新型可識(shí)別化分類決策的鉆井凈空防噴器自動(dòng)化清洗裝置研究

王峰，劉高峰，趙博恩，仝士雨，安然，向東，夏星玉

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司管具與井控技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280）

防噴器用于鉆井施工作業(yè)過(guò)程中關(guān)閉井口，防止井噴事故發(fā)生，是保證鉆井安全的重要井控裝備。一般從井場(chǎng)回收后，防噴器進(jìn)入管具公司井控車間，再經(jīng)沖洗去除油污、泥漿等雜質(zhì)，進(jìn)入探傷、更換密封件等維修工序。現(xiàn)有的防噴器在清洗的時(shí)候，需要人工將防噴器外殼拆掉在對(duì)里面進(jìn)行清洗，這樣就會(huì)增加操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且清洗效果也不好，操作麻煩，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。現(xiàn)有的防噴器清洗并不能夠進(jìn)行深度的清潔，這使得最終的清洗力度并不夠，并且現(xiàn)有的防噴器的自動(dòng)清洗裝置并不能夠針對(duì)不同的防噴器調(diào)整不同的清洗方式，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)單一設(shè)備的深度清潔。現(xiàn)有的方案采用單一噴頭進(jìn)行噴淋的方式，這樣會(huì)使得沒有辦法清洗到一些死角的地方，因此有必要重點(diǎn)解決當(dāng)前防噴器自動(dòng)化清洗不干凈的問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)防噴器的應(yīng)用現(xiàn)狀

防噴器是用于試油、修井、完井等作業(yè)過(guò)程中關(guān)閉井口，防止井噴事故發(fā)生，將全封和半封兩種功能合為一體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、耐高壓等特點(diǎn)，是油田常用的防止井噴的安全密封井口裝置。

因?yàn)樵秃湍酀{黏性很強(qiáng)，而且附著時(shí)間較長(zhǎng)，在防噴器表面和腔體內(nèi)附著得十分牢固，人工清洗難度極大。采用高壓水槍沖洗，沖洗面積小、時(shí)間長(zhǎng)，清洗效率非常低，而且關(guān)鍵的內(nèi)腔部位無(wú)法清洗到，還存在一定的不安全因素，嚴(yán)重影響防噴器的維修和試壓檢測(cè)工作。并且現(xiàn)有設(shè)計(jì)也有一種防噴器自動(dòng)清洗裝置，但是還是需要人為參與操作。

常規(guī)的清洗工具無(wú)法自動(dòng)完成對(duì)防噴器快速、深度沖洗操作，原因在于無(wú)法自動(dòng)完成識(shí)別和構(gòu)建防噴器中目標(biāo)信息的圖像以及路徑計(jì)算方式，整體的信息獲取、預(yù)處理特征抽取選擇等環(huán)節(jié)沒有加入處理環(huán)節(jié)中，導(dǎo)致臟污情況識(shí)別不準(zhǔn)確，清洗沒有針對(duì)性和方向性；一般情況下，在清洗完成后也需要人工對(duì)其進(jìn)行探傷操作，不僅效率低下，更無(wú)法自動(dòng)且高效的對(duì)防噴器的破損或者缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

本次研究通過(guò)多攝像頭掃描，獲取防噴器圖像采集數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)內(nèi)部建立3d 整體成型，通過(guò)程序分析建立清洗路徑，合理的清洗距離可有效地解決難除污垢的問(wèn)題。通過(guò)人為清洗的方式來(lái)針對(duì)不同的防噴器進(jìn)行清洗操作或者采用自動(dòng)清洗裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗，并且采用高壓水槍來(lái)對(duì)防噴器進(jìn)行噴淋操作。現(xiàn)有的方案采用單一噴頭進(jìn)行噴淋的方式，本次研究則可以對(duì)不同類型的防噴器進(jìn)行深度清潔，可以采用多個(gè)噴頭組合的方式進(jìn)行沖洗操作。

2 新型自動(dòng)化清洗設(shè)備組成

本清洗系統(tǒng)適用于鉆井井控裝置防噴器的配套工程，可對(duì)于防噴器自動(dòng)化清洗，主要用于井控設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)返回維修車間后進(jìn)行自動(dòng)清洗。

2.1 全自動(dòng)清洗設(shè)備組成

系統(tǒng)采用全自動(dòng)系統(tǒng)操作模式，綜合利用全自動(dòng)清洗模塊、視覺掃描采集、移動(dòng)平板車等設(shè)備和技術(shù)，全自動(dòng)清洗防噴器內(nèi)部和外部，清洗區(qū)域有排水坡，清洗的污水經(jīng)過(guò)三級(jí)沉淀池進(jìn)行過(guò)濾，清水再重新投入使用，系統(tǒng)清洗由清水、高溫?zé)崴嚎s空氣組成，可以滿足客戶對(duì)設(shè)備融冰、除泥、風(fēng)干的要求。

清洗車間由清洗準(zhǔn)備間、清洗間組成。系統(tǒng)設(shè)備由清洗設(shè)備間設(shè)備、清洗間設(shè)備及清洗監(jiān)控軟件設(shè)備組成。

清洗間設(shè)備包括井控設(shè)備裝夾清洗平臺(tái)，設(shè)備在準(zhǔn)備區(qū)進(jìn)行裝夾固定后，電動(dòng)控制進(jìn)入清洗區(qū)制定位置。平臺(tái)承載量約30T，設(shè)備裝夾完成后進(jìn)入清洗區(qū)，清洗過(guò)程中，設(shè)備由平板小車原地360°自傳，利用高壓沖洗液和自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，對(duì)防噴器外觀、內(nèi)腔高壓沖洗。

系統(tǒng)污泥處理功能可以自動(dòng)清洗地面淤泥，清洗間地面快速排泥；同時(shí)設(shè)置泥漿三級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泥、水更快速分離。

圖1 全自動(dòng)清洗防噴器設(shè)備示意圖

2.2 視覺掃描采集系統(tǒng)

本技術(shù)方案涉及的視覺掃描采集系統(tǒng)功能：配備2套全自動(dòng)機(jī)械人，滿足上下、左右的橫向和縱向移動(dòng)；每個(gè)機(jī)械人上配備高速高清攝像頭，滿足視覺采集要求。

如圖2 所示，視覺掃描采集系統(tǒng)設(shè)備包括兩個(gè)自動(dòng)清洗模塊，分別配備1 套全自動(dòng)機(jī)械人，滿足上下、左右的橫向和縱向移動(dòng)。對(duì)應(yīng)工件設(shè)置相應(yīng)的清洗接頭：設(shè)備外部清洗接頭，包括高壓清水接頭、高溫?zé)崴宇^、高壓氣槍接頭，固定在自動(dòng)清洗模塊上。設(shè)備內(nèi)部清洗接頭，包括高壓清水接頭、高溫?zé)崴宇^、高壓氣槍接頭，由機(jī)械桁架伸縮沖洗頭清洗。內(nèi)部配備1 臺(tái)手動(dòng)高壓清洗槍。配置1 個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行控制按鈕，人員手動(dòng)清洗時(shí)安全設(shè)置。

圖2 視覺掃描采集系統(tǒng)示意圖

設(shè)備配備了2 個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭，同軸高清防塵防水防塵球型攝像頭，水平方向360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，垂直方向-5°～90°，無(wú)監(jiān)視盲區(qū)，設(shè)置于清洗區(qū)內(nèi)，用于作業(yè)過(guò)程中對(duì)內(nèi)部工作情況監(jiān)控。

視覺掃描采集模塊上下、左右滑動(dòng)，用以識(shí)別防噴器外觀和內(nèi)腔，實(shí)現(xiàn)清洗前判斷清洗時(shí)間和路徑，清洗后判斷是否需要繼續(xù)清洗，實(shí)現(xiàn)內(nèi)腔對(duì)中功能。

錄入數(shù)據(jù)，判斷清洗路徑，用以自動(dòng)清洗模塊功能。在自動(dòng)清洗防噴器外觀時(shí)，視覺掃描采集模塊可上下伸縮；在自動(dòng)清洗內(nèi)腔時(shí)，視覺掃描采集模塊還可上下伸縮；清洗過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)多種清洗接頭的任意切換；同時(shí)，解決融冰、除泥、風(fēng)干問(wèn)題。

2.3 防噴器清洗流程

用該設(shè)備的清洗防噴器，在清洗準(zhǔn)備區(qū)，進(jìn)行防噴器在移動(dòng)小車的擺放和固定。檢查完成后，移動(dòng)平板車按自動(dòng)程序進(jìn)入清洗間。設(shè)備進(jìn)行清洗步驟后，離開清洗車間。清洗區(qū)域使用污水使用三級(jí)沉淀池進(jìn)行沉淀和過(guò)濾。污水過(guò)濾后，重新進(jìn)入高壓沖洗系統(tǒng)，供清洗使用。清洗房?jī)蓚?cè)靠地面設(shè)有高壓噴頭和鼓風(fēng)機(jī)，把污泥吹進(jìn)污水槽內(nèi)；離開清洗間不帶走污泥。

3 自動(dòng)化清洗系統(tǒng)原理

3.1 工作原理

該全自動(dòng)化設(shè)備的重點(diǎn)在于所有操作可進(jìn)行無(wú)人操作，防噴器進(jìn)入清洗間后，通過(guò)系統(tǒng)攝像頭自動(dòng)識(shí)別可對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)定位和整體程序開展，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全自動(dòng)化無(wú)人操作。

該方案為本次研究的重要突破點(diǎn)，其通過(guò)攝像頭與多個(gè)噴頭的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)快速?zèng)_洗操作；當(dāng)識(shí)別到對(duì)應(yīng)的防噴器外觀后，通過(guò)調(diào)整噴頭組件中各個(gè)噴頭的噴射角度和力度來(lái)進(jìn)行沖洗操作，在進(jìn)行設(shè)置的時(shí)候；噴頭組件還可以以防噴器所在位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)更多角度的沖洗操作；并且該噴頭不僅僅可以實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)；并結(jié)合鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)力來(lái)是實(shí)現(xiàn)全方位的風(fēng)干操作。

通過(guò)攝像頭拍攝到的圖像進(jìn)行更加精細(xì)的路徑識(shí)別，基于該路徑來(lái)確定噴頭的具體噴射角度。將該攝像頭組件設(shè)置到不同類型的移動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行更多樣的組合噴射操作。在該設(shè)備中，機(jī)械臂上裝有噴頭為本次研究的重要發(fā)明點(diǎn)，通過(guò)攝像頭識(shí)別和系統(tǒng)建立路徑，機(jī)械臂反復(fù)轉(zhuǎn)換噴頭，可保證與防噴器設(shè)定的額定距離進(jìn)行沖洗，通過(guò)轉(zhuǎn)換噴頭實(shí)現(xiàn)熱水、冷水和壓縮空氣的多維度使用。

3.2 特征識(shí)別與分類決策

本發(fā)明的重點(diǎn)在于防噴器的圖像識(shí)別構(gòu)建以及路徑計(jì)算方式；具體的圖像識(shí)別技術(shù)的過(guò)程分以下幾步：信息的獲取、預(yù)處理、特征抽取和選擇、分類器設(shè)計(jì)和分類決策。

預(yù)處理主要是指圖像處理中的去噪、平滑、變換等的操作，從而加強(qiáng)圖像的重要特征；通過(guò)對(duì)獲取到的防噴器圖像進(jìn)行預(yù)處理得到相應(yīng)的處理后的圖像。

特征抽取和選擇是指在模式識(shí)別中，需要進(jìn)行特征的抽取和選擇。簡(jiǎn)單的理解就是我們所研究的圖像是各式各樣的，如果要利用某種方法將它們區(qū)分開，就要通過(guò)這些圖像所具有的本身特征來(lái)識(shí)別，而獲取這些特征的過(guò)程就是特征抽取。在特征抽取中所得到的特征也許對(duì)此次識(shí)別并不都是有用的，這時(shí)就要提取有用的特征，這就是特征的選擇。特征抽取和選擇在圖像識(shí)別過(guò)程中是非常關(guān)鍵的技術(shù)之一，在進(jìn)行具體特征抽取的時(shí)候，主要是對(duì)防噴器的臟污進(jìn)行抽取識(shí)別。

分類器設(shè)計(jì)是指通過(guò)訓(xùn)練而得到一種識(shí)別規(guī)則，通過(guò)此識(shí)別規(guī)則可以得到一種特征分類，使圖像識(shí)別技術(shù)能夠得到高識(shí)別率。分類決策是指在特征空間中對(duì)被識(shí)別對(duì)象進(jìn)行分類，從而更好地識(shí)別所研究的對(duì)象具體屬于哪一類。

具體的圖像路徑識(shí)別方式如下：采集防噴器內(nèi)壁和外壁區(qū)域的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理；對(duì)圖像防噴器內(nèi)壁和外壁區(qū)域的圖像進(jìn)行識(shí)別，以基于識(shí)別結(jié)果在圖像上劃分出重臟污區(qū)、輕臟污區(qū)、無(wú)臟污區(qū)、斜面區(qū)域，并且基于識(shí)別結(jié)果，確定臟污區(qū)域在圖像中的位置；在對(duì)圖像進(jìn)行分區(qū)的基礎(chǔ)上，制定清洗策略：在斜面區(qū)域，通過(guò)圖像識(shí)別的方式確定傾斜角度和弧度，確定了角度和弧度之后，則可以調(diào)整清洗噴頭的角度以及是否配合抹布來(lái)進(jìn)行清洗操作，在重臟污區(qū)、輕臟污區(qū)、無(wú)臟污區(qū)的區(qū)域可以基于不同強(qiáng)度的清洗液來(lái)進(jìn)行組合清洗。

在進(jìn)行圖像識(shí)別的時(shí)候，可以識(shí)別出來(lái)防噴器上所有的臟污區(qū)域，并根據(jù)臟污在防噴器圖像上不同程度的臟污來(lái)確定噴淋路徑；在自動(dòng)噴淋過(guò)程中，控制噴淋頭執(zhí)行清洗策略并按照最優(yōu)清洗路徑進(jìn)行清洗操作。

3.3 圖像采集原理

本次研究的方案都是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行圖像識(shí)別構(gòu)建的，通過(guò)獲取防噴器臟污目標(biāo)圖像，目標(biāo)圖像中包括目標(biāo)信息，這里的目標(biāo)信息指的是臟污情況；并且根據(jù)臟污情況還可以設(shè)置不同強(qiáng)度和角度的噴淋狀態(tài)。

在對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別時(shí)，采用改進(jìn)的動(dòng)態(tài)閾值法識(shí)別鐵水渣。當(dāng)某一像素點(diǎn)的灰度值大于Max(g)時(shí)，則將判斷該區(qū)域臟污區(qū)。

式中，α 表示調(diào)節(jié)系數(shù)，其表示噪音和干擾對(duì)圖像的影響，其取值范圍為0 ＜α ≤1，當(dāng)沒有干擾和噪音時(shí)，α 的值取1；當(dāng)有噪音和干擾時(shí)，噪音和干擾越大，α 的取值越小；w1表示圖像中的前景點(diǎn)數(shù)占圖像的比例；w2表示背景點(diǎn)數(shù)占圖像的比例；u1表示前景平均灰度；u2表示背景平均灰度；g 表示前景和背景間的方差。

在進(jìn)行識(shí)別的時(shí)候，還可以將圖像與機(jī)械手進(jìn)行結(jié)合的方式，這里的機(jī)械手還能夠配合抹布來(lái)進(jìn)行組合清洗。在清洗完成后，還可以通過(guò)圖像識(shí)別結(jié)合超聲探傷的方式來(lái)對(duì)其進(jìn)行是否有破損或者缺陷進(jìn)行檢測(cè)；因?yàn)樵谂K污狀態(tài)下無(wú)法進(jìn)行破損檢測(cè)；只有在清洗完成后，才能夠進(jìn)行更加全面的破損檢測(cè)。

在進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，可以先采用超聲識(shí)別的方式來(lái)檢測(cè)防噴器存在破裂的地方；超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來(lái)檢查零件缺陷的一種方法，當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來(lái)判斷缺陷的位置和大小。

然后，基于超聲探傷識(shí)別的結(jié)果來(lái)基于不同的防噴器類型來(lái)進(jìn)行匹配不同的識(shí)別路徑，這里需要進(jìn)行精準(zhǔn)的圖像破損識(shí)別；缺陷檢測(cè)包括環(huán)形防噴器缺陷檢測(cè)或?qū)﹂l板防噴器缺陷檢測(cè)，對(duì)防噴器劃分不同的檢測(cè)部位包括：將環(huán)形防噴器劃分為殼體頸部、殼體本體圓弧面與底部拐角、主通徑孔、殼體下端面密封墊環(huán)槽、殼體本體圓弧面、殼體螺栓孔以及頂蓋端面密封墊環(huán)槽檢測(cè)部位；將閘板防噴器劃分為殼體側(cè)門方腔、殼體與側(cè)門和井口位置連接螺紋孔、殼體上下端面密封墊環(huán)槽、閘板腔室方腔上端圓環(huán)形密封面、法蘭頸部以及殼體垂直通孔檢測(cè)部位。

通過(guò)上述識(shí)別確定對(duì)應(yīng)的缺陷位置，可以進(jìn)行組合修復(fù)；通過(guò)超聲圖像結(jié)合圖像缺陷來(lái)進(jìn)行3D 圖像復(fù)原，然后通過(guò)3d 打印進(jìn)行相應(yīng)的缺陷復(fù)原或者通過(guò)采用焊接的方式進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)合。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的防噴器均是采用較為傳統(tǒng)的人為清洗或者是采用自動(dòng)清洗裝置來(lái)清洗某一種類型的防噴器，如果需要針對(duì)不同類型的防噴器，則需要購(gòu)置不同的清洗裝置；并且在進(jìn)行裝置切換的時(shí)候會(huì)較為麻煩；而本技術(shù)方案則并不相同，本技術(shù)方案可以針對(duì)不同類型的防噴器來(lái)進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)識(shí)別后，則可以對(duì)其采用不同的清洗方式，設(shè)置當(dāng)識(shí)別到臟污嚴(yán)重的時(shí)候，可以加大清洗力度以及清洗時(shí)間，甚至是調(diào)整水的溫度。本技術(shù)方案通過(guò)一套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所有類型防噴器的清洗，其自動(dòng)化程度較高，能夠提升防噴器清洗效率。