一种基于速度阈值的海底管道内检测器里程修正方法

唐建华1， 宋 通1， 王怀江1， 呼 婧， 李志华

(1.中海石油技术检测有限公司， 天津 300452； 2.北京华航无线电测量研究所， 北京 100013)

0 引 言

在某次海管检测中，管道内检测器通过水压在海底管道内运行[1]，水流速度设置约0.55 m/s[2]，里程按照数据采集点个数计算(数据行数)[3]。对照计算出的里程和管道检测信号中结构件的信号标记结构件的对应位置[4]，计算每两个焊缝之间的管节长度。管节应为12.5 m左右，但是统计出来的管节列表却有过长的异常现象。

针对里程异常已有相关的修正方法，例如管道地理坐标内检测的里程校正算法[5]、管道测绘的数据处理及融合方法[6]、里程轮打滑原因分析[7]、管内定位技术的现状[8]和相关技术的研究[9]。本文对本次检测的里程异常提出一种基于速度阈值的里程修正方法，并进行详细分析与修正。

1 速度分析

发球筒到收球桶之间的里程范围内有682 274个采集点，共计682 274×4=2 729 096个优选里程脉冲帧(1个采集点对应4个里程脉冲帧)。里程轮每转1圈触发1个里程帧[10]，每帧前进3.3 mm，发球筒到收球桶之间的距离按照采集点计算约9 006.02 m，如图1所示，结合时间信息(见图2)，可以得到检测全程的每2个采集点之间的速度信息，如图3所示。

图1 采集点数计算的里程 图2 时间信息

观察里程在5.0～6.0 km处的速度可知：速度平缓处在0.545 m/s左右，范围在0.4～0.7 m/s，如图4所示；2.0～4.0 km处以及7.8～8.0 km处的速度在2 m/s左右。

图3 按照采集点数解算速度 图4 里程在5.0～6.0 km处的速度平缓速度值

图5 原始速度与采集点之间时间差关系

本次检测器的设置速度在0.55 m/s左右，由图4可知速度平缓处为正常的运行速度，速度范围在0.4 ～0.7 m/s，因此设置0.4 ～0.7 m/s为正常的速度范围用于后续相关计算。

2 两个采集点之间速度与时间差的关系

当速度在0.4～0.7 m/s之间，通过1个采集点对应的4个优选里程脉冲的里程，结合采样频率的关系计算得知：2个采集点之间的时间差应在19～33 ms。2个采集点之间的速度与时间差在同一个里程处的关系如图5所示。

如图6所示，在里程为2 475 m处，速度加快为2.2 m/s，2个采集点之间时间差减小至6 ms。

如图7所示，在里程为3 517 m处，速度减小为0.23 m/s，2个采集点之间时间差增加为57 ms。

图6 速度过大与采集点时间差关系 图7 速度过小与采集点时间差关系

从采集点之间的时间差与速度之间的关系可以验证：当采集点之间时间差大于33 ms，速度小于0.4 m/s时，由于里程采样减慢，数据可能丢失；当采集点之间时间差小于19 ms，速度大于0.7 m/s时，由于里程采样加快，里程可能异常增加。

3 结构件对比结果异常原因

按照采集点计算的里程，对照管道检测信号中结构件的信号，标记结构件对应位置，对824个检测出的结构件里程信息与国外检测器检测出的结构件里程信息进行比对。所有结构件按照里程从小到大的顺序排列，对应序号为1～824。

在正常平稳运行后进入直管段，实际焊缝之间的管节长度应为12.5 m左右。但是在与国外检测器结构件里程的对比表中，有多个序号对应的管节长度出现异常，如表1所示的序号对应的结构件处的管节长度均远大于12.5 m。因此，结构件之间的管节长度可能出现异常。

为确定这一结论，按照异常管节的对应里程，查找图5中的异常并且判断数据是否丢失(速度过低)或过高(里程过采)。判断结果如表1所示。

表1 异常管节长度与异常分析列表

第一个异常管节序号为238，出现于在进入发球阀后9 117 s，约152 min，里程距离发球阀2 134.22 m处。

在管节长度异常段，速度也异常，大多有数据缺失(速度过慢)或里程过采(速度过大)的情况。序号为606管段无速度异常，管节长度为25 m左右，可能没有数据缺失，怀疑少数了1个焊缝。

对比管节长度，发现当速度范围在0.4～0.7 m/s，平均速度在0.545 m/s左右时，管节长度在正常范围内。

因此，需对速度进行0.4～0.7 m/s的阈值限制，并且对超出速度阈值的里程，按照0.545 m/s的预测速度进行修复。

4 里程缺失距离估算

速度异常减小会使里程缺失，造成数据缺失。设置速度下限为0.4 m/s，当速度小于0.4 m/s时，视为里程缺失。

根据对平均速度以及里程脉冲数与采样点数的关系计算得知：当速度为0.545 m/s时，采样点间的时间差应为24.22 ms；当速度达到下限0.4 m/s时，采集点间的时间差达到上限33 ms。若两采集点之间时间差大于33 ms，则视为里程失效，记录停采时间的开端与结尾(减去已经记录的采样点时间间隔24.22 ms)，得到缺失里程对应的时间，乘以预测速度0.545 m/s，计算出从发球端到收球端缺失里程为195.08 m。按照国外检测器的收发球端间里程9 060.81 m计算，缺失里程占总里程的2.15%，如表2所示。

表2 停止采集的时间段与缺失里程长度统计表

当一段里程的速度小于0.4 m/s时，对应的时间段为停采时间段，这段停采时间的值为停采时间结尾减去停采时间开端。

5 基于速度阈值修正里程

5.1 方法介绍

(1) 当速度范围在0.4～0.7 m/s时，保留里程相对变化值。

(2) 当速度在正常范围之外时，此段里程长度也是异常的，可用对应变化时间乘以0.545 m/s的预测速度，得到预测的里程，进行里程相对变化值的替换。

(3) 将每一段里程相对变化值进行累加，得到修正后里程。

(4) 参数设置：

① 设置计算速度的采集点间隔，即按照几个采集点之间的里程差除以时间差求速度。采集点间隔可设置为正整数：设置越小，修正越精细；设置越大，速度趋于该区间的平均速度。

② 正常速度的上限、下限预设为0.4 m/s和0.7 m/s。

③ 修正后的预测速度预设为0.545 m/s。

5.2 修正结果

5.2.1 计算速度的采集点间隔为1帧

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计算速度的采集点间隔为1帧，代表计算速度时采用2个采集点之间的里程差除以时间差。修正后里程如图8所示，里程修正为9 062.47 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如图9所示。

图8 采集点间隔为1帧修正后里程 图9 采集点间隔为1帧修正后速度结果

5.2.2 计算速度的采集点间隔为2帧

计算速度的采集点间隔为2帧，代表计算速度时采用3个采集点之间的里程差除以时间差。修正后里程如图10所示，里程修正为9 062.18 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如图11所示。

图10 采集点间隔为2帧修正后里程 图11 采集点间隔为2帧修正后速度结果

5.2.3 计算速度的采集点间隔为5帧

计算速度的采集点间隔为5帧，代表计算速度时采用6个采集点之间的里程差除以时间差。修正后里程如图12所示，里程修正为9 071.65 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如图13所示。

图12 采集点间隔为5帧修正后里程 图13 采集点间隔为5帧修正后速度结果

5.2.4 计算速度的采集点间隔为10帧

计算速度的采集点间隔为10帧，代表计算速度时采用11个采集点之间的里程差除以时间差。修正后里程如图14所示，里程修正为9 081.72 m。速度被修正至0.4～0.7 m/s，如图15所示。

图14 采集点间隔为10帧修正后里程 图15 采集点间隔为10帧修正后速度结果

5.3 结构件里程修正结果

在不同采集点间隔下，设置速度阈值进行里程修正后，异常管节长度的修正结果如表3所示。

表3 异常管节按照速度阈值修正结果

从上述结论可知，本次检测缺失了18个管节信息，即缺失了18个焊缝信息。

5.4 采集点间隔的选择

从表3可以看出，不同采集点间隔下的修正后管节长度相差较小，但仍有差距，并且总里程也有10～20 m的区别。因此，分析并选择合适的采集点间隔，可使里程和管节长度被修回至最接近准确值。

从图16可以看出，在速度超出0.4～0.7 m/s范围内时，不同采集点间隔计算得到的速度异常区域的速度差别较大。

图16 按照不同采集点间隔计算的速度

1 976～3 800 m处的异常速度如图17所示。7 640～7 780 m处的异常速度如图18所示。可以看出：当采集点间隔为5帧或10帧时，许多超速的里程被平均至正常范围内，速度阈值没有起作用，修正后里程可能比实际大；采集点间隔为2帧时，虽然每点的速度有变化，但是几乎并没有影响速度异常的判断，因此对里程修正结果影响不大。

图17 1 976～3 800 m段的速度

图18 7 640～7 780 m段的速度

经过第1 976～3 800 m里程的修正，与采集点间隔为1帧时相比，采集点间隔为2帧时的修正结果减少了0.4 m，采集点间隔为5帧时的修正结果增加7.48 m，采集点间隔为10帧时的修正结果增加16.86 m。

经过第7 640～7 780 m里程的修正，与采集点间隔为1帧时相比，采集点间隔为2帧时的修正结果减少了0.40 m，采集点间隔为5帧时的修正结果增加了8.75 m，采集点间隔为10帧时的修正结果增加了18.65 m。

图19 经过周向角修正后的里程

综上所述：当采集点间隔为1帧或2帧时，里程修正结果只有0.40 m的差别；当采集点间隔为5帧或10帧时，里程修正受平均速度影响，误差较大，不予以采用。当采集点间隔为1帧时，每2个采集点之间的速度异常定位较准确，按照速度阈值进行里程修正也较准确，因此后续采用采集点间隔为1帧的结果。

5.5 加入基于周向角的里程修正

检测器在管道内运行会产生旋转现象，此时里程轮记录的距离大于实际管道的切向长度。因此，需要首先结合周向角对里程进行修正，然后再进行基于速度阈值的修正。周向角修正后，选取采集点间隔为1帧，修正的里程如图19所示，与未进行周向角修正时的9 062.47 m相比，减小3.9 m，周向角修正后里程为9 058.57 m。

6 异常管节修正前后里程与国外检测器检测结果对照

将修正后异常管段的里程与国外检测器检测的里程结果进行对比，发现修正后异常管段的里程与国外检测器的检测里程结果吻合度很高，误差不到2 m。如表4所示，共计18个管节漏检，对应的18个焊缝漏检均可以从数量上和位置上对应。

表4 异常管节修正后里程与国外检测器检测结果对照表

从表4可以看出，修正后的异常管段的里程起始或终止里程误差最大为1.49 m，异常管段长度误差最大为0.65 m，位于序号666处，此处实际包含14根管节。

通过限制速度范围，将管节的里程修回12.5 m的正常水平或12.5 m的倍数，发现缺失焊缝信息18个。另外国外检测器共统计出12.5 m左右的管节焊缝701个，本次检测共检测出焊缝683个，正好统计出18个缺失焊缝，缺失的焊缝位置与数量均可与国外检测器对应。

7 结 论

查找识别的异常管节长度的原因，对比异常管节里程区域速度与采集点的时间差，发现里程存在数据缺失或过采现象。限制正常管段的速度范围为0.4 ～0.7 m/s，将异常管段中的异常速度修正回0.545 m/s，可将异常管段的里程修复，从而实现整体里程的修复。得出结论如下：

(1) 对比发球筒与收球桶之间的里程，采集点计算出9 017.13 m，修正后的里程约为9 058.57 m，国外检测器检测的距离为9 060.81 m。修正后的收发球筒间里程与国外检测器里程相差2.24 m，占总里程0.025%。

(2) 按照0.4 m/s速度以下视为里程缺失，收发球筒之间里程缺失约195.08 m，占总里程的2.15%。