CN103245282B - 一种油气管道环焊缝识别定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气管道环焊缝识别定位方法，上位机获取焊缝位置归一化序列和每层小波分解系数，对每层小波分解系数取平方做和，得小波序列；计算两个焊缝之间的磁场平均采样点数；通过小波序列和磁场平均采样点数获取拟合结果函数，根据预设规则进行峰值检测；将所有焊缝出现的时刻按先后顺序排列获取焊缝定位时刻序列，并作归一化处理得到归一化焊缝定位时刻序列；对归一化焊缝定位时刻序列进行补充遗漏焊缝时刻的处理；对归一化焊缝位置序列进行剔除多余错误识别焊缝位置的处理。本方法不需要与管壁接触，对内检测器的运动状态无特殊要求，与输运的油品种类无关，应用方便灵活；通过对遗漏和错误识别的焊缝进行特殊处理，识别率可达100%。

Description

一种油气管道环焊缝识别定位方法

技术领域

本发明涉及管道信号处理领域，特别涉及一种油气管道环焊缝识别定位方法。

背景技术

管道内检测器能够在管道运行的状态下检测出管道缺陷并对缺陷进行定位，对保证管道安全运行具有重要作用。由于管道内检测器测量的管道缺陷同管道（内检测器）位置一一对应，必须准确知道每一时刻管道内检测器的位置。目前管道内检测器常用的定位方法，如里程轮法和捷联惯导方法等，都需要地面标记装置进行辅助定位以消除累计误差，使用不便。

由于管道环焊缝处的表面形状和内部的晶相结构的特殊性，其声阻抗和电磁阻抗与管道其余处存在很大不同，理论上可以采用涡流、超声等主动式无损检测设备来识别和定位焊缝。但是，这两种主动式方法均需要激励装置，功耗比较大，通常需要与管壁特殊配合，结构也比较复杂，使用起来十分不便。此外，对于气体或成品油输运管道，还可考虑使用光学传感器检测焊缝，但价格比较昂贵，且对油品的透明度有很高的要求，很不实用。

发明内容

本发明提供了一种油气管道环焊缝识别定位方法，本发明不需要激励装置，降低了功耗和定位成本，扩大了应用范围，详见下文描述：

一种油气管道环焊缝识别定位方法，所述方法包括以下步骤：

1）将三分量磁传感器固定在管道内检测器里的任意位置，获取管道中的磁场信号，并将所述磁场信号传输至上位机；

2）所述上位机计算每个焊缝出现的位置序列，并获取焊缝位置归一化序列；

3）计算每一点磁场总量序列并进行M层连续小波变换，获取每层小波分解系数，对所述每层小波分解系数取平方做和，得小波序列；

4）计算两个焊缝之间的磁场平均采样点数E；

5）通过所述小波序列和所述磁场平均采样点数E获取拟合结果函数，并求取一阶导数和二阶导数，根据预设规则进行峰值检测，峰值出现的时刻即焊缝出现的时刻；

6）将所有焊缝出现的时刻按先后顺序排列获取焊缝定位时刻序列，并作归一化处理得到归一化焊缝定位时刻序列；

7）对所述归一化焊缝定位时刻序列进行补充遗漏焊缝时刻的处理；

8）对所述归一化焊缝位置序列进行剔除多余错误识别焊缝位置的处理。

所述上位机计算每个焊缝出现的位置序列，并获取焊缝位置归一化序列的步骤具体为：

1）从施工资料里读取焊缝编号和每节管道长度，得每节管道长度序列{l_i|i=1,2,…,A}，A为管道个数；

2）计算每个焊缝出现的位置补充s₀=0至{s_a}得焊缝位置序列{s_b|b=0,1,2,…,A}，A为管道个数；

3）将焊缝位置序列{s_b}中的每一元素除以最后一个焊缝出现位置s_A，得焊缝位置归一化序列{s_c|c=0,1,2,…,A}。

所述通过所述小波序列{D_j}和所述磁场平均采样点数E获取拟合结果函数的步骤具体为：

按先后顺序，每E个磁场平均采样点数分割为一组，对小波序列{D_j}中的第k个数组子集{D_j}_k做二次多项式的最小二乘拟合，得拟合结果函数{y=at²+bt+c,a≠0}_k，a,b,c为待定系数。

所述预设规则具体为同时满足以下三个函数式，即

{y=2at+b,a≠0}_k=0

{y=2a,a≠0}_k<0

${\{y={\mathrm{at}}^2+\mathrm{bt}+c|t=-\frac{b}{2a},a\&NotEqual;0\}}_k>\frac{1}{E}\underset{j=\mathrm{kE}-E}{\overset{\mathrm{kE}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_j.$

所述对所述归一化焊缝定位时刻序列{t_q}进行补充遗漏焊缝时刻的处理的步骤具体为：

预设参数w∈{s_c}，在归一化焊缝定位时刻序列{t_q}中查找与参数w相邻的归一化尖峰时刻t_r和t_r+1，即使得t_r≤w≤t_r+1；若或则{t_q}不变；否则补充参数w到{t_q}内；其中，α为补充阈值。

所述对归一化焊缝位置序列{s_c}进行剔除多余错误识别焊缝位置的处理的步骤具体为：

预设参数h∈{t_q}，在归一化焊缝位置序列{s_c}中查找与参数h相邻的归一化焊缝位置s_u和s_u+1，即使得s_u≤h≤s_u+1；若或则{t_q}不变；否则从{t_q}里剔除参数h；其中，β为剔除阈值。

本发明提供的技术方案的有益效果是：通过对管道内磁场信号进行数据处理，针对不同的管道内磁场特点，选择合适的小波进行连续小波变换，对环焊缝处磁场断点进行增强并采用二次多项式项拟合的方法对焊缝处磁场突变信号进行识别和定位，从而实现对管道环焊缝的识别和定位，具有以下优点：

1）本方法不需要与管壁接触，对内检测器的运动状态无特殊要求，与输运的油品种类无关，应用方便灵活；

2）环焊缝综合识别率较高，通过对遗漏和错误识别的焊缝进行特殊处理，识别率可达100%；

3）环焊缝定位精度高，定位误差小于0.1m，且降低了功耗和定位成本，扩大了应用范围。

附图说明

图1为管道内磁场现场检测数据的示意图；

图2为利用bior1_3小波识别并定位焊缝效果的示意图；

图3为本发明提供的油气管道环焊缝识别定位方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了降低功耗和定位成本，扩大应用范围，本发明实施例提供了一种油气管道环焊缝识别定位方法，参见图3，详见下文描述：

101：将三分量磁传感器固定在管道内检测器里的任意位置，获取管道中的磁场信号，并将磁场信号传输至上位机；

该步骤的详细操作为：将三分量磁传感器固定在管道内检测器里的任意位置，将内检测器投管巡检，测量管道内磁场，巡检完毕，将内检测器记录的磁场信号下载到上位机，进行数据处理。

其中，本发明实施例对三分量磁传感器和管道内检测器的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可，例如：管道内检测器可以为柱形内检测器或球形内检测器等。

102：上位机计算每个焊缝出现的位置序列{s_b}，并获取焊缝位置归一化序列{s_c}；

该步骤的详细操作为：

1）从施工资料里读取焊缝编号和每节管道长度，得每节管道长度序列{l_i|i=1,2,…,A}，A为管道个数；

2）计算每个焊缝出现的位置补充s₀=0至{s_a}得焊缝位置序列{s_b|b=0,1,2,…,A}，A为管道个数；

3）将焊缝位置序列{s_b}中的每一元素除以最后一个焊缝出现位置s_A，得焊缝位置归一化序列{s_c|c=0,1,2,…,A}。

103：计算每一点磁场总量序列{B_j}并进行M层连续小波变换，获取每层小波分解系数{C_ij}，对每层小波分解系数取平方做和，得小波序列{D_j}；

该步骤的详细操作为：

计算每一点磁场总量序列其中B_jx，B_jy，B_jz为磁传感器测量的每一点的磁场三分量；

对磁场总量序列{B_j}进行M层连续小波变换，即将磁场信号分解为不同缩放系数和不同平移系数的小波加权之和，得每层小波分解系数{Ci_j}，不同缩放系数和不同平移系数的小波对应不同层和不同位置的小波。

$B_j=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{ij}}$

${\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{ij}}={\mathrm{\&psi;}}_0\left(\frac{\mathrm{\&tau;}-j}{2^i}\right)$

$D_j=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{\mathrm{ij}}^2}$

其中ψ_ij为第i层第j个位置的小波，ψ₀(τ)为所用的母小波，τ为小波的自变量。

104：计算两个焊缝之间的磁场平均采样点数E；

$E=\frac{f\&CenterDot;l}{v}$

$l=\frac{1}{A}\underset{i=1}{\overset{A}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_i$

其中，l为管道的平均长度，即每相邻两个焊缝之间的平均距离l；v为内检测器的平均前进速度；f为磁传感器的采样率。

105：通过小波序列{D_j}和磁场平均采样点数E获取拟合结果函数，并求取一阶导数和二阶导数，根据预设规则进行峰值检测，峰值出现的时刻即焊缝出现的时刻；

该步骤具体为：按先后顺序，每E个磁场平均采样点数分割为一组，对小波序列{D_j}中的第k个数组子集{D_j}_k做二次多项式的最小二乘拟合，得拟合结果函数{y=at²+bt+c,a≠0}_k，并获取一阶导数和二阶导数，其中，待定系数a,b,c通过解以下代数方程组得到：

$\left[\begin{array}{ccc}\underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^0& \underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^1& \underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^2\\ \underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^1& \underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^2& \underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^3\\ \underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^2& \underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^3& \underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^0{y}_j\\ \underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^1{y}_j\\ \underset{j=1}{\overset{N2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_j^2{y}_j\end{array}\right]$

式中，j=1,2,…,E，x_j=j/f，y_j=D_j，表示x_j的0次幂，表示x_j的1次幂，表示x_j的2次幂，表示x_j的3次幂，表示x_j的4次幂。由于该方程组的系数矩阵是一个对称正定矩阵，故存在唯一解。

对拟合结果函数{y=at²+bt+c,a≠0}_k分别求一次导数和二次导数，得到：

{y=2at+b,a≠0}_k和{y=2a,a≠0}_k，下标k表示目前正在处理第k个数组子集。

其中，预设规则为同时满足以下三个函数式，则在a≠0时刻检测到一个峰，即

1、{y=2at+b,a≠0}_k=0

2、{y=2a,a≠0}_k<0

${3,\{y={\mathrm{at}}^2+\mathrm{bt}+c|t=-\frac{b}{2a},a\&NotEqual;0\}}_k>\frac{1}{E}\underset{j=\mathrm{kE}-E}{\overset{\mathrm{kE}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_j.$

106：将所有焊缝出现的时刻按先后顺序排列获取焊缝定位时刻序列{t_p}，并作归一化处理得到归一化焊缝定位时刻序列{t_q|q=0,1,2,…,F}；

其中，{t_p|p=0,1,2,…,F},F为识别出峰的个数，即识别出的焊缝个数。将焊缝定位时刻序列{t_p}的每一元素除以最后一个焊缝出现的时刻t_F，得归一化焊缝定位时刻序列{t_q|q=0,1,2,…,F}。

107：对归一化焊缝定位时刻序列{t_q}进行补充遗漏焊缝时刻的处理；

该步骤具体为：预设参数w∈{s_c}，在归一化焊缝定位时刻序列{t_q}中查找与参数w相邻的归一化尖峰时刻t_r和t_r+1，即使得t_r≤w≤t_r+1；若或则{t_q}不变；否则补充参数w到{t_q}内。其中，α为补充阈值，取0.01，可根据实际情况改变，但不宜过大。

108：对归一化焊缝位置序列{s_c}进行剔除多余错误识别焊缝位置的处理。

该步骤具体为：预设参数h∈{t_q}，在归一化焊缝位置序列{s_c}中查找与参数h相邻的归一化焊缝位置s_u和s_u+1，即使得s_u≤h≤s_u+1；若或则{t_q}不变；否则从{t_q}里剔除参数u。其中，β为剔除阈值，取0.01，可根据实际情况改变，但不宜过大。

下面以具体的试验来验证本发明实施例提供的一种油气管道环焊缝识别定位方法的可行性，详见下文描述：

参见图1，从各个磁场分量不易看出焊缝处磁场的异常现象，但是从磁场总量可以很明显地看出间断点，但是断点特征仍然不够突出。

参见图2(a)，管道内磁场原始信号在焊缝处有非常尖锐的尖峰，同时在其余处信号也十分不规则，起伏较大，直接根据原始信号寻找断点峰值出现的时刻误差将很大，甚至有错误识别的可能。采用bior1_3小波对现场测得的管道内磁场总量信号|B|进行连续小波变换，将各层小波系数取平方后累加，所有焊缝处磁场断点被显著增强，噪声被极大地抑制，如图2(b)所示。然后用二次多项式最小二乘拟合的方法计算每个峰值出现的时刻，即每个焊缝出现的时刻，如图2(c)所示，20个焊缝均准确地识别和定位出来。除①所示的焊缝定位有较大偏差之外，其余焊缝均实现了精确定位，抗干扰能力很强，尤其是②所示有一很大的干扰假焊缝被去除。与根据施工资料记录的管道编号和管道长度计算的归一化焊缝出现的位置序列对比，本方法对管道环焊缝出现时刻的定位误差在0.05s以内,当内检测器沿管道轴向移动的速度为2m/s时，由此带来的位置误差为0.1m（即0.05*2），仅①处定位误差在0.3m。通过与施工资料记录的管道编号和管道长度信息对比可以对误差较大的定位进行修正，从而使综合定位误差小于0.1m。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种油气管道环焊缝识别定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)将三分量磁传感器固定在管道内检测器里的任意位置，获取管道中的磁场信号，并将所述磁场信号传输至上位机；

2)所述上位机计算每个焊缝出现的位置序列，并获取焊缝位置归一化序列；

3)计算每一点磁场总量序列并进行M层连续小波变换，获取每层小波分解系数，对所述每层小波分解系数取平方做和，得小波序列；

4)计算两个焊缝之间的磁场平均采样点数E；

5)通过所述小波序列和所述磁场平均采样点数E获取拟合结果函数，并求取一阶导数和二阶导数，根据预设规则进行峰值检测，峰值出现的时刻即焊缝出现的时刻；

6)将所有焊缝出现的时刻按先后顺序排列获取焊缝定位时刻序列，并作归一化处理得到归一化焊缝定位时刻序列；

7)对所述归一化焊缝定位时刻序列{t_q}进行补充遗漏焊缝时刻的处理；

8)对所述焊缝位置归一化序列{s_c}进行剔除多余错误识别焊缝位置的处理；

所述上位机计算每个焊缝出现的位置序列，并获取焊缝位置归一化序列的步骤具体为：

(1)从施工资料里读取焊缝编号和每节管道长度，得每节管道长度序列{l_i|i＝1,2,…,A}，A为管道个数；

(2)计算每个焊缝出现的位置补充s₀＝0至{s_a}得焊缝位置序列{s_b|b＝0,1,2,…,A}，A为管道个数；

(3)将焊缝位置序列{s_b}中的每一元素除以最后一个焊缝出现位置s_A，得焊缝位置归一化序列{s_c|c＝0,1,2,…,A}；

其中，所述对所述归一化焊缝定位时刻序列{t_q}进行补充遗漏焊缝时刻的处理的步骤具体为：

预设参数w∈{s_c}，在归一化焊缝定位时刻序列{t_q}中查找与参数w相邻的归一化尖峰时刻t_r和t_r+1，即使得t_r≤w≤t_r+1；若或则{t_q}不变；否则补充参数w到{t_q}内；其中，α为补充阈值。

2.根据权利要求1所述的一种油气管道环焊缝识别定位方法，其特征在于，所述通过所述小波序列{D_j}和所述磁场平均采样点数E获取拟合结果函数的步骤具体为：

按先后顺序，每E个磁场平均采样点数分割为一组，对小波序列{D_j}中的第k个数组子集{D_j}_k做二次多项式的最小二乘拟合，得拟合结果函数{y＝at²+bt+c,a≠0}_k，a,b,c为待定系数。

3.根据权利要求2所述的一种油气管道环焊缝识别定位方法，其特征在于，所述预设规则具体为同时满足以下三个函数式，即：

{y＝2at+b,a≠0}_k＝0

{y＝2a,a≠0}_k＜0

${\{y={\mathrm{at}}^2+\mathrm{bt}+c|t=\frac{b}{2a},a\&NotEqual;0\}}_k>\frac{1}{E}\underset{j=\mathrm{kE}-E}{\overset{\mathrm{kE}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_j.$

4.根据权利要求1所述的一种油气管道环焊缝识别定位方法，其特征在于，所述对焊缝位置归一化序列{s_c}进行剔除多余错误识别焊缝位置的处理的步骤具体为：

预设参数h∈{t_q}，在焊缝位置归一化序列{s_c}中查找与参数h相邻的归一化焊缝位置s_u和s_u+1，即使得s_u≤h≤s_u+1；若或则{t_q}不变；否则从{t_q}里剔除参数h；其中，β为剔除阈值。