CN107219335B - 基于复连续小波变换的管道连接器检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于管道测绘领域，具体涉及了一种基于复连续小波变换的管道连接器检测方法。本发明包括：采用管道内检测装置中用于管道检测定位的惯性传感器测量数据；并运用复连续小波变换方法来分析管道内的惯性传感器测量数据，通过对惯性传感器测量数据的奇异性分析来提取出管道连接器对应的时间段；同时，结合管道检测定位系统计算出来的管道位置和时间关系，二者进行时间同步运算即可得到管道连接器在管道不同位置的分布情况。管道连接器检测结果不仅为管道段连接器处等易腐蚀、易破裂部位的维修提供便利，还为惯性辅助管道检测定位系统在直管道段提供连续方位角和俯仰角误差修正，便于提高惯性辅助管道检测定位系统的定位和定向精度。

Description

基于复连续小波变换的管道连接器检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于复连续小波变换的管道连接器的检测方法，属于管道测绘领域。

背景技术

管道是实现油、气或水等资源运输的最有效、便利和安全的方式。随着大量先前铺设的管道已达到或超过服役期，由管道泄漏带来的环境污染及经济损失是非常严重的，甚至管道爆炸造成的安全威胁更是难以估量。管道测量装置是在管道内实现管道缺陷检测及缺陷定位最有效的工具，已成为各类管道周期性检测的首选工具。此外，泥石流、山体滑坡、冻土解冻等自然因素也会造成管道变型，采用管道测量装置可实现对被检测管道坐标的有效测量，分析管道的位移或变型对管道潜在危险预测能提供很好的帮助，预防各类管道泄漏或爆炸等危险发生。

由惯性传感器构成的惯性辅助管道定位系统是实现管道缺陷定位及管道变型检测的核心组成部分。但是，惯性辅助管道定位系统的定位误差和方位角误差是随着被检测管道距离的增加而逐渐累积发散的。通常情况下，管道测量装置四周对称安装的里程仪及其在管道内运动的非完整性约束能为惯性辅助管道定位系统提供连续三维速度修正。同时，沿被检测管道每隔一定距离且位置已知的地表标记可为惯性辅助管道定位系统提供离散三维位置修正值。但是，小体积低精度微机械惯性传感器构成的惯性辅助管道定位系统的方位角(定向)误差发散大，除了速度和位置误差修正外，还需要进行方位角误差修正。传统的方位角检测传感器在小径管道内受管道内径及管内环境等影响误差大，惯性辅助管道定位系统很难为管道开挖及维修提供足够的精度。因此，为惯性辅助小径管道检测定位系统提供一种新的方位角误差修正方法势在必行。

铺设的管道是由直管道段由管道连接器(包括弯管道、环形焊缝和法兰等)连接而成的。一方面，管道连接处大都采用焊接或螺丝进行连接，在长期的地下环境中易于腐蚀甚至破裂。此外，管道测量装置在直管道内具有方位角和俯仰角不变的特性，可用于修正管道定位系统的方位角发散误差，提高管道检测定位系统的定位和定向精度。但是，此方法实现的前提就是实现对管道连接器的正确检测，并确定其具体坐标位置。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提出了一种基于复连续小波变换的管道连接器检测方法。

本发明的技术方案是：为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤：

步骤一、在管道测量装置完成整个被检测管道的检测任务后，从存储器中读取管道定位传感器的数据；

步骤二、采用复连续小波变换的方法，得出管道测量装置在管道内运行时间与不同时刻所对应的管道连接器的关系；

步骤三、在采用管道测量时的惯性传感器数据检测管道连接器的同时，管道定位传感器采用惯性辅助管道定位方法，确定管道分布坐标信息；

步骤四、将步骤二得出的管道连接器与时间的关系和步骤三得到的管道轨迹坐标与时间的关系进行时间同步操作。

步骤五、在管道连接器检测结果与管道定位系统进行时间同步后，即可得到被检测管道中管道连接器的具体坐标位置；

步骤六、通过检测和时间同步结果，生成最终标明管道连接器及其位置的检测报告。

进一步地、步骤四中，时间同步的基础是步骤二中管道测量装置在管道内运行时间与不同时刻所对应的管道连接器的关系和步骤三中管道测量装置在管道内运动的轨迹与时间的关系，二者的结果都是基于管道测量装置中的同一套惯性测量数据；

进一步地、步骤二中采用复连续小波变换的方法包括：

步骤一、由管道测量装置内安装的三轴陀螺仪和三轴加速度计分别敏感管道测量装置在管道内运动时的旋转角速率和线性加速度；

步骤二、通过三轴陀螺仪测量的旋转角速率测量值判断管道测量装置是否通过弯曲管道；

步骤三、由三轴加速度计在管道测量装置内随着管道运动的测量信号用于判断环形焊缝和法兰等管道连接器；

步骤四、将由陀螺仪测量值检测的弯曲管道段与由加速度计测量值检测的环形焊缝和法兰等管道连接器结合，得到整个被检测管道中的管道连接器与时间的对应关系。

进一步地、步骤三中惯性辅助管道定位方法包括：

步骤一、利用三轴陀螺仪和三轴加速度计分别敏感管道测量装置在管道内运动时的旋转角速率和线性加速度；

步骤二、在管道测量装置检测初始姿态、速度和位置已知的条件下，采用捷联惯性导航算法计算出管道测量装置在管道内运动的姿态、速度和位置信息；

步骤三、管道测量装置搭载的里程仪及其非完整性约束特性能提供连续的三维速度测量更新值，同时管道检测前预设的地表标记点能提供离散的三维位置测量值。此外，由管道连接器检测结果可为管道测量装置在直管道段提供方位角和俯仰角。将这些信息分别与由惯性导航算法计算出来的姿态角、速度和位置进行作差可计算出系统测量误差；

步骤四、以系统测量误差为观测量，在Kalman滤波估计的作用下进行估算惯性传感器误差和捷联惯性导航系统误差，并进行误差修正；

步骤五、采用数据平滑处理技术离线估计系统误差并进行误差修正，从而进一步提高管道定位系统精度；

步骤六、通过步骤五的数据平滑处理后，获得精确的管道地理坐标值。

进一步地、步骤三中惯性传感器本身的测量误差计算是基于里程仪测量的轴向速度和管道测量装置在管道内的非完整性约束提供三维速度、管道连接器检测在直管道段提供方位角和俯仰角，以及地表磁标记提供三维位置的基础上进行的误差计算。

进一步地、步骤四中Kalman滤波估计的作用下估算出的惯性传感器误差和捷联惯性导航系统误差，可以反馈并修正管道定位系统误差。

本发明具有以下有益效果：本发明中基于复连续小波变换的管道连接器检测是无需任何硬件成本的。管道连接器检测的实现不需要在管道测量装置中安装其他传感器，用于检测的信号是对管道检测定位用惯性传感器数据的再次利用。此外，管道检测中对管道缺陷的维护是在管道检测完成之后进行的，无需实时进行，故对管道检测数据的分析、管道连接器检测和管道定位系统计算管道地理坐标都是离线进行的，不会对现有的管道检测及评估系统产生影响。此外本发明还有以下特点：

1、本发明采用复连续小波变换来检测管道连接器是离线处理的，管道连接器检测结果可为惯性辅助管道定位系统在直管道段提供方位角和俯仰角误差修正。

2、本发明中的管道连接器检测结果是不依赖于任何额外的传感器的，只是采用了惯性辅助管道检测定位系统已装备的惯性传感器。

3、本发明中的管道连接器检测适用于各类油、气、水、化学物质等运输用各种管径管道，所采用的管道测量装置外型为圆柱型或类鱼雷型。

附图说明

图1是复连续小波变换管道连接器检测示意图；

图2是惯性辅助管道定位系统定位原理图；

图3是基于复连续小波变换的管道连接器检测流程图。

具体实施方式

结合附图对本发明做详细地描述，需要说明的是该方法中涉及的陀螺仪、加速度计和捷联惯性导航系统均为典型惯性器件和导航定位系统，管道测量装置为典型的管道检测系统，故本发明不再对其原理进行详细描述：

图1所示，复连续小波变换检测管道连接器示意图。由管道测量装置内安装的三轴陀螺仪和三轴加速度计分别敏感管道测量装置在管道内运动时的旋转角速率和线性加速度。三轴陀螺仪测量的旋转角速率测量值用于判断管道测量装置是否通过弯曲管道。其中，静止状态下陀螺仪输出角速率的平方和作为阈值，当三轴陀螺仪任意轴测量的旋转角速率测量值大于阈值，则判定管道测量装置正通过弯曲管道段，否则判定管道测量装置正通过直管道段。同时，由加速度计在管道测量装置内随着管道运动的测量信号用于判断环形焊缝和法兰等管道连接器。采用复连续小波变换将加速度计测量信号进行变换得到其时频特性曲线，并提取出其小波系数的极大模值，当极大模值大于预设的阈值时即管道测量装置正通过环形焊缝和法兰等管道连接器部位，否则管道测量装置正通过直管道段。最后，将由陀螺仪测量值检测的弯曲管道段与由加速度计测量值检测的环形焊缝和法兰等管道连接器结合，即可得到整个被检测管道中的管道连接器与时间的对应关系。

图2所示，惯性辅助管道定位系统原理图。三轴陀螺仪和三轴加速度计分别敏感管道测量装置在管道内运动时的旋转角速率和线性加速度。在初始条件已知的状况下，采用捷联惯性导航算法可以计算出管道测量装置在管道内运动的姿态、速度和位置信息。由于惯性传感器本身的测量误差，会导致纯捷联惯性导航系统输出误差随着管道检测距离的增长而增大。由里程仪测量的轴向速度和管道测量装置在管道内的非完整性约束提供三维速度，管道连接器检测在直管道段提供方位角和俯仰角，以及地表磁标记提供三维位置，在Kalman滤波估计的作用下可估计出惯性传感器误差和捷联惯性导航系统误差，这些误差可以反馈并修正管道定位系统误差。此外，由于管道检测与维护的非实时性特性，可以采用数据平滑处理技术离线估计系统误差，再次。最终，得出精确的管道地理坐标值。

图3所示，给出了整个基于复连续小波变换的管道连接器检测流程图。在图1和图2的基础上，实现管道检测结果与惯性辅助管道检测定位系统在时间上的同步性是实现管道连接器坐标位置的重要前提。整个系统的运行流程如下：

步骤1，在管道测量装置完成整个被检测管道的检测任务后，从存储器中读取管道定位传感器的数据，进入步骤2；

步骤2，根据图1中采用复连续小波变换的方法，可得出管道测量装置在管道内运行时间与不同时刻所对应的管道连接器的关系，进入步骤3；

步骤3，在采用管道测量时的惯性传感器数据检测管道连接器的同时，管道定位传感器采用惯性导航解算、Kalman滤波估计技术及数据平滑滤波技术可得到管道测量装置在管道内运动的轨迹与时间的关系，并进入步骤4；

步骤4，将步骤2得出的管道连接器与时间的关系和步骤3得到的管道轨迹坐标与时间的关系进行时间同步操作。时间同步的前提就是二者的结果都是基于管道测量装置中的同一套惯性测量数据，进入步骤5；

步骤5，在管道连接器检测结果与管道定位系统进行时间同步后，即可得到被检测管道中管道连接器的具体坐标位置，进入步骤6；

步骤6，通过检测和时间同步结果，生成最终标明管道连接器及其位置的检测报告。

本发明中基于复连续小波变换的管道连接器检测方法。主要采用安装在圆柱型或类鱼雷型管道测量装置中心的捷联惯性测量单元在管道内的测量数据，以离线处理的方式提取出管道连接器部分在管道内对应的位置。主要以复连续小波变换对惯性传感器测量数据进行小波变换，得出采集信号的时频特性曲线，通过小波系数的极大模值来判断整个被检测管道中的直管道段和管道连接器所对应的时间段。同时，结合惯性辅助管道定位系统输出的管道坐标位置和时间的关系，并将管道连接器检测的时间与管道位置计算中的时间进行时间同步运算，即可得出管道位置与管道连接器之间的对应关系。从而，最终将被检测管道中的管道连接器和直管道段的位置在地理坐标系统中分别表示出来。

复连续小波变换是这样实现管道连接器检测的。首先，当管道测量装置完成整个被检测管道的检测并回到管道接收器后，从管道测量装置的数据存储单元中下载并保存管道检测数据和管道定位传感器数据。接下来，由管道测量装置内加速度计在管道内的测量数据采用小波工具中的复连续小波变换进行分析，得出对应的小波变换系数的极大模值。并采用阈值的方法判断环形焊缝或法兰等对应的时间段，当小波变换系数的极大模值大于预设阈值时，对应的时间段为环形焊缝或法兰，而当小波变换系数的极大模值小于设定阈值时，对应的时间段即为直管道段。与此同时，管道测量装置内陀螺仪测量数据用来判断管道测量装置是否通过某段弯曲管道，将弯曲管道从整个被检测管道中分离出来。最后，将陀螺仪检测的弯管道段与加速度计检测出来的环形焊缝或法兰等进行合并，实现整个管道连接器的检测。

被检测管道连接器的地理坐标位置是这样确定的。管道内安装的惯性测量数据不仅用于管道连接器的检测，同时还用于被检测管道地理坐标位置的计算。由于二者采用了同一套惯性传感器在管道内的数据，由此检测出的管道连接器和管道定位系统具有时间同步特性。管道连接器检测的输出是时间和管道连接器的关系，而管道检测定位系统的输出是时间和管道坐标位置的关系，通过时间同步即可得到管道连接器在地理坐标中的位置。

管道连接器检测结果可为所铺设管道在开挖和维修时提供便利。常年埋藏在地下或水下的管道由于其管道连接器处大部分为焊接等进行连接的，连接处与附近的泥土和水中的化学物质容易发生腐蚀，甚至破裂。因此，管道连接器成了管道泄漏的高危区域。此外，管道测量装置上搭载的管道检测传感器能有效的检测出直管道及管道连接器处的腐蚀及破裂状况。这样，管道连接器检测结果能为管道维修和开挖时提供便利。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (4)

1.基于复连续小波变换的管道连接器检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、在管道测量装置完成整个被检测管道的检测任务后，从存储器中读取管道定位传感器的数据；

步骤二、采用复连续小波变换的方法，得出管道测量装置在管道内运行时管道连接器与时间的对应关系，具体为：由管道测量装置内安装的三轴陀螺仪和三轴加速度计分别感测管道测量装置在管道内运动时的旋转角速率和线性加速度，三轴陀螺仪测量的旋转角速率测量值用于判断管道测量装置是否通过弯曲管道，其中，静止状态下陀螺仪输出角速率的平方和作为阈值，当三轴陀螺仪任意轴测量的旋转角速率测量值大于阈值，则判定管道测量装置正通过弯曲管道段，否则判定管道测量装置正通过直管道段；同时，由加速度计在管道测量装置内随着管道运动的测量信号用于判断环形焊缝和法兰管道连接器，采用复连续小波变换将加速度计测量信号进行变换得到其时频特性曲线，并提取出其小波系数的极大模值，当极大模值大于预设的阈值时即管道测量装置正通过环形焊缝和法兰管道连接器部位，否则管道测量装置正通过直管道段；最后，将由陀螺仪测量值检测的弯曲管道段与由加速度计测量值检测的环形焊缝和法兰管道连接器结合，即可得到整个被检测管道中的管道连接器与时间的对应关系；

步骤三、在采用惯性传感器数据检测管道连接器同时，管道定位传感器采用惯性辅助管道定位方法，确定管道测量装置在管道内的轨迹坐标与时间的关系；

步骤四、将步骤二得出的管道连接器与时间的关系和步骤三得到的管道轨迹坐标与时间的关系进行时间同步操作；

步骤五、在进行步骤四的时间同步操作后，即可得到被检测管道中管道连接器的具体坐标位置；

步骤六、通过检测和时间同步结果，生成最终标明管道连接器及其位置的检测报告。

2.根据权利要求1所述的基于复连续小波变换的管道连接器检测方法，其特征在于：所述的步骤四中，时间同步的基础是步骤二中管道测量装置在管道内运行时管道连接器与时间的对应关系和步骤三中管道测量装置在管道内的轨迹坐标与时间的关系，二者的结果都是基于管道测量装置中的同一套惯性测量数据。

3.根据权利要求1所述的基于复连续小波变换的管道连接器检测方法，其特征在于：所述的步骤三中采用的惯性辅助管道定位方法包括以下步骤：

步骤一、利用三轴陀螺仪和三轴加速度计分别感测管道测量装置在管道内运动时的旋转角速率和线性加速度；

步骤二、在管道测量装置检测初始姿态、速度和位置已知的条件下，采用捷联惯性导航算法计算出管道测量装置在管道内运动的姿态、速度和位置信息；

步骤三、管道测量装置搭载的里程仪及管道测量装置在管道内的非完整性约束特性能提供连续的三维速度测量更新值，同时管道检测前预设的地表标记点能提供离散的三维位置测量值，由管道连接器检测结果为管道测量装置在直管道段提供方位角和俯仰角，将所述方位角和俯仰角、所述三维速度测量更新值和所述三维位置测量值分别与捷联惯性导航算法计算出来的姿态角、速度和位置进行作差计算获得系统测量误差；

步骤四、以系统测量误差为观测量，在Kalman滤波估计的作用下进行估算惯性传感器误差和捷联惯性导航系统误差，并进行误差修正；

步骤五、采用数据平滑处理技术离线估计系统误差并进行误差修正，从而进一步提高管道定位系统精度；

步骤六、通过步骤五的数据平滑处理后，获得精确的管道地理坐标值。

4.根据权利要求3所述的基于复连续小波变换的管道连接器检测方法，其特征在于：惯性辅助管道定位方法的步骤四中Kalman滤波估计的作用下估算出的惯性传感器误差和捷联惯性导航系统误差，可以反馈并修正管道定位系统误差。

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