长输管道多通道变形检测设备软件系统研究

赵 鹏， 管 鑫， 曹 雷， 杨 焕

（1.中油管道检测技术有限责任公司， 河北 廊坊 065000； 2.中机生产力促进中心， 北京100044）

0 引言

油气输送管道会因长期运营而产生变形、 腐蚀及焊缝开裂等缺陷问题，从而导致泄露、堵塞等事故，甚至引发严重的生产事故，造成人员伤亡及巨大的经济损失，亟待对运营管道进行检测，消除隐患[1]。 通过专用设备进行变形检测是隐患早期排查的主要技术手段， 其沿圆周方向布置有多个传感器， 传感器测得的数值反映了管道的变形信息。 检测器在管道内运动[2]，每隔一定距离传感器测量一组数据，包括时间、位移、检测器角度等形成了海量的检测数据，由计算机自动分析处理，通过真实检测出管道存在的各种缺陷、 几何变形及其准确位置并给出定量描述[3]，从而为管道的安全评价与完整性管理提供依据。因此开发完善的管道变形检测数据分析系统， 对于提高变形检测的精度和效率，具有重要意义。 本文针对变形检测数据分析和分析系统的构建进行了系统研究， 开发了多通道变形检测数据分析系统， 完成了变形数据的预处理、分析识别和图形显示，为离线管道缺陷分析提供强有力的工具。

1 系统设计

1.1 系统目标

编制一个能够对管道变形检测器检测数据进行数据读入，处理，显示，分析，自动识别管道变形信息和结果输出的多通道数据分析软件。 该软件不仅具有数据显示功能，还包括环焊缝、凹陷、弯头、法兰、三通等特征的增加、删除、调整操作。 提供文件列表的形式[5]。

1.2 系统结构

本系统主要包括六个功能模块。 其总体框架设计如图1 所示。

图1 系统总体框架

1.3 系统主流程的设计

系统主流程的设计见图2。

图2 系统流程图

1.4 计算机软硬件需求

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

（2）应用软件：MicrosoftSQL，Office2010 及其以上版本。

（3）数据库：Microsoft SQL Server 2008 简体中文版。

（4）用户权限：用户必须处于Power User 或者Administrator 或者以上权限组中， 普通的User、Guest 权限使用本软件时可能会出现异常。

（5）硬件系统：最低配置：I5 处理器，内存4G 以上。

（6）开发环境：Visual Studio 2010 C#。

2 管道内主要特征区块识别算法

为实现管道内凹陷、环焊缝、三通等特征的自动识别需要一套缜密的算法。

（1）管壁凹陷是最常见的管道形变[3]，管道凹陷可定义为一个差异于基准点的“连续”的采样点集，点集中最大值与基准值之差为凹陷的最大深度， 而凹陷发生的宽度可计算为周向点集中边界点所对应的检测探头间夹角所对应的弧长。 而长度取决于轴向点集中对应的最小和最大采样时刻所对应的位移差。

（2）三通反映在检测器数据上的变化正好与凹陷相反，三通的特征包括三通发生的周方位、三通长和三通宽，其分析算法和凹陷同理，不再赘述。

（3） 环焊缝可定义为一个周向上连续凹陷的点的集合。

图3 凹陷俯视图

3 功能模块设计

3.1 用户管理

包括添加、删除、修改用户功能，涉及到用户名称，权限。 普通用户可以添加普通用户和修改用户信息及密码，只用系统用户才能够删除用户、添加管理员用户，见图4。

3.2 工程管理

图4 用户登录及管理

（1）新建工程。新建工程时，输入工程编号、工程名称、 里程轮直径、脉冲数、前后排探头偏差、AGM 偏差、焊缝阈值、缺陷阈值等必要信息，再选择标定文件和主数据文件之后，即可创建一个新的工程。

（2）打开工程。 可以从现有工程列表中选择任意工程打开，然后进行数据的分析处理。

（3）备份工程。 将分析处理完成后的数据库文件及主数据文件备份到某一个指定的位置， 备份后系统会提示是否删除工程。

（4）删除工程。 删除指定的工程，用复选框决定是否同时删除相关的数据文件。

（5）恢复工程。 将某一工程数据文件和数据库文件恢复到指定的位置。

3.3 检测数据导入及转换

将检测数据导入系统， 转换为适合软件进行处理的形式，包括主数据导入、标定数据导入、跟踪系统数据导入、mapping 数据导入。

3.4 检测数据图形显示

系统包括三种显示模式：曲线显示、灰度显示和伪彩色显示。三种视图之间的显示是同步的。通过选择不同的浏览速度，可实现视图的向前或向后自动滚屏显示。 通过设置里程或时间值，视图可以自动跳转到指定位置处。

（1）曲线显示。将主通道变形信号数据转换为曲线图，正常管道的图形显示为平滑的直线， 异常情况的图形为波动的曲线，如图5 所示。 在主视图左边缘显示屏幕中心位置所对应的周向在缩放、拖拽、滚动时周向实时响应变化。 主视图可以拖拽；可以在水平、垂直方向缩放；可以切换为灰度图、伪彩色图、三维图。所有人工分析操作均基于此视图进行，环焊缝、腐蚀缺陷、管道附属物等特征以不同的符号在视图中进行标注。

图5 数据曲线显示

（2）灰度显示。 灰度图是将检测到的MFL 数据用不同的灰度等级进行显示， 所体现的管道特征信息非常直观、清晰，便于分析人员进行分析和处理。 首先计算各个通道的基准数据， 将各个变形检测探头检测到的变形数据与对应通道的基准数据对比， 根据与基准数据的偏差大小生成确定灰度的变化量，形成最初的灰度值；其次进行插值、图像平滑处理生成灰度图并显示。

（3）伪彩色显示。伪彩色处理是一种图像增强处理手段，它是将图像中的黑白灰度级变成不同的彩色，可以更加清晰的反映出腐蚀缺陷、环焊缝等管道特征，更容易为人眼所识别。首先获得管道变形数据对应的灰度图，由灰度值分别计算红色、绿色、蓝色分量，然后将三色融合为一幅伪彩色图。

3.5 检测数据分析

图6 自动识别

（1）自动分析操作：在数据分析窗口中，输入起始里程和截止里程后，点击分析按钮便可执行自动分析功能。在分析过程中不能中断，等待进度条运行至满，会弹出提示窗口表示分析完毕，如图6 所示。

（2）人工分析操作。 人工分析操作包含数据自动分析后修改数据库的所有人工操作。进行人工分析前， 必须先打开一个工程， 并打开这个工程中的数据文件。 使用菜单【文件】中的【打开工程】命令可以打开一个已经存在的工程。

环焊缝操作包括：添加环焊缝、删除环焊缝和调整环焊缝。

添加环焊缝操作可以增加一个没有自动识别的环焊缝。该操作创建并保存新增加的环焊缝的数据，并且更改数据库中的记录。

增加环焊缝的操作方法如下：使用鼠标在视图的“曲线图”中标记出需要添加环焊缝的位置，点击鼠标右键的增加特征或者是点击菜单栏里面的增加特征标志。 确定需要添加环焊缝的起始位置，然后按下鼠标左键，出现增加特征对话框，如图7 所示。 若确定的位置不对，可以重新执行上一步操作。 在“寻找特征”对话框中填写信息，按下“添加特征”控件即可完成环焊缝的添加操作。 添加环焊缝操作成功后，自动打开并显示新添加的环焊缝所在文件。

删除环焊缝操作可以删除自动分析出来的环焊缝。 该操作会对删除的焊缝数据文件进行合并删除，并且会自动更改数据库中的记录。 删除环焊缝方法如下：在需要删除的焊缝上面双击鼠标左键来删除，添加、删除凹陷等特征方法和上面添加环焊缝方法相同。只是在类型里面选择凹陷或者相应的特征。

图7 特征增加操作对话框

3.6 分析成果管理及报告

通过自动分析功能及数据分析员的人工添加， 所有识别出的特征信息都存入进数据库， 并通过管道特征信息表显示出来。 最终分析结果需要以报表形式向业主提交，故需要输出检测数据分析结果。检测数据的分析结果是同过调用Microsoft Office 的Excel.dll 动态库，创建Excel 文档， 并将检测数据分析结果按格式导入Excel 文档中，最终形成工程结果报表。

4 系统实现

通过分析多通道变形检测数据的特点以及自动分析与人工分析的具体要求，进行总结和设计，采用C# 语言开发实现了系统功能， 同时应用SQL Server2008 数据库对相关数据进行记录和管理。

5 结论

本文依据多通道管道变形检测器的工作原理和机械结构，提出了一套数据处理和特征分析方法，并给出了软件实现的详细算法。现场应用表明，本文方法可以高精度地识别管道的凹陷、三通、环焊缝等特征结构。 最终实现了一个能够对管道变形检测器检测数据进行数据读入，处理，显示，分析，自动识别管道变形信息和结果输出的多通道数据分析软件。 达到使用方便，功能强大，最大程度降低分析人员劳动强度的要求，符合工程需求。