基於快速正交搜索算法的管道連接器檢測方法與流程

2023-12-05 02:32:11 1

本發明涉及的是一種管道連接器檢測方法，特別是當管道測量裝置在管道內運動時採用快速正交搜索算法來檢測管道連接器的方法。

背景技術：

管道是實現油、氣或水等資源運輸的最有效、便利和安全的方式。隨著大量先前鋪設的管道已達到或超過服役期，由管道洩漏帶來的環境汙染及經濟損失是非常嚴重的，甚至管道爆炸造成的安全威脅更是難以估量。管道測量裝置是在管道內實現管道缺陷檢測及缺陷定位最有效的工具，已成為各類管道周期性檢測的首選。此外，泥石流、山體滑坡等自然因素也會造成管道變型，採用管道測量裝置可實現對被檢測管道坐標的有效測量，分析管道的位移或變型對管道潛在危險預測能提供很好的幫助，預防各類管道洩漏或爆炸等危險發生。

由慣性傳感器構成的慣性輔助管道定位系統是實現管道缺陷定位及管道變型檢測的核心組成部分。但是，慣性輔助管道定位系統的定位誤差和方位角誤差是隨著被檢測管道距離的增加而逐漸累積發散的。通常情況下，管道測量裝置四周安裝的裡程儀及其在管道內運動的非完整性約束能為慣性輔助管道定位系統提供連續速度修正。同時，沿被檢測管道每隔一定距離且位置已知的地表標記可為慣性輔助管道定位系統提供離散位置修正。但是，小體積低精度微機械慣性傳感器構成的慣性輔助定位系統的方位角(定向)誤差發散大，除了速度和位置誤差修正外，還需要進行方位角誤差修正。傳統的方位角檢測傳感器在小徑管道內受管道內徑及管內環境等影響誤差大，慣性輔助管道定位系統很難為管道開挖及維修提供足夠的精度。因此，為慣性輔助小徑管道檢測定位系統提供一種新的方位角誤差修正方法勢在必行。

鋪設的管道是由直管道段通過管道連接器(包括彎管道、環形焊縫和法蘭等)連接而成的。管道連接處大都採用焊接或螺絲進行連接，在長期的地下環境中易於腐蝕甚至破裂。此外，管道測量裝置在直管道內具有方位角和俯仰角不變的特性，可用於修正管道定位系統的方位角發散誤差，提高管道檢測定位系統的精度。但是，此方法實現的前提就是實現對管道連接器的正確檢測，並確定其具體坐標位置。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種不需增加硬體成本，不會對現有的管道檢測及評估系統產生影響的基於快速正交搜索算法的管道連接器檢測方法。

本發明的目的是這樣實現的：

採用安裝在管道測量裝置中心的捷聯慣性測量單元在管道內的測量數據，以離線處理的方式提取出管道連接器部分在管道內對應的位置；以快速正交搜索算法對慣性傳感器測量數據進行時域到頻域的變換，得出採集信號的時頻特性曲線，通過變換後的頻域特性曲線幅值來判斷整個被檢測管道中的直管道段和管道連接器所對應的時間段；結合慣性輔助管道定位系統輸出的管道位置和時間的關係，將管道連接器檢測的時間與管道位置計算中的時間進行時間同步運算，得出管道位置與管道連接器之間的對應關係；最終將被檢測管道中的管道連接器和直管道段的位置在地理坐標系統中分別表示出來。

所述以離線處理的方式提取出管道連接器部分在管道內對應的位置具體包括：當管道測量裝置完成整個被檢測管道的檢測並回到管道接收器後，從管道測量裝置的數據存儲單元中下載並保存管道檢測數據和管道定位傳感器數據。

所述通過變換後的頻域特性曲線幅值來判斷整個被檢測管道中的直管道段和管道連接器所對應的時間段具體包括：採用閾值的方法判斷環形焊縫或法蘭等對應的時間段，當時頻特性曲線幅值大於設定閾值時，對應的時間段為環形焊縫或法蘭，而當時頻特性曲線幅值小於設定閾值時，對應的時間段即為直管道段；同時，管道測量裝置內陀螺儀測量數據用來判斷管道測量裝置是否通過某段彎曲管道，將彎曲管道從整個被檢測管道中分離出來；最後，將陀螺儀檢測的彎管道段與加速度計檢測出來的環形焊縫或法蘭等進行合併，實現整個管道連接器的檢測。

被檢測管道連接器的地理坐標位置是這樣確定的：管道內安裝的慣性測量數據不僅用於管道連接器的檢測，同時還用於被檢測管道地理坐標位置的計算，管道連接器檢測的輸出是時間和管道連接器的關係，而管道檢測定位系統的輸出是時間和管道坐標位置的關係，通過時間同步得到管道連接器在地理坐標中的位置。

本發明的方法，主要採用安裝在圓柱型或類魚雷型管道測量裝置中心的捷聯慣性測量單元在管道內的測量數據，以離線處理的方式提取出管道連接器部分在管道內對應的位置。主要以快速正交搜索算法對慣性傳感器測量數據進行時域到頻域的變換，得出採集信號的時頻特性曲線，通過變換後的頻域特性曲線幅值來判斷整個被檢測管道中的直管道段和管道連接器所對應的時間段。同時，結合慣性輔助管道定位系統輸出的管道位置和時間的關係，並將管道連接器檢測的時間與管道位置計算中的時間進行時間同步運算，即可得出管道位置與管道連接器之間的對應關係。從而，最終將被檢測管道中的管道連接器和直管道段的位置在地理坐標系統中分別表示出來。

快速正交搜索算法是這樣實現管道連接器檢測的：首先，當管道測量裝置完成整個被檢測管道的檢測並回到管道接收器後，從管道測量裝置的數據存儲單元中下載並保存管道檢測數據和管道定位傳感器數據。接下來，由管道測量裝置內加速度計在管道內的測量數據採用快速正交搜索算法進行信號從時域到頻域的變換，得出對應的信號時頻特性曲線。並採用閾值的方法判斷環形焊縫或法蘭等對應的時間段，當時頻特性曲線幅值大於設定閾值時，對應的時間段為環形焊縫或法蘭，而當時頻特性曲線幅值小於設定閾值時，對應的時間段即為直管道段。與此同時，管道測量裝置內陀螺儀測量數據用來判斷管道測量裝置是否通過某段彎曲管道，將彎曲管道從整個被檢測管道中分離出來。最後，將陀螺儀檢測的彎管道段與加速度計檢測出來的環形焊縫或法蘭等進行合併，實現整個管道連接器的檢測。

被檢測管道連接器的地理坐標位置是這樣確定的：管道內安裝的慣性測量數據不僅用於管道連接器的檢測，同時還用於被檢測管道地理坐標位置的計算。由於二者採用了同一套慣性傳感器在管道內的數據，由此檢測出的管道連接器和管道定位系統具有時間同步特性。管道連接器檢測的輸出是時間和管道連接器的關係，而管道檢測定位系統的輸出是時間和管道坐標位置的關係，通過時間同步即可得到管道連接器在地理坐標中的位置。

管道連接器檢測結果可為所鋪設管道在開挖和維修時提供便利。常年埋藏在地下或水下的管道由於其管道連接器處大部分為焊接等進行連接的，連接處與附近的泥土和水中的化學物質容易發生腐蝕，甚至破裂。因此，管道連接器成了管道洩漏的高危區域。此外，管道測量裝置上搭載的管道檢測傳感器能有效的檢測出直管道及管道連接器處的腐蝕及破裂狀況。這樣，管道連接器檢測結果能為管道維修和開挖時提供便利。

本發明中基於快速正交搜索算法的管道連接器檢測是無需任何硬體成本的。管道連接器檢測的實現不需要在管道測量裝置中安裝其他傳感器，用於檢測的信號是對管道檢測定位用慣性傳感器數據的再次利用。此外，管道檢測中對管道缺陷的維護是在管道檢測完成之後進行的，無需同時進行，故對管道檢測數據的分析、管道連接器檢測和管道定位系統計算管道地理坐標都是離線進行的，故不會對現有的管道檢測及評估系統產生影響。同時，本發明還有這樣一些特點：

1.本發明採用快速正交搜索算法來檢測管道連接器是離線處理的，管道連接器檢測結果可為慣性輔助管道定位系統在直管道段提供方位角和俯仰角誤差修正。

2.本發明中的管道連接器檢測結果是不依賴於任何額外的傳感器的，只是採用了慣性輔助管道檢測定位系統已裝備的慣性傳感器。

3.本發明中的管道連接器檢測適用於各類油、氣、水、化學物質等運輸用各種管徑管道，所採用的管道測量裝置外型為圓柱型或類魚雷型。

附圖說明

圖1.快速正交搜索算法檢測管道連接器示意圖。

圖2.慣性輔助管道定位系統定位原理圖。

圖3.基於快速正交搜索算法的管道連接器檢測流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做詳細地描述，需要說明的是該方法中涉及的陀螺儀、加速度計和捷聯慣性導航系統均為典型慣性器件和導航定位系統，管道測量裝置為典型的管道檢測系統，故本發明不再對其原理進行詳細描述。

結合圖1，快速正交搜索算法檢測管道連接器包括：由管道測量裝置內安裝的三軸陀螺儀和三軸加速度計分別敏感管道測量裝置在管道內運動時的旋轉角速率和線性加速度。三軸陀螺儀測量的旋轉角速率測量值用於判斷管道測量裝置是否通過彎曲管道。其中，靜止狀態下陀螺儀輸出角速率的平方和作為閾值，當三軸陀螺儀任意軸測量的旋轉角速率測量值大於閾值，則判定管道測量裝置正通過彎曲管道段，否則判定管道測量裝置正通過直管道段。同時，由加速度計在管道測量裝置內隨著管道運動的測量信號用於判斷環形焊縫和法蘭等管道連接器。採用快速正交搜索算法將加速度計測量信號進行時域到頻域的變換，得到其時頻特性曲線，當變換後頻域曲線幅值大於預設的閾值時即管道測量裝置正通過環形焊縫和法蘭等管道連接器部位，否則管道測量裝置正通過直管道段。最後，將由陀螺儀測量值檢測的彎曲管道段與由加速度計測量值檢測的環形焊縫和法蘭等管道連接器結合，即可得到整個被檢測管道中的管道連接器與時間的對應關係。

結合圖2，慣性輔助管道定位系統原理為：三軸陀螺儀和三軸加速度計分別敏感管道測量裝置在管道內運動時的旋轉角速率和線性加速度。在初始條件已知的狀況下，採用捷聯慣性導航算法可以計算出管道測量裝置在管道內運動的姿態、速度和位置信息。由於慣性傳感器本身的測量誤差，會導致捷聯慣性導航系統輸出誤差隨著管道檢測距離的增長而增大。由裡程儀測量的軸向速度和管道測量裝置在管道內的非完整性約束提供三維速度，管道連接器檢測在直管道段提供方位角和俯仰角，以及地表磁標記提供三維位置，在kalman濾波估計的作用下可估計出慣性傳感器誤差和捷聯慣性導航系統誤差，這些誤差可以反饋並提高管道定位系統精度。此外，由於管道檢測與維護的非實時性特性，可以採用數據平滑處理技術離線估計系統誤差，再次提高管道定位系統精度。最終，得出精確的管道地理坐標值。

結合圖3，整個基於快速正交搜索算法的管道連接器檢測流程為：在圖1和圖2的基礎上，實現管道檢測結果與慣性輔助管道檢測定位系統在時間上的同步性是實現管道連接器坐標位置的重要前提。整個系統的運行流程如下：

步驟1，在管道測量裝置完成整個被檢測管道的檢測任務後，從存儲器中讀取管道定位傳感器的數據，進入步驟2；

步驟2，根據圖1中採用快速正交搜索算法的方法，可得出管道測量裝置在管道內運行時間與不同時刻所對應的管道連接器的關係，進入步驟3；

步驟3，在採用管道測量時的慣性傳感器數據檢測管道連接器的同時，管道定位傳感器採用慣性導航解算、組合導航及數據平滑濾波技術可得到管道測量裝置在管道內運動的軌跡與時間的關係，並進入步驟4；

步驟4，將步驟2得出的管道連接器與時間的關係和步驟3得到的管道軌跡與時間的關係進行時間同步操作，時間同步的前提就是二者的結果都是基於管道測量裝置中的同一套慣性測量數據，進入步驟5；

步驟5，在管道連接器檢測結果與管道定位系統進行時間同步後，即可得到被檢測管道中管道連接器的具體坐標位置，進入步驟6；

步驟6，通過檢測和時間同步結果，生成最終標明管道連接器及其位置的檢測報告。

本發明的基於快速正交搜索算法的管道連接器檢測方法。採用快速正交搜索算法檢測管道測量裝置內慣性傳感器測量數據中的奇異特性，將管道連接器(彎曲管道、環形焊縫和法蘭等)從被檢測管道中區分開來。同時，結合慣性輔助管道檢測定位系統可計算出管道連接器在被檢測管道中的具體位置。

管道連接器的具體坐標位置，是通過管道連接器檢測方法得出的管道連接器與時間關係和管道檢測定位系統解算的位置和時間關係進行時間同步操作實現的。

管道連接器精確的坐標位置，可為所鋪設管道段連接器等易腐蝕、易破裂部位的開挖和維修提供便利。

管道連接器檢測結果，可為低精度慣性輔助小徑管道檢測定位系統在直管道段提供方位角和俯仰角誤差修正，利於提高整個管道檢測定位系統的定位和定向精度。

管道連接器檢測方法的實現，既不會增加任何成本，也不會對原有的管道測量裝置的硬體系統有任何改動。