臧春華， 王海艦， 高興宇， 紀(jì)紅剛， 王 琨， 趙立新

（1.廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所， 廣東 珠海 519060； 2.桂林電子科技大學(xué)， 廣西 桂林 541004）

0 引言

深海石油天然氣管道、石化/城市燃?xì)?建筑工程等鋼管管道在生產(chǎn)加工、 擴(kuò)徑過程中要隨時(shí)對(duì)其直徑及其圓度進(jìn)行檢測和分析，以即時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝，保證擴(kuò)徑管道的尺寸和圓度符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)[1，2]。 現(xiàn)有的傳統(tǒng)管道直徑測量方法普遍采用卡尺、千分尺、卷尺、周徑尺等手工測量量具對(duì)擴(kuò)徑管道直徑進(jìn)行直接測量， 然而這類直接測量方法受生產(chǎn)環(huán)境、 量具精確度和操作人員因素的影響較大，測量精度低、速度慢、效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，無法充分反映整個(gè)大型管道的外徑情況[3]；采用大直徑測徑儀雖然可以適應(yīng)不同直徑范圍的管道，且檢測精度較高，但其自身裝置體積龐大， 且整個(gè)裝置檢測過程中不能存在遮擋物，受環(huán)境影響較大，裝置體積龐大對(duì)多位置采樣來說，其移動(dòng)的時(shí)效性受到很大程度的制約。 針對(duì)圓度的測量方法主要采用接觸式圓度儀和非接觸式圓度儀， 但是不論是接觸式圓度儀還是非接觸式圓度儀在測量的過程中，都需要相對(duì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大大限制了測量速度，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測。 因此，亟需開發(fā)一套擴(kuò)徑管道直徑及圓度在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)。

本系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)管道直徑及圓度檢測方法的缺陷與不足，利用雙軟尺搭配協(xié)同測量，并利用攝像頭進(jìn)行視覺圖像數(shù)據(jù)信息的采集， 采用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法提高擴(kuò)徑管道直徑的測量精度， 通過測量結(jié)果得到當(dāng)前管道的周長后，便可計(jì)算獲取當(dāng)前管道直徑；利用裝置所安裝的四個(gè)激光測距傳感器實(shí)現(xiàn)四軸同步掃描，快速、準(zhǔn)確地獲取管道外壁離散點(diǎn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行最小內(nèi)切圓和最大外接圓分析對(duì)比， 重構(gòu)當(dāng)前管道輪廓繼而完成管道圓度分析和實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擴(kuò)徑管道直徑及圓度在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括升降系統(tǒng)、直徑檢測系統(tǒng)、圓度檢測系統(tǒng)及人機(jī)交互界面，整體三維結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體三維結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall 3D structure of the system

首先安裝當(dāng)前所需要檢測的管道后，利用升降系統(tǒng)調(diào)整管道中心位置，完成管道位置與角度的校準(zhǔn)；利用直徑檢測系統(tǒng)即雙軟尺自動(dòng)卡緊裝置，緊緊貼合管道外壁并利用攝像頭進(jìn)行軟尺交叉刻度部分處圖像的采集，獲取當(dāng)前圖片數(shù)據(jù)信息后，結(jié)合深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法提高其檢測精度，獲取當(dāng)前管道周長，根據(jù)管道周長計(jì)算得到管道直徑；利用圓度檢測系統(tǒng)即四個(gè)激光傳感器進(jìn)行四軸同步掃描，實(shí)現(xiàn)管道外壁輪廓的重構(gòu)及圓度的分析；利用人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測擴(kuò)徑管道當(dāng)前直徑及圓度。

1.1 升降系統(tǒng)

升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮到針對(duì)于不同管徑的管道，其安裝高度會(huì)存在一定的差異，因此，為了使管道盡量處于檢測裝置的中心，便于測量直徑和圓度，采用能有調(diào)節(jié)高度的升降系統(tǒng)對(duì)裝置整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行上下微調(diào)，以滿足測試要求。

1.2 直徑檢測系統(tǒng)

本項(xiàng)目直徑的檢測誤差不允許超過±0.5mm， 重復(fù)測量誤差不得超過0.2mm，要求的精度較高，且直接對(duì)直徑進(jìn)行測量難度較大，高精度的直徑測量難以實(shí)現(xiàn)。 因此，本文提出了一種通過精確測量周長， 反推直徑的測量方法，如圖2 所示，分別采用兩套對(duì)稱的軟尺實(shí)現(xiàn)對(duì)管道外壁的環(huán)繞，軟尺的零點(diǎn)如圖2 所示，并分別向兩端數(shù)值逐漸增大。通過圖像采集裝置獲取兩端軟尺交叉的圖像，讀取數(shù)值，進(jìn)行累加，最終獲取管道的外壁圓周，并通過公式間接推導(dǎo)出管道的直徑。

1.3 圓度檢測系統(tǒng)

圖2 擴(kuò)徑管道直徑測量方法Fig.2 Diameter measurement method of expanded pipe

擴(kuò)徑管道的圓度檢測方法如圖3 所示， 通過四個(gè)激光測距傳感器對(duì)擴(kuò)徑管道外壁進(jìn)行掃描， 得到管道外壁各采樣點(diǎn)相對(duì)于各激光測距傳感器的距離， 通過重構(gòu)算法對(duì)管道外壁輪廓進(jìn)行重構(gòu)， 再將重構(gòu)后的管道外壁圖形與最小內(nèi)切圓和最大外接圓進(jìn)行對(duì)比， 分析管道外壁輪廓的圓度信息。

2 深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

高精度的管道直徑、 圓弧度檢測結(jié)果是本技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)， 而不同的管道材質(zhì)在工業(yè)生產(chǎn)過程中精準(zhǔn)度差異較大，傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)管道的精度檢測參差不齊，穩(wěn)定性差，具有很大的局限性。 基于此，我們構(gòu)建了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立不同尺寸下的圖像訓(xùn)練樣本庫，通過訓(xùn)練樣本庫實(shí)現(xiàn)對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的搭建。 在管道直徑檢測裝置中，我們采用VGGNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中VGGNet 一共包含16 層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，含有5 層卷積層（包含ReLU 層），每一層卷積層之后都包含一層最大池化層， 最后三層為全連接層， 全連接層中的前兩層得到4096 個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果，而最后一層輸出1000 個(gè)數(shù)據(jù)，ImageNet 數(shù)據(jù)集的類別數(shù)是1000，然后通過Softmax 最后得到分類結(jié)果[4]。 在VGGNet 網(wǎng)絡(luò)中每層卷積層中包含2-4 個(gè)卷積操作， 其中，卷積核的尺寸為3×3，步長為1 個(gè)像素。 而池化層中尺寸為2×2，步長為2。 通過對(duì)比VGGNet 和AlexNet，可以看出，最大的區(qū)別就是降低了卷積核的尺寸，增加了卷積層的深度。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合本次設(shè)計(jì)的管道直徑及圓度的監(jiān)測系統(tǒng)， 隨機(jī)選取一根待測管道，根據(jù)設(shè)定的檢測步驟，完成待測管道的安裝， 對(duì)整個(gè)裝置上電并開啟攝像頭及四個(gè)激光傳感器，將攝像頭采集的數(shù)據(jù)信息上傳至人機(jī)交互界面。同時(shí)進(jìn)行深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練， 完成深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)設(shè)定測試，如表1 所示，并根據(jù)檢測精度值確定最終卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)， 即選用組別6 時(shí)的參數(shù)即16 組卷積層的濾波器個(gè)數(shù)分別為20、30， 池化層濾波塊為2， 再利用已確定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練結(jié)果完成待測管道直徑的計(jì)算。 并根據(jù)激光傳感器所測得的數(shù)據(jù)將管道外輪廓擬合重構(gòu)顯示在人機(jī)交互界面中，根據(jù)所測得的最大直徑和最小直徑獲取管道最大外接圓及最小內(nèi)切圓， 將重構(gòu)的管道輪廓與理想的最大外接圓與最小內(nèi)切圓進(jìn)行對(duì)比分析， 繼而獲取當(dāng)前管道的圓度并計(jì)算當(dāng)前檢測管道圓度的精度，進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)獲取最終檢測精度小于0.2mm， 即達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)中管道擴(kuò)徑中直徑與圓度的要求。

表1 深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)設(shè)定測試Tab.1 Parameter setting test of deep convolution neural network model

圖3 擴(kuò)徑管道檢測方法及輪廓重構(gòu)Fig. 3 Detection method and contour reconstruction of expanded pipe

5 結(jié)束語

本文根據(jù)管道在擴(kuò)徑過程中的直徑及圓度的在線監(jiān)測需求， 開發(fā)了一套擴(kuò)徑管道直徑及圓度在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)管道擴(kuò)徑過程中圓度及直徑的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測， 為管道擴(kuò)徑過程中直徑及圓度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)一種有效的技術(shù)手段。