無損檢測(cè)機(jī)器人是用于代替人工無損檢測(cè)作業(yè)的自動(dòng)化、智能化機(jī)器人工藝裝備系統(tǒng)，常應(yīng)用于高空、高壓、高溫、輻射、密閉狹小空間的檢測(cè)環(huán)境或大量重復(fù)性被檢對(duì)象的檢測(cè)。目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了適合于多種檢測(cè)作業(yè)工況、多種類型的無損檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，在其機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃、視覺跟蹤、缺陷識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)上開展了大量研究。目前相關(guān)綜述工作主要針對(duì)橋梁和管道類的無損檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)，包括機(jī)器人機(jī)構(gòu)和空間定位、圖像識(shí)別、缺陷測(cè)量傳感器等技術(shù)方面[1-4]，而針對(duì)大型壓力容器的爬壁類無損檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)尚無系統(tǒng)綜述。此外，焊縫是壓力容器的薄弱環(huán)節(jié)，其缺陷種類繁多，表面和內(nèi)部多種缺陷的識(shí)別往往采用不同的檢測(cè)方法，因此，文章聚焦于爬壁類檢測(cè)機(jī)器人及焊縫缺陷識(shí)別中的人工智能技術(shù)，對(duì)其研究現(xiàn)狀和應(yīng)用效果進(jìn)行歸類分析，為無損檢測(cè)技術(shù)的自動(dòng)化和智能化研究提供參考。

1. 無損檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)

大型壓力容器常具有檢測(cè)面積大、檢測(cè)任務(wù)重、容器體積大、環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，因此對(duì)爬壁類檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)重量、移動(dòng)能力、定位精度、傳感集成等方面均提出了較高要求。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)開發(fā)出多種無損檢測(cè)爬壁機(jī)器人系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了初步應(yīng)用，現(xiàn)有無損檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示。

圖 1現(xiàn)有的幾種無損檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

鄭亞東等[5]提出的一款無線遠(yuǎn)程控制的LPG球罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人如圖1（a）所示，其采用Wi-Fi通信實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向、定速和定距的遠(yuǎn)程控制。浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的一款檢測(cè)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)大型承壓設(shè)備的多功能檢測(cè)，其實(shí)物如圖1（b）所示，該機(jī)器人具有視頻檢測(cè)、超聲測(cè)厚、磁粉檢測(cè)等功能[6]。

由于壓力容器種類眾多、形狀復(fù)雜、應(yīng)用環(huán)境特殊，針對(duì)各類復(fù)雜的檢測(cè)環(huán)境開展全方位檢測(cè)對(duì)無損檢測(cè)機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制提出了挑戰(zhàn)。上海交通大學(xué)提出了一種利用移動(dòng)機(jī)器人和柔性機(jī)械臂組合的檢測(cè)機(jī)器人平臺(tái)，解決了電廠鍋爐帶鰭片的熱交換管無法人工檢測(cè)的問題[7]。武漢大學(xué)基于“臂腕分離”原則提出了一種六自由度串聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型，該機(jī)器人可負(fù)載重達(dá)20 kg的儀器[8]。為替代人工高空檢測(cè)作業(yè)，山東特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)集團(tuán)基于線性激光傳感器設(shè)計(jì)了常壓儲(chǔ)罐表面形貌視覺檢測(cè)機(jī)器人。該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐微觀形貌特征的主動(dòng)掃描檢測(cè)、常壓儲(chǔ)罐表面微裂縫的準(zhǔn)確排查等[9]。國核電站聯(lián)合東華大學(xué)通過分析核反應(yīng)堆壓力容器檢測(cè)機(jī)器人本體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用于核反應(yīng)堆壓力容器的多關(guān)節(jié)自由度檢測(cè)機(jī)器人[10]，其結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示，該機(jī)器人具有較高的靈活性和更大的工作空間。清華大學(xué)設(shè)計(jì)了一種適用于球罐現(xiàn)場(chǎng)焊縫檢測(cè)的新型爬壁機(jī)器人，其實(shí)物如圖1（d）所示。該機(jī)器人采用永磁吸附方式，可實(shí)現(xiàn)沿球罐表面焊縫的全方位移動(dòng)。此外，該機(jī)器人配備了基于視覺傳感的焊縫跟蹤單元，可適應(yīng)光源不足環(huán)境，完成遠(yuǎn)程自主探傷[11]。江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)所聯(lián)合東南大學(xué)提出了一種用于儲(chǔ)罐外表面的基于TOFD的檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人同樣采用永磁吸附式移動(dòng)方式，其實(shí)物如圖1（e）所示[12]。SANTOS等[13]面向球形儲(chǔ)罐提出了一種準(zhǔn)全向移動(dòng)的智能檢測(cè)機(jī)器人，該機(jī)器人有4個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)向磁輪，且其附著力可調(diào)，運(yùn)動(dòng)靈活高效。

目前，針對(duì)罐體表面開展無損檢測(cè)的機(jī)器人系統(tǒng)通常采取永磁吸附、電磁吸附、負(fù)壓吸附、反推式吸附、仿生吸附、靜電吸附等多種吸附方式，以增強(qiáng)罐體表面吸附可靠性并提高移動(dòng)越障能力。各吸附方式的吸附優(yōu)勢(shì)與限制不同，其詳細(xì)對(duì)比如表1所示。

在這些方式中，永磁吸附是目前廣泛應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的一種吸附方法。永磁吸附是指通過永磁體與金屬壁面之間的吸引力將機(jī)器人固定在壁面上。因采用永磁體，其結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)，可結(jié)合輪式、履帶式、足式等各類主流移動(dòng)方式使用，且其成本低、無額外能源消耗、吸附穩(wěn)定可靠。

為實(shí)現(xiàn)智能球罐焊接機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)、定位與焊縫跟蹤，孫振國等[26]研制了一種基于高分辨率線陣芯片的新型視覺傳感器。借助該傳感器，球罐焊接機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)沿焊縫的自主運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)對(duì)中。而針對(duì)檢測(cè)機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐外壁全方位檢測(cè)這一問題，唐東林等[27]提出了一種基于滾動(dòng)窗口的優(yōu)先級(jí)啟發(fā)式路徑規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)未知儲(chǔ)罐外壁的全遍歷高效移動(dòng)。高延峰等[28]基于輪式移動(dòng)焊接機(jī)器人跟蹤彎曲焊縫的數(shù)學(xué)模型，采用積分Backstapping時(shí)變狀態(tài)反饋方法提出了一種控制器，提高了焊縫跟蹤的快速性和平滑性。西南石油大學(xué)基于聲學(xué)定位提出了一種檢測(cè)機(jī)器人實(shí)時(shí)定位方法，解決了機(jī)器人在儲(chǔ)罐內(nèi)部的空間定位問題，機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1（f）所示。該方法基于少量傳感反饋信息，即可計(jì)算機(jī)器人在儲(chǔ)罐內(nèi)部的空間方位，定位誤差小于20 cm[29]。隨后，該團(tuán)隊(duì)在浮力-重力調(diào)節(jié)裝置的基礎(chǔ)上，提出了一種模糊控制器實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)罐檢測(cè)機(jī)器人的深度控制[30]。

綜合國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，目前檢測(cè)機(jī)器人多采用移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)造，針對(duì)高空作業(yè)需求采用永磁吸附方式移動(dòng)。針對(duì)狹小復(fù)雜檢測(cè)環(huán)境，檢測(cè)機(jī)器人可搭載多自由度細(xì)長(zhǎng)機(jī)械臂以拓展檢測(cè)空間，到達(dá)人工不可及區(qū)域，大大提高了檢測(cè)的有效范圍。通過設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器或研發(fā)新型傳感器，檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的自主性和精確性也得到了較大提升。相比人工作業(yè)，檢測(cè)機(jī)器人在工作空間上具有較大優(yōu)勢(shì)，其自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與定位仍是檢測(cè)機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

此外，在進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)，需準(zhǔn)確定位缺陷位置并識(shí)別焊縫類型。因此，除機(jī)器人本體外，缺陷檢測(cè)與識(shí)別是無損檢測(cè)機(jī)器人發(fā)展的又一關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)有研究，文章將從缺陷數(shù)據(jù)采集、圖像識(shí)別、深度學(xué)習(xí)等方面對(duì)缺陷識(shí)別方法展開介紹。

2. 缺陷數(shù)據(jù)采集

缺陷采集通常借助專用的采集儀器，常用的有超聲檢測(cè)和X射線檢測(cè)。TOFD即超聲衍射時(shí)差法，是一種常用的焊縫檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)利用一對(duì)對(duì)稱的縱波斜探頭作為超聲波的收、發(fā)探頭，利用產(chǎn)生的衍射信號(hào)來檢測(cè)缺損的位置和深度，TOFD檢測(cè)原理，如圖2所示。TOFD在檢測(cè)壁厚較大的焊縫時(shí)比射線檢測(cè)更有效率，缺陷檢測(cè)靈敏度更高，因此被廣泛用于球罐焊縫缺陷檢測(cè)[31-32]。實(shí)際上，不同類型缺陷的TOFD-D掃圖像特征具有明顯差異。通過分析D掃圖像的紋理、形狀及走向，可實(shí)現(xiàn)對(duì)接焊縫典型缺陷類型判定。另外，不同缺陷的TOFD圖像尖端衍射信號(hào)的相位和A掃波形隨位置變化情況也會(huì)有所差異，除了信號(hào)特征外，還需結(jié)合工件材料、坡口形式、熱處理狀態(tài)、焊接工藝等對(duì)缺陷進(jìn)行分析[33]。

圖 2TOFD檢測(cè)原理示意

由于TOFD缺陷檢測(cè)信號(hào)受多種因素影響，為了提高缺陷檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，如何提取真實(shí)有效的檢測(cè)信號(hào)以進(jìn)行缺陷識(shí)別是TOFD檢測(cè)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)超聲TOFD檢測(cè)信號(hào)受焊縫結(jié)構(gòu)噪聲干擾大的問題，李建忠等[34]通過小波包分解技術(shù)提取缺陷的衍射波特征，提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比及分辨率。另外，熊娟等[35]將TOFD法、手動(dòng)超聲（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）三種檢測(cè)方法相融合，實(shí)現(xiàn)了在役氧氣球?qū)雍缚p的無損檢測(cè)。彭森等[36]利用灰度分布統(tǒng)計(jì)法消除了與近表面缺陷波重疊的直通波，結(jié)合圖像分割算法提取出超聲TOFD檢測(cè)圖像中的焊縫缺陷，從而實(shí)現(xiàn)了焊縫缺陷的自動(dòng)識(shí)別。

缺陷數(shù)據(jù)采集的另一種常用方法為X射線法，典型的X射線實(shí)時(shí)成像和檢測(cè)系統(tǒng)包括信號(hào)轉(zhuǎn)換、圖像處理及缺陷位置的獲取/傳輸三個(gè)主要部分。射線檢測(cè)適用于金屬、非金屬等各種材料，射線檢測(cè)的膠片分析目前主要依靠人工，其成功率很大程度上取決于檢查人員的能力，因此該過程存在主觀性強(qiáng)、耗時(shí)長(zhǎng)等問題。為了提高焊縫膠片評(píng)測(cè)的準(zhǔn)確率，許多學(xué)者開展了基于X射線檢測(cè)的焊縫識(shí)別相關(guān)研究。

孫林等[37]提出了基于支持向量機(jī)（SVM）的X射線底片焊縫缺陷識(shí)別方法。該方法首先對(duì)X射線底片進(jìn)行數(shù)字化處理和缺陷特征提取，然后針對(duì)X射線底片焊縫缺陷樣本特點(diǎn)，建立SVM“一對(duì)一”聚類結(jié)構(gòu)并對(duì)樣本進(jìn)行識(shí)別。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模型具有識(shí)別精度高、速度快、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。胡文剛等[38]人利用DR（數(shù)字射線成像）檢測(cè)方法對(duì)不同透照厚度的鋁合金焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)試驗(yàn)，通過優(yōu)化工藝參數(shù)提高了檢測(cè)靈敏度。王磊等[39]針對(duì)常見的面狀和體積狀缺陷進(jìn)行檢測(cè)分析，同時(shí)采用射線及TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行對(duì)比，有助于此類缺陷的識(shí)別與定量分析。但是射線探測(cè)設(shè)備復(fù)雜、昂貴，檢測(cè)費(fèi)用也較高，且射線對(duì)人體健康存在傷害。

此外，磁粉檢測(cè)也是缺陷檢測(cè)的一種有效方式[40]，該方法使用磁粉顯現(xiàn)鐵磁性材料表面裂紋，操作簡(jiǎn)單但檢測(cè)深度有限。除此之外，基于不同原理用于各類材料、應(yīng)用場(chǎng)景的其他主要檢測(cè)方法的原理與特性如表2所示。其中，基于電磁感應(yīng)的渦流檢測(cè)適用于導(dǎo)電材料表面或淺層缺陷檢測(cè)；通過滲透劑顯現(xiàn)表面開口裂紋的滲透檢測(cè)操作簡(jiǎn)單但僅限表面缺陷；聲發(fā)射檢測(cè)通過監(jiān)測(cè)材料受力或疲勞時(shí)的聲波信號(hào)可動(dòng)態(tài)檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)中的缺陷；紅外檢測(cè)通過熱成像識(shí)別大面積表面缺陷，適合非接觸快速檢測(cè)，但無法檢測(cè)深層缺陷。因此，這些檢測(cè)方法各有優(yōu)劣，實(shí)際應(yīng)用中常根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的材料、缺陷深度和檢測(cè)場(chǎng)景來選擇合適的技術(shù)方法以獲取圖像、波形曲線等缺陷數(shù)據(jù)。

3. 缺陷圖像識(shí)別

TOFD以及X射線采集的焊縫圖像的評(píng)定目前主要由人工進(jìn)行，因此受多種主觀因素影響，漏檢或錯(cuò)檢率相對(duì)較高。為了提高缺陷識(shí)別精度，基于特定算法進(jìn)行缺陷圖像的分類和識(shí)別技術(shù)已成為焊縫檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。國內(nèi)外研究學(xué)者就此已開展了較多相關(guān)研究，并取得了重要進(jìn)展。

伏喜斌[41]基于標(biāo)記的改進(jìn)分水嶺TOFD檢測(cè)圖像分割，結(jié)合典型缺陷圖像特征，提出了一種基于支持向量機(jī)的焊縫超聲TOFD缺陷分類識(shí)別方法，其正確率超過87%。樊丁等[42]采用超像素分割算法（SLIC）和改進(jìn)的ELU激活函數(shù)構(gòu)建CNN模型進(jìn)行焊縫檢測(cè)圖像缺陷識(shí)別，有效提高了識(shí)別準(zhǔn)確率。李雪琴等[43]結(jié)合快速離散Curvelet變換和循環(huán)平移，對(duì)焊縫圖像進(jìn)行去噪，以有效提取焊縫區(qū)域。清華大學(xué)針對(duì)焊縫缺陷特點(diǎn)，提出了對(duì)焊縫重疊區(qū)邊緣區(qū)與非邊緣區(qū)、非細(xì)長(zhǎng)缺陷與細(xì)長(zhǎng)缺陷分別進(jìn)行處理的方法[44]。上海大學(xué)研制了基于機(jī)器視覺的液力變矩器焊縫缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[45]。蘭州理工大學(xué)提出了通過自適應(yīng)中值濾波方法對(duì)射線檢測(cè)焊縫圖像進(jìn)行濾波降噪，利用類間、類內(nèi)方差比分割法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法進(jìn)行焊縫圖像分割，對(duì)焊縫部分應(yīng)用高頻加強(qiáng)變換提取焊接缺陷[46]。

為了提高焊接缺陷分割的精度，ZHANG等[47]提出了一種局部圖像增強(qiáng)方法。該算法在焊縫提取和焊縫缺陷分割時(shí)考慮了對(duì)比度增強(qiáng)的要求。HASSAN等[48]建立了基于射線照相圖像的焊接缺陷識(shí)別系統(tǒng)，提出了一種幾何特征檢測(cè)和分類焊接缺陷的技術(shù)。DAI等[49]提出了一種三級(jí)逐步解法以提高焊縫超聲成像系統(tǒng)的分辨率。該方法對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)采用基于小波變換的超分辨率算法進(jìn)行處理，可提高超聲成像設(shè)備的圖像質(zhì)量，增強(qiáng)其識(shí)別焊縫細(xì)微缺陷的能力。MOGHADDAM等[50]開發(fā)了一種用于從射線照相圖像中分類焊接缺陷的自動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)冗長(zhǎng)的缺陷有較好的效果。THIEN等[51]提出了一種利用圖像處理技術(shù)從射線照相膠片中確定焊縫缺陷的方法和自動(dòng)化系統(tǒng)，其可以快速、自動(dòng)地將放射影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，然后與數(shù)字化放射影像數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析比較，確定可能的缺陷及其類型。

此外，除了使用TOFD或射線圖像，JEONG等[52]利用紅外攝像機(jī)和圖像處理設(shè)備，開發(fā)了GMAW氧化物缺陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。LAPIDO等[53]提出了一種基于非制冷PbSe圖像傳感器的激光焊接過程中的實(shí)時(shí)缺陷檢測(cè)和分類方法，其在線分類率接近1 kHz。 RANJAN等[54]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)攪拌摩擦焊過程中常見的各種表面缺陷進(jìn)行識(shí)別和分類，提高了缺陷的識(shí)別和定位準(zhǔn)確率。PENG[55]發(fā)現(xiàn)焊接線圖像的預(yù)處理對(duì)于特征提取和缺陷識(shí)別具有重要意義，由此提出了一種從焊縫圖像中自動(dòng)識(shí)別缺陷的方法。

4. 人工智能在缺陷識(shí)別中的應(yīng)用

采用圖像識(shí)別技術(shù)可有效提高焊縫缺陷識(shí)別效率。隨著工業(yè)智能檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)在圖像特征學(xué)習(xí)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其在缺陷自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別中具備重要的實(shí)用價(jià)值。當(dāng)今，使用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)特征提取和分類的深度學(xué)習(xí)算法在焊縫缺陷識(shí)別領(lǐng)域不斷發(fā)展[56]，部分算法的缺陷識(shí)別效果如表3所示。

丁曉東等[57]通過分析焊縫表面不同缺陷在焊縫激光條紋圖像中的形態(tài)與分布特征，結(jié)合斜率截距法與分段區(qū)間檢測(cè)法提取表面缺陷的特征點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焊縫缺陷分類模型，將提取的缺陷特征作為網(wǎng)絡(luò)的特征輸入進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，整體缺陷檢出率達(dá)91.51%。劉夢(mèng)溪等[58]設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的深度CNN結(jié)構(gòu)，對(duì)其層次架構(gòu)及參數(shù)設(shè)定開展了研究。該算法對(duì)于大樣本的圖像特征表達(dá)與識(shí)別有一定的優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有較高的圖像分類識(shí)別正確率。陳立潮等[59]提出一種融合遷移學(xué)習(xí)的AlexNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于不銹鋼焊縫缺陷的自動(dòng)分類，該模型具有95.12％的檢出準(zhǔn)確率。

薛龍等[60]提出一種基于深度學(xué)習(xí)的焊縫定位及缺陷識(shí)別方法，通過深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)方法確定焊縫位置并識(shí)別焊瘤及不合格缺陷，并通過深度學(xué)習(xí)語義分割方法識(shí)別氣孔及凹坑缺陷，焊縫定位識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到95%，焊瘤識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到98%，氣孔與凹坑兩類缺陷的識(shí)別準(zhǔn)確率約為91.8%。谷靜等[61]對(duì)傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種多尺度壓縮激勵(lì)網(wǎng)絡(luò)模型（SINet），將4組兩兩串聯(lián)的3×3卷積模塊與Inception模塊、壓縮激勵(lì)模塊（SE block）相結(jié)合。通過多尺度壓縮激勵(lì)模塊（SI module）將卷積層中的特征進(jìn)行多尺度融合和特征重標(biāo)定以提高分類準(zhǔn)確率，并用全局平均池化層代替全連接層減少模型參數(shù)。與傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，該模型具有良好的性能，可對(duì)焊縫缺陷圖像進(jìn)行有效地分類。而后，他們又提出基于改進(jìn)深度學(xué)習(xí)Faster R CNN模型的焊縫缺陷識(shí)別算法，通過多層特征網(wǎng)絡(luò)提取多尺度特征圖并共同作用于模型后續(xù)環(huán)節(jié)，以及通過改進(jìn)模型的區(qū)域生成網(wǎng)絡(luò)并加入多種滑動(dòng)窗口，從而提高了識(shí)別能力[62]。張立等[63]提出結(jié)合深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的石油管道焊縫缺陷識(shí)別方法。該方法在ResNet50網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上添加可變形卷積學(xué)習(xí)缺陷的不規(guī)則特征，改進(jìn)后的模型對(duì)焊縫缺陷數(shù)據(jù)具有良好的泛化能力，測(cè)試精度達(dá)到99%，速度為10 m·s–1。WANG等[64]通過多尺度對(duì)齊融合（MSAF）和并行特征過濾（PFF）模塊提出了改進(jìn)的深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)算法YOLOv5-MSAF用于8種焊縫缺陷的識(shí)別，其正確率達(dá)到了96.6%。

GUO等[65]使用輕量化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）進(jìn)行圖像提取和分類，通過對(duì)三種不同類型的焊接缺陷進(jìn)行分類測(cè)試，驗(yàn)證準(zhǔn)確率為98.25%。ZHANG等[66]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的鋁合金機(jī)器人弧焊缺陷在線檢測(cè)方法，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和焊縫圖像對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別。其中CNN模型沒有采用傳統(tǒng)方法減少弧光的干擾，而是充分利用弧光，將弧光以多種方式組合以形成互補(bǔ)特征。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模型具有較好的分類性能，平均分類準(zhǔn)確率達(dá)到99.38%。ZHANG等[67]提出了使用小型 X 射線圖像數(shù)據(jù)集的焊縫檢測(cè)新方法，將一種基于圖像處理的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法和一種基于WGAN的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法應(yīng)用于不平衡圖像集的處理；然后，使用基于特征提取的遷移學(xué)習(xí)技術(shù)在增強(qiáng)圖像集上訓(xùn)練兩個(gè)深度（CNNs），從而降低誤檢率。YAN等[68]針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化焊接檢測(cè)的趨勢(shì)和需求，構(gòu)建了可同時(shí)對(duì)焊道表面進(jìn)行3D深度和2D灰度成像的復(fù)合視覺系統(tǒng)。在該視覺系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)激光負(fù)責(zé)獲取珠子表面的3D深度圖像，多角度照明用于捕捉灰度圖像；然后，根據(jù)其在3D深度圖像和2D灰度圖像中顯示的不同特征，提出提取焊道邊界的方法。

KUMAR等[69]對(duì)比研究了線性陣列（LA）和雙矩陣陣列（DMA）兩種探頭發(fā)現(xiàn)，DMA 探針性能優(yōu)于 LA 探針的，因此更有助于提高奧氏體不銹鋼焊縫檢測(cè)的可靠性。使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）進(jìn)行焊接缺陷識(shí)別時(shí)，識(shí)別結(jié)果會(huì)受到人為等諸多因素的影響,基于此，HU等[70]采用了圖像處理、指數(shù)線性單元（ELU）激活函數(shù)和改進(jìn)的池化模型以提高焊縫圖像識(shí)別的精度，整體識(shí)別率可以達(dá)到98.13%。SHIN等[71]提出了一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）的無損檢測(cè)方法，該方法可以基于焊接電壓信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)和預(yù)測(cè)氣孔缺陷，無需在氣體保護(hù)焊（GMAW）過程中添加額外的設(shè)備，比人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模型的性能更優(yōu)。

PARK等[72]提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的方法。該方法除了采用CNN進(jìn)行焊縫識(shí)別外，還采用CNN訓(xùn)練回歸函數(shù)來檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱中心，獲得了更好的檢測(cè)性能。JIANG等[73]針對(duì)焊縫缺陷圖像的特點(diǎn)，提出了一種考慮池化區(qū)域分布和特征圖的改進(jìn)池化策略，并提出了一種將ReliefF算法與CNN相結(jié)合的增強(qiáng)特征選擇方法。ZAHRAN等[74]提出了一種從射線照相圖像中識(shí)別焊縫缺陷的新方法。該方法基于使用梅爾頻率倒譜系數(shù)（MFCC）和多項(xiàng)式系數(shù)生成缺陷特征數(shù)據(jù)庫，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）進(jìn)行特征匹配以自動(dòng)識(shí)別放射圖像中的缺陷。試驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法可以可靠地用于噪聲環(huán)境下的射線圖像自動(dòng)焊縫缺陷識(shí)別，并且可以實(shí)現(xiàn)較高的識(shí)別率。

LIU等[75]提出了一種基于三重深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焊縫缺陷自動(dòng)識(shí)別方法。首先，將原始X射線圖像變?yōu)楦〉駡D像，使缺陷的特征更加明顯；其次，通過三重深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射浮雕圖像得到特征向量?；谌M的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使得相似的缺陷特征向量距離更近，不同缺陷特征向量的距離更遠(yuǎn)，再通過支持向量機(jī)（SVM）分類器識(shí)別焊縫缺陷。結(jié)果表明，所提出的焊縫缺陷識(shí)別方法比傳統(tǒng)方法具有更好的性能。MA等[76]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和主動(dòng)視覺的概念從 CCD 中自動(dòng)檢測(cè)典型的底切、毛孔和燒穿缺陷。LE等[77]提出了一種基于小型圖像數(shù)據(jù)集的自動(dòng)缺陷識(shí)別方法。該方法采用Wasserstein 生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（WGAN）、基于特征提取的遷移學(xué)習(xí)技術(shù)和多模型集成框架技術(shù)，能夠成功處理不平衡和嚴(yán)重罕見的缺陷圖像。CHANG等[78]提出了一種端到端的焊縫缺陷識(shí)別方法，其采用基于高斯低通濾波器的深度置信網(wǎng)絡(luò)（GLF-DBN）來篩選射線檢測(cè)圖像，并提出了一種新的圓柱投影方法以增加缺陷部分比例，解決了小尺寸缺陷的丟失問題；然后提出一種改進(jìn)的基于SegNet的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)來識(shí)別焊縫缺陷。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，焊縫檢測(cè)和識(shí)別領(lǐng)域也經(jīng)歷著新一輪的變革和升級(jí)，焊縫識(shí)別的準(zhǔn)確率、效率都得到了提升。新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法不斷涌現(xiàn)，針對(duì)無損檢測(cè)對(duì)象的特殊性，如何更好地根據(jù)焊縫形成特點(diǎn)以及采集方法，開發(fā)缺陷識(shí)別算法以獲得快速、準(zhǔn)確的識(shí)別效果已成為無損檢測(cè)發(fā)展的重要方向。

5. 結(jié)語

焊縫缺陷檢測(cè)和識(shí)別在石油化工等領(lǐng)域是極其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對(duì)壓力容器等大型設(shè)備的使用安全具有重要意義。除了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)載體外，無損檢測(cè)還包括缺陷數(shù)據(jù)采集和識(shí)別方法，其中缺陷識(shí)別還包括圖像預(yù)處理、區(qū)域分割、特征提取和類型識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)，每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)無損檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)和準(zhǔn)確性都具有很大影響。雖然現(xiàn)有研究成果已在不同程度上推動(dòng)了無損檢測(cè)的發(fā)展與應(yīng)用，然而由于檢測(cè)場(chǎng)景多變、焊縫類別各異，焊接缺陷的自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別仍然是機(jī)器人無損檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)挑戰(zhàn)。

首先，圖像處理因涉及大量數(shù)據(jù)和信息，其處理速度仍是應(yīng)用過程中的一個(gè)挑戰(zhàn)，影響缺陷識(shí)別的實(shí)時(shí)性和快速性。對(duì)于具有復(fù)雜形狀特征的物體，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)仍然很困難。其次，工業(yè)檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致采集信號(hào)干擾大，影響檢測(cè)精度以及魯棒性。此外，當(dāng)前的圖像處理以及深度學(xué)習(xí)算法依賴大量樣本數(shù)據(jù)集，其在線檢測(cè)精度和速度仍有待提高，限制了其工程實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)前缺陷檢測(cè)和識(shí)別的這些弊端，導(dǎo)致其仍無法完全替代人工檢測(cè)，因此無損檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性、檢測(cè)靈活度、抗干擾能力仍需進(jìn)一步提高。

盡管檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)仍存在諸多不足，但仍然是無損檢測(cè)領(lǐng)域未來研究和發(fā)展的主要方向。為加快無損檢測(cè)機(jī)器人在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中的推廣應(yīng)用，提高檢測(cè)精度、增強(qiáng)其環(huán)境適應(yīng)力，筆者認(rèn)為未來發(fā)展宜圍繞以下幾個(gè)方向展開。

（1）檢測(cè)機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性

許多工業(yè)檢測(cè)對(duì)象位于狹窄、危險(xiǎn)或高空等位置，如大型壓力容器形狀復(fù)雜、面積大且環(huán)繞管道支架，因此無損檢測(cè)機(jī)器人需要克服復(fù)雜環(huán)境的限制，增強(qiáng)自動(dòng)化檢測(cè)能力。為此，可結(jié)合新型變結(jié)構(gòu)輪式或履帶式研制全向移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，或結(jié)合柔性體、連續(xù)體結(jié)構(gòu)構(gòu)造連續(xù)彎曲型機(jī)器人以深入復(fù)雜空間提高靈活性，此外，還可以結(jié)合無人機(jī)和移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)造集群式全覆蓋檢測(cè)系統(tǒng)，擴(kuò)大檢測(cè)范圍、提高檢測(cè)效率，從而適應(yīng)大型儲(chǔ)罐、封閉管道、高空裝置等多種工業(yè)設(shè)備無損檢測(cè)需求。

（2）多傳感器融合檢測(cè)系統(tǒng)

多傳感器融合也是無損檢測(cè)機(jī)器人提升精度的重要手段。單一檢測(cè)技術(shù)往往只能識(shí)別特定缺陷類型，或受限于材料特性，而多傳感器融合可以在機(jī)器人上集成超聲、渦流、紅外和X射線等不同檢測(cè)手段。例如，在金屬板材檢測(cè)中，超聲用于內(nèi)部裂紋識(shí)別，渦流則檢測(cè)表面缺陷，對(duì)多種傳感器采集的數(shù)據(jù)通過融合算法進(jìn)行分析，能夠?qū)崿F(xiàn)更全面的檢測(cè)覆蓋率，提升精度并減少誤檢。

（3）基于多源數(shù)據(jù)的人工智能缺陷識(shí)別

目前，缺陷數(shù)據(jù)集不足仍然是人工智能缺陷識(shí)別精度受限的一個(gè)主要原因。為此，有必要融合圖像、超聲、渦流、紅外等多種數(shù)據(jù)源，構(gòu)造深度學(xué)習(xí)模型自動(dòng)提取多維特征并進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)缺陷的全面檢測(cè)與精準(zhǔn)識(shí)別，提高復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的無損檢測(cè)精度與可靠性。同時(shí)，通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，人工智能系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同檢測(cè)條件，提供高效的決策支持。此外，還可以進(jìn)行模型輕量化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高在線檢測(cè)和識(shí)別的快速性和實(shí)時(shí)性。

（4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程控制

對(duì)于大型工廠或遠(yuǎn)程設(shè)施，如風(fēng)電場(chǎng)、石油平臺(tái)等，其檢測(cè)覆蓋面積大、地理位置受限，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制可以進(jìn)一步擴(kuò)展無損檢測(cè)機(jī)器人的檢測(cè)覆蓋范圍，建立高效的人機(jī)協(xié)作。為此，可以借助5G或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）連接，將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心，使專家能遠(yuǎn)程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并指導(dǎo)機(jī)器人執(zhí)行新的檢測(cè)任務(wù)。此外，引入邊緣計(jì)算和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也可以減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，確保大面積檢測(cè)實(shí)施的精確性。

隨著智能化水平的提高和跨學(xué)科技術(shù)的融合，無損檢測(cè)機(jī)器人有望提供高效可靠的工業(yè)檢測(cè)方案，在多種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度、全自動(dòng)的缺陷檢測(cè)。未來，將會(huì)有更多先進(jìn)、實(shí)用、高精度的焊縫缺陷檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)被開發(fā)，繼而推動(dòng)無損檢測(cè)向智能化、精準(zhǔn)化、快速化發(fā)展。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)