基于多特征融合的管道漏磁非规则缺陷反演方法及装置

本技术涉及故障诊断和人工智能领域，特别是涉及一种基于多特征融合的管道漏磁非规则缺陷反演方法及装置。

背景技术：

1、近些年来，随着石油、天然气能源的广泛使用，用于能源运输的管道得到大力发展，石油管道建设日益增强。管道所处环境较为恶劣，在能源原料的腐蚀、自然条件侵蚀以及生产过程中应力集中等因素的影响下，管道极易产生缺陷。随着缺陷严重程度的不断增加，管道可能发生泄露甚至是爆炸，不仅会造成能源的浪费，对生态环境造成破坏，甚至人身安全遭到危害。

2、漏磁内检测是管道检测最常用的无损检测方法之一，其具有效率高、鲁棒性强、受速度效应影响小等优点。管道被饱和磁化后，在缺陷处发生漏磁信号，磁传感器拾取漏磁信号。通过对漏磁信号的处理与分析，可以准确检测出管道缺陷。缺陷的不同尺寸影响着工人对管道的处理方式，比如长且深的缺陷需要及时维修，短且浅的缺陷需要定期监测。因此缺陷尺寸反演是漏磁信号处理中至关重要的步骤之一。在实际情况中，缺陷通常是不规则的，缺陷特征不明显，因此对不规则缺陷进行反演具有挑战性。

3、相关技术中，不规则缺陷反演是通过训练大量已知尺寸的缺陷来预测待测缺陷的尺寸。缺陷反演的算法有很多，常用的方法是基于机理模型的反演方法和基于学习算法的反演方法等。基于机理模型的反演方法的主要步骤是：(1)机理仿真和特征提取；(2)对缺陷信号进行特征分析；(3)建立缺陷反演机理模型；(4)确定反演误差函数，优化模型参数；(5)实验验证；(6)应用机理模型完成缺陷反演。基于学习算法的反演方法的主要步骤是：(1)获取大量缺陷的样本以及其尺寸标签；(2)建立深度特征提取网络和缺陷反演网络；(3)训练特征提取网络，并提取深度特征；(4)使用特征训练缺陷反演网络，完成对不规则缺陷的反演。

4、在实现本技术的过程中，申请人发现相关技术至少存在以下问题：

5、基于机理模型的反演方法具有一定的局限性：(1)多用于实验室建模，对实际工况应用能力较差；(2)完全基于机理提取物理特征，对信号其他信息利用率低；(3)多数用于反演规则缺陷，对不规则缺陷的泛化能力较低。基于学习算法的反演方法具有一定局限性：(1)多分为特征提取网络和缺陷反演网络，训练过程多为非端到端，增加了局部最优的发生概率；(2)提取的特征完全依赖于黑盒网络，可解释性较差。因此，亟需一种不规则缺陷反演方法来增强深度信息的可解释性，并且提高机理模型特征信息利用率。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供了一种基于多特征融合的管道漏磁非规则缺陷反演方法及装置，主要目的在于解决目前不规则缺陷难以反演，深度特征可解释性差，机理模型特征信息利用率低的问题。

2、依据本技术第一方面，提供了一种基于多特征融合的管道漏磁非规则缺陷反演方法，该方法包括：

3、基于管道漏磁内检测仪，获取第一漏磁信号和第二漏磁信号；

4、分别对所述第一漏磁信号和所述第二漏磁信号进行预处理，生成训练样本以及测试样本；

5、建立多特征融合的不规则缺陷反演网络，采用所述训练样本，对所述多特征融合的不规则缺陷反演网络进行训练，得到目标反演网络；

6、将所述测试样本输入至所述目标反演网络，得到所述测试样本对应的目标缺陷信息，所述目标缺陷信息包括目标缺陷的长度、宽度和深度。

7、可选地，所述基于管道漏磁内检测仪，获取第一漏磁信号和第二漏磁信号，包括：

8、在管道漏磁内检测仪中获取第一漏磁数据和第二漏磁数据，所述第一漏磁数据用于指示训练数据，所述第二漏磁数据用于指示测试数据；

9、分别对所述第一漏磁数据和所述第二漏磁数据进行解码，得到所述第一漏磁信号和所述第二漏磁信号，所述漏磁信号包括轴向漏磁信号和径向漏磁信号。

10、可选地，所述分别对所述第一漏磁信号和所述第二漏磁信号进行预处理，生成训练样本以及测试样本，包括：

11、分别对所述第一漏磁信号和所述第二漏磁信号进行基线校正，并进行归一化处理，得到第一轴向训练样本和第一径向训练样本，以及第一轴向测试样本和第一径向测试样本；

12、将所述第一轴向训练样本、所述第一径向训练样本、所述第一轴向测试样本和所述第一径向测试样本转换为三通道伪彩色图，得到第二轴向训练样本、第二径向训练样本，以及第二轴向测试样本、第二径向测试样本；

13、将所述第一轴向训练样本、所述第一径向训练样本、第二轴向训练样本和所述第二径向训练样本聚合为所述训练样本，将所述第一轴向测试样本、所述第一径向测试样本、第二轴向测试样本和所述第二径向测试样本聚合为所述测试样本。

14、可选地，所述建立多特征融合的不规则缺陷反演网络，包括：

15、依据预训练模型，建立深度抽象特征提取部分，所述深度抽象特征提取部分用于提取轴向深度抽象特征和径向深度抽象特征；

16、依据漏磁机理，建立物理特征提取部分，所述物理特征提取部分用于提取轴向物理特征和径向物理特征，所述物理特征包括斜率、峰谷差、宽度、高度和面能量；

17、建立多特征融合部分，所述多特征融合部分包括抽象特征和物理特征融合，以及轴向特征和径向特征融合；

18、建立缺陷反演部分，所述缺陷反演部分包括多个全连接层；

19、将所述深度抽象特征提取部分、所述物理特征提取部分、所述多特征融合部分和所述缺陷反演部组合为所述多特征融合的不规则缺陷反演网络。

20、可选地，所述采用所述训练样本，对所述多特征融合的不规则缺陷反演网络进行训练，得到目标反演网络，包括：

21、将所述训练样本输入至所述多特征融合的不规则缺陷反演网络；

22、分别提取所述第二轴向训练样本和所述第二径向训练样本对应的深度抽象特征，得到第一深度抽象特征和第二深度抽象特征；

23、分别提取所述第一轴向训练样本和所述第一径向训练样本对应的物理特征，得到第一物理特征和第二物理特征；

24、将所述第一深度抽象特征、所述第二深度抽象特征、所述第一物理特征和所述第二物理特征输入至所述多特征融合的不规则缺陷反演网络中的多特征融合部分进行特征融合，得到目标融合特征；

25、将所述目标融合特征输入至多个全连接层中，输出样本缺陷信息；

26、采用堆积下降法最小化所述样本缺陷信息的损失函数，更新所述多特征融合的不规则缺陷反演网络中预训练模型微调层和缺陷反演部分全连接层的参数，完成所述多特征融合的不规则缺陷反演网络的训练，得到目标反演网络。

27、可选地，所述将所述第一深度抽象特征、所述第二深度抽象特征、所述第一物理特征和所述第二物理特征输入至所述多特征融合的不规则缺陷反演网络中的多特征融合部分进行特征融合，得到目标融合特征，包括：

28、采用第一融合函数，将所述第一深度抽象特征和所述第一物理特征融合，得到第一融合特征，采用第二融合函数，将所述第二深度抽象特征和所述第二物理特征融合，得到第二融合特征；

29、采用第三融合函数，融合所述第一融合特征和所述第二融合特征，得到所述目标融合特征。

30、可选地，所述将所述测试样本输入至所述目标反演网络，得到所述测试样本对应的目标缺陷信息，包括：

31、将所述测试样本输入至所述目标反演网络，以使所述目标反演网络依据所述测试样本，提取深度抽象特征和物理特征对所述测试样本进行反演预测，输出所述目标缺陷信息。

32、依据本技术第二方面，提供了一种基于多特征融合的管道漏磁非规则缺陷反演装置，该装置包括：

33、获取模块，用于基于管道漏磁内检测仪，获取第一漏磁信号和第二漏磁信号；

34、生成模块，用于分别对所述第一漏磁信号和所述第二漏磁信号进行预处理，生成训练样本以及测试样本；

35、训练模块，用于建立多特征融合的不规则缺陷反演网络，采用所述训练样本，对所述多特征融合的不规则缺陷反演网络进行训练，得到目标反演网络；

36、反演模块，用于将所述测试样本输入至所述目标反演网络，得到所述测试样本对应的目标缺陷信息，所述目标缺陷信息包括目标缺陷的长度、宽度和深度。

37、可选地，所述获取模块，用于在管道漏磁内检测仪中获取第一漏磁数据和第二漏磁数据，所述第一漏磁数据用于指示训练数据，所述第二漏磁数据用于指示测试数据；分别对所述第一漏磁数据和所述第二漏磁数据进行解码，得到所述第一漏磁信号和所述第二漏磁信号，所述漏磁信号包括轴向漏磁信号和径向漏磁信号。

38、可选地，所述生成模块，用于分别对所述第一漏磁信号和所述第二漏磁信号进行基线校正，并进行归一化处理，得到第一轴向训练样本和第一径向训练样本，以及第一轴向测试样本和第一径向测试样本；将所述第一轴向训练样本、所述第一径向训练样本、所述第一轴向测试样本和所述第一径向测试样本转换为三通道伪彩色图，得到第二轴向训练样本、第二径向训练样本，以及第二轴向测试样本、第二径向测试样本；将所述第一轴向训练样本、所述第一径向训练样本、第二轴向训练样本和所述第二径向训练样本聚合为所述训练样本，将所述第一轴向测试样本、所述第一径向测试样本、第二轴向测试样本和所述第二径向测试样本聚合为所述测试样本。

39、可选地，所述训练模块，用于依据预训练模型，建立深度抽象特征提取部分，所述深度抽象特征提取部分用于提取轴向深度抽象特征和径向深度抽象特征；依据漏磁机理，建立物理特征提取部分，所述物理特征提取部分用于提取轴向物理特征和径向物理特征，所述物理特征包括斜率、峰谷差、宽度、高度和面能量；建立多特征融合部分，所述多特征融合部分包括抽象特征和物理特征融合，以及轴向特征和径向特征融合；建立缺陷反演部分，所述缺陷反演部分包括多个全连接层；将所述深度抽象特征提取部分、所述物理特征提取部分、所述多特征融合部分和所述缺陷反演部组合为所述多特征融合的不规则缺陷反演网络。

40、可选地，所述训练模块，用于将所述训练样本输入至所述多特征融合的不规则缺陷反演网络；分别提取所述第二轴向训练样本和所述第二径向训练样本对应的深度抽象特征，得到第一深度抽象特征和第二深度抽象特征；分别提取所述第一轴向训练样本和所述第一径向训练样本对应的物理特征，得到第一物理特征和第二物理特征；将所述第一深度抽象特征、所述第二深度抽象特征、所述第一物理特征和所述第二物理特征输入至所述多特征融合的不规则缺陷反演网络中的多特征融合部分进行特征融合，得到目标融合特征；将所述目标融合特征输入至多个全连接层中，输出样本缺陷信息；采用堆积下降法最小化所述样本缺陷信息的损失函数，更新所述多特征融合的不规则缺陷反演网络中预训练模型微调层和缺陷反演部分全连接层的参数，完成所述多特征融合的不规则缺陷反演网络的训练，得到目标反演网络。

41、可选地，所述训练模块，用于采用第一融合函数，将所述第一深度抽象特征和所述第一物理特征融合，得到第一融合特征，采用第二融合函数，将所述第二深度抽象特征和所述第二物理特征融合，得到第二融合特征；采用第三融合函数，融合所述第一融合特征和所述第二融合特征，得到所述目标融合特征。

42、可选地，所述反演模块，用于将所述测试样本输入至所述目标反演网络，以使所述目标反演网络依据所述测试样本，提取深度抽象特征和物理特征对所述测试样本进行反演预测，输出所述目标缺陷信息。

43、依据本技术第三方面，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面中任一项所述方法的步骤。

44、依据本技术第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面中任一项所述的方法的步骤。

45、借由上述技术方案，本技术提供的一种基于多特征融合的管道漏磁非规则缺陷反演方法及装置，本技术首先通过多特征融合的不规则缺陷反演网络中的预训练模型分别提取漏磁轴向信号和漏磁径向信号的深度抽象特征，以及漏磁轴向信号和漏磁径向信号的物理特征。进一步地，通过多特征融合的不规则缺陷反演网络先将深度抽象特征和物理特征相融合，得到轴向融合特征和径向融合特征，再将融合后的轴向和径向特征再次融合，得到最终特征。最后将融合特征输入到多层全连接层中完成不规则缺陷反演。物理特征的加入增强了整个网络的可解释性，深度特征的应用增强了信号深度信息的提取。轴向和径向特征的融合有效的避免了局部信号变形问题。该发明训练过程为端到端，避免了局部最优的问题，同时对噪声也具有很强的鲁棒性。

46、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。