朱紅秀，楊博璽，黃松嶺

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.清華大學(xué) 電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100084）

隨著油氣管道使用年限的增加，老化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，再加上埋地管道所處的環(huán)境非常惡劣、地形極其復(fù)雜以及人為破壞、施工缺陷和腐蝕等影響，管道泄漏事故頻繁發(fā)生，不僅帶來油、氣等泄漏損失，還會因維修帶來資源浪費(fèi)，停工停產(chǎn)造成經(jīng)濟(jì)損失，而且會對環(huán)境造成很大的污染。因此對缺陷的及時檢測十分必要，其檢測結(jié)果是管道檢修的重要依據(jù)。漏磁檢測是目前比較高效的一種油氣管道檢測方法，工作在油氣管道內(nèi)部的漏磁傳感器采集漏磁數(shù)據(jù)，并對這些信息進(jìn)行處理分析來確定管道的缺陷、腐蝕等情況。由于管道內(nèi)傳感器較多，采集的數(shù)據(jù)量很大，所以需要一個用來自動處理、分析檢測數(shù)據(jù)，評估量化管道缺陷，顯示檢測結(jié)果的軟件系統(tǒng)即數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)［1－3］。數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)不僅可以自動分析漏磁數(shù)據(jù)，而且可以將漏磁數(shù)據(jù)以圖形化的形式展現(xiàn)給檢測人員，檢測人員可以直觀地查看漏磁數(shù)據(jù)的變化，快速準(zhǔn)確地評估、定位管道缺陷［4－6］。因此，清晰、準(zhǔn)確、直觀的檢測數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)對數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)至關(guān)重要。筆者主要介紹兩種漏磁檢測數(shù)據(jù)顯示方式：曲線圖和C－Scan圖。開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2008，繪圖接口采用Windows GDI＋。

1 漏磁檢測系統(tǒng)工作原理

管道內(nèi)側(cè)漏磁檢測系統(tǒng)中的檢測器主要由測量節(jié)、探頭組、記錄節(jié)等部件組成，各部分之間由萬向節(jié)連接，以便于在管道內(nèi)移動，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要是完成管道漏磁信號和輔助信號采集、存儲等工作。檢測器被置入管道中以后，依靠流體作用在與管壁密封的皮碗上的壓差提供的軸向力實現(xiàn)在管線內(nèi)運(yùn)行，檢測器前進(jìn)過程中，在里程輪觸發(fā)下進(jìn)行漏磁數(shù)據(jù)的等間隔采樣，所采集的數(shù)據(jù)都記錄在檢測器存儲介質(zhì)內(nèi)。

圖1 漏磁檢測器結(jié)構(gòu)

檢測器在管道中采集的數(shù)據(jù)會被傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行分析處理，數(shù)據(jù)包中記錄的原始數(shù)據(jù)包括磁數(shù)據(jù)和非磁數(shù)據(jù)兩種。其中磁數(shù)據(jù)包括600個主探頭磁數(shù)據(jù)和600個用于區(qū)分內(nèi)外壁缺陷的IDOD探頭磁數(shù)據(jù)，檢測器每前進(jìn)1m采集磁數(shù)據(jù)500次，每次采集到的1200個探頭的數(shù)據(jù)稱為一個掃描（scan），這樣，每個掃描對應(yīng)的檢測器前進(jìn)距離是2mm。非磁數(shù)據(jù)包括行進(jìn)距離、當(dāng)前時間、三軸加速度、軸向速度和溫度等，非磁數(shù)據(jù)每0.2m采集一次。采集到的原始數(shù)據(jù)按字節(jié)流進(jìn)行存儲，各數(shù)據(jù)段之間用特殊的標(biāo)志位進(jìn)行分隔，形成特定格式的數(shù)據(jù)包。上位機(jī)分析軟件從檢測器中提取到原始的漏磁數(shù)據(jù)之后，將其存儲到緩存中。本系統(tǒng)以數(shù)據(jù)塊的形式管理數(shù)據(jù)，以磁數(shù)據(jù)為例，每個數(shù)據(jù)塊包含30個scan數(shù)據(jù)，每個scan包括600個探頭數(shù)據(jù)，每個探頭數(shù)據(jù)占用2個字節(jié)。因為每個scan的數(shù)據(jù)都是檢測器在管道中行進(jìn)過程中周期性采集得到的，所以每個scan的數(shù)據(jù)與管道的具體位置一一對應(yīng)，從而每個數(shù)據(jù)塊也對應(yīng)著一段固定長度的被測管道。系統(tǒng)中使用鏈表的方式將所有的數(shù)據(jù)塊連接起來，這樣也可以快速確定數(shù)據(jù)與管道位置的對應(yīng)關(guān)系，具體如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)塊格式

數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)軟件根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)對系統(tǒng)采集的漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和人工分析以及自動分析。數(shù)據(jù)預(yù)處理首先從原始的數(shù)據(jù)流中提取有效的磁數(shù)據(jù)和非磁數(shù)據(jù)，存儲到系統(tǒng)內(nèi)的緩存中，然后根據(jù)磁數(shù)據(jù)變化情況識別焊縫、劃分管筒，以便后續(xù)數(shù)據(jù)圖形化和人工分析過程使用。漏磁數(shù)據(jù)的圖形化顯示是通過將漏磁數(shù)據(jù)的變化趨勢以及管道的缺陷、特征等信息分別以曲線圖和C－Scan圖兩種方式呈現(xiàn)給用戶，數(shù)據(jù)分析人員通過查看圖像化的信息來分析管道數(shù)據(jù)并進(jìn)一步識別、定位管道的缺陷和特征。系統(tǒng)提供了兩種類型的顯示圖像來確保管道漏磁信息的完整性和缺陷量化、定位的準(zhǔn)確性，具體處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)工作流程

2 磁數(shù)據(jù)變化曲線圖

所謂曲線圖就是在專家系統(tǒng)的顯示屏幕上以曲線的方式來反映管道上磁數(shù)據(jù)的變化。磁數(shù)據(jù)是檢測器在管道上等間隔的采樣數(shù)據(jù)。根據(jù)每一個通道（探頭）磁數(shù)據(jù)本身的大小及其所在管道的位置，將其轉(zhuǎn)化為某個像素點坐標(biāo)映射到顯示屏幕上，之后將所有坐標(biāo)點連接起來，這樣就形成了直觀反映每條通道磁數(shù)據(jù)變化的曲線圖。此外，為方便用戶精確查看數(shù)據(jù)變化，曲線圖支持鼠標(biāo)縮放及上下左右拖動。實現(xiàn)曲線圖顯示的首要步驟是完成磁數(shù)據(jù)到顯示屏幕的映射，此映射需要充分考慮到屏幕大小及管道磁數(shù)據(jù)所在的具體地理位置。完成映射之后也就確定了管道數(shù)據(jù)與屏幕圖像的對應(yīng)關(guān)系了，系統(tǒng)基于此映射關(guān)系繪制圖形，首先從管道起始處即屏幕左側(cè)開始繪制，之后以數(shù)據(jù)塊為單位繪制管道其他部分的圖形，具體流程如圖4所示。

圖4 曲線圖繪制流程

2.1 橫坐標(biāo)映射

首先確定在正常顯示模式下，整個屏幕寬度與管道距離的對應(yīng)關(guān)系，及整個屏幕可以顯示多長的管道數(shù)據(jù)，下文以5m為例，并且將屏幕寬度記為ScreenLength。前文提到，此探頭每行進(jìn)1m掃描500次，每掃描一次記錄一個磁數(shù)據(jù)。在整個屏幕上能夠顯示5×500＝2500個磁數(shù)據(jù)。因為此探頭的采樣間隔是2mm，所以相鄰磁數(shù)據(jù)在屏幕上的間隔為ScreenLength／2500。因為每個磁數(shù)據(jù)的scan號和其在管道上的地理位置是一一對應(yīng)的，這樣很容易通過磁數(shù)據(jù)的scan號定位其所在地理位置，進(jìn)而得到其在屏幕上的顯示位置。例如，某磁數(shù)據(jù)scan號為1200，那么其對應(yīng)的管道位置是1200×0.002m＝2.4m，那么其在屏幕上的對應(yīng)的位置是2.4×ScreenLength／5，經(jīng)過上述分析，磁數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)可以通過其scan號來確定。

2.2 縱坐標(biāo)映射

由于磁數(shù)據(jù)的值是在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，其曲線圖必然圍繞上下波動的，在屏幕上，每個通道的曲線圖就需要占用一定寬度。所以整個屏幕顯示的通道數(shù)是有限的，具體能夠顯示幾個通道是由縮放比例決定的，比如用戶放大圖像時，顯示的通道數(shù)量就會減少，反之亦然。在正常模式下，以每屏幕顯示20個通道為例，屏幕可用寬度記為ScreenWidth。通道占用寬度為ScreenWidth／20，曲線圖是從屏幕的上方開始顯示0通道，所以很容易通過磁數(shù)據(jù)所在的通道號來確定磁數(shù)據(jù)所在屏幕的縱坐標(biāo)區(qū)間，然后通過將磁數(shù)據(jù)本身的值按照一定比例轉(zhuǎn)化為具體的縱坐標(biāo)位置。

2.3 縮放功能

為了方便用戶更加細(xì)致地查看檢測數(shù)據(jù)的總體變換趨勢或某段管道檢測數(shù)據(jù)的具體細(xì)節(jié)，曲線圖還提供了縮放功能，即用戶可以通過曲線視圖提供的縮放按鈕來縮小放大曲線圖。當(dāng)用戶需要查看更長的管道檢測數(shù)據(jù)信息變化總體趨勢時，可以將圖像縮小。根據(jù)上述分析，圖像縮小可以通過縮短每條scan數(shù)據(jù)所在屏幕上的橫坐標(biāo)間距來實現(xiàn)。但是由于曲線圖是通過連接屏幕上某些像素點實現(xiàn)的，所以如果僅僅縮短橫坐標(biāo)間距的話，就會造成圖像變得非常模糊，甚至失去線條形狀。反之，通過增大scan數(shù)據(jù)在屏幕上橫坐標(biāo)間距來實現(xiàn)圖像放大時，會導(dǎo)致圖像無法直觀反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。為解決上述問題，采用另一種思路來實現(xiàn)曲線圖：首先將檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后將其繪制出來。這樣在圖像縮小時，保持scan數(shù)據(jù)間距不變，減小采樣頻率，這樣既可以保證圖像清晰，又能保證圖像正確反映管道檢測數(shù)據(jù)的變化趨勢。反之，當(dāng)圖像放大時，只需要增大采樣頻率，就可以在屏幕上顯示更小粒度的檢測數(shù)據(jù)變化。圖5為一段實際管道的檢測數(shù)據(jù)效果截圖。

2.4 圖像拖動

為方便用戶可以查看更長的管道信息，曲線圖還實現(xiàn)了圖像拖動功能。用戶通過左右拖動曲線圖來查看整個管道的所有信息。根據(jù)前文分析，屏幕上每個scan的磁數(shù)據(jù)所對應(yīng)的橫坐標(biāo)都和其實際管道具體的地理位置相對應(yīng)，同時每條通道的磁數(shù)據(jù)與圖像的縱坐標(biāo)相對應(yīng)，所以只需要拖動鼠標(biāo)即可查看整個管道漏磁信息及具體的缺陷特征。

圖5 某管道檢測數(shù)據(jù)曲線效果截圖

3 C－Scan圖

曲線圖是管道缺陷分析的主要依據(jù)，但是也有不足之處，就是只能大致展現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的變化趨勢，如果僅以此來進(jìn)行缺陷分析定位，難免會出現(xiàn)誤判、定位不準(zhǔn)等情況。所以需要另外一種顯示粒度更小的圖形，目前常用的顯示圖像是灰度圖，但是灰度是單色圖像，人眼只能識別出很少的灰度級，而對彩色的分辨可達(dá)到幾百種甚至上千種。另外，管道漏磁數(shù)據(jù)的灰度顯示受到噪聲等因素的限制，形成的灰度圖像對比度較低、清晰度和辨識度不高，難以滿足漏磁檢測要求。所以系統(tǒng)采用一種新的圖像顯示方式C－Scan圖，C－Scan圖以偽彩色的方式來顯示管道檢測數(shù)據(jù)。C－Scan圖由于使用偽彩色來顯示管道檢測數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)的灰度圖、曲線圖更加清晰，直觀，缺陷定位更加準(zhǔn)確。偽彩色圖通過不同顏色顯示不同檢測數(shù)據(jù)的值，數(shù)據(jù)分析人員會準(zhǔn)確判斷出檢測數(shù)據(jù)變化的趨勢進(jìn)而快速定位缺陷及管道特征。由于偽彩色辨識度非常高，所以采用C－Scan圖顯示數(shù)據(jù)時不需要對圖像進(jìn)行濾波和再次銳化即可達(dá)到理想的效果。C－Scan圖根據(jù)管道檢測數(shù)據(jù)大小的不同，在屏幕上使用不同的顏色來代表數(shù)據(jù)值。在顯示屏幕上通過色彩的變化來展示檢測數(shù)據(jù)的變化，這就要求需要建立檢測數(shù)據(jù)本身與顯示屏幕之間的映射關(guān)系。具體的繪圖流程如圖6所示。

圖6 C－Scan圖繪制流程

3.1 微矩形

磁數(shù)據(jù)來源于對每個檢測探頭進(jìn)行的定時掃描，所以對于每個磁數(shù)據(jù)來說都有其對應(yīng)的通道號（探頭號）和scan號，據(jù)此，筆者將磁數(shù)據(jù)對應(yīng)的通道號和scan號分別映射到C－Scan圖的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，這樣每個磁數(shù)據(jù)在顯示屏幕上都有其唯一的顯示位置，有利于分析人員快速定位缺陷。按照上述分析，每個磁數(shù)據(jù)對應(yīng)顯示屏幕上的一個像素點。在繪圖的過程中，如果對應(yīng)磁數(shù)據(jù)僅僅著色單個像素點，那么最終繪制的圖像將是一個非常模糊的圖像，無法顯示顏色的變化，無法達(dá)到反映數(shù)據(jù)變化的目的。考慮到C－Scan圖也需要實現(xiàn)縮放及拖動功能，筆者采用另一種設(shè)計方式即在顯示屏幕上使用一個小矩形來顯示對應(yīng)檢測數(shù)據(jù)的顏色。這樣根據(jù)通道號和scan號確定的坐標(biāo)是微矩形的中心點。由于顯示區(qū)域面積的增大，繪制的整個圖形可以體現(xiàn)出每個檢測數(shù)據(jù)本身的變化。繪制過程中依次將各個通道中各個scan的數(shù)據(jù)大小，對其在屏幕上的對應(yīng)矩形區(qū)域進(jìn)行著色，如圖7（a）所示。

3.2 插值

在C－Scan圖中，縱坐標(biāo)是由磁數(shù)據(jù)的通道號確定的，由于各通道之間不可能留有任何空隙，所以染色矩形的寬度即為每各通道所占屏幕的寬度，并且在染色過程中，每個矩形使用單一顏色，這就造成了圖5中出現(xiàn)的對應(yīng)某條通道條狀帶。為使得CScan圖更加美觀，需要對圖像進(jìn)行插值處理，實現(xiàn)顏色漸變，使圖像更加平滑、柔和。常用的插值法有線性插值法、牛頓插值法、拉格朗日插值法。就此系統(tǒng)而言，圖像本身的失真度不是太高，所以使用線性插值法即可滿足要求。為了保證圖像插值效果，筆者未使用手動插值方式而是使用 Windows GDI＋提供的API函數(shù)GradientFill，此函數(shù)使用線性插值的方法實現(xiàn)矩形或三角型的顏色漸變。C－Scan圖從屏幕上方開始繪制0通道，然后依次繪制各個通道的磁數(shù)據(jù)，所以需要指定函數(shù)GradientFill工作模式為GRADIENT＿FILL＿RECT＿V。在這種模式下，函數(shù)從上到下來對矩形染色。此外還需要指定矩形頂部和底部的兩個邊的顏色，由于插值的目的就是要消除基于某條通道的條狀帶，所以對于縱坐標(biāo)（C－Scan）相同的磁數(shù)據(jù)對應(yīng)的矩形來說，使用其與相鄰的上一個通道相同scan號的磁數(shù)據(jù)對應(yīng)的顏色作為當(dāng)前矩形頂部顏色，同理使用其與相鄰的下一個通道相同scan號的磁數(shù)據(jù)對應(yīng)的顏色作為當(dāng)前矩形底部顏色，例如：當(dāng)前染色矩形坐標(biāo)為（C，S）C通道號，S為scan號，其頂部顏色為通道號為C－1，scan號為S的磁數(shù)據(jù)對應(yīng)的顏色，其底部顏色為通道號為C＋1，scan號為S的磁數(shù)據(jù)對應(yīng)的顏色。此外，筆者還設(shè)計簡單的散列函數(shù)來建立磁數(shù)據(jù)本身數(shù)值的大小與相應(yīng)顏色的關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與顏色的映射。經(jīng)過線性插值的圖像，如圖7（b）所示。

圖7 插值前、后C－Scan圖截圖

4 兩種顯示同步

該專家系統(tǒng)支持上述兩種顯示方式的自由切換，并且支持同時打開兩個窗口，系統(tǒng)內(nèi)部通過全局映射機(jī)制保證兩種圖像在磁數(shù)據(jù)、管道位置、掃描時間上完全同步，用戶可以同時查看兩種類型的顯示圖形（圖5和圖7），兩種圖形分別以不同圖像呈現(xiàn)了同一段管道的實際漏磁檢測信息，從不同角度顯示了漏磁數(shù)據(jù)的變化趨勢。系統(tǒng)還支持同步拖拽、縮放上述兩種圖形，有利于分析人員全面綜合分析管道漏磁信息，快速有效地分析數(shù)據(jù)，定位管道缺陷。

5 結(jié)束語

介紹了漏磁檢測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)顯示的兩種具體方法，從測試結(jié)果可以看出經(jīng)過數(shù)據(jù)采樣、矩形染色、插值處理等技術(shù)之后，曲線圖和C－Scan圖都可以清晰、直觀地實現(xiàn)漏磁檢測數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)功能，既最大程度上還原了原始磁數(shù)據(jù)的變化趨勢，又保證了管道缺陷的可辨識度，實現(xiàn)了管道漏磁內(nèi)檢測缺陷的可視化顯示。另外，兩種類型圖像的自由同步切換實現(xiàn)了管道缺陷和管道特征信息的完整性，有助于管道漏磁內(nèi)漏磁數(shù)據(jù)的精確分析和缺陷的快速定位，經(jīng)過測試，此可視化實現(xiàn)方式大大提高了管道漏磁數(shù)據(jù)分析人員的工作效率和工作質(zhì)量。

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