摘　要：詳細介紹了海底石油管道檢測爬行器智能控制器中兩個模塊的設計工作，并給出了這兩個模塊的設計任務與設計方案． 關鍵詞：管道檢測；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備，管道經長期使用，管壁受沖刷和腐蝕以致減薄，常會發(fā)生泄漏事故，造成巨大的經濟損失，且污染環(huán)境影響生態(tài)，做好輸油管道的在役檢測工作，防患于未然，已成為能源部門的當務之急． 由于采用傳統(tǒng)的檢測手段實施海底輸油管道的檢測非常困難，因此，國內外進行了大量的研究開發(fā)工作，力圖攻克這一難題［1～7］．目前發(fā)達國家主要采用管道檢測爬行器進行在役檢測，其檢測方法主要采用漏磁檢測和超聲檢測等． 2002年勝利石油管理局、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學與上海電力學院4單位聯(lián)合申請到了國家863項目“海底管道的檢測與維修技術”．該項目主要關鍵技術有缺陷檢測、檢測器變徑、精確定位、信號采集與處理、電源與驅動、智能爬行器、智能控制系統(tǒng)、管道缺陷評價、投放回收等，上海電力學院主要負責電動爬行智能控制、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)及精確大地定位、檢測電源等研究工作．本文僅介紹智能控制器中有關缺陷定位過程控制、異常情況的分析與解救兩個模塊設計問題．這兩個模塊的任務是進行系統(tǒng)自檢，如發(fā)現問題，則進行異常情況的分析，解救模塊進行異常處理； 否則，缺陷定位過程控制模塊進行正常工作．下面具體介紹這兩個模塊的設計工作． 1　缺陷定位過程控制模塊的設計 1．1　設計任務 缺陷定位過程控制模塊的設計任務主要有： 1　在檢測起點爬行器自動啟動，在終點自動停止； 2　爬行速度和檢測速度能自動轉換； 3　精確定位時給出定位信號和相對距離，并判定定位情況； 4　找準缺陷位置后檢測裝置自動停止，同位素發(fā)射源對準缺陷發(fā)射同位素； 5　精確定位后自動啟動爬行． 1．2　設計方案 1．2．1　檢測裝置的速度切換和定位過程設計 檢測裝置的首要任務是找到缺陷處，精確定位，讓同位素發(fā)射源對準缺陷處，檢測裝置自動停止．這個任務所經歷的運動過程見圖1．它可分為幾個部分：首先，檢測裝置在爬行器的帶動下，從開始位置啟動到1點（根據經驗選取）至最高速，通過里程輪反饋回來的位置信息在預定降速位置（檢測范圍）2點降至3點低速行駛，同時開始檢測缺陷信息；在4點檢測到缺陷后，位置控制系統(tǒng)采取模糊控制方法或PID控制方法將檢測裝置停在檢測位置允許的范圍內的5點處（定位準確區(qū)內）．而后控制系統(tǒng)精確測量出放射裝置與缺陷中心間的相對距離，發(fā)出精確定位信號，低速調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．在啟動至最大速度過程中，為了保證狀態(tài)平滑的轉換，可以采用斜坡升速控制規(guī)律（初設狀態(tài)轉換開始的升速控制允許位移為30±5m）；同樣，在爬行轉換為檢測狀態(tài)過程中，也采用斜坡減速控制（減速長度初設允許位移為15±5m）；在爬行狀態(tài)和檢測狀態(tài)采用恒速控制（高速、低速）；缺陷信號被檢測出來后，為了精確定位，應首先迅速減速至零．為了保證平滑運行，可采用模糊控制方法或PID控制方法，使檢測裝置停在允許的定位區(qū)內（允許位移初設為5±1m）．由于檢測裝置不能在管內產生振動，因此速度控制環(huán)節(jié)不能有超調． 1．2．2　檢測過程中的缺陷識別 缺陷識別過程見圖2． 在第一次在線檢測過程中基本能確定缺陷的大體位置和特征，在第二次精確檢測和定位中需要完成實測缺陷信號類別的對比確認問題．通過對缺陷信號的一些特征指標（如峰值、平均值等）的識別來實現信號的檢測確認．在識別方法中，選擇人工神經網絡來實現缺陷的識別確認．通過對常見的缺陷進行分類和分析，找到其特征參數，然后選擇合適的算法（比如BP算法），以構成3層網絡，并對此網絡進行訓練，實現離線的識別，再將其應用到在線識別中．同時，當缺陷被確認時，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準． 1．2．3　輸入輸出信息 1　輸入信息　有檢測部分的缺陷判斷信號、里程輪位移信息、缺陷中心位置信息、缺陷預計位置等． 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距離信號、射線門的開或關指令等． 1．2．4　正?？刂撇糠种悄芸刂平Y構 其控制結構見圖3． 2　異常情況的分析及解救模塊 2．1　設計任務 在定位檢測過程中實時監(jiān)視各重要系統(tǒng)的工作狀態(tài)和報警信息，分析異常情況并提出解救措施． 2．2　設計方案 2．2．1　監(jiān)視系統(tǒng)安全運行信息 巡回檢測爬行器、動力電源、漏磁及超聲檢測器、示蹤射線發(fā)射器等各部分的狀態(tài)和報警信號，如這些信號一切正常，則給主控中心“正?！毙盘枺? 2．2．2　分析狀態(tài)及報警信號并判別故障類型 若系統(tǒng)巡檢故障點的信號不正常，說明系統(tǒng)出現故障，則需通過分析狀態(tài)及報警信號，判別出故障類型．故障類型及判別方法如下： 1　電動爬行器故障　主要有電機故障，如電機斷路（兩端間無電流）、短路（兩端間無電壓）等故障；運動受阻故障，如運動速度變?yōu)榱?，電機電流偏大． 2　智能控制器故障　主要有控制回路斷路故障，表現為檢測不到電機速度或電機實際輸入電壓為零；控制算法失效故障，表現為電機實際速度與給定速度偏差超限． 3　動力源故障　動力電池電能將耗盡，表現為動力電池電壓低于下限；動力電池電能不足，表現為動力電池剩余電量不足以支持爬行器走完全程距離；檢測電源故障，表現為供給系統(tǒng)某處的電源電壓下降或為零． 4　傳感部件與數據存貯器故障　主要有漏磁及超聲傳感器失靈；里程輪失靈；旋轉編碼器失靈；數據存貯器失靈． 5　示蹤射線發(fā)射器故障　主要有示蹤射線發(fā)射器倉門無法打開；示蹤射線發(fā)射器倉門無法關閉． 　　6　計算機自檢及計算機間通訊故障　微機自檢，可檢測出CPU、存貯器、I／O接口、微機間通信等故障；計算機間通訊故障主要有，控制中心聯(lián)絡不到爬行器；控制中心聯(lián)絡不到檢測器；控制中心聯(lián)絡不到示蹤射線發(fā)射器． 2．2．3　根據故障類型決策最佳解救方案 1　爬行器故障　如果是電機故障，則停止行進，如能后退，則返回，否則，停下并發(fā)示蹤求救信號SOS，并脫離離合器，等待救護；如果是運動受阻，可運用模式識別方法，判斷是何種障礙物（如轉彎、變形、上坡、異形物等）后，對不同障礙物可做不同處理，一般可倒行一段距離、旋轉一定角度、微調彈性支撐臂角度，再加速前進，如還不能通過，則停止檢測前進，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)運轉正常，則繼續(xù)檢測前進，否則，與電機故障處理方案相同． 3　動力源故障　如發(fā)生動力電池電能將耗盡故障，則立即停止前進，發(fā)示蹤求救信號SOS，并脫離離合器，等待救護；如發(fā)生動力電池電能不足故障，若剩余能量足以支持其返回，則停止前進并返回，否則，停下并發(fā)示蹤求救信號SOS，并脫離離合器，等待救護；如發(fā)生檢測電源故障，則啟用備用檢測電源，若不然，停止檢測，運動返回或前進到底．進退與否取于路程遠近． 4　傳感部件與數據存貯器故障　可采用重置漏磁或超聲檢測器；重置里程輪；重置旋轉編碼器；重置數據存貯器． 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，則啟動應急裝置關閉示蹤射線發(fā)射器． 6　計算機自檢及計算機間通訊故障　可采用重啟計算機；重建與爬行器的通訊聯(lián)系；重建與檢測器的通訊聯(lián)系；重建與射線器的通訊聯(lián)系． 2．2．4　根據解救措施的實施效果決定操作方案 一般來說，如前面決策方案實施效果沒有達到預期目標，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SOS，并脫離離合器，等待救護． 3　結束語 本文詳細介紹了海底石油管道檢測爬行器智能控制器其中的兩個關鍵模塊的設計，仿真表明了這兩個模塊設計的正確性和可行性，現正把這兩個模塊與系統(tǒng)的其他模塊進行連接和調試． 參考文獻 ［1］CordellJL．Thelatrst developmentsin pipeline pigging world－wide　?。跩］．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．在役石油管道無損檢測方法［J］．無損檢測，1999，21（1）：8～13． ［4］龍　偉，周　明，黃　杰．在役管道超聲檢測系統(tǒng)的現狀及發(fā)展趨勢［J］．中國機械工程，1996，7（2）：52～54． ［5］沙　杰，劉戰(zhàn)術，陳國防．中小徑管道爬行器控制系統(tǒng)設計［J］．測控技術，2000，19（4）：27～29． ［6］張曉華，殷德軍，鄧宗全．一種基于視覺模糊推理的管道機器人自主定位控制方法［J］．微計算機信息，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器人　　控制系統(tǒng)中的應用［J］．無損檢測，2001，23（6）：234～237．