三軸漏磁內(nèi)檢測標準數(shù)據(jù)格式

賈海東

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三軸漏磁內(nèi)檢測技術(shù)是目前國內(nèi)對大口徑天然氣管道進行內(nèi)檢測所采用的主流技術(shù)[1-4]。內(nèi)檢測機構(gòu)現(xiàn)場檢測獲得的原始數(shù)據(jù)存儲在檢測器機芯中，按照二進制格式存儲。不同內(nèi)檢測機構(gòu)的原始數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)不同，用戶化軟件彼此不兼容，這導致內(nèi)檢測數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)復雜、來源多樣、不易管理與利用，給管道運營機構(gòu)的管理工作帶來不便[5]。

國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)在漏磁內(nèi)檢測數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)處理及提高缺陷尺寸量化精度方面開展了大量研究工作，而在漏磁內(nèi)檢測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面研究極少。為了提高內(nèi)檢測數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量與效率，楊理踐等基于圖像可視化方法對管道管壁缺陷特征檢測的問題進行可視化圖像顯示，通過曲線圖形、灰度圖像、偽彩色圖像來直觀、形象地顯示缺陷[6]。為了提高內(nèi)檢測對缺陷尺寸量化精度，盧森驤等提出基于三軸融合的漏磁內(nèi)檢測數(shù)據(jù)缺陷反演算法，首先通過加權(quán)隨機森林算法實現(xiàn)單軸信號的缺陷反演，其次通過模糊推理系統(tǒng)實現(xiàn)三軸反演結(jié)果決策融合，進而得到精確的缺陷估計尺寸[7]。

內(nèi)檢測數(shù)據(jù)比對是內(nèi)檢測數(shù)據(jù)深度挖掘和綜合利用的主要方向，可獲得缺陷發(fā)展變化情況，指導缺陷的適用性評價和維修維護。多次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)深化應用越來越引起管道運營者重視[8-17]。胡朋等調(diào)研和綜述了國內(nèi)外管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)比對發(fā)展狀況，指出國內(nèi)尚未有成熟應用的管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)比對分析系統(tǒng)，只有少數(shù)單位開發(fā)了內(nèi)檢測數(shù)據(jù)比對分析軟件，但應用效果有待驗證[18]。受限于內(nèi)檢測機構(gòu)原始數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)不公開、用戶化軟件不兼容等問題，目前國內(nèi)開發(fā)的對齊軟件大多利用兩次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)列表進行對齊，沒有實現(xiàn)內(nèi)檢測信號層面自動對齊。國外內(nèi)檢測機構(gòu)針對其開展的多輪內(nèi)檢測開發(fā)了信號層面比對軟件，但對于不同內(nèi)檢測機構(gòu)間多輪對比也只能采用列表對齊+人工信號復核方法。

要打破不同內(nèi)檢測單位間數(shù)據(jù)和軟件壁壘，實現(xiàn)多源異構(gòu)的漏磁內(nèi)檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和深化應用，一種可行的方法是建立漏磁內(nèi)檢測標準數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。雖然不同內(nèi)檢測機構(gòu)漏磁內(nèi)檢測器采樣頻率、探頭數(shù)目、檢測器結(jié)構(gòu)等不同，但其采集的數(shù)據(jù)無非是各個采樣時刻檢測器各傳感器獲得的數(shù)據(jù)，在三軸漏磁內(nèi)檢測底層原始數(shù)據(jù)層面具備實現(xiàn)標準化的可行性。本文對三軸漏磁內(nèi)檢測原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行研究，基于三軸漏磁內(nèi)檢測特征量采集分析，規(guī)定了各特征量數(shù)據(jù)表示，建立了三軸漏磁內(nèi)檢測標準數(shù)據(jù)格式，通過將不同內(nèi)檢測單位三軸漏磁原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準格式數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了多源異構(gòu)的漏磁內(nèi)檢測數(shù)據(jù)標準化。

1 特征量采集

三軸漏磁內(nèi)檢測器具有的采集單元及其采集的數(shù)據(jù)見表1。內(nèi)檢測器數(shù)據(jù)采集采用等時采樣，即檢測器機芯根據(jù)固定的采樣頻率，在檢測器進行的每個采樣掃描時間內(nèi)記錄檢測器所有探頭數(shù)據(jù)。因此，通過掃描時間可唯一確定檢測器在各個檢測時刻各探頭的值。三軸主探頭、ID/OD 探頭、時鐘探頭和里程輪探頭為三軸漏磁內(nèi)檢測器必備元件，可提取出磁感應強度、內(nèi)外部LOC 數(shù)據(jù)、時鐘和距離四個特征量。其中，磁感應強度為矢量，用z、ρ、φ分別表示其軸向、徑向、環(huán)向分量。根據(jù)頂端探頭的時鐘和三軸主探頭總數(shù)可以計算得到所有檢測通道時鐘信息。這四個特征量數(shù)據(jù)獲取后即可以進行檢測數(shù)據(jù)圖形顯示，給出管道特征及金屬損失等管道缺陷長度、寬度、深度、時鐘位置和軸向距離信息。對于搭載了IMU 慣性測繪單元的三軸漏磁內(nèi)檢測器，其采集數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換為檢測器行進時刻經(jīng)緯度及高程數(shù)據(jù)。對于另外配置了溫度、絕對壓力或其他探頭的內(nèi)檢測器，可以提取溫度、絕對壓力等特征量，實現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的獲取。

表1 三軸漏磁內(nèi)檢測器采集單元及特征量Tab.1 Acquisition unit and characteristic quantity of tri-axial magnetic flux leakage internal detector

2 內(nèi)檢測數(shù)據(jù)格式

2.1 數(shù)據(jù)類型

檢測器機芯中的數(shù)據(jù)以二進制方式儲存。對于采集到的正值，可以用無符號整型表示，負值可以用有符號整型來表示。以2 個字節(jié)的無符號整型為例，其可以表示的數(shù)值范圍為0～655 35；對于2 個字節(jié)的有符號的整型，其最高位代表符號位，可以表示的數(shù)值范圍為-32 768～32 767。此外，還可設(shè)置為浮點型的數(shù)據(jù)，直接表示正數(shù)或負數(shù)。

2.2 特征量數(shù)據(jù)表示

標準數(shù)據(jù)格式所有特征量數(shù)據(jù)長度均以字節(jié)為單位。不同特征量根據(jù)其數(shù)據(jù)單位及可以表示的數(shù)值范圍選擇不同的數(shù)據(jù)長度。

磁感應強度、內(nèi)外部LOC 數(shù)據(jù)值既可能為正值也可能為負值，因此選用有符號整型表示；掃描時間、時鐘、距離選用無符號整形表示；為了減小數(shù)據(jù)儲存量，增加轉(zhuǎn)換精度，經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)采用浮點型數(shù)據(jù)表示；溫度和絕對壓力為管道內(nèi)部參數(shù)，正常情況下均為正值，為了避免因探頭損壞等原因采集到負值后，標準格式無法轉(zhuǎn)換，采用有符號整型表示；其他特征量可根據(jù)實際情況選擇相應數(shù)據(jù)格式。

以檢測器掃描時間特征量為例，定義其單位為μs，以6 個字節(jié)無符號整型表示，則其可表示的數(shù)值范圍為0～281 474 976 710 655 μs，即對應最大約為3 257 d 或78 187 h，滿足檢測器實際檢測需求。需要說明的是，內(nèi)檢測器采樣頻率一般均在1 kHz 以上，因此數(shù)據(jù)單位應該至少為μs，才可以保證將檢測器原始數(shù)據(jù)最大化保留并轉(zhuǎn)換，避免數(shù)據(jù)精度降級及丟失。以實際掃描時間235 μs 為例，其在內(nèi)檢測器中存儲格式為0x0000000000EB。

綜上，可得到三軸漏磁內(nèi)檢測不同特征量規(guī)定的數(shù)據(jù)表示（表2），數(shù)據(jù)處理標志用來表示內(nèi)檢測單位原始數(shù)據(jù)處理狀況，可用0x00 代表未處理數(shù)據(jù)，用0x01 代表經(jīng)過處理數(shù)據(jù)；硬件版本信息用來表示檢測器狀態(tài)，不足16 字節(jié)時需補齊字符串結(jié)尾符‘

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