基于聚類分析的罐底聲發射檢測信號融合方法

王偉魁，李一博，杜 剛，張 濤，靳世久

(天津大學 精密測試技術與儀器國家重點實驗室，天津 300072)

采用聲發射技術進行罐底腐蝕與泄漏檢測過程中，在罐壁上布置有多個傳感器，不僅能夠從整體上了解由罐底腐蝕導致的聲發射源活性，還能通過對聲發射信號的定位了解罐底不同區域的腐蝕狀況［1-10］。在現有的聲發射罐底檢測實現方案中，傳感器通過導線連接到同一個多通道聲發射檢測系統上，必須先通過對各通道采集的聲發射信號進行融合處理，將屬于同一聲發射源的聲發射信號判定為一個聲發射事件，然后利用無源定位方法實現對聲發射源的定位，其數據處理流程如圖1所示。

圖1 聲發射罐底腐蝕檢測數據處理流程Fig.1 Signal processing of AE testing of tank bottom

由于腐蝕過程產生的聲發射信號比較微弱，且對于大型儲罐，信號傳播距離較遠，傳播過程衰減大，往往在檢測過程中需要設置較高的信號放大倍數和較低的觸發閾值，與此同時噪聲對聲發射信號融合過程的影響增大，使得在聲發射信號融合處理時容易對聲發射源產生誤判。針對該問題，提出了一種基于聚類分析的罐底聲發射信號融合方法，該方法主要包括初始聲發射事件判定和多目標聲發射事件判定兩個步驟，下文將分別詳述其處理過程。

1 初始聲發射事件判定

在檢測過程中，當某個聲發射傳感器接收到的信號超過閾值后便將其記錄為一個撞擊信號［11］。聲發射儀以每個撞擊信號的觸發時刻作為該信號的接收時刻。聲發射儀各通道采集并記錄的信息是由一系列的撞擊信號按時間順序排列而成，因此對聲發射信號融合的過程就是對這些撞擊信號進行分析處理的過程。研究表明，罐底產生的聲發射信號主要是在罐內液體中以球面波形式傳播到罐壁聲發射傳感器處［12］，如圖2所示。

圖2 罐底聲發射信號傳播路徑示意圖Fig.2 Scheme of AE signals propagation in tank

圖3 罐底直角坐標系示意圖Fig.3 Cartesian coordinate of tank bottom

以儲罐罐底圓心為原點，建立直角坐標系，如圖3所示。

各傳感器接收到由傳播路徑1傳播的聲發射源信號的時刻如式(1)所示:

式中:Ti，j為i傳感器接收到j聲發射源信號的時刻;T0j為j聲發射源產生的時刻;sxi為i傳感器的x坐標;syi為i傳感器的y坐標;xj為j聲發射源的x坐標;yj為j聲發射源的y坐標;V:聲傳播速度;hi為i傳感器距離罐底板高度。

傳感器接收的撞擊信號按照Ti，j從小到大依次排列。同一個聲發射源的信號能夠被多個不同傳感器接收到并記錄成多個撞擊信號。定義來自同一個聲發射源的撞擊信號組成一個聲發射事件。在一個聲發射事件中第一個聲發射信號與最后一個聲發射信號的接收時間差為事件定義時間。為捕獲到一個聲發射事件，將記錄的撞擊信號序列按照事件定義時間進行分割，將包含3個以上傳感器接收到的聲發射信號序列作為一個聲發射事件進行處理［13］。事件定義時間是人工設置的。理論上，事件定義時間最大不超過由式(2)計算出的時間長度，即一個聲發射源的信號從罐壁處傳播到與罐內圓心對稱的罐壁處所需時間。事件定義時間的最小值為0，即各傳感器同時接收到同一個聲發射源的信號。因此事件定義時間的可設置范圍為0至最大事件定義時間。

當事件定義時間設置過小時，一方面容易將同一個聲發射源的信號分割成多個聲發射事件，產生重復定位，另一方面容易使事件定義時間內的聲發射信號數量少于3個而不能組成聲發射事件，使得大量聲發射源被漏檢。為防止這種情況的發生，一般將事件定義時間設為最大事件定義時間，但是這樣又容易將多種信號(包括不同聲源的信號，噪聲源的信號和因多途效應產生的信號)判定為同一聲發射源，產生誤判。為解決這一問題，需要對事件定義時間內的信號進行識別處理，將同一聲發射源的信號提取出來作為單獨的聲發射事件，如圖4所示。

圖4 多目標聲發射事件信號融合模型Fig.4 Signals integration model of multi-target AE events

2 多目標聲發射事件判定

在一個初始聲發射事件的信號集合中，目標聲發射事件的模式及數量均是未知的，因此該過程是無監督模式識別問題。聲波在液體中傳播時，波形基本保持不變［14］，因此各傳感器接收到的同一聲發射源信號應該具有比較高的相似性。根據這一特點，采用聚類分析將傳感器接收到的信號按相似性進行分類，每一類信號對應著一個目標聲發射事件。

2.1 聚類測度計算

在聚類過程中，當信號間的相似性達到一定程度時則被判定為一類信號。采用波形互相關系數［15］作為相似性測度，如式(3)所示:

式中:x(n)和y(n)分別為被比較相似性的兩個聲發射信號的波形采樣序列。互相關系數的范圍為［0，1］，其值越接近1表明兩信號之間相似程度越高，來自同一個聲源的可能性越大。在聚類判定過程中，根據兩個信號之間的互相關系數是否超過閾值來確定其是否屬于一類。每一類聲發射信號視為一個目標事件。

2.2 聚類過程

設在事件定義時間內獲得的撞擊信號序列為H={h1，h2，h3，…，hn}。算法過程為:

(1)建立聚類C1，C1={h1}，待分類信號構成隊列H2，H2={h2，h3，… ，hn}，當前聚類集合CC={C1}，設置相似性判定閾值Θ。

(2)從隊列H2中取出第一個信號(定義為hi)，分別計算hi與CC中每一個聚類Cx的相關系數ρ(hi，Cx)，ρ(hi，Cx)為hi與Cx中每一個信號的相關系數的平均值。

(3)找出與hi相關系數最大的聚類Ck，若ρ(hi，Ck)小于Θ，則認為hi不屬于Ck，新建一個聚類Cm，Cm={hi}，CC=CC∪{Cm}，否則將hi歸入Ck。

(4)若隊列H2已空，則執行步驟5)，否則執行步驟2)。

(5)分析CC中每個聚類中的所有信號是否由3個以上傳感器所接收，若是則保留，否則從CC中去除。

經過上述過程處理后，H中的聲發射信號被分配到多個不同的聲發射事件中。

3 實驗驗證

3.1 實驗方案

本文對秦皇島輸油站的TK-02號儲罐進行了連續12 h的檢測。被檢儲罐的基本信息如表1所示。檢測系統為美國物理聲學公司(PAC)生產的SAMOS型聲發射系統，其檢測參數如表2所示。

表1 被檢儲罐基本信息Tab.1 Basic information of the tested tank

表2 聲發射系統檢測參數Tab.2 Test parametric of the acoustic emission test system

3.2 實驗結果及分析

檢測過程中，21個傳感器共接收到了241 125個聲發射信號。采用美國物理聲學公司的AEWin軟件處理后的聲發射事件數量為18 958個，其定位結果如圖5所示。從圖5中可以看到定位點分布散亂，但在中心區域，尤其是(0，0)附近定位事件很多。然而通過開罐后進罐勘察發現，罐底板中心區域基本完好，并無明顯腐蝕現象。之所以出現這種現象，是因為在檢測過程中，當不同傳感器同時被噪聲觸發記錄信號時，由于其時間差幾乎為0，必然定位在圓心附近。另外，在圖5中可以看出一些聲發射事件定位在與儲罐同心的圓環上，但該圓環比較模糊，寬度約5 m，中心直徑約為25 m。

圖6為采用基于聚類分析的聲發射信號融合方法得到的定位結果，得到的聲發射事件數量為3 086個。圖6的定位結果中，中心區域事件數量較圖5明顯減少，表明基于聚類分析的聲發射信號融合方法受噪聲影響明顯減少。此外，從圖6中明顯看到一些聲發射事件集中定位在與儲罐同心、直徑為20 m的圓上。經過查看罐內結構，得知儲罐內恰有一個與儲罐同心且直徑為20 m的加熱盤管，如圖7所示。經過開罐檢測，明顯看到加熱盤管的腐蝕比罐底板腐蝕嚴重，如圖8所示。

表3中統計了聲發射信號數量和AEWin軟件與聚類融合方法分別處理后的聲發射事件數量在不同時段的變化情況。

從表3中可以看出，三個時段的聲發射信號數量并不穩定，其中4～8 h段比1～4 h段信號數量劇烈增加，8～12 h段信號數量又明顯減少。然而 Lackner等［9］研究指出，由腐蝕和泄漏產生的聲發射信號數量在相同長度的時間內應該是比較穩定的。因此，聲發射信號數量隨時間劇烈波動進一步表明，檢測過程中在檢測到腐蝕信號的同時還記錄了大量噪聲信號。從表3中可以看出，AEWin軟件和聚類融合方法處理后的聲發射事件數量在4～8 h段比1～4 h段均出現了增加，之后在8～12 h段事件數量又減少。但環比數據顯示，AEWin軟件處理后的聲發射事件數量波動比聚類融合方法處理后的明顯劇烈。上述分析表明基于聚類的聲發射信號融合方法的抗干擾能力比AEWin軟件強，能夠反映腐蝕發展過程中聲發射信號數量隨時間變化比較平穩的實際情況。

表3 各時段聲發射信號和事件數量Tab.3 Acoustic emission signals and events amount in each time segment

4 結論

大型儲罐罐底腐蝕聲發射檢測過程中，需要對多個傳感器采集到的聲發射信號進行融合后才能進行定位計算。本文提出了基于聚類分析的聲發射信號融合方法。現場實驗表明該方法抗噪聲干擾能力強、誤判概率低，能準確獲得聲發射事件，使檢測結果更好地反應罐底腐蝕的實際情況。

［1］ Van De L P J，Herrmann B.How reliable is Acoustic Emission(AE)tank testing?the quantified results of an AE user group correlation study!［C］.Copenhagen，1998.

［2］ Maxfield B W.Corrosion assessment in large aboveground storage tanks(LASTs)［C］.The International Society for Optical Engineering，1998.

［3］Sokolkin A V，Ievlev I Y，Cholakh S O.Prospects of applications of acoustic emission methods to testing bottoms of tanks for oil and oil derivatives［J］.Russian Journal of Nondestructive Testing，2002，38(2):113-115.

［4］ Guang D，Wei L，Ying Z，et al.An acoustic emission method for the in service detection of corrosion in vertical storage tanks［J］.Materials Evaluation，2002，60(8):976-978.

［5］ Riahi M，Shamekh H.Health monitoring of aboveground storage tanks'floors:a new methodology based on practical experience［J］.Russian Journal of Nondestructive Testing，2006，42(8):537-543.

［6］ Yuyama S，Yamada M，Sekine K，et al.Verification of acoustic emission testing of floor conditions in aboveground tanks by comparison of acoustic emission data and floor scan testing［J］.Materials Evaluation，2007，65(9):929-934.

［7］Li Y B，Sun L Y，Jin S J，et al.On-line acoustic emission inspection method for large normal pressure storage tank bottom ［J］.Journal of Tianjin University Science and Technology，2008，41(1):11-16.

［8］王偉魁，曾周末，孫立瑛，等，基于相關分析的聲發射儲罐罐底檢測降噪方法［J］.振動與沖擊，2010，29(8):178-180.

［9］Lackner G，Tscheliesnig P.Acoustic emission testing on flat bottomed storage tanks:how to condense acquired data to a reliable stateMent regarding floor condition［C］.Prague，Czech Republic，2002.

［10］杜 剛，靳世久，付銅玲，等.基于平均頻譜的儲油罐罐底腐蝕聲發射特征分析［J］.納米技術與精密工程，2011，9(2):157-161.

［11］ Grosse C U，Ohtsu M.Acoustic emission testing［M］.Elektronisk Udgave.Berlin:Springer，2008，42.

［12］ Nedzvetskaya O V，Budenkov G A，Sokolkin A V，et al.Calculation of the acoustic channel in acoustic emission testing of bottoms of vertical steel tanks［J］.Russian Journal of Nondestructive Testing，2003(10):772-781.

［13］ Miller R K，hill E V R，Moore P O，et al.Acoustic emission testing，nondestructive testing handbook，third edition［M］.Columbus，OH:American Society for Nondestructive Testing，2008:127.

［14］馬大猷.聲學手冊［M］.北京:科學出版社，2004:136-137.

［15］ Gao Y，Brennan M J，Joseph P F，et al.A model of the correlation function of leak noise in buried plastic pipes［J］.Journal of Sound and Vibration，2004，277(1-2):133-148.