一种钢管套管接箍连接的关键点自动检测方法技术

本发明专利技术公布了一种钢管套管接箍连接的关键点自动检测方法，基于带有密封面的套管接箍连接的扭矩信号建立一个两阶段模型，在第一阶段中检测扭矩信号中所有潜在的变化点，具体根据扭矩信号生成物理基；提出二相回归模型获得所有可能的变点；在第二阶段中获得台肩点和密封点距离的约束，对变点集中的变点进行筛选，选择出更为可能的关键变化点；再基于加权三相回归模型确定密封点和台肩点；本发明专利技术提供了自动化、精准化的特殊扣拧接的质量监测技术方案，能够加快套管接箍连接质量监测自动化进程，节省了人工观察密封点和台肩点位置的劳动成本，降低质量监测的假报警率和废品流出率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于质量工程领域，涉及套管接箍连接工程质量，尤其涉及一种基于扭矩信号的前向检测和后向筛选的获取钢管套管接箍连接关键点的自动检测方法。
技术介绍
密封性是石油管道的关键质量特性之一。在目前套管接箍拧接的过程中，采用有经验的工程师人工手动检测的办法，不仅测量上的精度没办法保证，而且有可能存在工作中的疏忽导致废品的外流，所以自动检测套管接箍的密封性是非常必要的。在套管接箍拧接过程中，这个质量特性主要依赖于安装在拧接机上传感器收集的扭矩信号的两个关键可解释的变化点。在本申请书中，两个关键点也指密封点和台肩点，密封点处扭矩值的大小直接影响套管接箍连接的密封性能，台肩点处扭矩值的大小直接影响套管接箍连接牢固度。但是，由于操作系统和测量系统产生的各种噪声和潜在的生产过程因素(如机械回程差，组装偏差和套管的平直度)导致扭矩信号中存在多种非线性的和非平稳的模式。因此，自动精确的识别两个关键点的质量检测是极富挑战性的。现有方法中，仅记载了针对传感器测量的扭矩信号检测台肩点的方法，如文献(R.Ruehmann。andG.Ruark,“ShoulderYieldingDetectionDuringPipeMakeUp,”OffshoreTechnologyConf.,pp.1-11,2011,‘VAMBook’.(2016,April).[Online].Available:http://www.vamservices.com/Library/files/VAM％C2％AE％20Book.pdf)，然而台肩点只能反映连接的牢固度，不能反映连接的密封性。同时，现有的这些方法来自于工程经验，图1所示为理论扭矩信号曲线，从理论的扭矩信号出发，采用近似计算方法来检测实际扭矩信号(图2是实际扭矩信号曲线)的台肩点的位置，往往计算精度是不够准确的。参考文献VAMbook是本领域较权威的技术手册，现有实际工厂大多使用该书里面的方法和要求。然而，对密封点和台肩点的检测是同样重要的，没有检测密封点可能导致密封性不好的套管接箍连接外流，导致石油泄漏，造成巨大损失。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种钢管套管接箍连接的关键点检测方法，通过建立了一个两阶段模型框架，利用正反顺序的先进统计方法来检测两个关键可解释的变化点，由此实现自动化、精准化的密封点和台肩点的检测。本专利技术提供的技术方案是：一种钢管套管接箍连接的关键点检测方法，所述方法基于带有密封面的套管接箍连接的扭矩信号建立了一个两阶段模型框架：首先基于动态时间扭曲的方法(dynamictimewarping)来衡量扭矩信号和可解释的物理基的相似度；然后，在第一阶段中，基于F最大值的统计检验和两相回归模型来检测扭矩信号中所有潜在的变化点；在第二阶段中，通过基于物理约束的逆序变化点的筛选来选择更为可能的两个关键变化点；最后，基于加权三相回归模型确定两个关键的变化点，具体包括如下步骤：A.动态时间扭曲方法和物理基的生成根据扭矩信号，得到针对该扭矩信号的物理基和动态时间扭曲距离，即根据扭矩信号的特征生成物理基；具体地：假设两个时间序列Q和C,长度分别对应为n和m，表示如下:Q＝q1，q2,…,qi,…，qn(式1)C＝c1，c2,…,cj,…,cm(式2)为了应用时间扭曲对齐上式1和式2的两个时间序列Q和C，构造了一个n×m矩阵，其中矩阵的第(ith，jth)元素表示两点qi和cj间的距离d(qi，cj)(一般常用欧几里得距离,也就是d(qi，cj)＝(qi-cj)2).每个矩阵元素(i,j)对应于两个点qi和cj间的距离。图3展示了动态时间扭曲的时间序列对应关系。动态时间扭曲路径记为W，是一个连续的矩阵对应关系，定义了Q和C的匹配关系。W中的第kth的元素定义为wk＝(i,j)k，所以我们有如下表达式(式3)表示动态时间扭曲路径记W:W＝w1，w2，…,wk,…,wK，max(m,n)≤K<m+n-1(式3)动态时间扭曲路径要满足三个条件。第一个是边界条件,即w1＝(1,1)和wK＝(m,n)。这点要求动态时间扭曲路径开始于矩阵的左下角的第一个元素，结束于矩阵右上角的元素。第二个是连续性条件，要求给定wk＝(a,b)条件下，wk-1＝(a’,b’)，a–a′≤1，b-b′≤1。这就意味着动态时间扭曲路径中每一合理的步骤都是毗邻的。图4展示了这个条件。最后一个条件是单调性。该条件要求每一个W中的元素随时间的演化是单调的。满足上述三个条件的路径个数有指数个,但是最小的那个的扭曲惩罚的路径定义为我们感兴趣的路径DTW(Q,C)。分母K是不同扭曲路径可能存在不同的长度，对应的约束条件如式3，对应在两个时间序列Q和C上的点为qn和cm。动态规划通过衡量相邻两个元素的累积距离γ(i,j)来有效地发现这条扭曲路径。这个累积距离可以利用现在的元素和相邻元素之间的累积距离来度量:其中，γ(i,j)为相邻两个元素之间的累积距离；d(qi，cj)为两点qi和cj间的距离。为了测量的基和实际转矩信号之间的相似性，我们首先需要生成合理的物理基。由于生产过程存在大量的不确定性，如噪声、套管是弯的、套管与接箍中心线没有对齐等潜在因素，大量的扭矩信号中存在周期为一圈的周期性特征，故可选正弦函数作为物理基，其周期是一圈，振幅为扭矩信号第一圈内扭矩最大值，相位为0。得到周期为一圈的正弦物理基后，利用动态时间扭曲方法求解扭矩信号与相应物理基的扭曲距离，在最大相似度之前(即扭曲距离最小)的点不可能存在关键点。因此，基于物理基的动态时间扭曲为第一阶段的顺序检测和第二阶段的逆序筛选提供了先验，并且为最终的决策提供权重。B.根据A得到的扭曲距离，第一阶段进行顺序变点检测，得到可能是关键变点的位置；包括过程B1～B2：B1.两相回归模型的建立基于现有的理论扭矩分析(许红林,施太和,张智.油套管特殊螺纹接头上扣扭矩理论分析[J].西南石油大学学报,2014,36(5):160‐168)，我们提出以下的模型假设。(1)扭矩信号是具有三相的分段线性曲线；(2)两个关键的变化点可以捕获螺纹套管接箍连接的状态；和(3)在不同阶段的变化处存在显著的增量变化用于扭矩信号的两相回归模型可以写成式6：其中，k代表时间；xk和yk分别代表k时刻的圈数和扭矩；cc代表在c时刻扭矩的斜率增长发生了变化，也就是在c时刻出现了可能的变点；εk服从独立同分布的正态分布，(ai，bi)是回归系数i＝1,2；xn对应于扭矩信号达到最大值的圈数；原假设H0:b1＝b2,备择假设H1:b1≠b2；对于连续型情况，响应变量的值在两相交点处相同；对于变点(c∈{2,…,n-1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢管套管接箍连接的关键点自动检测方法，所述方法基于带有密封面的套管接箍连接的扭矩信号建立一个两阶段模型，在第一阶段中检测扭矩信号中所有潜在的变化点；在第二阶段中选择出更为可能的关键变化点；再基于加权三相回归模型确定密封点和台肩点；包括如下步骤：A.根据扭矩信号生成针对该扭矩信号的物理基；通过动态时间扭曲方法，得到扭矩信号和相应的物理基之前的动态时间扭曲距离；B.第一阶段进行顺序变点检测，根据A得到的扭曲距离，获得所有可能的潜在关键点位置；包括过程B1～B2：B1.建立两相回归模型，表示如式6：其中，k代表时间；xk和yk分别代表k时刻的圈数和扭矩；cc代表在c时刻扭矩的斜率增长发生了变化，也就是在c时刻出现了可能的变点；εk服从独立同分布的正态分布，(ai,bi)是回归系数i＝1,2；xn对应于扭矩信号达到最大值的圈数；原假设为H0:b1＝b2,备择假设为H1:b1≠b2；对于连续型情况，响应变量的值在两相交点处相同；对于变点(c∈{2,…,n‑1})检测的F统计量表示为式7：其中，SSE1是备择假设条件下的残差平方和，SSE0是零假设条件下的残差平方和；分别表示为式8和式9：c可以由式10推断得到：Fmax＝max1≤c≤nFc.     (式10)将Fmax与给定的显著水平的临界值进行比较，来决定是否接受或拒绝零假设；B2.进行前向顺序变点检测：根据A中获得的扭矩信号每个点和物理基之间的动态时间扭曲距离，找到可能是关键变点的圈数最小的先验位置；由此利用B1中的Fmax检验得到所有可能是关键变点的位置；C.第二阶段进行逆序变点选择，包括设定套管接箍连接的物理约束设置和建立加权三相回归模型进行逆序变点选择，缩小B中获得的可能关键变点集的范围，获得最优的关键点位置，由此确定密封点和台肩点。...

【技术特征摘要】
1.一种钢管套管接箍连接的关键点自动检测方法，所述方法基于带有密封面的套管接箍连接的扭矩信号建立一个两阶段模型，在第一阶段中检测扭矩信号中所有潜在的变化点；在第二阶段中选择出更为可能的关键变化点；再基于加权三相回归模型确定密封点和台肩点；包括如下步骤：A.根据扭矩信号生成针对该扭矩信号的物理基；通过动态时间扭曲方法，得到扭矩信号和相应的物理基之前的动态时间扭曲距离；B.第一阶段进行顺序变点检测，根据A得到的扭曲距离，获得所有可能的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜娟，张玺，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11