摘　要：詳細(xì)介紹了海底石油管道檢測(cè)爬行器智能控制器中兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)工作，并給出了這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)方案． 關(guān)鍵詞：管道檢測(cè)；智能爬行器；智能控制器；缺陷定位 引　言 石油管道是能源部門所必需的輸送設(shè)備，管道經(jīng)長(zhǎng)期使用，管壁受沖刷和腐蝕以致減薄，常會(huì)發(fā)生泄漏事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，且污染環(huán)境影響生態(tài)，做好輸油管道的在役檢測(cè)工作，防患于未然，已成為能源部門的當(dāng)務(wù)之急． 由于采用傳統(tǒng)的檢測(cè)手段實(shí)施海底輸油管道的檢測(cè)非常困難，因此，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究開(kāi)發(fā)工作，力圖攻克這一難題［1～7］．目前發(fā)達(dá)國(guó)家主要采用管道檢測(cè)爬行器進(jìn)行在役檢測(cè)，其檢測(cè)方法主要采用漏磁檢測(cè)和超聲檢測(cè)等． 2002年勝利石油管理局、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)與上海電力學(xué)院4單位聯(lián)合申請(qǐng)到了國(guó)家863項(xiàng)目“海底管道的檢測(cè)與維修技術(shù)”．該項(xiàng)目主要關(guān)鍵技術(shù)有缺陷檢測(cè)、檢測(cè)器變徑、精確定位、信號(hào)采集與處理、電源與驅(qū)動(dòng)、智能爬行器、智能控制系統(tǒng)、管道缺陷評(píng)價(jià)、投放回收等，上海電力學(xué)院主要負(fù)責(zé)電動(dòng)爬行智能控制、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及精確大地定位、檢測(cè)電源等研究工作．本文僅介紹智能控制器中有關(guān)缺陷定位過(guò)程控制、異常情況的分析與解救兩個(gè)模塊設(shè)計(jì)問(wèn)題．這兩個(gè)模塊的任務(wù)是進(jìn)行系統(tǒng)自檢，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，則進(jìn)行異常情況的分析，解救模塊進(jìn)行異常處理； 否則，缺陷定位過(guò)程控制模塊進(jìn)行正常工作．下面具體介紹這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)工作． 1　缺陷定位過(guò)程控制模塊的設(shè)計(jì) 1．1　設(shè)計(jì)任務(wù) 缺陷定位過(guò)程控制模塊的設(shè)計(jì)任務(wù)主要有： 1　在檢測(cè)起點(diǎn)爬行器自動(dòng)啟動(dòng)，在終點(diǎn)自動(dòng)停止； 2　爬行速度和檢測(cè)速度能自動(dòng)轉(zhuǎn)換； 3　精確定位時(shí)給出定位信號(hào)和相對(duì)距離，并判定定位情況； 4　找準(zhǔn)缺陷位置后檢測(cè)裝置自動(dòng)停止，同位素發(fā)射源對(duì)準(zhǔn)缺陷發(fā)射同位素； 5　精確定位后自動(dòng)啟動(dòng)爬行． 1．2　設(shè)計(jì)方案 1．2．1　檢測(cè)裝置的速度切換和定位過(guò)程設(shè)計(jì) 檢測(cè)裝置的首要任務(wù)是找到缺陷處，精確定位，讓同位素發(fā)射源對(duì)準(zhǔn)缺陷處，檢測(cè)裝置自動(dòng)停止．這個(gè)任務(wù)所經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖1．它可分為幾個(gè)部分：首先，檢測(cè)裝置在爬行器的帶動(dòng)下，從開(kāi)始位置啟動(dòng)到1點(diǎn)（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選?。┲磷罡咚伲ㄟ^(guò)里程輪反饋回來(lái)的位置信息在預(yù)定降速位置（檢測(cè)范圍）2點(diǎn)降至3點(diǎn)低速行駛，同時(shí)開(kāi)始檢測(cè)缺陷信息；在4點(diǎn)檢測(cè)到缺陷后，位置控制系統(tǒng)采取模糊控制方法或PID控制方法將檢測(cè)裝置停在檢測(cè)位置允許的范圍內(nèi)的5點(diǎn)處（定位準(zhǔn)確區(qū)內(nèi)）．而后控制系統(tǒng)精確測(cè)量出放射裝置與缺陷中心間的相對(duì)距離，發(fā)出精確定位信號(hào)，低速調(diào)整至使放射裝置停在缺陷中心位置． 圖1中，V為爬行器速度．在啟動(dòng)至最大速度過(guò)程中，為了保證狀態(tài)平滑的轉(zhuǎn)換，可以采用斜坡升速控制規(guī)律（初設(shè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)始的升速控制允許位移為30±5m）；同樣，在爬行轉(zhuǎn)換為檢測(cè)狀態(tài)過(guò)程中，也采用斜坡減速控制（減速長(zhǎng)度初設(shè)允許位移為15±5m）；在爬行狀態(tài)和檢測(cè)狀態(tài)采用恒速控制（高速、低速）；缺陷信號(hào)被檢測(cè)出來(lái)后，為了精確定位，應(yīng)首先迅速減速至零．為了保證平滑運(yùn)行，可采用模糊控制方法或PID控制方法，使檢測(cè)裝置停在允許的定位區(qū)內(nèi)（允許位移初設(shè)為5±1m）．由于檢測(cè)裝置不能在管內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)，因此速度控制環(huán)節(jié)不能有超調(diào)． 1．2．2　檢測(cè)過(guò)程中的缺陷識(shí)別 缺陷識(shí)別過(guò)程見(jiàn)圖2． 在第一次在線檢測(cè)過(guò)程中基本能確定缺陷的大體位置和特征，在第二次精確檢測(cè)和定位中需要完成實(shí)測(cè)缺陷信號(hào)類別的對(duì)比確認(rèn)問(wèn)題．通過(guò)對(duì)缺陷信號(hào)的一些特征指標(biāo)（如峰值、平均值等）的識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)確認(rèn)．在識(shí)別方法中，選擇人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)缺陷的識(shí)別確認(rèn)．通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的缺陷進(jìn)行分類和分析，找到其特征參數(shù)，然后選擇合適的算法（比如BP算法），以構(gòu)成3層網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)此網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)離線的識(shí)別，再將其應(yīng)用到在線識(shí)別中．同時(shí)，當(dāng)缺陷被確認(rèn)時(shí)，能夠精確定位出缺陷中心的位置，以便后面的放射裝置能對(duì)準(zhǔn)． 1．2．3　輸入輸出信息 1　輸入信息　有檢測(cè)部分的缺陷判斷信號(hào)、里程輪位移信息、缺陷中心位置信息、缺陷預(yù)計(jì)位置等． 2　輸出信息　有爬行器的爬行速度指令、爬行器已爬行距離與離終點(diǎn)距離信號(hào)、射線門的開(kāi)或關(guān)指令等． 1．2．4　正?？刂撇糠种悄芸刂平Y(jié)構(gòu) 其控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3． 2　異常情況的分析及解救模塊 2．1　設(shè)計(jì)任務(wù) 在定位檢測(cè)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)視各重要系統(tǒng)的工作狀態(tài)和報(bào)警信息，分析異常情況并提出解救措施． 2．2　設(shè)計(jì)方案 2．2．1　監(jiān)視系統(tǒng)安全運(yùn)行信息 巡回檢測(cè)爬行器、動(dòng)力電源、漏磁及超聲檢測(cè)器、示蹤射線發(fā)射器等各部分的狀態(tài)和報(bào)警信號(hào)，如這些信號(hào)一切正常，則給主控中心“正?！毙盘?hào)． 2．2．2　分析狀態(tài)及報(bào)警信號(hào)并判別故障類型 若系統(tǒng)巡檢故障點(diǎn)的信號(hào)不正常，說(shuō)明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則需通過(guò)分析狀態(tài)及報(bào)警信號(hào)，判別出故障類型．故障類型及判別方法如下： 1　電動(dòng)爬行器故障　主要有電機(jī)故障，如電機(jī)斷路（兩端間無(wú)電流）、短路（兩端間無(wú)電壓）等故障；運(yùn)動(dòng)受阻故障，如運(yùn)動(dòng)速度變?yōu)榱?，電機(jī)電流偏大． 2　智能控制器故障　主要有控制回路斷路故障，表現(xiàn)為檢測(cè)不到電機(jī)速度或電機(jī)實(shí)際輸入電壓為零；控制算法失效故障，表現(xiàn)為電機(jī)實(shí)際速度與給定速度偏差超限． 3　動(dòng)力源故障　動(dòng)力電池電能將耗盡，表現(xiàn)為動(dòng)力電池電壓低于下限；動(dòng)力電池電能不足，表現(xiàn)為動(dòng)力電池剩余電量不足以支持爬行器走完全程距離；檢測(cè)電源故障，表現(xiàn)為供給系統(tǒng)某處的電源電壓下降或?yàn)榱悖? 4　傳感部件與數(shù)據(jù)存貯器故障　主要有漏磁及超聲傳感器失靈；里程輪失靈；旋轉(zhuǎn)編碼器失靈；數(shù)據(jù)存貯器失靈． 5　示蹤射線發(fā)射器故障　主要有示蹤射線發(fā)射器倉(cāng)門無(wú)法打開(kāi)；示蹤射線發(fā)射器倉(cāng)門無(wú)法關(guān)閉． 　　6　計(jì)算機(jī)自檢及計(jì)算機(jī)間通訊故障　微機(jī)自檢，可檢測(cè)出CPU、存貯器、I／O接口、微機(jī)間通信等故障；計(jì)算機(jī)間通訊故障主要有，控制中心聯(lián)絡(luò)不到爬行器；控制中心聯(lián)絡(luò)不到檢測(cè)器；控制中心聯(lián)絡(luò)不到示蹤射線發(fā)射器． 2．2．3　根據(jù)故障類型決策最佳解救方案 1　爬行器故障　如果是電機(jī)故障，則停止行進(jìn)，如能后退，則返回，否則，停下并發(fā)示蹤求救信號(hào)SOS，并脫離離合器，等待救護(hù)；如果是運(yùn)動(dòng)受阻，可運(yùn)用模式識(shí)別方法，判斷是何種障礙物（如轉(zhuǎn)彎、變形、上坡、異形物等）后，對(duì)不同障礙物可做不同處理，一般可倒行一段距離、旋轉(zhuǎn)一定角度、微調(diào)彈性支撐臂角度，再加速前進(jìn)，如還不能通過(guò)，則停止檢測(cè)前進(jìn)，后退返回． 2　智能控制器故障　如果是控制回路斷路故障，與電機(jī)故障處理方案相同；如果是控制算法失效故障，改換另一種控制算法，如控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，則繼續(xù)檢測(cè)前進(jìn)，否則，與電機(jī)故障處理方案相同． 3　動(dòng)力源故障　如發(fā)生動(dòng)力電池電能將耗盡故障，則立即停止前進(jìn)，發(fā)示蹤求救信號(hào)SOS，并脫離離合器，等待救護(hù)；如發(fā)生動(dòng)力電池電能不足故障，若剩余能量足以支持其返回，則停止前進(jìn)并返回，否則，停下并發(fā)示蹤求救信號(hào)SOS，并脫離離合器，等待救護(hù)；如發(fā)生檢測(cè)電源故障，則啟用備用檢測(cè)電源，若不然，停止檢測(cè)，運(yùn)動(dòng)返回或前進(jìn)到底．進(jìn)退與否取于路程遠(yuǎn)近． 4　傳感部件與數(shù)據(jù)存貯器故障　可采用重置漏磁或超聲檢測(cè)器；重置里程輪；重置旋轉(zhuǎn)編碼器；重置數(shù)據(jù)存貯器． 5　示蹤射線發(fā)射器故障　可重置示蹤射線發(fā)射器再試，若不能排除故障，則啟動(dòng)應(yīng)急裝置關(guān)閉示蹤射線發(fā)射器． 6　計(jì)算機(jī)自檢及計(jì)算機(jī)間通訊故障　可采用重啟計(jì)算機(jī)；重建與爬行器的通訊聯(lián)系；重建與檢測(cè)器的通訊聯(lián)系；重建與射線器的通訊聯(lián)系． 2．2．4　根據(jù)解救措施的實(shí)施效果決定操作方案 一般來(lái)說(shuō)，如前面決策方案實(shí)施效果沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，則系統(tǒng)可采用第二套方案；若再失靈，則停下并發(fā)示蹤求救信號(hào)SOS，并脫離離合器，等待救護(hù)． 3　結(jié)束語(yǔ) 本文詳細(xì)介紹了海底石油管道檢測(cè)爬行器智能控制器其中的兩個(gè)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)，仿真表明了這兩個(gè)模塊設(shè)計(jì)的正確性和可行性，現(xiàn)正把這兩個(gè)模塊與系統(tǒng)的其他模塊進(jìn)行連接和調(diào)試． 參考文獻(xiàn) ［1］CordellJL．Thelatrst developmentsin pipeline pigging world－wide　　［J］．Pipes＆PipelineInternational，1994，8（7）：9～16． ［2］Raad JA．Comparison between ultrasonic and magneticfluxpigsfor　pipeline［J］．Pipes＆pipelinesinternational，1987，32（1）：7～15． ［3］周　明，何鳳歧，麻百勇．在役石油管道無(wú)損檢測(cè)方法［J］．無(wú)損檢測(cè)，1999，21（1）：8～13． ［4］龍　偉，周　明，黃　杰．在役管道超聲檢測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．中國(guó)機(jī)械工程，1996，7（2）：52～54． ［5］沙　杰，劉戰(zhàn)術(shù)，陳國(guó)防．中小徑管道爬行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．測(cè)控技術(shù)，2000，19（4）：27～29． ［6］張曉華，殷德軍，鄧宗全．一種基于視覺(jué)模糊推理的管道機(jī)器人自主定位控制方法［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2002，18（2）：10－11． ［7］姜生元，鄧宗全，李　斌等．可編程邏輯控制器在管道機(jī)器人　　控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．無(wú)損檢測(cè)，2001，23（6）：234～237．