基于图像识别的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法技术

本发明专利技术提供一种基于图像识别的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法，先利用深海管道的历史裂纹图像样本数据，对深海管道进行实际全尺寸试验或数值仿真；再用XFEM方法建立深海管道表面裂纹对应的管道疲劳寿命的预测模型；选择监测管道上带有裂纹的管道区域图像输入预测模型中，对处理后的裂纹子单元图像进行交变载荷下的剩余寿命评估，并输出评估结果；对单个监测管道上其中一个裂纹图像进行可靠性评价，并对单个监测管道整体可靠性进行评估，得到其在管道系统中的可靠性预测结果。本发明专利技术通过图像特征识别对管道产生的裂纹建立评价模型，对管道的可靠性进行建模和评估，最终完成实际深海管道的裂纹状态识别和可靠性评估。

【技术实现步骤摘要】
基于图像识别的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法
本专利技术涉及水下管道监控领域，特别是涉及一种基于图像识别的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法。
技术介绍
随着我国的石油开采向深海发展，深海管道的运用越来越广泛，深海管道的建设和运维也是一个国家能力的重要体现。深海石油管道由于位于深海，长时间处于高压的状态，在轴向和周向的载荷作用下会产生裂纹，裂纹扩展到一定程度将会使管道系统失效，严重的甚至泄露石油，产生巨大的经济效益损失和对环境造成破坏性极大的污染。调查表明，材料老化，长期的疲劳效应以及外来物的撞击是裂纹产生的重要因素，目前已经有多起由于裂纹扩展造成的管道系统失效案例。在现有技术中，对于深海管道的裂纹扩展的剩余评估主要采用数值模拟和实验室试验的方式，这样会消耗巨大的人力物力资源。此外，还有采用深海摄像机对深海管道进行监控的方式，这种方式可以方便运维人员观察管道表面情况，并节省人力物力资源。为了保证管道系统的安全，目前石油开发部门一般采取定期维护检查的方式对深海管道安全进行评估，但这种评估方式不能做到实时评估，而且在遇到危险海况时对管道系统的巡检更加困难，此外，其评估方式也有很大的局限性。因此，亟待提出一种高效精确的裂纹扩展剩余寿命实时评估和可靠性分析方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于图像识别的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法，以对深海管道的裂纹状态实现即时分析和影响评估。具体地，本专利技术提供基于图像识别的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法，包括如下步骤：步骤100，首先采集深海管道的历史裂纹图像样本数据，然后根据实际工况确定添加的位移运动幅值，根据裂纹图像样本提取出不同裂纹附近的关键点，并针对每种裂纹图像样本赋予对应的实际工作寿命，同时预测裂纹图像样本中出现新裂纹后不同阶段的破坏程度并进行赋值，最后根据上述数据对深海管道进行实际全尺寸试验或数值仿真；步骤200，在全尺寸试验或数值仿真过程中，以裂纹长度为纵坐标，时间为横坐标，采用DCPD方法，绘制不同裂纹扩展寿命下的裂纹时变图，并用XFEM方法建立深海管道表面裂纹对应的管道疲劳寿命的预测模型；步骤300，选择监测管道上带有裂纹的管道区域图像，将带裂纹的图像部分划分为若干大小近似的裂纹子单元图像后输入预测模型中，利用光流法对裂纹子图像进行处理后得到裂纹特征点的运动状态，再对处理后的裂纹子单元图像进行交变载荷下的剩余寿命评估，并输出评估结果；步骤400，运用极限状态函数和蒙特卡洛方法对单个监测管道上其中一个裂纹图像进行可靠性评价，再用相同的方法对单个监测管道出现的所有裂纹图像进行处理，并对单个监测管道整体可靠性进行评估，运用专家打分法，以单个监测管道在整个管道系统中的重要程度，得到其在管道系统中的可靠性预测结果。本专利技术利用深水摄像机获取的管道图像，通过图像特征识别，对历史管道各种原因产生的扩展裂纹建立评价模型，再对历史管道的可靠性进行建模和评估，然后与监测管道进行全尺寸试验匹配，最终完成监测深海管道的裂纹状态识别和可靠性评估。本专利技术采用L-K光流法监测裂纹扩展形态，能够获得相邻帧裂纹边缘特征点的运动，可提高深海管道的可靠性智能化监测，为深海油气田的安全开发与无人监测提供了解决方案。附图说明图1是本专利技术一个实施方式的方法流程示意图。具体实施方式以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。在下面的说明中，历史管道是指使用过的深海管道在产生裂纹后，至裂纹导致工作寿命终止的管道，其裂纹图像是在其工作过程中拍摄并保存的。而监测管道是指当前正在使用的深海管道，其裂纹图像是实时获取的。如图1所示，在本专利技术的一个实施方式中，提供一种基于图像识别的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法，包括如下步骤：步骤100，首先采集深海管道的历史裂纹图像样本数据，然后根据实际工况确定添加的位移运动幅值，根据裂纹图像样本提取出不同裂纹附近的关键点，并针对每种裂纹图像样本赋予对应的实际工作寿命，同时预测裂纹图像样本中出现新裂纹后不同阶段的破坏程度并进行赋值，最后根据上述数据对深海管道进行实际全尺寸试验或数值仿真；该步骤是以历史管道上的裂纹产生过程作为参考数据，根据历史管道的裂纹形状、走向，及不同裂纹长度对管道寿命的影响等数据，通过全尺寸实验或数值仿真来建立模型，以作为后期监测管道的图像裂纹预测参照。其中，裂纹的长度越长表示对管道寿命的影响越大，因此，本步骤中将裂纹长度由开始对管道造成影响，至裂纹长度导致管道工作寿命完结为止，将历史管道的裂纹生成过程划分为不同的阶段，并对每个阶段进行赋值；具体划分和赋值可根据不同管道的材质、使用环境等因素进行调整，本实施方式中是将裂纹产生至管道停止使用过程中的裂纹长度变化过程，划分为十个阶段，并按裂纹生成的顺序依次赋值1-10，其中1表示最短，而10表示裂纹已经严重威胁到管道的工作寿命或管道已经无法使用。关键点的提取是以裂纹长度方向的两侧边代表裂纹走向和宽度的点，通过定义不同裂纹的关键点，可以将二维图像转化为数值图像后，能够对不同的裂纹形状和长度进行定义，进而可对后期输入的监测图像进行快速识别，并导入相应的参照数据。不同的管道工作寿命长短可以由管道的历史图像中，裂纹与管道使用期限之间的关系进行确认，进而建立裂纹长度与管道工作寿命之间的对应关系。其中，对新裂纹不同阶段破坏程度的预测过程为：步骤101，将提取出的关键点数据与输入全尺寸实验或数值仿真中的实际工作寿命结果对比，建立寿命关键点拟合函数；步骤102，同时利用数值模拟对裂纹图像样本中的关键点进行多次提取实验，将提取实验的结果代入拟合函数中进行优化；步骤103，再拟合函数离散，然后得到新裂纹不同阶段下的预测结果。具体的赋值类型包括：裂纹扩展阶段赋值，稳定扩展阶段赋值和加速扩展阶段赋值。步骤200，在全尺寸试验或数值仿真过程中，以裂纹长度为纵坐标，时间为横坐标，采用DCPD方法，绘制不同裂纹扩展寿命下的裂纹时变图，并用XFEM方法建立深海管道表面裂纹对应的管道疲劳寿命的预测模型；采用XFEM方法，可使网格与结构内部的几何或物理界面无关，两者间相互独立，且裂纹尖端应力场的计算与裂纹面扩展的计算相互独立，避免了在裂纹尖端进行高密度网格划分的问题和网格重新划分的工作。XFEM方法的计算过程如下：将任何函数用域内局部函数表示，并使得∑ΓHΓ(x)＝1(2)重叠分片{θi}构成研究区域M的一个覆盖，为覆盖上的一个单位分解。在每一分片上，函数空间Vi为区域M的局部逼近，总体试探空间V为：总体空间V不但具有局部空间Vi的逼近特性，又有单位分解和局部空间Vi的光滑性，只要单位分解足够光滑，就能构造出足够光滑的试探空间。步骤300，选择监测管道上带有裂纹的管道区域图像，将带裂纹的图像部分划分为若干大小近似的裂纹子单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于图像识别的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤100，首先采集深海管道的历史裂纹图像样本数据，然后根据实际工况确定添加的位移运动幅值，根据裂纹图像样本提取出不同裂纹附近的关键点，并针对每种裂纹图像样本赋予对应的实际工作寿命，同时预测裂纹图像样本中出现新裂纹后不同阶段的破坏程度并进行赋值，最后根据上述数据对深海管道进行实际全尺寸试验或数值仿真；/n步骤200，在全尺寸试验或数值仿真过程中，以裂纹长度为纵坐标，时间为横坐标，采用DCPD方法，绘制不同裂纹扩展寿命下的裂纹时变图，并用XFEM方法建立深海管道表面裂纹对应的管道疲劳寿命的预测模型；/n步骤300，选择监测管道上带有裂纹的管道区域图像，将带裂纹的图像部分划分为若干大小近似的裂纹子单元图像后输入预测模型中，利用光流法对裂纹子图像进行处理后得到裂纹特征点的运动状态，再对处理后的裂纹子单元图像进行交变载荷下的剩余寿命评估，并输出评估结果；/n步骤400，运用极限状态函数和蒙特卡洛方法对单个监测管道上其中一个裂纹图像进行可靠性评价，再用相同的方法对单个监测管道出现的所有裂纹图像进行处理，并对单个监测管道整体可靠性进行评估，运用专家打分法，以单个监测管道在整个管道系统中的重要程度，得到其在管道系统中的可靠性预测结果。/n...

【技术特征摘要】
1.基于图像识别的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100，首先采集深海管道的历史裂纹图像样本数据，然后根据实际工况确定添加的位移运动幅值，根据裂纹图像样本提取出不同裂纹附近的关键点，并针对每种裂纹图像样本赋予对应的实际工作寿命，同时预测裂纹图像样本中出现新裂纹后不同阶段的破坏程度并进行赋值，最后根据上述数据对深海管道进行实际全尺寸试验或数值仿真；
步骤200，在全尺寸试验或数值仿真过程中，以裂纹长度为纵坐标，时间为横坐标，采用DCPD方法，绘制不同裂纹扩展寿命下的裂纹时变图，并用XFEM方法建立深海管道表面裂纹对应的管道疲劳寿命的预测模型；
步骤300，选择监测管道上带有裂纹的管道区域图像，将带裂纹的图像部分划分为若干大小近似的裂纹子单元图像后输入预测模型中，利用光流法对裂纹子图像进行处理后得到裂纹特征点的运动状态，再对处理后的裂纹子单元图像进行交变载荷下的剩余寿命评估，并输出评估结果；
步骤400，运用极限状态函数和蒙特卡洛方法对单个监测管道上其中一个裂纹图像进行可靠性评价，再用相同的方法对单个监测管道出现的所有裂纹图像进行处理，并对单个监测管道整体可靠性进行评估，运用专家打分法，以单个监测管道在整个管道系统中的重要程度，得到其在管道系统中的可靠性预测结果。


2.根据权利要求1所述的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法，其特征在于，
所述步骤100中，关键点是指裂纹长度方向两侧边表示裂纹走向和宽度的点。


3.根据权利要求1所述的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法，其特征在于，
所述步骤100中，对新裂纹不同阶段破坏程度的预测过程为：
步骤101，将提取出的关键点数据与输入全尺寸实验或数值仿真中的实际工作寿命结果对比，建立寿命关键点拟合函数；
步骤102，同时利用数值模拟对裂纹图像样本中的关键点进行多次提取实验，将提取实验的结果代入拟合函数中进行优化；
步骤103，再拟合函数离散，然后得到新裂纹不同阶段下的预测结果。


4.根据权利要求1所述的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法，其特征在于，
所述赋值的过程为：将监测管道上的裂纹产生至裂纹导致监测管道工作寿命终止的过程，划分为十个阶段，并对每个阶段赋予从小到大的数值，数值越大表示裂纹越长且对管道的工作寿命影响越大。


5.根据权利要求1所述的深海管道裂纹扩展监测与可靠性评估方法，其特征在于，
所述步骤200中，XFEM方法的计算过程如下：
将任何函数用域内局部函数表示，



并使得
∑ГHГ(x)＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：余杨，李昊达，余建星，王华昆，王彩妹，陈佰川，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12