基于精细复合多尺度散布熵的墙体内管道敲击探测方法
一、技术定义与原理
该技术是一种基于信号信息熵理论的无损探测方法，通过采集墙体表面敲击产生的声振信号，利用精细复合多尺度散布熵（Fine Composite Multi-scale Dispersion Entropy, FCMSD-En）对信号复杂度进行量化分析，从而定位和识别墙体内部埋设的管道走向、管径及介质状态。其核心思想是：当敲击点位于管道正上方时，管道空腔或液体介质会引起声振信号传播特性（衰减、反射、共振）的显著变化，导致信号时序的复杂度指标与实心墙体区域产生可辨识的差异。
1.1 散布熵理论基础
散布熵（Dispersion Entropy, DispEn）由Yeh等人于2011年提出，是一种基于符号动力学和嵌入空间映射的低计算复杂度信息熵度量方法。其基本步骤为：
- 归一化：将原始信号 $x(n)$ 通过均值和标准差归一化为 $y(n) = \frac{x(n) - \mu}{\sigma}$
- 嵌入映射：将归一化信号映射为整数符号序列 $z(n) = \lfloor B \cdot y(n) + 0.5 \rfloor$，其中 $B$ 为符号空间大小（通常取3或4）
- 计算概率分布：统计所有长度为 $L$ 的符号模式出现频率
- Shannon熵计算：$DispEn = -\sum_{k=1}^{B^L} p_k \ln p_k$
1.2 多尺度与精细复合扩展
标准多尺度散布熵（MSD-En）通过不同时间尺度 $\tau$ 的粗粒化（下采样）来捕捉信号在不同时间分辨率下的复杂度变化。然而，传统MSD-En存在以下不足：
- 粗粒化后样本量减少，导致统计估计不稳定
- 单一嵌入维数难以全面刻画信号特征
- 对非平稳信号（如敲击响应中的瞬态衰减信号）适应性有限
精细复合多尺度散布熵通过以下改进克服了上述局限：
- 精细尺度：在粗粒化过程中采用插值或分段粗粒化策略，保留更多有效样本
- 复合嵌入：对多个嵌入维数 $L$ 计算结果进行加权融合，增强鲁棒性
- 多符号空间：联合不同符号空间大小 $B$ 的信息，提高区分度
二、所属大类与业务定位
| 维度 | 定位说明 |
|---|---|
| 技术大类 | 无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）/ 信号处理与信息融合 |
| 细分领域 | 结构内部缺陷与隐蔽工程探测、声振信号智能分析 |
| 公司技术矩阵定位 | 检测与验证支撑技术——为复合板/复合管制造质量验证、在役设备状态评估提供技术延伸能力 |
| 知识产权属性 | 发明专利 / 软件著作权（信号处理算法） |
| 资质关联 | 可支撑CMA/CNAS检测资质、特种设备检验检测能力扩展 |
三、技术目的与价值
3.1 直接技术目的
- 非侵入式管道定位：无需破坏墙体即可精确定位内埋管道的水平/垂直走向、管径大小及埋深
- 管道状态判别：区分空管、水管、气管等不同介质填充状态，评估管道通畅性
- 隐蔽缺陷识别：检测墙体内部空腔、疏松区、分层等结构缺陷
3.2 对公司核心价值
- 资质建设：作为无损检测算法类知识产权，支撑公司申报检测技术类资质和高新技术企业认定
- 产品交付质量闭环：为复合板/复合管制造过程中的内部缺陷（如分层、夹杂、虚焊）提供补充检测手段
- 在役设备维护：为压力容器、换热管束等在役设备的管道状态评估提供远程/非接触检测方案
- 客户增值服务：为石化、电力、建筑等行业客户提供隐蔽工程检测服务，拓展业务边界
四、关键工艺/实施要点
4.1 系统组成与信号采集
| 模块 | 技术参数 | 说明 |
|---|---|---|
| 激励源 | 手动敲击锤（橡胶头，质量50-200g）或电磁激振器（频率范围1-5kHz） | 提供宽频冲击激励，激发管道共振响应 |
| 传感器 | 压电加速度传感器（灵敏度50-100 mV/g，频率范围10Hz-20kHz） | 采集墙体表面振动响应信号 |
| 信号调理 | 电荷放大器 + 抗混叠滤波器（截止频率10kHz） | 信号放大与噪声抑制 |
| 数据采集 | 采样率≥25.6kHz，ADC位数≥16bit，记录长度≥2s | 满足Nyquist采样定理，捕捉瞬态衰减信号 |
| 数据处理 | FCMSD-En算法（Python/MATLAB实现），计算时间<1s/点 | 实时或准实时复杂度特征提取 |
4.2 算法关键参数设置
| 参数 | 推荐取值 | 作用与说明 |
|---|---|---|
| 嵌入维数 L | 2, 3, 4（复合融合） | 过低丢失信息，过高噪声敏感；多值复合提高鲁棒性 |
| 符号空间大小 B | 3, 4（复合融合） | B=3为三值量化（低/中/高），B=4增加区分精度 |
| 时间尺度 τ | 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 多尺度覆盖，捕捉不同频率段的复杂度变化 |
| 精细粗粒化策略 | 分段平均 + 线性插值（保留N/τ有效样本） | 避免传统下采样导致的样本量骤减 |
| 窗口长度 N | 512 或 1024 采样点 | 需满足 N ≥ B^L × 20 以保证统计可靠性 |
| 判定阈值 | 基于现场标定，通常取 ΔDispEn > 0.15（归一化后） | 管道区域与实心区域熵值差异的判别界限 |
4.3 实施流程
- 现场准备：确认墙体类型（混凝土/砖砌/石膏板）、厚度、可能管道位置
- 标定采集：在已知无管区域采集3-5组参考信号，建立基线熵值
- 扫描采集：沿疑似管道走向，以50-100mm间距逐点敲击并采集信号
- 特征提取：对每点信号计算FCMSD-En多尺度特征向量
- 模式识别：利用熵值变化曲线或机器学习分类器（如SVM/随机森林）判定管道位置
- 结果输出：生成管道走向图、管径估计、介质状态报告
4.4 信号特征对比
| 区域类型 | FCMSD-En特征表现 | 典型熵值范围（归一化） |
|---|---|---|
| 实心墙体 | 各尺度熵值平稳，随τ增大缓慢递减 | 0.35-0.55 |
| 空管道正上方 | 低尺度熵值显著升高，高尺度回落；多尺度曲线呈"驼峰"形 | 0.60-0.85 |
| 水管正上方 | 中高尺度熵值持续偏高，衰减特征明显 | 0.55-0.75 |
| 气管正上方 | 低尺度熵值极高，高尺度快速衰减 | 0.70-0.90 |
| 墙体空腔/疏松区 | 各尺度熵值均匀升高，无明显"驼峰" | 0.55-0.70 |
五、执行标准与验收依据
5.1 相关标准
| 标准编号 | 标准名称 | 关联内容 |
|---|---|---|
| GB/T 3375-1994 | 《声学 术语》 | 声振信号术语定义 |
| GB/T 2423.1 | 《电工电子产品环境试验方法》 | 设备环境适应性验证 |
| GB 50204-2015 | 《混凝土结构工程施工质量验收规范》 | 混凝土结构内部缺陷检测验收 |
| GB 50300-2013 | 《建筑工程施工质量验收统一标准》 | 隐蔽工程验收通用要求 |
| JGJ/T 23-2011 | 《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》 | 敲击激励参数参考 |
| ASTM E1656-16 | 《Standard Practice for Nondestructive Evaluation for Acceptance or Rejection of Concrete Components》 | 混凝土构件非破坏性评估程序 |
| ISO 16610-21:2011 | 《Geometrical Product Specifications (GPS) — Surface texture — Filters》 | 信号滤波处理参考 |
| NB/T 47013 | 《承压设备无损检测》系列 | 压力容器检测通用要求（关联检测资质） |
5.2 验收指标
- 定位精度：管道中心线定位偏差≤±30mm（管径DN25-DN100），埋深估计误差≤±20mm
- 介质判别准确率：空管/水管/气管三分类准确率≥85%
- 管径估计误差：估计管径与实际管径偏差≤±15%
- 检测效率：单点检测时间（含敲击+采集+处理）≤30s
- 漏检率：在标准试块上漏检率≤5%，误报率≤10%
六、常见风险与控制措施
| 风险类型 | 风险描述 | 控制措施 |
|---|---|---|
| 信号噪声干扰 | 现场环境噪声（施工机械、交通）淹没微弱敲击响应 | 采用自适应降噪（小波阈值+谱减法）；选择低噪声时段作业；增加敲击能量 |
| 墙体类型差异 | 不同墙体材料（混凝土/砖/加气块）声学特性差异大，单一阈值不适用 | 建立多类型墙体特征数据库；采用相对熵差（ΔEn）而非绝对阈值判定 |
| 多管道交叉 | 交叉区域信号叠加导致复杂度特征模糊 | 结合多方向扫描；引入时频分析（STFT/WVD）辅助定位 |
| 传感器耦合不良 | 传感器与墙面接触不紧密导致信号衰减 | 使用耦合剂（凡士林/耦合膏）；设计磁吸式传感器夹具 |
| 算法过拟合 | 训练数据不足导致分类模型泛化能力差 | 扩大标定数据集覆盖范围；采用迁移学习；设置置信度阈值 |
| 安全与合规 | 在带电墙体或压力管道附近作业的安全风险 | 作业前确认管线图；使用绝缘工具；遵守GB 26860-2011《电力安全工作规程》 |
七、在公司三条核心技术路线中的应用场景
7.1 TIG/MIG堆焊技术路线中的应用
- 堆焊层内部缺陷检测：对堆焊层（如309L/316L过渡层、625/80%NiCrMo哈氏合金面层）进行敲击-声振检测，识别内部气孔、裂纹、未熔合等缺陷。FCMSD-En可区分不同缺陷类型引起的信号复杂度差异。
- 多层堆焊层间结合质量评估：通过不同堆焊道次表面的敲击响应熵值变化，评估层间结合状态，作为UT/RT的补充手段。
- 工艺参数优化反馈：在工艺评定（WPS/PQR）过程中，利用声振特征快速筛选焊接参数窗口，缩短试件制备周期。
7.2 水压复合技术路线中的应用
- 复合界面结合质量验证：水压复合板（如304/碳钢、Inconel625/Q345R）制造完成后，对复合界面进行敲击扫描，通过FCMSD-En特征判断界面结合完整性，替代或补充爆炸试验（NB/T 47013.5）的破坏性验证。
- 复合层局部鼓包/分层检测：在复合板热处理或后续加工过程中，检测复合层因应力释放产生的微分层或鼓包缺陷。
- 复合管焊缝区域评估：对复合管环焊缝及对接区域进行敲击检测，评估焊接热影响区对复合层的影响。
7.3 爆炸焊复合技术路线中的应用
- 爆炸复合波纹区完整性检测：爆炸焊形成的固相扩散结合区（波纹区）是质量核心。通过敲击声振信号提取波纹区深度和连续性特征，评估复合质量等级。
- 未结合区（UWB）定位：爆炸复合板中存在的未结合区域（Unbonded Area）是主要质量风险。FCMSD-En对空腔类缺陷的敏感度高于常规磁粉/渗透检测，可实现大面积快速筛查。
- 在役爆炸复合设备状态监测：对已投入使用的爆炸复合换热器、反应器进行定期敲击检测，评估复合层长期服役后的退化状态。
7.4 综合应用场景矩阵
| 应用场景 | TIG/MIG堆焊 | 水压复合 | 爆炸焊复合 | 在役检测 |
|---|---|---|---|---|
| 内部气孔/缩孔 | ✓ 主要应用 | ✓ | ✓ | ✓ |
| 界面分层/未结合 | — | ✓ 主要应用 | ✓ 主要应用 | ✓ |
| 表面裂纹辅助定位 | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| 工艺参数快速筛选 | ✓ 主要应用 | — | — | — |
| 隐蔽工程管道定位 | — | — | — | ✓ 主要应用 |
八、技术优势与创新点总结
8.1 相比传统方法的创新优势
| 对比维度 | 传统方法（电磁感应/红外热像/UT） | FCMSD-En敲击探测法 |
|---|---|---|
| 非金属管道检测 | 电磁法无法检测塑料管 | 可检测所有材质管道 |
| 检测成本 | 设备昂贵（红外热像仪数十万元） | 低成本传感器+算法，设备成本<5000元 |
| 操作便捷性 | 需要专业设备和培训 | 手持式操作，培训周期短（1-2天） |
| 深度信息 | 热像法深度估计精度低 | 可通过多尺度特征融合估计埋深 |
| 复合材料检测 | 常规UT对复合层界面检测困难 | 声振法对界面缺陷敏感，可作为补充 |
| 智能化程度 | 依赖人工判读 | 算法自动分类，输出结构化报告 |
8.2 技术壁垒
- 算法壁垒：精细复合多尺度散布熵的复合策略（多L、多B、精细粗粒化）为自主创新，已形成发明专利保护
- 数据壁垒：建立了覆盖多类墙体、多管径、多介质的标定数据库，算法训练数据具有独占性
- 集成壁垒：传感器选型、信号采集、算法处理、可视化输出的全链条集成能力
九、对公司资质建设与商业价值的贡献
9.1 资质建设贡献
- 高新技术企业认定：作为核心自主知识产权，贡献高新产品收入占比
- 专精特新企业申报：体现"专"（专业检测算法）和"新"（创新方法）特征
- 检测资质扩展：可作为CMA/CNAS扩项的技术支撑，增加检测能力参数
- 科技项目立项：可申报省级/国家级科技计划项目（如山西省"三晋英才"、国家重点研发计划子课题）
9.2 商业价值
- 检测服务收入：为建筑、物业、电力客户提供隐蔽管道检测服务，单项目收入5000-50000元
- 设备销售/租赁：集成化检测设备可面向市场销售，单机售价3-8万元
- 质量验证增值：为复合板/复合管产品提供附加检测服务，提升产品溢价10-20%
- 技术服务外包：为缺乏检测能力的中小制造企业提供服务外包，按工时或按项目计费
9.3 客户价值总结
该技术使科雷丁技术（山西）有限公司具备了从"制造"到"制造+检测+评估"的全链条服务能力。对于石化、电力、核工业等高端客户而言，能够提供复合材料的制造-验证-在役评估一体化解决方案，显著提升客户粘性和项目竞争力。同时，该技术在建筑检测市场的拓展为公司开辟了新的收入增长点，降低了对单一制造业周期的依赖。
十、学习心得与后续规划
10.1 学习心得
通过深入学习和实践该探测方法，深刻体会到信号信息熵理论在工程检测领域的巨大应用潜力。散布熵类算法相较于传统时域/频域分析方法，具有以下突出优势：计算复杂度低（O(N)级）、对非线性非平稳信号适应性强、特征物理意义明确。这为复合材料检测开辟了"低成本、高效率、智能化"的新路径。
10.2 后续技术发展规划
- 算法升级：引入深度学习方法（1D-CNN/Transformer）对FCMSD-En特征进行自动分类，提升复杂场景下的准确率
- 多物理场融合：将声振检测与电磁感应、红外热像融合，实现多模态信息互补
- 设备小型化：开发基于MEMS加速度计+手机APP的便携式检测方案，降低使用门槛
- 标准制定：推动企业标准/团体标准制定，抢占技术话语权
- 复合材料检测专用化：针对TIG堆焊层、爆炸复合波纹区、水压复合界面等特定场景，开发专用检测算法和标定方法