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【在成电 创未来】高斌:聚焦“卡脖子”难题,深耕油气管道智能检测
文:学生记者团 张娅玛 刘炳南 图:高斌 来源:学生记者团 时间:2023-05-19 23430

发布国内首套投入产业应用、完全自主知识产权的电磁涡流管道内检测机器人,打破了国外公司长期以来的技术壁垒,填补国内行业空白……2021年9月,由自动化工程学院高斌团队联合企业缔造的“PIGPROX”机器人,解决了小口径油气田管道智能内检测领域的“卡脖子”问题。

它的问世,让内检测像清管一样简单!不仅可以有效识别输油气管道的腐蚀、壁厚减薄、裂纹等问题,而且可以测定管道腐蚀的程度、确定腐蚀的具体位置,从而为油气管道的全生命周期完整性管理提供详实的数据支持,并大大降低管道内检测的费用成本。

它在国外管道内检测器卡球三次的天然气管线成功运行,解决了小口径变径管道易于卡球的难题;在国内首条双金属复合管成功运行,解决了现有漏磁检测技术无法检测双金属管的难题;在阀发-阀收管道成功运行,解决了清管阀发球管道无法开展内检测等难题。

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“PIGPROX”机器人成功落地应用

目前,该项研究成果紧扣产业问题开展科研,为输油气管道安全运行提供检测技术保障,已经成功投入产业化应用,在各大油气田成功检测管道50条以上,累计检测长度超过600公里。

今年是高斌加盟电子科技大学的第10年。“PIGPROX”正是他扎根成电,甘坐“冷板凳”、聚焦“卡脖子”的成果之一。他感谢学校对自己的大力支持,并表示:“做科研,就要服务国家重大产业需求、回归科研本质、展现成电担当!”

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扎根成电,开启人生新征程

时光回到2012年。当时,高斌正在英国纽卡斯尔大学从事博士后研究,钻研传感器的信号处理新方法。在同寝室学者的引荐下,他认识了纽卡斯尔大学电气与电子工程学院的第一位华人教授——田贵云教授。

高斌和田贵云教授同是成都老乡,在异国他乡一见如故。此时,田贵云教授已经入选了国家人才计划,正打算回国组建一支高水平的科研团队,主攻传感器仪器的无损检测方向。田贵云热情邀请高斌能够加入团队。

“我其实一直期待能够回国发展,而且以后能与田老师一起到成都做研究,何乐不为!”而且,在高斌心目中,电子科技大学在电子信息领域具有鲜明的特色和综合性优势,是干事创业的良好平台!

高斌把想要回国的想法告诉博士导师Wailok Woo教授和Patrick Oliver 教授并征求他们的意见。Wailok Woo教授和Patrick Oliver教授与高斌亦师亦友,非常支持高斌回国发展,并祝福他在自己的祖国继续开创新的事业,努力攀登新的科技高峰。

2013年,高斌回到了阔别7年的故乡——成都,正式加入了电子科技大学,成为自动化工程学院的一员。

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团队师生合影

快速成长,走上科研新赛道

在电子科技大学,高斌得到了学校和学院的大力支持。令他印象十分深刻的是,学校和学院在帮助青年人才发展方面,具有完善的机制。学院的书记、院长都很重视青年人才的成长,学院的专家教授也都慷慨相助、精心指导,发挥“传帮带”的作用。

有一次申请仪器专项《钢轨接触疲劳及裂纹多物理高速巡检监测技术攻关和仪器研发》项目时,学院组织多位有经验的教授担任“导师”,指导高斌凝练方向、梳理思路。团队负责人田贵云教授提示高斌思考“这个项目的技术核心是什么?聚焦的问题在哪里?”

通过专家的指导,高斌认识到,如果四面开花、没有聚焦,项目论述就会显得过于琐碎、冗杂。因此,他最后凝练研究方向,重点突出传感器与信号处理方向,把“多点开花”变成集中火力“单点突破”。高斌说:“各位老师的指导,让我感到非常暖心!”

功夫不负有心人,高斌最后圆满完成项目,并被评为2019年度高等学校科学研究优秀成果奖通用项目(进步奖二等奖,排名第六)、中国仪器仪表学会科学技术奖(一等奖)。

回国以来,高斌在电磁多物理传感检测和信号处理科技研究方面不断精进,取得了丰硕成果,先后在IEEE Transactions on Industrial Electronics等国际一流期刊上发表论文80余篇,其中有4篇论文入选ESI高被引论文;相关研究成果在成飞集团等单位落地应用并获高度评价。

2021年12月,国际科学组织Vebleo将科学家奖(Vebleo Scientist Award)授予高斌教授;2022年3月,高斌又入选第二届中国测试学术影响力人物。这些荣誉都标志着自动化学院智能无损检测的科研工作进一步获得国内外同行的认可,提升了我校仪器学科的国际影响力。

回归本质,直面核心问题

研发国内首套完全自主知识产权的电磁涡流管道内检测机器人的过程,对高斌来说是一次科研“历险”。2019年,面对国家小口径管道检测技术的国内空白,高斌与相关合作单位一拍即合,决定携手攻克这个“卡脖子”难题。团队还建立了传感器的设计研发团队、硬件的工程化团队、机械结构设计团队与现场监控团队,紧密携手、通力配合,从本质上去深入思考如何将研究和应用深度融合,既解决科学问题,又能带来产业突破。

油气管道要靠人工来检测吗?显然不可行!怎么样用传感器灵敏地收集信息并分析利用这些信息,才是其中的关键,当然也面临许多技术难点。起初,团队进行了多种尝试,但都没有取得预期的效果。

“也许这些方案一开始就错了?”高斌大胆地怀疑自己、自我否定,改变思路、推翻重来!他们决定在传感器设计上进行创新,提出了电磁多物理场耦合无源增强感知机理,实现均匀电磁差动激励,无源谐振实现超低功耗激励感知信息接收,解决小口径集输管道复杂结构、变化提离、高速、长时续航影响下的缺陷信息高灵敏感知。

在疫情期间,内检测核心硬件系统的国外芯片供应受阻,团队下定决心全国产化包括芯片替代,终于研发出了长度小于270毫米、重量低于8千克的全国产自主检测器,在低压、低流速、1.5D弯管(表示管子的曲率半径为直径的1.5倍)、变径等管道内实现了极好的效果。

解决了检测数据收集的问题,团队接着向数据处理进军。由于数据量非常大,如何通过这些数据辨识管道的缺陷十分困难。此前,实验室有大量的实验数据作为训练样本,团队第一时间就想到了用“深度学习”进行训练。

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然而,他们发现,真正到现场面对实际管道时,数据处理出现了紊乱。怎么办?高斌说:“这时候,就要回归本质,明确核心问题是什么,而非回归方法进行修补。”面对繁杂的数据信号,引入电磁场和缺陷交互物理机理约束,逐一分类似乎是可行的方式。

针对一段长时管内复杂数据信号,团队提出了逐级残差特征层级分离方法,首先把一眼就能看出来的如停球、焊缝、弯头等简单信号分为一类,再把剩余的信号按照电磁场和缺陷扰动的不同机理进行特征分类,如此类推,逐步简化。最后对各类信号逐一分析,最终解决了问题。该方法在实地油气田管道内检测数据的缺陷定位准确度超过85%,并在IEEE Transactions on Industrial Informatics发表研究成果,被广泛认可和接受。

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“PIGPROX”机器人的应用场景

“PIGPROX”检测系统也从此面世,于2021年投入市场,消除了客户的安全风险管理盲区,填补了国内油田小口径油气管道智能内检测技术的缺口。

谈起这次科研经历,高斌表示:“科研的本质就是直面核心问题。走错方向时,最忌讳的是不断弥补,更可悲的是固执地继续,不愿否定自己。”正是这次产业化过程经验,团队把电磁传感深入拓展到电磁多物理传感,研制的多物理电磁热成像检测系统在2023年和相关部门实现国内首次探伤车80公里/小时、距轨面40mm大提离钢轨表面亚表面标定线缺陷全部成功检出。

因材施教,让有才者自由成长

在不断攀登科研高峰的同时,高斌还以极大的热情扑在人才培养上。自任教以来,他已经指导了40多名研究生。

要求团队成员重视物理和数学基础,并给予每一个人足够的自由空间和创新空间,放权给学生,开展头脑风暴式的自由讨论,鼓励大胆试错,这是高斌团队每一个成员发挥最大优势的秘诀之一,也是高斌指导学生的秘诀之一。

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高斌(后排中)与学生在一起

“学生有任何想法,都会与我讨论,只要有一定的合理性,我都会放权让他们去做,从资源和经费上都给他们最大限度的支持。”高斌说:“但我不会强制他们最终一定要达到什么目标,因为我不希望给他们太大压力,这样学生就不害怕出错,敢于大胆尝试。学生在科研中经历的过程,往往比结果的意义更大。”

祁俊红是高斌指导的电磁涡流无损检测方向的研究生。在她看来,高斌是很平易近人,很尊重学生的想法。“我在跟随高老师做科研的过程中,关注点难免会跟主线有偏差。这时候,高老师往往会询问我这样想的思路是什么,然后和我一起交流,逐步探寻偏差的源头,帮助我理顺思路。”

谈及未来,高斌表示,自己将在电磁热多物理感知检测领域持续探索,瞄准国家重大需求、作出更大贡献,并为国家培养更多的拔尖创新人才!


编辑:王晓刚  / 审核:王晓刚  / 发布:陈伟

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