基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括：傳感器組、下位機(jī)和上位機(jī)；其中，傳感器組置于管道的首端或者末端，與輸送介質(zhì)接觸；傳感器組與所述下位機(jī)相連接，下位機(jī)與所述上位機(jī)相連接；該方法首先利用歷史數(shù)據(jù)建立建立灰色GM(1,1)預(yù)測模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，然后利用這兩種模型得到預(yù)測值，接下來根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和這兩種模型的預(yù)測值建立誘導(dǎo)有序加權(quán)調(diào)和平均IOWHA算子組合模型，對(duì)于新數(shù)據(jù)，逐次利用這三種模型，分別對(duì)腐蝕缺陷的尺寸從軸向、周向和深度3個(gè)方向都進(jìn)行預(yù)測后，最后獲得管道腐蝕缺陷尺寸預(yù)測值；本發(fā)明預(yù)測的準(zhǔn)確性更高，且減少數(shù)據(jù)量的輸入。
【專利說明】基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于管道風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕 缺陷尺寸的預(yù)測系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 管道運(yùn)輸在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的角色越來越重要，如城市自來水管道、陸地原油管道、海 底油氣管道等，但是隨著管道運(yùn)營時(shí)間的延長，管道不可避免的會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，最終造成 的泄漏成為管道輸送的重要安全隱患之一。為防止泄漏事故的發(fā)生，有必要利用管道檢測 裝置對(duì)管道進(jìn)行檢測，了解管道的腐蝕狀況，對(duì)管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)、剩余壽命預(yù)測等， 從而有計(jì)劃、有針對(duì)性地對(duì)管道進(jìn)行維護(hù)和維修。
[0003] 管道腐蝕的產(chǎn)生有諸多因素，內(nèi)部因素是管壁材料成分差異、含雜質(zhì)差異等，而輸 送介質(zhì)是主要的外部因素。一般的碳鋼管道內(nèi)含有的主要成分是鐵、少量碳化鐵、碳和其它 合金兀素，由于它們各自具有不同電極電位，使電位低的鐵遭受腐蝕，再加上管壁與輸送介 質(zhì)接觸，會(huì)導(dǎo)致管壁金屬損失而產(chǎn)生缺陷。
[0004] 預(yù)測管道上腐蝕缺陷尺寸隨著時(shí)間的變化是預(yù)測管道的剩余壽命及剩余強(qiáng)度、可 靠性隨著時(shí)間的變化趨勢的基礎(chǔ)，因此有必要對(duì)管道腐蝕缺陷尺寸隨著時(shí)間的變化進(jìn)行研 究。目前腐蝕缺陷尺寸隨著時(shí)間的變化趨勢的確定方法主要有：通過管道檢測器進(jìn)行在線 實(shí)時(shí)檢測，得到當(dāng)前腐蝕缺陷尺寸，使用預(yù)測算法如灰色GM(1，1)，以時(shí)間序列為基礎(chǔ)，通過 計(jì)算分析得到腐蝕缺陷尺寸隨著時(shí)間的變化，這種方法所需的數(shù)據(jù)少，但是預(yù)測精度不高。 另外，還可以根據(jù)管道所處的環(huán)境進(jìn)行分析，利用化學(xué)學(xué)科知識(shí)建立特定的管道腐蝕速率 模型，求解得到腐蝕缺陷尺寸隨時(shí)間的變化，這種方法比灰色GM(1，1)方法預(yù)測的精度高， 但是所需數(shù)據(jù)信息量大，而足夠量的檢測數(shù)據(jù)也很難獲得，一定程度上也降低了這種方法 的準(zhǔn)確性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕缺陷尺 寸的預(yù)測系統(tǒng)及方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0007] -種基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測系統(tǒng)，包括：傳感器組、下位機(jī) 和上位機(jī)；
[0008] 所述傳感器組置于管道的首端或者末端，與輸送介質(zhì)接觸；所述傳感器組與所述 下位機(jī)相連接，所述下位機(jī)與所述上位機(jī)相連接；
[0009] 所述傳感器組包括多種傳感器，該多種傳感器分別用于實(shí)時(shí)采集反映管道運(yùn)行狀 態(tài)的特征參量數(shù)據(jù)和管道輸送介質(zhì)成分?jǐn)?shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送至下位機(jī)；
[0010] 所述下位機(jī)用于控制傳感器組的數(shù)據(jù)采集過程，并將從傳感器組接收的數(shù)據(jù)傳送 給上位機(jī)； toon] 所述上位機(jī)，包括：數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和腐蝕缺陷尺寸預(yù)測模塊；
[0012] 所述數(shù)據(jù)管理模塊用于接收下位機(jī)傳送來的數(shù)據(jù)，并按照數(shù)據(jù)檢測時(shí)間進(jìn)行存 儲(chǔ)；所述數(shù)據(jù)管理模塊還用于讀取管道內(nèi)檢測器定期檢測的管道腐蝕缺陷尺寸數(shù)據(jù)，并分 別針對(duì)管道每個(gè)腐蝕缺陷記錄其歷史缺陷尺寸數(shù)據(jù)；
[0013] 所述數(shù)據(jù)處理模塊用于從數(shù)據(jù)管理模塊中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與計(jì)算，包括：無量 綱化處理、灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算、灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算和腐蝕速率估算，并將數(shù)據(jù)處理與計(jì)算的結(jié) 果傳送給腐蝕缺陷尺寸預(yù)測模塊；
[0014] 所述腐蝕缺陷尺寸預(yù)測模塊用于利用數(shù)據(jù)管理模塊的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù) 據(jù)建立腐蝕缺陷尺寸預(yù)測模型，并對(duì)管道腐蝕缺陷尺寸進(jìn)行預(yù)測，得到管道腐蝕缺陷尺寸 預(yù)測值。
[0015] 所述多種傳感器的類型和數(shù)量，根據(jù)實(shí)際使用的管道類型和管道輸送介質(zhì)來確 定。
[0016] 采用所述的基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行管道腐蝕缺 陷尺寸預(yù)測的方法，包括如下步驟：
[0017] 步驟1:采集歷史數(shù)據(jù)；
[0018] 所述數(shù)據(jù)包括：反映管道運(yùn)行狀態(tài)的特征參量的數(shù)據(jù)、管道輸送介質(zhì)成分的數(shù)據(jù) 和管道腐蝕缺陷尺寸數(shù)據(jù)；
[0019] 各個(gè)反映管道運(yùn)行狀態(tài)的特征參量和各個(gè)管道輸送介質(zhì)成分構(gòu)成管道腐蝕缺陷 的影響因素集合u = {Ul，u2, . . .，un}中的各個(gè)元素，Ui為所述元素的基于檢測時(shí)間點(diǎn)的數(shù) 據(jù)集，Ui = {Xi (t)}，i = 1，2,…，n，t為檢測時(shí)間；η為反映管道運(yùn)行狀態(tài)的特征參量個(gè)數(shù) 與管道輸送介質(zhì)成分個(gè)數(shù)之和；
[0020] 針對(duì)管道腐蝕缺陷尺寸歷史數(shù)據(jù)，建立管道腐蝕缺陷尺寸歷史數(shù)據(jù)集：
[0021]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于：包括：傳感 器組、下位機(jī)和上位機(jī)； 所述傳感器組置于管道的首端或者末端，與輸送介質(zhì)接觸；所述傳感器組與所述下位 機(jī)相連接，所述下位機(jī)與所述上位機(jī)相連接； 所述傳感器組包括多種傳感器，該多種傳感器分別用于實(shí)時(shí)采集反映管道運(yùn)行狀態(tài)的 特征參量數(shù)據(jù)和管道輸送介質(zhì)成分?jǐn)?shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送至下位機(jī)； 所述下位機(jī)用于控制傳感器組的數(shù)據(jù)采集過程，并將從傳感器組接收的數(shù)據(jù)傳送給上 位機(jī)； 所述上位機(jī)，包括：數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和腐蝕缺陷尺寸預(yù)測模塊； 所述數(shù)據(jù)管理模塊用于接收下位機(jī)傳送來的數(shù)據(jù)，并按照數(shù)據(jù)檢測時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)；所 述數(shù)據(jù)管理模塊還用于讀取管道內(nèi)檢測器定期檢測的管道腐蝕缺陷尺寸數(shù)據(jù)，并分別針對(duì) 管道每個(gè)腐蝕缺陷記錄其歷史缺陷尺寸數(shù)據(jù)； 所述數(shù)據(jù)處理模塊用于從數(shù)據(jù)管理模塊中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與計(jì)算，包括：無量綱化 處理、灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算、灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算和腐蝕速率估算，并將數(shù)據(jù)處理與計(jì)算的結(jié)果傳 送給腐蝕缺陷尺寸預(yù)測模塊； 所述腐蝕缺陷尺寸預(yù)測模塊用于利用數(shù)據(jù)管理模塊的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)建 立腐蝕缺陷尺寸預(yù)測模型，并對(duì)管道腐蝕缺陷尺寸進(jìn)行預(yù)測，得到管道腐蝕缺陷尺寸預(yù)測 值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測系統(tǒng)，其特征 在于：所述多種傳感器的類型和數(shù)量，根據(jù)實(shí)際使用的管道類型和管道輸送介質(zhì)來確定。
3. 采用權(quán)利要求1所述的基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行管 道腐蝕缺陷尺寸預(yù)測的方法，其特征在于：包括如下步驟： 步驟1 :采集歷史數(shù)據(jù)； 所述數(shù)據(jù)包括：反映管道運(yùn)行狀態(tài)的特征參量的數(shù)據(jù)、管道輸送介質(zhì)成分的數(shù)據(jù)和管 道腐蝕缺陷尺寸數(shù)據(jù)； 各個(gè)反映管道運(yùn)行狀態(tài)的特征參量和各個(gè)管道輸送介質(zhì)成分構(gòu)成管道腐蝕缺陷的影 響因素集合
中的各個(gè)元素，Ui為所述元素的基于檢測時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)集，
為檢測時(shí)間；η為反映管道運(yùn)行狀態(tài)的特征參量個(gè)數(shù)與管道 輸送介質(zhì)成分個(gè)數(shù)之和； 針對(duì)管道腐蝕缺陷尺寸歷史數(shù)據(jù)，建立管道腐蝕缺陷尺寸歷史數(shù)據(jù)集：
，其中，LT為管道腐 蝕缺陷的軸向長度基于檢測時(shí)間順序的歷史數(shù)據(jù)集，WT為管道腐蝕缺陷的周向?qū)挾然跈z 測時(shí)間順序的歷史數(shù)據(jù)集，％為管道腐蝕缺陷的深度基于檢測時(shí)間順序的歷史數(shù)據(jù)集；T = ?\，T2,. · .，Tm為檢測時(shí)間點(diǎn)，m為檢測次數(shù)； 步驟2 :根據(jù)管道腐蝕缺陷尺寸歷史數(shù)據(jù)，估算管道腐蝕缺陷的腐蝕速率； 分別計(jì)算管道腐蝕缺陷在各檢測時(shí)間點(diǎn)！\，T2,. . .，Tm和各插值時(shí)間 點(diǎn)T1;2, T2;3,. . .，Tm_1;m的軸向長度、周向?qū)挾群蜕疃?個(gè)方向的腐蝕速率
，其中， Tmu 為 Tm 和！" 的時(shí)間中點(diǎn)，t' = T1;2, T2, T2,3,…，Tm，; 分別以管道腐蝕缺陷的軸向長度、周向?qū)挾群蜕疃葹榭v坐標(biāo)軸，以檢測時(shí)間T為橫坐 標(biāo)軸，建立Lt 一 Τ坐標(biāo)系、Wt - Τ坐標(biāo)系和Ht - Τ坐標(biāo)系，并分別根據(jù)管道腐蝕缺陷尺寸歷 史數(shù)據(jù)集
在Lt 一 T坐標(biāo)系、 Wt 一 T坐標(biāo)系和Ht - T坐標(biāo)系上繪制曲線； 除去第一個(gè)檢測時(shí)間點(diǎn)?\和最后一個(gè)檢測時(shí)間點(diǎn)Tm后，管道腐蝕缺陷分別在其余各檢 測時(shí)間點(diǎn)T2,. . .，Tm的軸向長度方向的腐蝕速率值，為所述Lt 一 T坐標(biāo)系上的點(diǎn)（Tm_2, )與其前后緊鄰的點(diǎn)（Tm_3, U和（Tm，^ )的兩條連線相交所得夾角的平分線的斜率 值；同樣的，管道腐蝕缺陷分別在各檢測時(shí)間點(diǎn)T2, ...，Tm的周向?qū)挾确较虻母g速率值， 為所述wt - T坐標(biāo)系上的點(diǎn)（Wq ? )與其前后緊鄰的點(diǎn)（)和（) 的兩條連線相交所得夾角的平分線的斜率值；同樣的，管道腐蝕缺陷分別在各檢測時(shí)間點(diǎn) T2,. . .，Tm的深度方向的腐蝕速率值，為所述Ht - T坐標(biāo)系上的點(diǎn)（)與其前后緊 鄰的點(diǎn)（U和（\,，)的兩條連線相交所得夾角的平分線的斜率值； 管道腐蝕缺陷分別在各插值時(shí)間點(diǎn)T1;2, T2;3,. . .，Tm_1;m的軸向長度方向的腐蝕速率值、 周向?qū)挾确较虻母g速率值和深度方向的腐蝕速率值，分別為Lt 一 T坐標(biāo)系上、Wt - T坐 標(biāo)系上和Ht - T坐標(biāo)系上各個(gè)插值時(shí)間點(diǎn)各自相關(guān)的兩個(gè)檢測時(shí)間點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)坐 標(biāo)點(diǎn)的連線的斜率值；即，
步驟3 :利用灰色關(guān)聯(lián)方法，確定影響管道腐蝕缺陷腐蝕速率的主要影響因素； 步驟3. 1 :確定管道腐蝕缺陷軸向長度的腐蝕速率的主要影響因素； 步驟3. 1. 1 :以腐蝕缺陷軸向長度的腐蝕速率為參考因素，分別以集合U中的各個(gè)元素 為對(duì)比因素，對(duì)Ui進(jìn)行無量綱化處理； 步驟3. 1. 2 :計(jì)算各對(duì)比因素對(duì)于參考因素在各檢測時(shí)間點(diǎn)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)； 步驟3. 1. 3 :根據(jù)步驟3. 1. 2的結(jié)果，分別計(jì)算各個(gè)對(duì)比因素的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值， 分別作為各個(gè)對(duì)比因素的灰色關(guān)聯(lián)度； 步驟3. 1. 4 :對(duì)各個(gè)對(duì)比因素的灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行降序排列，根據(jù)排序結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，選取 前若干個(gè)對(duì)比因素作為腐蝕缺陷軸向長度的腐蝕速率的主要影響因素； 步驟3. 2 :采用同樣的方法，重復(fù)執(zhí)行步驟3. 1. 1至步驟3. 1. 4兩次，分別確定腐蝕缺 陷周向?qū)挾鹊母g速率的主要影響因素和腐蝕缺陷深度的腐蝕速率的主要影響因素； 步驟4 :利用管道腐蝕缺陷尺寸歷史數(shù)據(jù)、管道腐蝕缺陷的腐蝕速率估算數(shù)據(jù)及其對(duì) 應(yīng)的各檢測時(shí)間點(diǎn)和各插值時(shí)間點(diǎn)的腐蝕速率的各主要影響因素的數(shù)據(jù)，建立管道腐蝕缺 陷尺寸預(yù)測模型； 所述管道腐蝕缺陷尺寸預(yù)測模型，包括灰色GM(1，1)預(yù)測模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和誘 導(dǎo)有序加權(quán)調(diào)和平均IOWHA算子組合模型，方法如下： 步驟4. 1 :根據(jù)管道腐蝕缺陷尺寸歷史數(shù)據(jù)，對(duì)管道腐蝕缺陷尺寸在軸向長度、周向?qū)?度和深度三個(gè)方向上分別建立灰色GM(1，1)預(yù)測模型，得到模型參數(shù)，并利用該模型進(jìn)行 腐蝕缺陷尺寸預(yù)測得到預(yù)測值； 步驟4.2 :對(duì)管道腐蝕缺陷尺寸在軸向長度、周向?qū)挾群蜕疃热齻€(gè)方向上分別建立并 訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并利用該模型進(jìn)行腐蝕缺陷尺寸預(yù)測得到預(yù)測值； 步驟4. 3 :利用步驟4. 1得到的管道腐蝕缺陷尺寸預(yù)測值、步驟4. 2得到的管道腐蝕缺 陷尺寸預(yù)測值和管道腐蝕缺陷尺寸歷史數(shù)據(jù)，建立誘導(dǎo)有序加權(quán)調(diào)和平均IOWHA算子組合 模型，并確定模型參數(shù)； 步驟5 :采集新數(shù)據(jù)； 所述新數(shù)據(jù)包括反映管道運(yùn)行狀態(tài)的特征參量數(shù)據(jù)和管道輸送介質(zhì)成分?jǐn)?shù)據(jù)； 步驟6 :利用步驟4. 1建立的灰色GM(1，1)預(yù)測模型，預(yù)測新數(shù)據(jù)檢測時(shí)間點(diǎn)的管道腐 蝕缺陷尺寸； 步驟7 :利用步驟4. 2得到的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測新數(shù)據(jù)檢測時(shí)間點(diǎn)的管道腐蝕缺 陷尺寸； 步驟8 :利用步驟4. 3中建立的誘導(dǎo)有序加權(quán)調(diào)和平均IOWHA算子組合模型，將步驟6 和步驟7的結(jié)果進(jìn)行結(jié)合，得到最終的新數(shù)據(jù)檢測時(shí)間點(diǎn)的管道腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測方法，其特征 在于：步驟4. 2所述的對(duì)管道腐蝕缺陷尺寸在軸向長度、周向?qū)挾群蜕疃热齻€(gè)方向上分別 建立并訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的方法如下： 分別將步驟3中得到的結(jié)果作為3個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入；分別將步驟2中得到的結(jié)果 作為3個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出；分別給3個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)定1個(gè)隱含層，并根據(jù)所需的訓(xùn)練 速度和精度設(shè)定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；分別建立管道腐蝕缺陷在軸向長度方向的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、周 向?qū)挾确较虻腂P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度方向的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；分別通過3個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行 預(yù)測，分別得到管道腐蝕缺陷在軸向長度方向的腐蝕速率預(yù)測值、周向?qū)挾确较虻母g速 率預(yù)測值和深度方向的腐蝕速率預(yù)測值，并分別按時(shí)間積分后得到管道腐蝕缺陷在軸向長 度方向的腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測值、周向?qū)挾确较虻母g缺陷尺寸的預(yù)測值和深度方向的腐 蝕缺陷尺寸的預(yù)測值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多源數(shù)據(jù)融合的管道腐蝕缺陷尺寸的預(yù)測方法，其特征 在于：步驟7所述的利用步驟4. 2得到的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測新數(shù)據(jù)檢測時(shí)間點(diǎn)的管道 腐蝕缺陷尺寸，方法為： 根據(jù)最后時(shí)間點(diǎn)讀取的管道腐蝕缺陷尺寸數(shù)據(jù)及該時(shí)間點(diǎn)到新數(shù)據(jù)檢測時(shí)間點(diǎn)之間 的這段時(shí)間段的W，利用步驟4. 2得到的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測該時(shí)間段的管道腐蝕缺陷 的腐蝕速率，并將該腐蝕速率預(yù)測值按時(shí)間積分到該時(shí)間段的管道腐蝕缺陷的增長尺寸預(yù) 測值；然后，將最后的管道腐蝕缺陷尺寸數(shù)據(jù)與該時(shí)間段的管道腐蝕缺陷的增長尺寸預(yù)測 值相加，得到新數(shù)據(jù)檢測時(shí)間點(diǎn)的管道腐蝕缺陷尺寸預(yù)測值。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104063588SQ201410259026
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】張化光, 馬大中, 汪剛, 劉金海, 馮健, 屈純, 陳琛, 許相凱, 劉喆, 周坤 申請(qǐng)人:東北大學(xué)