賈海東

新疆多介質(zhì)管道安全輸送重點(diǎn)試驗(yàn)室；中國石油大學(xué)（北京）；國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道公司

摘要：近年來人工智能技術(shù)被廣泛應(yīng)用于漏磁檢測數(shù)據(jù)的分析，改進(jìn)了傳統(tǒng)漏磁內(nèi)檢測信號識別存在的人工識別效率低、對特征分類不準(zhǔn)確、量化存在誤差且量化模型不通用、缺陷重構(gòu)和反演精度低、多信息融合分析未挖掘漏磁信號隱含特征等不足。本文介紹了人工智能技術(shù)在缺陷識別、缺陷分類、缺陷量化分析、缺陷重構(gòu)以及多信息融合數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用，展望了這一技術(shù)在管道內(nèi)檢測信號識別領(lǐng)域的研究方向。

關(guān)鍵詞：人工智能；長輸油氣管道；漏磁內(nèi)檢測；缺陷識別；缺陷量化

漏磁內(nèi)檢測技術(shù)是目前國內(nèi)大口徑天然氣管道采用的主流內(nèi)檢測技術(shù)，但是由于缺陷漏磁場分布不均勻性以及漏磁場求解的復(fù)雜性，傳統(tǒng)漏磁檢測方法在缺陷和特征識別、分類、量化、重構(gòu)、多信息融合數(shù)據(jù)分析方面仍有不少需要解決的難題。

近年來，隨著人工智能的迅速發(fā)展，國內(nèi)外研究人員開始把人工智能技術(shù)應(yīng)用到漏磁場信號處理領(lǐng)域。通過設(shè)計(jì)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，可以有效的對信號進(jìn)行識別、分類、量化、反演，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的自動識別。從而減小人員工作量和人為誤差，提升數(shù)據(jù)判讀準(zhǔn)確性，使缺陷識別和量化更加精確，更好的指導(dǎo)維修工作。

1  應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1  缺陷識別分析

國內(nèi)對于管道焊縫缺陷的智能識別，主要應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法有支持向量機(jī)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；國外對于焊接缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和識別主要應(yīng)用的方法為多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。基本都是采用人工的圖像分割到目標(biāo)的特征提取，然后采用統(tǒng)計(jì)方法或淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的分類識別。

文獻(xiàn)[1]提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道焊縫識別方法。利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐層挖掘管道焊縫圖像區(qū)域的特征信息，通過訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)權(quán)重參數(shù)和對焊縫樣本的測試，實(shí)現(xiàn)對管道焊縫漏磁曲線特征的智能識別。實(shí)驗(yàn)表明管道焊縫的識別率超過93%，該方法有較高的識別準(zhǔn)確率和處理批量圖像的優(yōu)勢。

文獻(xiàn)[2]針對管道內(nèi)檢測中焊縫法蘭組件的識別精度不夠問題，提出了一種基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的智能識別方法。該方法利用漏磁檢測（MFL）圖像而不是MFL測量，因此它可以跳過特征提取的過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法擁有良好的識別精度，在信噪比小于10 dB特征不明顯樣本中，所提方法的識別靈敏度為85.3%，優(yōu)于其他基于特征的智能識別方法，同時(shí)，改進(jìn)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)對于漏磁圖像具有良好的位移和畸變魯棒性。

在漏磁數(shù)據(jù)異常檢測研究中，大都基于閾值法或者邊緣檢測算子法進(jìn)行檢測，以上方法對噪聲的魯棒性較低，邊緣檢測精度不高，特別是對于針孔等微小異常區(qū)域容易發(fā)生漏檢。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于深度網(wǎng)絡(luò)的圖像分割方法，對漏磁圖像進(jìn)行異常檢測。該方法基于U-Net網(wǎng)絡(luò)模型來提取管道圖像異常特征，運(yùn)用基于對抗網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方法對異常圖像進(jìn)行進(jìn)一步修正，提升了檢測準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該方法在真實(shí)管道數(shù)據(jù)集上的IoU達(dá)到了0.983，可以滿足眾多工業(yè)應(yīng)用的需求。

現(xiàn)階段，基于人工智能技術(shù)已可以實(shí)現(xiàn)管道環(huán)焊縫、法蘭、彎頭等特征以及單一的金屬損失、凹陷等缺陷的自動識別，大大提升了數(shù)據(jù)分析效率，下一步還需要解決有交互影響的缺陷和特征的精確識別問題。此外，隨著漏磁數(shù)據(jù)量的增加，如何實(shí)現(xiàn)管道特征和缺陷的快速、精準(zhǔn)識別和標(biāo)注也是需要重點(diǎn)研究的。

1.2  缺陷分類分析

文獻(xiàn)[4]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對漏磁圖像進(jìn)行處理，不僅能提取漏磁圖像的特征，同時(shí)對噪聲、縮放、平移等變化具有魯棒性。文章提出一種基于低層特征融合的多核卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LFMCNN）的方法，用來處理缺陷、焊縫、三通以及正常的分類問題。該方法直接將漏磁曲線圖送進(jìn)模型中進(jìn)行訓(xùn)練。為了得到更多的空間、顏色以及輪廓的信息，直接將原始圖像的尺寸縮小融合在卷積層中。在卷積層中添加RELU激活函數(shù)，這樣就能使網(wǎng)絡(luò)具有稀疏性，模型訓(xùn)練得更快。結(jié)果表明融合了原始圖像低層特征后的模型對管道漏磁缺陷的識別率相較于CNN提高了7.5%，相較于傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法準(zhǔn)確率提升了11.5%。

由于國內(nèi)X80鋼管道鋼管質(zhì)量控制水平差異、現(xiàn)場施工焊接難度大、焊縫缺陷超標(biāo)和韌性離散、附加載荷等原因，據(jù)統(tǒng)計(jì)，曾在試壓和投產(chǎn)運(yùn)行期間，發(fā)生了開裂和泄漏30余起，高鋼級管道環(huán)焊縫缺陷檢測成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)難題。環(huán)焊縫處漏磁內(nèi)檢測信號相對復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工分析方法不易實(shí)現(xiàn)缺陷的分類。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Convolutional Neural Network，DCNN）的管道漏磁內(nèi)檢測環(huán)焊縫缺陷智能分類方法：將管道環(huán)焊縫漏磁內(nèi)檢測信號圖像以及環(huán)焊縫開挖后射線檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷類型作為樣本標(biāo)簽建立數(shù)據(jù)庫，利用深度卷積對抗生成網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)集進(jìn)行擴(kuò)展增強(qiáng)；利用增強(qiáng)后的數(shù)據(jù)集對殘差網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)與迭代訓(xùn)練，最終實(shí)現(xiàn)對環(huán)焊縫漏磁內(nèi)檢測信號圖像進(jìn)行分類。實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明：該方法可實(shí)現(xiàn)對環(huán)焊縫常見條形缺陷、圓形缺陷的識別分類，分類測試的準(zhǔn)確率為83％～88％，對于圓形缺陷的召回率超過97％。新方法突破了人工分析環(huán)焊縫處漏磁內(nèi)檢測信號的局限，可為環(huán)焊縫缺陷智能分類提供參考。

現(xiàn)階段，人工智能對缺陷內(nèi)外分辨、金屬損失缺陷類型、焊縫、三通等特征分類準(zhǔn)確率還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。此外，針對焊縫開口裂紋等漏磁內(nèi)檢測有信號反應(yīng)的缺陷尚需開展大量研究，建立環(huán)焊縫裂紋、未熔合等缺陷智能分類算法。

1.3  缺陷量化分析

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法已被應(yīng)用到漏磁缺陷量化領(lǐng)域，但傳統(tǒng)遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于大量缺陷反演的計(jì)算，存在訓(xùn)練速度慢、量化精度低等缺點(diǎn)。

文獻(xiàn)[6]提出一種基于深度學(xué)習(xí)的漏磁檢測缺陷量化識別方法，并建立了漏磁檢測缺陷識別模型，該模型包含深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊和回歸模塊。深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多輸入多輸出互相關(guān)操作，完成漏磁缺陷信號3個(gè)分量（軸向、周向、徑向）的數(shù)據(jù)融合，利用預(yù)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)，遷移已有知識，實(shí)現(xiàn)缺陷信號的特征自動提取；回歸模塊中設(shè)計(jì)缺陷、長度和寬度聯(lián)合損失函數(shù)，利用回歸方式實(shí)現(xiàn)缺陷尺度的量化。采用有限元仿真和牽拉試驗(yàn)相結(jié)合的方式，建立漏磁信號缺陷量化數(shù)據(jù)集并劃分為訓(xùn)練集和測試集，訓(xùn)練集用于模型訓(xùn)練，測試集進(jìn)行方法驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：90%置信度下，長度和寬度量化結(jié)果全部落在±10 mm的誤差帶上，深度量化結(jié)果全部落在±10% t（t為壁厚）的誤差帶上，滿足工程檢測要求，可有效完成管道漏磁缺陷識別。

現(xiàn)階段，按照定期檢驗(yàn)規(guī)則，具備內(nèi)檢測條件的管道投產(chǎn)三年內(nèi)必須完成內(nèi)檢測作業(yè)，通過現(xiàn)場檢測，各內(nèi)檢測單位和管道運(yùn)營單位積累了大量的缺陷樣本，這些海量樣本已經(jīng)被用于量化模型的訓(xùn)練中并取得了較好的效果，但相關(guān)研究仍未大規(guī)模進(jìn)行工程應(yīng)用。下一步還應(yīng)該使得量化模型更加具有通用性和可遷移性，并在實(shí)際工程中不斷檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃浴?o:p>

1.4  缺陷重構(gòu)分析

文獻(xiàn)[7]提出一種基于勻速采樣模型設(shè)計(jì)迭代反演方法，使模型更符合實(shí)際的采樣過程，并在模型中考慮了速度產(chǎn)生的影響；通過空間映射方法，將勻速采樣產(chǎn)生的多個(gè)有限元模型轉(zhuǎn)化為用磁偶極子模型為基礎(chǔ)表示的解析模型，解決了勻速采樣模型難以設(shè)計(jì)迭代方法的問題;通過設(shè)計(jì)基于正則化方法的迭代策略，給出了缺陷重構(gòu)的算法。最后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的有效性。

文獻(xiàn)[8]提出一種基于偏差估計(jì)的隨機(jī)森林缺陷三維輪廓重構(gòu)方法。該方法利用隨機(jī)森林算法通過估計(jì)信號和實(shí)際信號之間的偏差估計(jì)重構(gòu)輪廓偏差，通過優(yōu)化參數(shù)更新缺陷輪廓，最終可實(shí)現(xiàn)缺陷三維輪廓的重構(gòu)。所提出的方法在缺陷輪廓重構(gòu)精度上具有良好的效果。

現(xiàn)階段，基于漏磁內(nèi)檢測的缺陷重構(gòu)反演仍處于研究中，目前已可以實(shí)現(xiàn)球形、橢球型以及矩形缺陷輪廓的反演。下一步還需要構(gòu)建更加精確的正演模型，利用磁偶極子，迭代法等方法，實(shí)現(xiàn)具有更加復(fù)雜的輪廓形貌缺陷的反演。

1.5  多信息融合數(shù)據(jù)分析

文獻(xiàn)[9]為區(qū)分管道母材及焊縫處不同損傷形式磁記憶信號，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對管道缺陷檢測信號的模式進(jìn)行識別。以X80管線鋼作為試樣材質(zhì)，分別從X80管道母材及焊縫部位取樣，加工無缺陷及含裂紋等兩種形式的試樣并對其進(jìn)行磁記憶檢測。采用有限元分析軟件獲得其磁場分布，對磁記憶檢測信號進(jìn)行特征參數(shù)提取并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對特征參數(shù)進(jìn)行聚類，建立了管道磁記憶檢測模式識別方法。研究結(jié)果表明：不同損傷部位及形式的試樣，其磁記憶檢測信號分布有較大差異；磁記憶檢測信號分布與試樣表面形貌及損傷形式密切相關(guān)；運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠有效識別管道不同位置及損傷形式的磁記憶檢測信號。

現(xiàn)階段，國內(nèi)已開發(fā)出多物理場內(nèi)檢測裝備，同時(shí)具備漏磁測試金屬損失缺陷，渦流測試管道裂紋，強(qiáng)弱磁測量管道應(yīng)力集中，IMU測量管道中心線偏移等。多物理場測試數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)融合分析將是未來內(nèi)檢測和人工智能技術(shù)結(jié)合的重要研究方向。

2  結(jié)論

人工智能技術(shù)在漏磁信號處理上具自適應(yīng)性和非線性的優(yōu)勢，國內(nèi)外在漏磁圖像增強(qiáng)、異常邊緣提取、特征和組件識別、量化模型、三維缺陷重構(gòu)方面開展了大量研究，但投入到實(shí)際工程應(yīng)用較少。當(dāng)前的研究均側(cè)重于解決某一方面的問題，未構(gòu)建基于人工智能的管道內(nèi)檢測分析體系，已形成的智能分析方法在通用性和遷移性方面還需加強(qiáng)。

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作者簡介：賈海東，1984年生，高級工程師，2009年畢業(yè)于西安交通大學(xué)，工學(xué)碩士，主要從事管道檢測及完整性評價(jià)工作。聯(lián)系方式：18699180205，jiahd@pipechina.com.cn。