無損檢測是評價(jià)長輸管道對接環(huán)焊縫焊接質(zhì)量的重要方法[1]。其中，X射線檢測膠片成像（RT）以其檢測結(jié)果直觀、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)成為了常用的無損檢測方式之一[2]。隨著管道建設(shè)向數(shù)字化方向發(fā)展，DR技術(shù)具有實(shí)時(shí)成像、自動化程度高、檢測結(jié)果能夠數(shù)字化保存等優(yōu)點(diǎn)，正在逐步取代膠片成像[3-6]。DR技術(shù)的推廣應(yīng)用導(dǎo)致大量圖譜需要人工評判，不僅工作效率低，而且評判結(jié)果易受人員主觀因素影響，難以避免缺陷的誤檢漏檢[7-9]。而人工智能（AI）技術(shù)能夠?qū)R圖像中的缺陷進(jìn)行自動識別，從而提高評判效率，并保證評判結(jié)果的一致性[10-12]。 

DR圖像缺陷的智能識別工作具有專業(yè)性強(qiáng)、缺陷所在區(qū)域小、缺陷特征提取困難等特點(diǎn)[13-15]?；诖耍恼聦R圖像特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了可有效提高智能識別模型對圓形缺陷和未熔合缺陷識別能力的圖像處理方法，以保障AI檢測結(jié)果的可靠性，推進(jìn)DR缺陷智能評判技術(shù)在長輸管道環(huán)焊縫無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。 

1.   管道環(huán)焊縫DR檢測圖像特點(diǎn)

管道環(huán)焊縫的DR檢測圖像示例如圖1所示。該圖像為DICONDE格式[16]，包含了大量信息，如果不采用專業(yè)的圖像處理軟件，則需解析圖像信息才能實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。由圖1可知，管道環(huán)焊縫的DR檢測圖像具有長寬比大（約為37），缺陷所占面積小（缺陷面積與總面積的比值約為1×10−5），重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域小（約為總面積的1/5）等不利于缺陷智能識別的特點(diǎn)。上述特點(diǎn)會使計(jì)算機(jī)在原圖長度方向上的運(yùn)算權(quán)重較大，AI模型對缺陷長度方向的特征識別能力強(qiáng)，而對缺陷寬度方向的特征識別能力不強(qiáng)[17-20]。此外，射線源定位不準(zhǔn)確或探測器像元響應(yīng)不一致等因素會使部分圖像出現(xiàn)灰度不均勻現(xiàn)象，如圖2所示。由于計(jì)算機(jī)對原圖的預(yù)處理是根據(jù)灰度值進(jìn)行的，因此該現(xiàn)象會影響圖像的預(yù)處理。 

圖  1  管道環(huán)焊縫DR檢測圖像示例

圖  2  灰度不均勻的圖像

對DR圖像中的圓形缺陷和未熔合缺陷進(jìn)行放大，如圖3所示。由圖3可見，圓形缺陷相較于背景區(qū)域偏黑，顯示為類似圓形的黑點(diǎn)；未熔合缺陷相較于背景區(qū)域偏黑，顯示為一條連續(xù)的黑線。圓形缺陷和未熔合缺陷的灰度及形貌特征相對明顯，有利于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對缺陷的智能識別。 

圖  3  未熔合缺陷和圓形缺陷在圖像上的顯示

2.   缺陷智能識別網(wǎng)絡(luò)搭建

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在目標(biāo)檢測方面具有突出優(yōu)勢，能夠自動提取特征，并具有泛化能力強(qiáng)、精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)[21-23]。以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用YOLO算法搭建缺陷智能識別網(wǎng)絡(luò)，針對管道環(huán)焊縫DR圖像中圓形和未熔合兩類缺陷的特征進(jìn)行算法優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)AI模型對缺陷的精準(zhǔn)識別。 

2.1   YOLO算法

YOLO目標(biāo)檢測算法的實(shí)現(xiàn)包括圖像輸入、尺寸重組、卷積計(jì)算、激活函數(shù)、池化、全連接等步驟，其流程如圖4所示。文章在YOLO算法上進(jìn)行了優(yōu)化，首先，采用遺傳算法（GA）進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，該算法能夠自動劃分訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測試集；其次，采用非極大值抑制（NMS）規(guī)則消除冗余邊界框，提高缺陷的識別準(zhǔn)確率；然后，采用Relu激活函數(shù)提高網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力并減少過擬合的風(fēng)險(xiǎn)；最后，采用Boundbox（邊界框）進(jìn)行標(biāo)記提取，將缺陷位置表達(dá)到原圖上；再利用混淆矩陣實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練結(jié)果的自動統(tǒng)計(jì)。 

圖  4  YOLO目標(biāo)檢測算法流程

2.2   圖像預(yù)處理

針對管道環(huán)焊縫DR檢測圖像中不利于缺陷智能識別的因素，對原圖像進(jìn)行預(yù)處理，可使缺陷特征更容易被自動提取和識別。預(yù)處理過程包括圖像的橫向分割和縱向分割。 

2.2.1   橫向分割

缺陷一般存在于焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)（距焊縫邊緣約5 mm），焊縫區(qū)域的圖像特點(diǎn)為灰度值低。因此，對原圖進(jìn)行橫向分割，提取出可能存在缺陷的區(qū)域。對于灰度均勻的DR圖像，以原圖寬度方向像素為橫坐標(biāo)，原圖長度方向像素值疊加的平均值為縱坐標(biāo)繪制曲線，如圖5所示（圖中橫縱軸均無量綱，下同），可知原圖在寬度方向上的灰度變化為“平-降-升-平”，其中“降-升”區(qū)域 （圖中紅色區(qū)域）為焊縫區(qū)域，截取“降-升”兩側(cè)各100 mm的區(qū)域作為熱影響區(qū)，即可提取出焊縫及熱影響區(qū)區(qū)域。 

圖  5  灰度均勻DR圖像的縱向灰度分布曲線

對于灰度不均勻的DR圖像，采用上述方法無法準(zhǔn)確提取焊縫區(qū)域及熱影響區(qū)。通過繪制“縱向像素位置-橫向像素平均灰度值”曲線（見圖6）進(jìn)行分析，可知其灰度值存在“升-降-升”現(xiàn)象，其中“降-升”區(qū)域即為焊縫區(qū)域。 

圖  6  灰度不均勻DR圖像的縱向灰度分布曲線

由圖5，6可知，在焊縫區(qū)域，灰度值變化梯度較大。因此，對圖5和圖6進(jìn)行梯度折算，折算結(jié)果如圖7所示，可見兩者曲線接近，“升-降-升”區(qū)域均為焊縫區(qū)域，提取該區(qū)域即可實(shí)現(xiàn)焊縫區(qū)域及熱影響區(qū)的提取。 

圖  7  灰度分布均勻與否的梯度折算圖

2.2.2   縱向分割

進(jìn)行橫向分割后，圖像仍存在長寬比過大的問題，因此對橫向分割后的圖像進(jìn)行縱向分割。為了均衡AI模型對圖像長度和寬度方向的學(xué)習(xí)權(quán)重，以當(dāng)前圖像的寬度為分割距離，將圖像分割為多個(gè)正方形圖像，結(jié)果如圖8所示。 

圖  8  分割后的圖像示例

3.   缺陷訓(xùn)練與模型識別能力驗(yàn)證

3.1   數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備

采用同一探測器采集的焊接工藝相同的428張管道環(huán)焊縫圖像進(jìn)行訓(xùn)練[24]，其中包含圓形缺陷2 016個(gè)，未熔合缺陷817個(gè)。探測器參數(shù)與數(shù)據(jù)集信息如表1所示。 

3.2   參數(shù)設(shè)置

對圖像進(jìn)行預(yù)處理后，將圖像輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行卷積計(jì)算。預(yù)先設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)，如輸入圖像尺寸、樣本數(shù)量（Batch size）、迭代次數(shù)（Epoch）、初始學(xué)習(xí)率、IOU閾值等，采用YOLO數(shù)據(jù)訓(xùn)練算法實(shí)現(xiàn)AI模型對缺陷特征的學(xué)習(xí)。調(diào)節(jié)訓(xùn)練參數(shù)，提高AI模型對缺陷的識別能力。當(dāng)輸入圖像尺寸為1 024×1 024（無量綱）、Batch size為32、Epoch為600、初始學(xué)習(xí)率為0.001、IOU閾值為0.5時(shí)，得到圓形缺陷和未熔合缺陷的識別準(zhǔn)確率矩陣如圖9所示，可得，圓形缺陷的識別準(zhǔn)確率為94%，未熔合缺陷的識別準(zhǔn)確率為92%。 

圖  9  圓形和未熔合缺陷的識別準(zhǔn)確率矩陣

采用3條由上述探測器采集的工程現(xiàn)場焊接的管道環(huán)焊縫的DR檢測圖像來驗(yàn)證智能識別模型的識別效果，人工識別和AI識別結(jié)果對比如表2所示（表中評圖時(shí)間不包括記錄缺陷的時(shí)間）。 

焊縫1~3中AI模型對缺陷的識別情況如圖10所示。將AI模型對焊縫的自動識別結(jié)果與人工評圖結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，識別準(zhǔn)確率方面，人工和AI模型均能識別圖像中的明顯缺陷，且識別結(jié)果一致，但對于圖像中尺寸較小的圓形缺陷，人工評判時(shí)一般不對其進(jìn)行標(biāo)注，原因是標(biāo)準(zhǔn)要求小于0.5 mm的圓形缺陷不予標(biāo)記；識別效率方面，AI模型自動識別缺陷所需時(shí)間大約為10 s，人工的缺陷識別時(shí)間大約為40 s。綜上所述，AI智能識別模型能夠有效輔助工人進(jìn)行圓形缺陷和未熔合缺陷的識別工作，提高DR圖像缺陷評判的智能化水平。 

圖  10  AI對焊縫1，2，3中缺陷的識別情況

4.   結(jié)論

（1）通過對管道環(huán)焊縫的DR檢測圖像進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)用YOLO算法實(shí)現(xiàn)了AI對圓形缺陷和未熔合缺陷的識別。 

（2）AI模型對同一焊接工藝下同種探測器采集的DR圖像中圓形缺陷的識別準(zhǔn)確率達(dá)94%，未熔合缺陷的識別準(zhǔn)確率達(dá)92%。 

（3）將人工評判結(jié)果與AI識別效果進(jìn)行對比，測試了AI對缺陷識別的準(zhǔn)確性和識別效率。結(jié)果顯示，AI模型能夠有效輔助工人進(jìn)行缺陷的識別工作。

文章來源——材料與測試網(wǎng)