基于信息融合的核管道缺陷檢測研究

張黎明 蔡 琦 趙新文 李維高

1海軍工程大學(xué) 船 舶與動力學(xué)院，湖北 武 漢 430033

2中國人民解放軍92330部隊，山東 青 島 266100

基于信息融合的核管道缺陷檢測研究

張黎明1，2蔡 琦1趙新文1李維高2

1海軍工程大學(xué) 船 舶與動力學(xué)院，湖北 武 漢 430033

2中國人民解放軍92330部隊，山東 青 島 266100

分析核管道缺陷的特點并進行分類，根據(jù)多傳感器信息融合技術(shù)的原理，確定缺陷信息的融合模式和融合方法，建立基于D-S證據(jù)理論的檢測信息時空融合流程。仿真和融合計算表明：該方法可以充分利用多種檢測方法之間的互補信息以及核管道缺陷檢測的歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)核管道缺陷類型快速而準確的判定，為提高核管道缺陷檢測的可信度和智能化水平提供了一種有益的嘗試。

信息融合；D-S證據(jù)理論；時空融合；核管道；缺陷檢測

1 引言

核管道缺陷檢測對核管道的質(zhì)量控制和安全使用起著極其重要的作用。目前，經(jīng)常采用的檢測方法有：超聲、射線、磁粉、漏磁、滲透、渦流、紅外和聲發(fā)射法等，上述方法各有所長，也都各有其局限性，例如，超聲波法對裂紋、未熔合等平面類缺陷具有較強的檢測能力，但對體積狀缺陷的檢出率較低；射線檢測對氣孔、夾渣、疏松等體積狀缺陷較敏感，對平面缺陷檢測靈敏度較低［1-2］。鑒于單一檢測方法的局限性，如何充分利用各種檢測方法的長處，相互結(jié)合，取長補短，提高核管道檢測的可靠性、準確性和檢測效率一直人們所關(guān)注的課題。為此，本文結(jié)合核管道缺陷特點，采用基于D-S證據(jù)理論的時空融合的方法，提出了核管道缺陷檢測信息融合的新思路，實現(xiàn)了核管道缺陷類型的快速而準確地判定。

2 核管道的缺陷分類

核管道的缺陷檢測是核動力裝置“合乎使用”評定工作的基礎(chǔ)之一，其結(jié)果的正確性和缺陷檢測的靈敏度直接影響評定結(jié)論的合理性和準確性，關(guān)系到核設(shè)施能否安全運行的重要問題。核管道的缺陷最為常見且發(fā)生概率較大的主要包括由于制造或使用引起的腐蝕穿孔、氯離子腐蝕、介質(zhì)沖蝕－腐蝕、焊接缺陷開裂、應(yīng)力腐蝕開裂、凹坑、溝槽等［3］。核管道的缺陷類型根據(jù)不同的劃分標(biāo)準可以進行不同的分類：按照缺陷位置劃分，主要有穿透缺陷、內(nèi)表面缺陷、外表面缺陷和埋藏缺陷；按照缺陷的方向劃分主要有環(huán)向缺陷和軸向缺陷。本文所研究的缺陷則以其特征尺寸為分類標(biāo)準，可以分為以下4大類：

1）平面型缺陷，即裂紋類缺陷，包括焊縫未熔合缺陷、未焊透缺陷、焊接裂紋、疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋等；

2）體積型缺陷，包括氣孔、夾渣、局部溝槽狀腐蝕缺陷、片狀腐蝕缺陷等以及部分機械損傷缺陷如凹坑、溝槽等；

3）幾何型缺陷，包括焊縫錯邊、焊縫撅嘴、壁厚不均勻缺陷等；

4）彌散損傷型缺陷，包括點蝕腐蝕缺陷、表面鼓泡等。

3 基于D-S證據(jù)理論的信息融合技術(shù)

信息融合的基本目的是要充分利用多個傳感器資源，通過適當(dāng)?shù)木C合來獲得比任何單一信息源所能表達的更多的信息，即通過采用多傳感器協(xié)調(diào)和聯(lián)合運作的優(yōu)勢提高檢測系統(tǒng)的整體性能［4］。根據(jù)融合系統(tǒng)所處理的信息層次，系統(tǒng)常劃分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。在核管道檢測中，由于各種檢測設(shè)備的特性不一致，使各種檢測方法得到的缺陷信息模式不同，缺陷特征也不一致，因此，本文在核管道檢測中采用決策層融合，這種融合方式不僅對各檢測設(shè)備的輸出信息約束最小，而且系統(tǒng)的可靠性較高。

常用的信息融合方法大致分為以下幾類：1）基于估計和統(tǒng)計的經(jīng)典方法，包括加權(quán)平均法、最小二乘法、貝葉斯估計和D-S證據(jù)理論等；2）信息論的融合，包括模板法、聚類分析和熵理論等；3）人工智能的融合方法，包括模糊集、產(chǎn)生式規(guī)則、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和模糊積分理論以及專家系統(tǒng)等。D-S證據(jù)理論在處理具有主觀不確定性判斷的多屬性診斷問題時具有獨特的優(yōu)勢［5－7］，因此，對經(jīng)常采取2～3種方法進行缺陷檢測的核管道，其檢測信息的決策級融合采用D-S證據(jù)理論可以取得比較理想的結(jié)果［8］。

3.1 D-S 證據(jù)理論

D-S證據(jù)理論基本思想是：首先對來自多個傳感器和信息源的證據(jù)（即數(shù)據(jù)或信息）進行預(yù)處理，然后計算各個證據(jù)的基本可信度分配值，再根據(jù)D-S組合規(guī)則計算所有證據(jù)聯(lián)合作用下的基本可信度分配值，最后按照一定的判決規(guī)則選擇可信度最大的假設(shè)作為融合結(jié)果［9-10］。

定義1：對于一個決策問題，所有能夠認識到的可能結(jié)果的有限集合用Θ表示，稱Θ為一個識別框架。

定義2：設(shè)Θ 為識別框架，如果函數(shù)m：2Θ→［0，1］（2Θ為 Θ 所有子集構(gòu)成的集合）滿足：

則稱m為Θ上的基本概率分配函數(shù)；m（A）為A的基本信度分配。如果m（A）＞0，則稱A為焦元。

定義3：對于?A?Θ，

則稱 Bel（A）為 A 的信度函數(shù)，Bel（A）描述了對A的信任度。

結(jié)合D-S證據(jù)理論基本原理及其在故障診斷中的應(yīng)用思想［5－10］，本文建立如圖 1 所示的單周期缺陷檢測信息融合過程圖。

圖1 單周期缺陷檢測信息融合過程圖

圖中｛A1，A2，…，An｝為證據(jù)理論的論域 Θ 中的基本命題，對應(yīng)于概率論中的基本事件，在本文中可以對應(yīng)于核管道的基本缺陷類型，如體積型、幾何型等，也可以指定為具體缺陷如裂紋、凹坑等，mj（A1），mj（A2），…，mj（An）表示檢測方法 j測得的特征屬于缺陷 A1，A2， …，An的信度函數(shù)，m（A1），m（A2），…，m（An）是各檢測方法所獲得的特征信息融合后分配到各缺陷類型上的信度函數(shù)值。

3.2 D-S 組合規(guī)則

根據(jù)D-S組合規(guī)則，設(shè)m1和m2分別對應(yīng)同一識別框架 上的信度函數(shù)分配，焦元分別為A1，A2，…，Ak和 B1，B2，…，Bk，設(shè)

式（4）表示完全沖突假設(shè)Ai和Bj的所有信度函數(shù)乘積之和；A是指假設(shè)的目標(biāo)模式Ai和Bj布爾組合的一個綜合命題，A的信度函數(shù)值是包含不沖突假設(shè)Ai和Bj的所有信度函數(shù)乘積之和，即可定義融合后信度函數(shù)分配值m（A）如下：

3.3 缺陷判定準則

缺陷判定一般遵守如下規(guī)則：

1）判定的缺陷類型應(yīng)具有最大的信度函數(shù)值，并要大于某一閾值；

2）判定的缺陷類型和其他類型的信度函數(shù)值之差要大于某個閾值；

3）不確定缺陷函數(shù)值必須小于某個閾值；

4）判定缺陷類型的信度函數(shù)值要大于不確定信度。

3.4 時空融合

利用證據(jù)理論中的D-S組合規(guī)則，既可以對多種測量方法提供的缺陷識別證據(jù)進行空間域的決策融合，也可以對一種檢測方法不同檢測周期提供的缺陷識別證據(jù)進行時間域的決策融合。對于核管道來說，其存在在役檢查的數(shù)據(jù)累積行為，通過時間域上的周期融合，能夠有效地將以前的歷史數(shù)據(jù)充分利用，進一步提高核管道缺陷檢測的可靠性和準確性。即便是實際的缺陷檢測中，為了能更準確地測出缺陷類型，也往往采用多方法多周期測量。因此，核管道的缺陷決策可以通過圖2所示的遞歸集中式目標(biāo)識別信息時空融合方法進行識別。該方法將T－1周期的集中式累積目標(biāo)識別信息與T周期由n個傳感器測得的目標(biāo)識別信息相組合，以D-S組合規(guī)則進行信息融合，得到在T周期總的目標(biāo)識別融合信息［11］。

圖2 時空融合流程圖

4 仿真計算

以超聲檢測、射線檢測和漏磁檢測3種檢測方式為例，對某已知缺陷為應(yīng)力腐蝕裂紋缺陷的船用核管道進行檢測，假定該核管道有5類常見缺陷類命題，即彌散損傷型、幾何型、平面型、體積型和“不明”缺陷類。對缺陷類進行檢測時，根據(jù)3種檢測設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，通過對不同環(huán)境下不同的檢測方法的可信度進行評估，設(shè)定2個測量周期的可信度分配如表1所示。由D-S證據(jù)理論融合算法，可得各個周期空間域融合可信度分配以及兩周期時空融合可信度分配如表2所示。

表1 兩個測量周期可信度分配

表2 融合結(jié)果

通過表2分析可以看出，第一周期空間域融合結(jié)果中，平面型缺陷和體積型缺陷的可信度相同且最大，這導(dǎo)致無法判斷核管道的缺陷類型；第二周期的“不明”命題可信度較大；但對兩個周期的可信度進行時空融合后，融合結(jié)果使“不明”命題的可信度降低，如采取信度函數(shù)值最大的判斷原則，則核管道的缺陷類可以確定為平面狀缺陷，與實際情況相符。

5 結(jié) 論

1）采用決策級融合模式和基于D－S證據(jù)理論的信息融合方法可以將來自不同類型的核管道缺陷檢測儀器所提供的信息進行快速而有效地融合，有效地克服單一檢測方法中存在的片面性和不確定性，提高核管道缺陷判定的準確度。

2）時空信息融合方法具有較強的信息處理能力，可以充分利用歷史數(shù)據(jù)，更準確地反映問題的實際情況，減輕檢測人員工作強度，降低檢測成本，提高檢測精度。進一步研究新的、適合核管道檢測的信息融合方法，必將促進核管道缺陷檢測的智能化水平。

［1］李光海，沈功田，李鶴年.工業(yè)管道無損檢測技術(shù)［J］.無損檢測，2006，28（2）：89－93.

［2］李雪辰，徐濱士，董世運，等.管道內(nèi)壁缺陷無損檢測技術(shù)［J］.無損檢測，2007，29（10）：603－606.

［3］苗中輝.核動力裝置一回路管道缺陷評定研究 ［D］.武漢：海軍工程大學(xué)，2008.

［4］何友，王國宏，陸大琻，等.多傳感器信息融合及應(yīng)用［M］.第二版.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［5］朱大奇，劉永安.故障診斷的信息融合方法［J］.控制與決策，2007，22（12）：1321－1328.

［6］程利民，孔力，李新德.信息融合方法及應(yīng)用研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（3）：4－16.

［7］王正軍，張培林，任國全，等.基于D－S證據(jù)理論的發(fā)動機信息融合故障診斷模型 ［J］.潤滑與密封，2008，33（4）：74－77.

［8］LEVRE E.COLOT O， et al.A generic framework for resolving the conflict in the combination of belief structures［C］//The 3rd International Conference on Information Fusion.Paris， France， 2007： 235－239.

［9］胡冠林，李娟，羅勇.D－S證據(jù)理論信息融合在故障診斷中的應(yīng)用［J］.計算機與數(shù)字工程，2007，35（8）：151－153.

［10］ BASIR O，YUAN X H.Engine fault diagnosis based on multi－sensor information fusion using Dempster－Shafer evidence theory［J］.Information Fusion，2005，6（1）：25－36.

［11］ HONG L，LYNCH A.Recursive temporal－spatial information fusion with applications to target identification ［J］.IEEE.Trans.On Aerospace and Electronic System，1993，29（2）：435-445.

Defect Detection of Nuclear Piping System by Information Fusion Technology

Zhang Li－ming1，2 Cai Qi1 Zhao Xin－wen1 Li Wei－gao2
1 College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China
2 The 92330thUnit of PLA，Qingdao 266100，China

The defect features of nuclear piping were summarized and analyzed.Based on the principle of multi－sensor information fusion technology， the defect information fusion mode and method were determined and the spatial－temporal fusion flow of defect information based on D－S Evidence Theory was estimated.The results of emulation and fusion calculation indicate that this method can make full use of the mutual information by multiple methods of defect detection and historical data，through which we can judge the defect of nuclear piping rapidly and precisely.The results can give a beneficial reference for improving the probability and the intelligent level of defect detection of nuclear piping.

information fusion； D－S evidence theory；spatial－temporal fusion；nuclear piping；defect detection

TQ051

A

1673－3185（2010）06－75－03

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.06.015

2009－09-27

張黎明（1981－），男，博士研究生。研究方向：維修工程和綜合保障。E-mail：zlm060101＠yahoo.com.cn