王增國，崔礦慶，唐建華，高 航，劉金海

1.中海石油（中國）有限公司，北京 100010

2.中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452

3.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452

4.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110819

近年來，我國面臨嚴(yán)峻的油氣管道運營時間過長的現(xiàn)狀，已經(jīng)有很多管道運營時間超過20年，泄漏事故頻繁發(fā)生，給油氣輸送工作帶來極大不便。開展管道檢測工作十分必要，目前漏磁內(nèi)檢測技術(shù)已被世界公認(rèn)為是一種完善的檢測手段[1-2]。

隨著檢測管道數(shù)量及里程數(shù)的增長，檢測數(shù)據(jù)越來越多。盡管管道漏磁檢測系統(tǒng)的檢測精度有所提升，但受到管道直徑大小的限制，內(nèi)檢測器沒有為硬件設(shè)備預(yù)留擴充空間，因此，檢測數(shù)據(jù)存儲成為當(dāng)前面臨的問題；同時隨著數(shù)據(jù)量的增大，缺陷數(shù)據(jù)的識別難度也逐漸增大。因此考慮一種切實有效的數(shù)據(jù)補償方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對檢測精度和里程的提升都有著重要意義，而且根據(jù)缺陷漏磁信號實現(xiàn)圖像重構(gòu)能夠更直觀地反映管道內(nèi)部環(huán)境的變化狀況。

本文基于漏磁檢測數(shù)據(jù)的特征，研究了幾種插值算法在漏磁檢測信號中的插值應(yīng)用，并設(shè)計一種基于三次Hermite 插值的三次樣條插值算法，以此為基礎(chǔ)采取一種自適應(yīng)分段的插值方法，以實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的有效補償。并且設(shè)計出實現(xiàn)曲線圖形、灰度圖像以及偽彩色圖像顯示的自適應(yīng)成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了快速精準(zhǔn)的漏磁缺陷檢測識別。

1 多尺度自適應(yīng)插值算法

1.1 多尺度插值算法

對漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)而生成圖像的過程中，最常見的方式是實現(xiàn)曲線視圖。而由于在管道周向布置的傳感器數(shù)量有限，因此所得到的檢測數(shù)據(jù)也有限。在曲線視圖的縱軸方向，以鐘點位置形式表示的傳感器檢測數(shù)據(jù)是一條條間距不均勻的曲線，這易造成缺陷信息的丟失。因此研究一種有效的數(shù)據(jù)插值方法，能較大程度地實現(xiàn)數(shù)據(jù)補償，從而得到更高質(zhì)量的檢測信號，提高對微小缺陷信號的識別率。

一般來講，常見的插值方法有三次Newton 插值法[3]、三次 Lagrange 插值法[4]、三次 Hermite 插值法和反距離權(quán)重插值法[5]等。本文以三次Hermite插值的三次樣條插值算法為基礎(chǔ)，根據(jù)原始漏磁曲線信號的平滑和起伏程度選擇不同的插值方法，提出了一種基于三次Hermite 插值的分段自適應(yīng)插值方法，采用多種補償算法并存的方式，根據(jù)不同的需要，選擇不同精度的補償算法，在誤差與運算速度之間求取平衡，保證系統(tǒng)的性能。其主要思想是，將以曲線視圖顯示的漏磁信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分割，根據(jù)各通道數(shù)據(jù)基值，設(shè)定其數(shù)據(jù)閾值，通過計算超過該設(shè)定閾值的數(shù)據(jù)個數(shù)與總數(shù)據(jù)量之比，將該漏磁信號劃分為3 種不同區(qū)域，并在不同區(qū)域下使用不同的插值算法。管道漏磁數(shù)據(jù)插值研究思路見圖1。

圖1 管道漏磁數(shù)據(jù)插值研究思路

若求得的比值在2%以下，則標(biāo)記此區(qū)域為A區(qū)域，由于數(shù)據(jù)起伏不大，使用三次Newton 插值方法進(jìn)行插值；若比值在2%～15%之間，則標(biāo)記此區(qū)域為B 區(qū)域，出于數(shù)據(jù)起伏波動程度的考慮，使用反距離權(quán)重插值方法進(jìn)行插值；若比值在15%以上，則標(biāo)記此區(qū)域為C 區(qū)域，由于數(shù)據(jù)起伏較大，使用基于Hermite 插值方法的三次樣條插值方法進(jìn)行插值。

1.2 基于三次Hermite 插值的三次樣條插值算法

大量的實驗研究證明，采用常見的諸如三次Newton 插值、三次Lagrange 插值算法等對漏磁檢測信號進(jìn)行插值，有的計算較為簡單，但是插值誤差較大；有的插值精度較高，但是計算復(fù)雜，運行時間長，因此并不適用于實際應(yīng)用。

為此采用三次Hermite 插值算法，經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原始漏磁數(shù)據(jù)波動起伏比較大時，三次Hermite 插值穩(wěn)定，誤差較小，但曲線不夠光滑。為了克服這一缺點，設(shè)計了一種基于三次Hermite插值的三次樣條插值方法。該算法的基本原理簡介如下。

設(shè)區(qū)間[a，b]上給定一個節(jié)點劃分：

如果S（x）滿足如下兩個條件：

（1）在[a，b]上有二階連續(xù)導(dǎo)數(shù)；

（2）在每個小區(qū)間[xi，xi+1]上是次數(shù)不大于3的多項式。

則 S（x）為三次Hermite 分段函數(shù)。

如果被插值函數(shù)f（x）在節(jié)點x0，x1，…，xn-1，xn處的函數(shù)值為：

并且關(guān)于這個節(jié)點集的三次Hermite 插值S（x）滿足插值條件：

假設(shè) S（xi）=mi，i=0，1，…，n，則利用三次Hermite 插值多項式，當(dāng)x∈[xi-1，xi]時，有：

于是有：

由S″（xi-0）=S″（xi+0），得到：

其中：

式（7）給出了關(guān)于n+1 個未知數(shù)m0，m1，…，mn的n-1 個方程，再加上相應(yīng)的邊界條件，就可以確定參數(shù)m0，m1，…，mn。

若邊界條件為 m0=y′0，mn=y′n則直接代入式（7）中，得到關(guān)于n-1 個變量m1，…，mn-1的方程組，其矩陣為：

若邊界條件為 S″（ x0）=y″0，S″（ xn）=y″n，則由式（8）可得：

其矩陣形式為：

2 漏磁檢測數(shù)據(jù)自適應(yīng)成像系統(tǒng)設(shè)計

本文基于C#及C++編程語言，實現(xiàn)了管道漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)的設(shè)計。同時為使得插值數(shù)據(jù)更直觀顯示，考慮采用灰度變換的方式，將曲線圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像進(jìn)行顯示，并加以圖像增強[7]、圖像鈍化、圖像銳化處理[8]，以提高圖像顯示質(zhì)量[9]。此外為減輕對比度調(diào)節(jié)對灰度圖像顯示清晰度的影響[10]，考慮采用基于密度分割法的分段自適應(yīng)彩色圖像處理方法，將人眼只能識別十幾種灰度的圖像轉(zhuǎn)換成人眼能夠識別更多的細(xì)微彩色圖像。

為了提高對小缺陷的識別率以及處理速度，本體系采取了以下方案：

（1）采用分段自適應(yīng)插值的方式，根據(jù)不同的需要，選擇不同精度的通道間插值算法，在誤差與運算速度之間求取平衡，保證系統(tǒng)的性能。

（2）優(yōu)化算法性能。通過改變數(shù)據(jù)處理流程，改變算法編程語言，優(yōu)化算法性能，提高運算速度。

（3）采用分段讀取、分段顯示、圖像無縫拼接技術(shù)，減少顯示時間。

（4）采用多線程并行處理技術(shù)，充分發(fā)揮多核操作系統(tǒng)的性能優(yōu)勢，最大限度地提高數(shù)據(jù)處理速度。

設(shè)計的系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)成像系統(tǒng)設(shè)計流程

3 算法及系統(tǒng)仿真

3.1 自適應(yīng)插值算法仿真顯示

選取實測漏磁檢測數(shù)據(jù)，運行編好的插值程序，可以得到基于該算法的插值效果，見圖3。同時選取漏磁信號波動比較大的380～410 mm 的里程作分析，可得到如圖4所示的誤差曲線。

圖3 分段自適應(yīng)插值效果

由圖3、圖4可以看出，分段自適應(yīng)插值方法對原始數(shù)據(jù)追隨穩(wěn)定，誤差較小，其波峰波谷數(shù)值也較為接近，插值曲線比較平滑。通過計算得出基于Hermite 插值的三次樣條插值誤差均方值為1.6×10-3，對比分析前述四種經(jīng)典插值方法，分段自適應(yīng)插值的均方差最理想。而且，可以保證該種方法的運行時間在0.07 s 以內(nèi)。在曲線光滑度、精讀以及海試運行時間上均滿足想要的插值效果。

3.2 自適應(yīng)成像系統(tǒng)的測試

為了檢驗系統(tǒng)整體的自適應(yīng)成像效果，分別對缺陷信號及管道整體檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗，檢驗其自適應(yīng)插值、灰度視圖及偽彩色視圖的顯示效果。大缺陷信號三種視圖對比如圖5所示。

圖5 大缺陷信號（單峰）三種視圖對比圖

從曲線視圖中能清楚看到每個大缺陷信號（單峰）中只有一處波峰，插值后曲線視圖進(jìn)一步顯示出了單峰信號所具有的特點；對應(yīng)的灰度圖峰值處比較白亮，并且較雙峰窄很多，灰度值較低，白色區(qū)域兩側(cè)黑暗，即波谷，對比度相對較高，灰色圖效果清楚；而對應(yīng)的彩色圖的紅顏色代表波峰，黃色表示波谷，雙峰信息清晰可見，也能反映出雙峰信號特點。

曲線視圖經(jīng)過放大后（見圖6），其曲線變化與焊縫、缺陷完全對應(yīng)。同時在彩色視圖中可以找到焊縫和缺陷的相對應(yīng)位置，因此，插值后的曲線視圖、灰度視圖和彩色視圖基本實現(xiàn)了對焊縫、缺陷的準(zhǔn)確標(biāo)識。

圖6 管道整體信號的三種視圖對比

4 結(jié)束語

本文主要研究了管道漏磁內(nèi)檢測信號的自適應(yīng)插值成像方法。對幾種常見的插值算法進(jìn)行對比，并設(shè)計了一種基于三次Hermite 插值的三次樣條插值算法，以此為基礎(chǔ)采取了一種自適應(yīng)分段的插值方法，對漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行插值等數(shù)據(jù)的預(yù)處理操作，得到更加豐富的漏磁信號信息，實現(xiàn)了對漏磁數(shù)據(jù)的原始曲線顯示以及插值后的曲線顯示，有效提升了缺陷檢測數(shù)據(jù)的曲線顯示質(zhì)量，對小缺陷信號檢測有較大幫助；設(shè)計了整個自適應(yīng)成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了對漏磁檢測數(shù)據(jù)的曲線顯示、簡單的灰度圖像顯示及偽彩色圖像顯示。