基于機器視覺的燃氣管道泄漏點故障定位方法

陸 媛

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，四川成都 610000)

0 引言

管道平穩(wěn)連續(xù)、運輸量大、運輸質(zhì)量高、液體和氣體損失少[1]，成為液體和氣體的主要運輸方式[2]。由于燃氣管道泄漏故障形式和介質(zhì)具有多樣性特點，國內(nèi)外對于燃氣管道泄漏故障定位[3]，并未研究出特別有效的方法[4]。文獻[5]采用高精度的儀器儀表，建立管道及管道中流體的回歸模型，統(tǒng)計管道及管道中流體的壓力梯度序列，以此判斷管道是否存在泄漏故障，當發(fā)現(xiàn)燃氣管道存在故障時，利用SCADA系統(tǒng)，分析管道數(shù)據(jù)，確定管道故障位置[6]，但該方法極易受到工況條件影響，導致定位燃氣管道泄漏點角度偏差較大。文獻[7]建立管道模型，通過仿真試驗的方式，從頻域的角度分析定位管道泄漏故障，該方法雖然提高了計算速度，但存在信息丟失的問題，導致定位燃氣管道泄漏點角度偏差較大。面對上述問題，引入機器視覺技術(shù)，標記燃氣管道泄漏點故障，提高燃氣管道泄漏點故障定位精度，提出基于機器視覺的燃氣管道泄漏點故障定位方法。

1 燃氣管道泄漏點故障定位方法

1.1 檢測燃氣管道泄漏故障

(1)

式中：i為任意尺度；γi為第i個尺度下的小波系數(shù)；n為小波系數(shù)總數(shù)。

根據(jù)此次確定的小波函數(shù)，針對壓力信號ψ(t)進行小波變換：

(2)

式中：A為小波尺度；t為時間，s；dt為時間t的屬性；gAt為高斯函數(shù)。

根據(jù)式(2)所示的壓力信號小波變換公式，當小波尺度A>0，則|Hψ|為

(3)

根據(jù)燃氣管道泄漏故障原理可知，只有燃氣管道發(fā)生故障時，燃氣管道兩側(cè)才會產(chǎn)生壓力信號，因此，經(jīng)過小波變換算法計算壓力信號后得出突變點，此突變點指的是燃氣管道的泄漏故障點。但是，燃氣管道存在泄漏故障產(chǎn)生的負壓波是向管道兩側(cè)傳播，所以需要設(shè)定閾值，通過燃氣管道兩端檢測到超過閾值的極大點，才能確定燃氣管道存在泄漏故障[10]。為此，假設(shè)燃氣管道上游的閾值ε1=γ1，下游的閾值ε2=γ2，則燃氣管道的泄漏指標ε=ε1ε2，若燃氣管道某時刻泄漏指標ε的極大值大于小波閾值ε0，就可以判斷燃氣管道存在泄漏故障[11]。

1.2 基于機器視覺標記燃氣管道泄漏范圍

當采用小波變換算法檢測燃氣管道，判斷其存在泄漏故障時，采用機器視覺系統(tǒng)，采集燃氣管道圖像，其圖像采集原理，如圖1所示。

圖1 燃氣管道圖像采集原理

從圖1中可以看出，機器視覺系統(tǒng)在攝像機光源和鏡頭的作用下，拍攝燃氣管道圖像，通過圖像采集卡，將燃氣管道圖像存儲至計算機中，此時，需要根據(jù)機器視覺顯著性，標記燃氣管道泄漏點范圍[12]。

機器視覺技術(shù)根據(jù)圖像經(jīng)常出現(xiàn)的特征抑制問題，采用有效編碼將燃氣管道圖像信息O分為顯著信息O1和冗余信息O2兩部分：

O=O1+O2

(4)

式中O2在圖像領(lǐng)域，可以反映圖像的統(tǒng)計不變特性，而這種特性遵循圖像轉(zhuǎn)換規(guī)律[13]。

因此，采用頻域描繪圖像空間信息，則有：

(5)

根據(jù)式(5)所示的圖像變換規(guī)則，可以得到圖像的log譜。然而，由于圖像的log譜具有很相似的曲線形狀，需要對其進行均值濾波處理，則有：

U=P·hn

(6)

式中：hn為濾波算子；n為濾波算子的大小；P為未經(jīng)過均值濾波處理的原log譜；U為P經(jīng)過均值濾波處理后的log譜[14]。

根據(jù)上述計算得到的P和U，可以獲得譜殘差R=U-P。在此條件下，所得到的R中含有燃氣管道圖像的顯著信息，為此，假設(shè)空間域的顯著圖為S；傅里葉變換操作后的相位為φ；燃氣管道圖像的顯著圖S為

S=|E-1[exp(R+iφ)]|2

(7)

式中：i為虛數(shù)單位；E-1為傅里葉反變換。

此時，由式(7)得到燃氣管道圖像的顯著圖，即為機器視覺系統(tǒng)標記燃氣管道泄漏大致范圍，但是，沒有精確到燃氣管道泄漏點，為此建立故障定位模型定位燃氣管道泄漏點[15]。

1.3 建立故障定位模型定位燃氣管道泄漏點位置

在機器視覺標記的燃氣管道泄漏范圍基礎(chǔ)上，采用PNN層次模型，建立故障定位模型，如圖2所示。X為模型中的輸入樣本；i為任意一個輸入層；k為輸入層總數(shù)；W為模式樣本向量；s為模型輸出層總數(shù)；m為向量維數(shù)；Y為模型輸出層；j為任意一個輸出層。

圖2 故障定位模型

Yj=X·Wm

(8)

按照上述確定燃氣管道故障點位置方法，需要依據(jù)Parzen方法求和估計各類的概率p：

(9)

式中:XT為矩陣轉(zhuǎn)置；fl為模型模式層分類模式；l為分類模式任意層；Q為待識別樣本數(shù)量；n為分類模式的數(shù)量[16]。

將上述計算過程，全部代入圖2所示的故障定位模型中，模型輸出層即可輸出燃氣管道泄漏點位置，從而得到燃氣管道精確泄漏點位置。

2 試驗分析

選擇2組傳統(tǒng)故障定位方法，選擇常用的燃氣管道進行試驗研究，以對比試驗的方式，驗證此次研究的燃氣管道泄漏點故障定位方法。比較3組燃氣管道泄漏點故障定位方法，定位燃氣管道泄漏點角度偏差。

2.1 試驗準備

此次試驗選擇的燃氣管道如圖3所示，將其分為閥門和補償器兩段，代表一個小型的燃氣管道。

圖3 試驗用燃氣管道示意圖

燃氣管道長、寬、厚分別為1、1.5、2.5 m，由5A06鎂鋁合金制成。根據(jù)此次試驗選擇的燃氣管道，采用試驗用棉氈和卷尺，制造的燃氣管道漏點如圖4所示。

圖4 燃氣管道泄漏點

基于圖4所示3種燃氣管道泄漏點，在此次試驗選擇的燃氣管道壁面中心點，建立象限坐標(x,y)。從圖4中可以看出，3個燃氣管道泄漏點在象限坐標(x,y)的不同象限中，所處角度不同。因此，根據(jù)燃氣管道泄漏點所處坐標系距離，采用3種方法，定位燃氣管道泄漏點角度。

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 第1組試驗結(jié)果

基于此次試驗設(shè)置的試驗參數(shù)，采用3組定位方法，分別定位泄漏點C在象限坐標(x,y)上的角度。在此次試驗中，設(shè)置的泄漏點C角度為256°，泄漏點C角度定位結(jié)果如圖5所示。

圖5 泄漏點C角度定位結(jié)果

從圖5中可以看出，當燃氣管道泄漏直徑為2.0 mm時，兩組傳統(tǒng)方法定位泄漏點C角度，都與設(shè)置角度相差0.5°，角度偏差較?。谎芯糠椒ǘㄎ恍孤cC角度與實際角度一致?？梢姡芯糠椒ǘㄎ恍孤cC角度偏差較兩組傳統(tǒng)方法小0.5°。

2.2.2 第2組試驗結(jié)果

在第1組試驗基礎(chǔ)上，采用3組定位方法，分別定位泄漏點B在象限坐標(x,y)上的角度。在此次試驗中，設(shè)置的泄漏點B角度為20°，泄漏點B角度定位結(jié)果如圖6所示。

圖6 泄漏點B角度定位結(jié)果

從圖6中可以看出，在燃氣管道泄漏直徑為1.5 mm時，通過2組傳統(tǒng)方法定位泄漏點B的角度，都與實際角度相差4.5°，角度偏差較大，定位燃氣管道泄漏點B準確度較低；研究方法定位泄漏點B角度依然與實際角度一致。可見，研究方法定位泄漏點B角度偏差較兩組傳統(tǒng)方法小4.5°。

2.2.3 第3組試驗結(jié)果

在第1組試驗基礎(chǔ)上，采用3組定位方法，分別定位泄漏點A在象限坐標(x,y)上的角度。在此次試驗中，設(shè)置的泄漏點A角度為120°，泄漏點A角度定位結(jié)果如圖7所示。

圖7 泄漏點A角度定位結(jié)果

從圖7中可以看出，當燃氣管道泄漏直徑為1.0 mm時，傳統(tǒng)方法1定位泄漏點A角度與實際角度相差25°，角度偏差大，定位燃氣管道泄漏點A準確度低；傳統(tǒng)方法2定位泄漏點A角度與實際角度相差20.6°，角度偏差大，定位燃氣管道泄漏點A準確度低；研究方法定位泄漏點A角度仍然與實際角度一致?？梢?，研究方法定位泄漏點A角度偏差比兩組傳統(tǒng)方法小。

綜合上述3組試驗結(jié)果可知，2組傳統(tǒng)方法定位燃氣管道泄漏點角度，泄漏直徑越小，定位角度偏差越大。2組傳統(tǒng)方法定位泄漏點角度，受到泄漏直徑影響較大；文中研究方法則不受泄漏直徑影響，定位泄漏點角度與實際角度一致，定位泄漏點位置精準[16]。

3 結(jié)束語

綜上所述，此次研究燃氣管道泄漏點故障定位方法，充分利用機器視覺技術(shù)，標記燃氣管道泄漏范圍，從而提高燃氣管道泄漏點定位精度。在今后的研究中，還需要深入研究小波算法的魯棒性和收斂速度，進一步提高小波算法的容錯性。