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多传感器数据融合技术在管道无损检测中的应用.docx

发布:2025-04-25约3.83千字共5页下载文档
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油气管道作为国民经济的“大动脉”,是最经济、最安全的原油运输方式之一,同时又具有高效、高可靠性的特点,能以较低的运输成本实现石油和天然气的不间断、大流量输送。截止到目前,全球的油气管道长度以每年约3%的速度持续增长。管道安全与人民生活和社会经济发展密切相关,腐蚀和局部损伤等引发的管道突发事故时有发生,造成了严重的环境污染和不可挽回的经济损失。研究人员利用各种检测技术对管道缺陷进行检测和识别,确定缺陷的类型和大小,以便进行安全评价并对缺陷管道进行修复和维护,保证油气管道的安全运行。

作为20世纪80年代逐步发展起来的一门新兴技术,多传感器数据融合技术在21世纪早期开始应用于管道无损检测信息处理中,充分利用多个传感器获得的信息,有效提高了检测系统的精度,为多仪器管道检测数据处理提供了技术支持,也为后续管道修复补强和安全稳定运行提供了依据。近年来,具有信息冗余和互补性特点的多传感器数据融合技术成为了学者们研究的热点,在智能制造、海洋监测以及图像处理等领域得到了广泛的应用。

多传感器数据融合技术

在20世纪70年代,传感器数据融合技术最早应用在美国国防部开发的声呐信号处理系统中,并于80年代得到发展。数据融合是对采集的各种数据进行综合处理和优化,对来自多个信息源的信息进行自动检测、关联、相关及估计的融合处理,从而达到提高整个系统准确性和鲁棒性的目的。

多传感器数据融合层次

多传感器数据融合可以在3个层次对信息进行不同程度的融合,分别为数据级融合、特征级融合和决策级融合。

数据级融合又称像素级融合,属于多传感器数据融合的最底层,其直接融合传感器获取的信息,然后对融合结果进行特征提取和判定;特征级融合是对从原始数据中提取的特征数据进行融合;决策级融合是多传感器数据融合的最高层次,首先对原始数据进行预处理并对被测对象进行独立决策,然后对所有决策结果进行融合得到具有总体一致性的决策结果。

3种融合方式的优缺点和主要理论支撑总结归纳如表1所示。

表1不同层次的数据融合方式及其优缺点

融合层次

优点

缺点

主要理论支撑

数据级融合

原始信息丰富,精度最高

数据量巨大,实时性和抗干扰能力差

HIS变换、PCA变换、小波变换及加权平均等

特征级融合

抗干扰能力强,易实现实时处理,具有较高精度

融合前需要先对特征进行相关处理

聚类分析法、贝叶斯估计法、加权平均法、D-S证据推理法及神经网络法等

决策级融合

通信量小,容错能力较强

对信息可信度要求高

贝叶斯估计法、专家系统、神经网络法、模糊集理论及可靠性理论等

多传感器数据融合方法

对于多传感器数据融合技术而言,其涉及多种融合理论和方法,不同的融合方法可以用于不同的融合层次和场景。其方法主要包括卡尔曼滤波与数据融合方法、贝叶斯方法、D-S法(证据理论方法)、模糊推理方法、遗传算法、粒子群算法、神经网络方法以及深度学习方法。以上方法可以划分为物理模型法、参数分类法与智能化方法3类,具体如图1所示。

图1数据融合方法分类框图

多传感器数据融合技术能够通过消除系统的不确定因素得到准确的综合信息,已在军事、工业监控、智能检测、目标检测与跟踪等领域得到了广泛的应用。以上提到的数据融合方法各有优劣,但随着研究的不断深入,融合方法的鲁棒性和并行处理能力逐渐增强,新的、更有效的数据融合方法被不断提出,多传感器数据融合技术必将成为未来复杂工业系统智能检测与数据处理的重要技术。

多传感器数据融合技术在油气管道无损检测领域的应用

我国对传感器数据融合技术的研究起步于20世纪80年代末期,到90年代初国内对此领域的研究才逐渐升温。由于单个传感器的适用范围有限,无法全面检测各种缺陷,因此多传感器集成检测技术越来越受到关注,其主要涉及信号处理、数值建模、数据融合、逆分析等问题。随着人工智能技术的发展,越来越多的学者采用智能化方法解决油气管道检测领域的缺陷识别量化问题,下面对多传感器数据融合技术在油气管道复合检测、缺陷识别以及缺陷量化等方面的应用进行总结。

01

油气管道复合检测

管道在外部环境作用下会产生各种不规则缺陷,包括体积型缺陷、平面型缺陷、机械损伤等,且管道在生产过程中亦会产生缺陷,仅采用一种无损检测技术很难实现高质量的检测。多种检测方式相结合可以提供来自不同方法的互补或冗余信息,即将目标相同或不同方面的多个信息源进行融合,以减少结果的不确定性,从而提高检测的鲁棒性和准确性。

与单独使用一种无损检测方法相比,复合检测方法能够以更高的可靠性检测出不同失效原因引起的故障或缺陷。例如REN等提出了一种改进的基于数据融合技术的多传感器识别算法,建立了超声检测和涡流检测数据的判别函数和融合函数,试验结果表明改进后的融合方法对缺陷有更高的识别率。

02

油气管道缺陷识别

油气管道服役的外部环境大多较为恶劣,焊接缺陷、凹坑和表面腐蚀

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