長輸管道多通道變形檢測設備軟件系統研究

趙 鵬， 管 鑫， 曹 雷， 楊 煥

（1.中油管道檢測技術有限責任公司， 河北 廊坊 065000； 2.中機生產力促進中心， 北京100044）

0 引言

油氣輸送管道會因長期運營而產生變形、 腐蝕及焊縫開裂等缺陷問題，從而導致泄露、堵塞等事故，甚至引發嚴重的生產事故，造成人員傷亡及巨大的經濟損失，亟待對運營管道進行檢測，消除隱患[1]。 通過專用設備進行變形檢測是隱患早期排查的主要技術手段， 其沿圓周方向布置有多個傳感器， 傳感器測得的數值反映了管道的變形信息。 檢測器在管道內運動[2]，每隔一定距離傳感器測量一組數據，包括時間、位移、檢測器角度等形成了海量的檢測數據，由計算機自動分析處理，通過真實檢測出管道存在的各種缺陷、 幾何變形及其準確位置并給出定量描述[3]，從而為管道的安全評價與完整性管理提供依據。因此開發完善的管道變形檢測數據分析系統， 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據分析和分析系統的構建進行了系統研究， 開發了多通道變形檢測數據分析系統， 完成了變形數據的預處理、分析識別和圖形顯示，為離線管道缺陷分析提供強有力的工具。

1 系統設計

1.1 系統目標

編制一個能夠對管道變形檢測器檢測數據進行數據讀入，處理，顯示，分析，自動識別管道變形信息和結果輸出的多通道數據分析軟件。 該軟件不僅具有數據顯示功能，還包括環焊縫、凹陷、彎頭、法蘭、三通等特征的增加、刪除、調整操作。 提供文件列表的形式[5]。

1.2 系統結構

本系統主要包括六個功能模塊。 其總體框架設計如圖1 所示。

圖1 系統總體框架

1.3 系統主流程的設計

系統主流程的設計見圖2。

圖2 系統流程圖

1.4 計算機軟硬件需求

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

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

（3）數據庫：Microsoft SQL Server 2008 簡體中文版。

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

（5）硬件系統：最低配置：I5 處理器，內存4G 以上。

（6）開發環境：Visual Studio 2010 C#。

2 管道內主要特征區塊識別算法

為實現管道內凹陷、環焊縫、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差異于基準點的“連續”的采樣點集，點集中最大值與基準值之差為凹陷的最大深度， 而凹陷發生的寬度可計算為周向點集中邊界點所對應的檢測探頭間夾角所對應的弧長。 而長度取決于軸向點集中對應的最小和最大采樣時刻所對應的位移差。

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

（3） 環焊縫可定義為一個周向上連續凹陷的點的集合。

圖3 凹陷俯視圖

3 功能模塊設計

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，輸入工程編號、工程名稱、 里程輪直徑、脈沖數、前后排探頭偏差、AGM 偏差、焊縫閾值、缺陷閾值等必要信息，再選擇標定文件和主數據文件之后，即可創建一個新的工程。

（2）打開工程。 可以從現有工程列表中選擇任意工程打開，然后進行數據的分析處理。

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

（4）刪除工程。 刪除指定的工程，用復選框決定是否同時刪除相關的數據文件。

（5）恢復工程。 將某一工程數據文件和數據庫文件恢復到指定的位置。

3.3 檢測數據導入及轉換

將檢測數據導入系統， 轉換為適合軟件進行處理的形式，包括主數據導入、標定數據導入、跟蹤系統數據導入、mapping 數據導入。

3.4 檢測數據圖形顯示

系統包括三種顯示模式：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，可實現視圖的向前或向后自動滾屏顯示。 通過設置里程或時間值，視圖可以自動跳轉到指定位置處。

（1）曲線顯示。將主通道變形信號數據轉換為曲線圖，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的周向在縮放、拖拽、滾動時周向實時響應變化。 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行，環焊縫、腐蝕缺陷、管道附屬物等特征以不同的符號在視圖中進行標注。

圖5 數據曲線顯示

（2）灰度顯示。 灰度圖是將檢測到的MFL 數據用不同的灰度等級進行顯示， 所體現的管道特征信息非常直觀、清晰，便于分析人員進行分析和處理。 首先計算各個通道的基準數據， 將各個變形檢測探頭檢測到的變形數據與對應通道的基準數據對比， 根據與基準數據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據對應的灰度圖，由灰度值分別計算紅色、綠色、藍色分量，然后將三色融合為一幅偽彩色圖。

3.5 檢測數據分析

圖6 自動識別

（1）自動分析操作：在數據分析窗口中，輸入起始里程和截止里程后，點擊分析按鈕便可執行自動分析功能。在分析過程中不能中斷，等待進度條運行至滿，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據自動分析后修改數據庫的所有人工操作。進行人工分析前， 必須先打開一個工程， 并打開這個工程中的數據文件。 使用菜單【文件】中的【打開工程】命令可以打開一個已經存在的工程。

環焊縫操作包括：添加環焊縫、刪除環焊縫和調整環焊縫。

添加環焊縫操作可以增加一個沒有自動識別的環焊縫。該操作創建并保存新增加的環焊縫的數據，并且更改數據庫中的記錄。

增加環焊縫的操作方法如下：使用鼠標在視圖的“曲線圖”中標記出需要添加環焊縫的位置，點擊鼠標右鍵的增加特征或者是點擊菜單欄里面的增加特征標志。 確定需要添加環焊縫的起始位置，然后按下鼠標左鍵，出現增加特征對話框，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”控件即可完成環焊縫的添加操作。 添加環焊縫操作成功后，自動打開并顯示新添加的環焊縫所在文件。

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

圖7 特征增加操作對話框

3.6 分析成果管理及報告

通過自動分析功能及數據分析員的人工添加， 所有識別出的特征信息都存入進數據庫， 并通過管道特征信息表顯示出來。 最終分析結果需要以報表形式向業主提交，故需要輸出檢測數據分析結果。檢測數據的分析結果是同過調用Microsoft Office 的Excel.dll 動態庫，創建Excel 文檔， 并將檢測數據分析結果按格式導入Excel 文檔中，最終形成工程結果報表。

4 系統實現

通過分析多通道變形檢測數據的特點以及自動分析與人工分析的具體要求，進行總結和設計，采用C# 語言開發實現了系統功能， 同時應用SQL Server2008 數據庫對相關數據進行記錄和管理。

5 結論

本文依據多通道管道變形檢測器的工作原理和機械結構，提出了一套數據處理和特征分析方法，并給出了軟件實現的詳細算法。現場應用表明，本文方法可以高精度地識別管道的凹陷、三通、環焊縫等特征結構。 最終實現了一個能夠對管道變形檢測器檢測數據進行數據讀入，處理，顯示，分析，自動識別管道變形信息和結果輸出的多通道數據分析軟件。 達到使用方便，功能強大，最大程度降低分析人員勞動強度的要求，符合工程需求。