一種基于速度閾值的海底管道內檢測器里程修正方法

唐建華1， 宋 通1， 王懷江1， 呼 婧， 李志華

(1.中海石油技術檢測有限公司， 天津 300452； 2.北京華航無線電測量研究所， 北京 100013)

0 引 言

在某次海管檢測中，管道內檢測器通過水壓在海底管道內運行[1]，水流速度設置約0.55 m/s[2]，里程按照數據采集點個數計算(數據行數)[3]。對照計算出的里程和管道檢測信號中結構件的信號標記結構件的對應位置[4]，計算每兩個焊縫之間的管節長度。管節應為12.5 m左右，但是統計出來的管節列表卻有過長的異常現象。

針對里程異常已有相關的修正方法，例如管道地理坐標內檢測的里程校正算法[5]、管道測繪的數據處理及融合方法[6]、里程輪打滑原因分析[7]、管內定位技術的現狀[8]和相關技術的研究[9]。本文對本次檢測的里程異常提出一種基于速度閾值的里程修正方法，并進行詳細分析與修正。

1 速度分析

發球筒到收球桶之間的里程范圍內有682 274個采集點，共計682 274×4=2 729 096個優選里程脈沖幀(1個采集點對應4個里程脈沖幀)。里程輪每轉1圈觸發1個里程幀[10]，每幀前進3.3 mm，發球筒到收球桶之間的距離按照采集點計算約9 006.02 m，如圖1所示，結合時間信息(見圖2)，可以得到檢測全程的每2個采集點之間的速度信息，如圖3所示。

圖1 采集點數計算的里程 圖2 時間信息

觀察里程在5.0～6.0 km處的速度可知：速度平緩處在0.545 m/s左右，范圍在0.4～0.7 m/s，如圖4所示；2.0～4.0 km處以及7.8～8.0 km處的速度在2 m/s左右。

圖3 按照采集點數解算速度 圖4 里程在5.0～6.0 km處的速度平緩速度值

圖5 原始速度與采集點之間時間差關系

本次檢測器的設置速度在0.55 m/s左右，由圖4可知速度平緩處為正常的運行速度，速度范圍在0.4 ～0.7 m/s，因此設置0.4 ～0.7 m/s為正常的速度范圍用于后續相關計算。

2 兩個采集點之間速度與時間差的關系

當速度在0.4～0.7 m/s之間，通過1個采集點對應的4個優選里程脈沖的里程，結合采樣頻率的關系計算得知：2個采集點之間的時間差應在19～33 ms。2個采集點之間的速度與時間差在同一個里程處的關系如圖5所示。

如圖6所示，在里程為2 475 m處，速度加快為2.2 m/s，2個采集點之間時間差減小至6 ms。

如圖7所示，在里程為3 517 m處，速度減小為0.23 m/s，2個采集點之間時間差增加為57 ms。

圖6 速度過大與采集點時間差關系 圖7 速度過小與采集點時間差關系

從采集點之間的時間差與速度之間的關系可以驗證：當采集點之間時間差大于33 ms，速度小于0.4 m/s時，由于里程采樣減慢，數據可能丟失；當采集點之間時間差小于19 ms，速度大于0.7 m/s時，由于里程采樣加快，里程可能異常增加。

3 結構件對比結果異常原因

按照采集點計算的里程，對照管道檢測信號中結構件的信號，標記結構件對應位置，對824個檢測出的結構件里程信息與國外檢測器檢測出的結構件里程信息進行比對。所有結構件按照里程從小到大的順序排列，對應序號為1～824。

在正常平穩運行后進入直管段，實際焊縫之間的管節長度應為12.5 m左右。但是在與國外檢測器結構件里程的對比表中，有多個序號對應的管節長度出現異常，如表1所示的序號對應的結構件處的管節長度均遠大于12.5 m。因此，結構件之間的管節長度可能出現異常。

為確定這一結論，按照異常管節的對應里程，查找圖5中的異常并且判斷數據是否丟失(速度過低)或過高(里程過采)。判斷結果如表1所示。

表1 異常管節長度與異常分析列表

第一個異常管節序號為238，出現于在進入發球閥后9 117 s，約152 min，里程距離發球閥2 134.22 m處。

在管節長度異常段，速度也異常，大多有數據缺失(速度過慢)或里程過采(速度過大)的情況。序號為606管段無速度異常，管節長度為25 m左右，可能沒有數據缺失，懷疑少數了1個焊縫。

對比管節長度，發現當速度范圍在0.4～0.7 m/s，平均速度在0.545 m/s左右時，管節長度在正常范圍內。

因此，需對速度進行0.4～0.7 m/s的閾值限制，并且對超出速度閾值的里程，按照0.545 m/s的預測速度進行修復。

4 里程缺失距離估算

速度異常減小會使里程缺失，造成數據缺失。設置速度下限為0.4 m/s，當速度小于0.4 m/s時，視為里程缺失。

根據對平均速度以及里程脈沖數與采樣點數的關系計算得知：當速度為0.545 m/s時，采樣點間的時間差應為24.22 ms；當速度達到下限0.4 m/s時，采集點間的時間差達到上限33 ms。若兩采集點之間時間差大于33 ms，則視為里程失效，記錄停采時間的開端與結尾(減去已經記錄的采樣點時間間隔24.22 ms)，得到缺失里程對應的時間，乘以預測速度0.545 m/s，計算出從發球端到收球端缺失里程為195.08 m。按照國外檢測器的收發球端間里程9 060.81 m計算，缺失里程占總里程的2.15%，如表2所示。

表2 停止采集的時間段與缺失里程長度統計表

當一段里程的速度小于0.4 m/s時，對應的時間段為停采時間段，這段停采時間的值為停采時間結尾減去停采時間開端。

5 基于速度閾值修正里程

5.1 方法介紹

(1) 當速度范圍在0.4～0.7 m/s時，保留里程相對變化值。

(2) 當速度在正常范圍之外時，此段里程長度也是異常的，可用對應變化時間乘以0.545 m/s的預測速度，得到預測的里程，進行里程相對變化值的替換。

(3) 將每一段里程相對變化值進行累加，得到修正后里程。

(4) 參數設置：

① 設置計算速度的采集點間隔，即按照幾個采集點之間的里程差除以時間差求速度。采集點間隔可設置為正整數：設置越小，修正越精細；設置越大，速度趨于該區間的平均速度。

② 正常速度的上限、下限預設為0.4 m/s和0.7 m/s。

③ 修正后的預測速度預設為0.545 m/s。

5.2 修正結果

5.2.1 計算速度的采集點間隔為1幀

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計算速度的采集點間隔為1幀，代表計算速度時采用2個采集點之間的里程差除以時間差。修正后里程如圖8所示，里程修正為9 062.47 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如圖9所示。

圖8 采集點間隔為1幀修正后里程 圖9 采集點間隔為1幀修正后速度結果

5.2.2 計算速度的采集點間隔為2幀

計算速度的采集點間隔為2幀，代表計算速度時采用3個采集點之間的里程差除以時間差。修正后里程如圖10所示，里程修正為9 062.18 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如圖11所示。

圖10 采集點間隔為2幀修正后里程 圖11 采集點間隔為2幀修正后速度結果

5.2.3 計算速度的采集點間隔為5幀

計算速度的采集點間隔為5幀，代表計算速度時采用6個采集點之間的里程差除以時間差。修正后里程如圖12所示，里程修正為9 071.65 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如圖13所示。

圖12 采集點間隔為5幀修正后里程 圖13 采集點間隔為5幀修正后速度結果

5.2.4 計算速度的采集點間隔為10幀

計算速度的采集點間隔為10幀，代表計算速度時采用11個采集點之間的里程差除以時間差。修正后里程如圖14所示，里程修正為9 081.72 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如圖15所示。

圖14 采集點間隔為10幀修正后里程 圖15 采集點間隔為10幀修正后速度結果

5.3 結構件里程修正結果

在不同采集點間隔下，設置速度閾值進行里程修正后，異常管節長度的修正結果如表3所示。

表3 異常管節按照速度閾值修正結果

從上述結論可知，本次檢測缺失了18個管節信息，即缺失了18個焊縫信息。

5.4 采集點間隔的選擇

從表3可以看出，不同采集點間隔下的修正后管節長度相差較小，但仍有差距，并且總里程也有10～20 m的區別。因此，分析并選擇合適的采集點間隔，可使里程和管節長度被修回至最接近準確值。

從圖16可以看出，在速度超出0.4～0.7 m/s范圍內時，不同采集點間隔計算得到的速度異常區域的速度差別較大。

圖16 按照不同采集點間隔計算的速度

1 976～3 800 m處的異常速度如圖17所示。7 640～7 780 m處的異常速度如圖18所示。可以看出：當采集點間隔為5幀或10幀時，許多超速的里程被平均至正常范圍內，速度閾值沒有起作用，修正后里程可能比實際大；采集點間隔為2幀時，雖然每點的速度有變化，但是幾乎并沒有影響速度異常的判斷，因此對里程修正結果影響不大。

圖17 1 976～3 800 m段的速度

圖18 7 640～7 780 m段的速度

經過第1 976～3 800 m里程的修正，與采集點間隔為1幀時相比，采集點間隔為2幀時的修正結果減少了0.4 m，采集點間隔為5幀時的修正結果增加7.48 m，采集點間隔為10幀時的修正結果增加16.86 m。

經過第7 640～7 780 m里程的修正，與采集點間隔為1幀時相比，采集點間隔為2幀時的修正結果減少了0.40 m，采集點間隔為5幀時的修正結果增加了8.75 m，采集點間隔為10幀時的修正結果增加了18.65 m。

圖19 經過周向角修正后的里程

綜上所述：當采集點間隔為1幀或2幀時，里程修正結果只有0.40 m的差別；當采集點間隔為5幀或10幀時，里程修正受平均速度影響，誤差較大，不予以采用。當采集點間隔為1幀時，每2個采集點之間的速度異常定位較準確，按照速度閾值進行里程修正也較準確，因此后續采用采集點間隔為1幀的結果。

5.5 加入基于周向角的里程修正

檢測器在管道內運行會產生旋轉現象，此時里程輪記錄的距離大于實際管道的切向長度。因此，需要首先結合周向角對里程進行修正，然后再進行基于速度閾值的修正。周向角修正后，選取采集點間隔為1幀，修正的里程如圖19所示，與未進行周向角修正時的9 062.47 m相比，減小3.9 m，周向角修正后里程為9 058.57 m。

6 異常管節修正前后里程與國外檢測器檢測結果對照

將修正后異常管段的里程與國外檢測器檢測的里程結果進行對比，發現修正后異常管段的里程與國外檢測器的檢測里程結果吻合度很高，誤差不到2 m。如表4所示，共計18個管節漏檢，對應的18個焊縫漏檢均可以從數量上和位置上對應。

表4 異常管節修正后里程與國外檢測器檢測結果對照表

從表4可以看出，修正后的異常管段的里程起始或終止里程誤差最大為1.49 m，異常管段長度誤差最大為0.65 m，位于序號666處，此處實際包含14根管節。

通過限制速度范圍，將管節的里程修回12.5 m的正常水平或12.5 m的倍數，發現缺失焊縫信息18個。另外國外檢測器共統計出12.5 m左右的管節焊縫701個，本次檢測共檢測出焊縫683個，正好統計出18個缺失焊縫，缺失的焊縫位置與數量均可與國外檢測器對應。

7 結 論

查找識別的異常管節長度的原因，對比異常管節里程區域速度與采集點的時間差，發現里程存在數據缺失或過采現象。限制正常管段的速度范圍為0.4 ～0.7 m/s，將異常管段中的異常速度修正回0.545 m/s，可將異常管段的里程修復，從而實現整體里程的修復。得出結論如下：

(1) 對比發球筒與收球桶之間的里程，采集點計算出9 017.13 m，修正后的里程約為9 058.57 m，國外檢測器檢測的距離為9 060.81 m。修正后的收發球筒間里程與國外檢測器里程相差2.24 m，占總里程0.025%。

(2) 按照0.4 m/s速度以下視為里程缺失，收發球筒之間里程缺失約195.08 m，占總里程的2.15%。