次進(jìn)行插值、圖像平滑處理生成灰度圖并顯示。

（3）偽彩色顯示。偽彩色處理是一種圖像增強(qiáng)處理手段，它是將圖像中的黑白灰度級變成不同的彩色，可以更加清晰的反映出腐蝕缺陷、環(huán)焊縫等管道特征，更容易為人眼所識別。首先獲得管道變形數(shù)據(jù)對應(yīng)的灰度圖，由灰度值分別計(jì)算紅色、綠色、藍(lán)色分量，然后將三色融合為一幅偽彩色圖。

3.5 檢測數(shù)據(jù)分析

圖6 自動識別

（1）自動分析操作：在數(shù)據(jù)分析窗口中，輸入起始里程和截止里程后，點(diǎn)擊分析按鈕便可執(zhí)行自動分析功能。在分析過程中不能中斷，等待進(jìn)度條運(yùn)行至滿，會彈出提示窗口表示分析完畢，如圖6 所示。

（2）人工分析操作。 人工分析操作包含數(shù)據(jù)自動分析后修改數(shù)據(jù)庫的所有人工操作。進(jìn)行人工分析前， 必須先打開一個(gè)工程， 并打開這個(gè)工程中的數(shù)據(jù)文件。 使用菜單【文件】中的【打開工程】命令可以打開一個(gè)已經(jīng)存在的工程。

環(huán)焊縫操作包括：添加環(huán)焊縫、刪除環(huán)焊縫和調(diào)整環(huán)焊縫。

添加環(huán)焊縫操作可以增加一個(gè)沒有自動識別的環(huán)焊縫。該操作創(chuàng)建并保存新增加的環(huán)焊縫的數(shù)據(jù)，并且更改數(shù)據(jù)庫中的記錄。

增加環(huán)焊縫的操作方法如下：使用鼠標(biāo)在視圖的“曲線圖”中標(biāo)記出需要添加環(huán)焊縫的位置，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵的增加特征或者是點(diǎn)擊菜單欄里面的增加特征標(biāo)志。 確定需要添加環(huán)焊縫的起始位置，然后按下鼠標(biāo)左鍵，出現(xiàn)增加特征對話框，如圖7 所示。 若確定的位置不對，可以重新執(zhí)行上一步操作。 在“尋找特征”對話框中填寫信息，按下“添加特征”控件即可完成環(huán)焊縫的添加操作。 添加環(huán)焊縫操作成功后，自動打開并顯示新添加的環(huán)焊縫所在文件。

刪除環(huán)焊縫操作可以刪除自動分析出來的環(huán)焊縫。 該操作會對刪除的焊縫數(shù)據(jù)文件進(jìn)行合并刪除，并且會自動更改數(shù)據(jù)庫中的記錄。 刪除環(huán)焊縫方法如下：在需要刪除的焊縫上面雙擊鼠標(biāo)左鍵來刪除，添加、刪除凹陷等特征方法和上面添加環(huán)焊縫方法相同。只是在類型里面選擇凹陷或者相應(yīng)的特征。

圖7 特征增加操作對話框

3.6 分析成果管理及報(bào)告

通過自動分析功能及數(shù)據(jù)分析員的人工添加， 所有識別出的特征信息都存入進(jìn)數(shù)據(jù)庫， 并通過管道特征信息表顯示出來。 最終分析結(jié)果需要以報(bào)表形式向業(yè)主提交，故需要輸出檢測數(shù)據(jù)分析結(jié)果。檢測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果是同過調(diào)用Microsoft Office 的Excel.dll 動態(tài)庫，創(chuàng)建Excel 文檔， 并將檢測數(shù)據(jù)分析結(jié)果按格式導(dǎo)入Excel 文檔中，最終形成工程結(jié)果報(bào)表。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過分析多通道變形檢測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及自動分析與人工分析的具體要求，進(jìn)行總結(jié)和設(shè)計(jì)，采用C# 語言開發(fā)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能， 同時(shí)應(yīng)用SQL Server2008 數(shù)據(jù)庫對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和管理。

5 結(jié)論

本文依據(jù)多通道管道變形檢測器的工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)，提出了一套數(shù)據(jù)處理和特征分析方法，并給出了軟件實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)算法。現(xiàn)場應(yīng)用表明，本文方法可以高精度地識別管道的凹陷、三通、環(huán)焊縫等特征結(jié)構(gòu)。 最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能夠?qū)艿雷冃螜z測器檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀入，處理，顯示，分析，自動識別管道變形信息和結(jié)果輸出的多通道數(shù)據(jù)分析軟件。 達(dá)到使用方便，功能強(qiáng)大，最大程度降低分析人員勞動強(qiáng)度的要求，符合工程需求。