CN111522014A - 一种具有自适应能力的高精度地下pe管探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置及方法，它包括系统电源、DC/DC电源模块、自适应声波信号产生模块。自适应行走机构内部安装自适应声波信号产生模块，自适应声波信号产生模块内部具有D类功率放大器，声波发生传感器阵列、声波接收传感器阵列也安装在自适应声波信号产生模块的底部，自适应声波信号产生模块与自适应行走机构内壁之间还安装有液压机构以及弹性机构。本发明的装置具有自爬行能力，可以有效辨识地下的空腔等，且能够根据路况和土壤物性参数自适应的选择声波发射频率和行进方法，具有很高的抗干扰能力，能对埋地非金属管线进行高精度的定位。

Description

一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置及方法

技术领域

本发明涉及地下管道检测领域，尤其涉及一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置及方法。

背景技术

据查新增探明石油地质储量60.2×108t(含原油59.8×108t，凝析油0.4×108t)，天然气地质储量3.9×1012m³(含气藏气3.6×1012m³,溶解气0.3×1012m³)，油气探明储量保持高峰增长。如今，全球陆上70％石油和99％天然气依靠管道输送。截止2015年底，油气管道总里程为11.7×104km，覆盖32个省区市，石油、天然气年输量分别为3×108t、1200×108m。

目前，已形成“三纵四横、连通海外、覆盖全国”的大型油气管网，管道已成为国民经济和社会发展的能源安全生命线。由于聚乙烯(PE)管道耐腐蚀性强、重量轻、柔性好、搬运及向沟槽下管较方便，因此越来越多地应用于城市埋地中低压燃气管道建设中。埋地PE燃气管道的出厂检验、型式检验和定型检验方法已经在GB15558《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统》系列中明确规定。但是由于很多PE燃气管道运行时间较长、基础资料管理薄弱，导致前期出厂产品验收和现场施工资料缺失。

因此，当燃气公司需要对在役埋地PE燃气管道进行评估时，现场取样进行实验室检测显然不具有可操作性，目前针对这种情况的现场检测方法也没有形成一套完整详细的标准体系。在检测技术发展的今天，如何在现有的常规PE管道定期检验方案基础上，结合先进的PE管定位和检测技术，实现埋地PE管的高效高精度定位和状态检测十分关键。

目前常规埋地PE管检测方法有示踪线探测法、地质雷达探测法、管道声学定位法、静态电磁场定位法、地下电子标识系统、地理信息系统(GIS)等，先对其的不足之处进行说明：失踪线探测法分为直连法和感应法，直连法容易受到示踪线断裂的影响和必须要给示踪线通电，感应法除要受到示踪线断裂的影响外，其探测信号强度弱，容易受到外界环境中金属电缆和管道的干扰；地质雷达探测法成本较高，适用范围也存在局限性，如盐碱地，页岩层、粘土下的管道探测，而且探测到的剖面扫描图图形复杂，图像多解，需要经过专业训练的人才能准确解读；管道声学定位法探测前需要知道埋地管道的大致范围。而且易受到噪声干扰，影响测定结果的准确性；静态电磁场定位法必须在均匀土地才能进行准确测量；地下电子标识系统的施工人员需要大量培训时间接受新的方法，该方法的应急及推广方面还需扩展，基于该方法的工程会耗费大量施工时间；地理信息系统(GIS)在系统中地形更新滞后于实际地形变化，需要人力进行系统组织、管理、维护、数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，这便增加了系统维护成本。

为了解决上述问题，本发明提出一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置及方法，装置具有自爬行能力，能够非常迅速的识别地下非金属管线的具体位置、深度、多管交叉等，并且可以有效辨识地下的空腔影响等，具有很高的抗干扰能力和高精度判断地下非金属管线分布的能力；并且能够根据软地面发射500-900hz频率的声波、硬地面发射900-1500hz频率的声波，和拥有先右再上、先右再下、先左再上、先左再下的4种行进方式，具有非常高的频率自适应能力和测量自适应能力。

本发明采用如下技术方案：

一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置，包括平板电脑、系统电源、DC/DC电源模块、数据采集模块、数据处理模块、自适应声波信号产生模块、声波发生传感器阵列、声波接收传感器阵列、自适应行走机构、地下PE管自动绘制模块、液压机构、弹性机构、D类功率放大器。

自适应行走机构内部安装自适应声波信号产生模块，自适应声波信号产生模块内部设有D类功率放大器，并且自适应声波信号产生模块信号需经D类功率放大器放大处理，再传送至自适应声波信号产生模块底部的声波发生传感器阵列，声波接收传感器阵列也安装在自适应声波信号产生模块的底部，自适应声波信号产生模块与自适应行走机构内壁之间还安装有液压机构以及弹性机构，声波接收传感器阵列用于接收回传的声波信号。

在自适应行走机构内部，自适应声波信号产生模块的上部还安装有，系统电源，DC/DC电源模块、数据采集模块，系统电源与DC/DC电源模块相连，实现分别供电给数据采集模块、自适应声波信号产生模块、阵列模块(声波发生传感器阵列以及声波接收传感器阵列)。

声波接收传感器阵列接收的声波信号通过数据采集模块采集后送入数据平板电脑处理，后送入处理模块，再经处理后的数据通过地下PE管自动绘制模块绘制后上传至平板电脑，经平板电脑由Labview开发WinCE应用程序显示出来。

平板电脑不仅控制自适应行走机构的驱动模块，同时控制系统电源和液压机构和弹性机构的动作。

进一步的技术方案是，自适应声波信号产生模块的底部的声波发生传感器阵列与声波接收传感器阵列均为8×4组，它们交叉排列组成8×8的阵列悬浮探测装置，声波发生传感器阵列与声波接收传感器阵列分别采用各自同一型号的传感器。

进一步的技术方案是，自适应行走机构有4个轮子，每个轮子都均有转向和自动锁定功能，能帮助整个装置在测量时更好的进行固定。

进一步的技术方案是，自适应声波信号产生模块产生的频率范围是500Hz-1500Hz。

进一步的技术方案是：

平板电脑调用数据处理模块处理数据的处理方法包括以下步骤：

步骤1.测量开始前对测量路径进行设置；

步骤2.在应用程序界面调出对应的坐标系，接收数据采集模块采集来的数据；

步骤3.根据前期实验，输入评价参数，利用小波变换去除第一次回波，若二次回波达到评价参数的要求，将地下空心位置的点在坐标系中高亮显示，测量完成后对处于一条直线上的高亮点进行连线，没有在一条直线上的点为地下空腔位置，绘制出地下PE管的路径；

步骤4.在平板电脑的地下PE管自动绘制模块上显示地下PE管的精确走向，深度、土壤性质、空腔数量等信息，能很大的提高施工的准确性。

一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置的探测方法，包括以下内容：

当系统处于工作环境时，系统电源通过DC/DC电源模块分别给系统各个工作模块供所需类型的电源。

平板电脑驱动自适应行走机构按照预设的4种测量路径之一，进行运动，自适应声波信号产生模块包含自适应声波信号产生模块和D类功率放大器，可产生不同频率范围为500Hz-1500Hz连续声波，根据实验所得数据选择不同频率的声波信号，以适应不同被检测非金属管道的管径与埋深，提高测量的准确性。

驱动声波发生传感器发射声波，声波接收传感器阵列与高精度数据采集卡相连，采集到的数据送入到平板电脑，通过平板电脑已经下载的小波去噪程序，将信号中的噪声进行抑制，得到需要的特征信号，判断出地下非金属管线的深度、位置等信息，平板电脑再调用数据处理模块和地下PE管自动绘制模块在平板电脑界面显示目前这边区域的地下非金属管线的路径、深度、土壤性质等信息。

本发明的有益效果：

(1)本发明以声学手段探测埋地管道，不依赖示踪线，示踪线的断裂对本发明没有影响。

(2)本探测装置使用自适应行走机构，根据预设的4种坐标图选择其中之一，自动进行测量，相比较传统APL探测装置，本装置不需要手动描点，操作简单。

(3)采用阵列式发射探头和阵列式接收探头探测地下非金属管线路径，相比于单发射探头和单接收探头具有探测路径更加精确，更容易辨识地下空腔、交叉管线等，且能更精确判断地下非金属管线埋深。

(4)本装置采用基于LabVIEW和WinCE编写的程序进行信号数据处理。此模块由自主设计的地下PE管路径自动绘制软件MPAPLdraw1.0组成，其比同类软件APLREV209在绘制地下PE管路径上具有明显的优势，APLREV209每次测量只能绘制出一个点，需要多次测量才能绘制出地下PE管路径。

附图说明

图1为本发明的地下非金属管线探测装置的整体示意图；

图2为本发明的阵列式传感器示意图；

图3为本发明的自适应声波信号产生模块；

图4(a)-图4(b)为本发明实施例的地下非金属单管探测定位模拟图；

图5(a)-图5(b)为本发明实施例的地下金属交叉管探测定位模拟图；

图6为本发明的自适应行走机构图；

图7(a)-图7(b)为本发明实施例的地下PE管自动绘制模块的程序；

图8为本发明的数据采集模块、数据处理模块、地下PE管绘制程序的流程图；

图中：1-探测装置，2-平板电脑，3-系统电源，4-DC/DC电源模块，5-数据采集模块，6-数据处理模块，7-自适应声波信号产生模块，8-声波发生传感器阵列，9-声波接收传感器阵列，10-自适应行走机构，11-地下PE管自动绘制模块，12-液压机构，13-弹性机构，14-D类功率放大器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置，包括平板电脑2、系统电源3、DC/DC电源模块4、数据采集模块5、数据处理模块6、自适应声波信号产生模块7、声波发生传感器阵列8、声波接收传感器阵列9、自适应行走机构10、液压机构12、弹性机构13、D类功率放大器14。

自适应行走机构10内部安装自适应声波信号产生模块7，自适应声波信号产生模块7内部设有D类功率放大器14，并且自适应声波信号产生模块7信号需经D类功率放大器14放大处理，再传送至自适应声波信号产生模块7底部的声波发生传感器阵列8，声波接收传感器阵列9也安装在自适应声波信号产生模块7的底部，自适应声波信号产生模块7与自适应行走机构10内壁之间还安装有液压机构12以及具有很强自动恢复力且不易发生塑性形变的弹性机构13，声波接收传感器阵列9用于接收回传的声波信号。

在自适应行走机构10内部，自适应声波信号产生模块7的上部还安装有，系统电源3，DC/DC电源模块4、数据采集模块5，系统电源3与DC/DC电源模块4相连，实现分别供电给数据采集模块5、自适应声波信号产生模块7、阵列模块(声波发生传感器阵列8以及声波接收传感器阵列9)。

声波接收传感器阵列9接收的声波信号通过数据采集模块5采集后送入平板电脑2处理后，送入数据处理模块6，经处理后的数据通过地下PE管自动绘制模块11绘制后上传至平板电脑2，经平板电脑2由LabVIEW开发WinCE应用程序显示出来。

平板电脑2不仅控制自适应行走机构10的驱动电机模块，同时控制系统电源3的通断对本装置起过压保护作用，还控制液压机构12和弹性机构13的动作，使声波发生传感器阵列8以及声波接收传感器阵列9能很好的和地面耦合。

如图2所示，自适应声波信号产生模块7的底部为固定的8×4组声波发生传感器阵列8和8×4组声波接收传感器阵列9，它们交叉排列组成8×8的阵列悬浮探测机构，所有的声波发生传感器阵列8和声波接收传感器阵列9大小形状等其他参数都各自完全相同，结合安装在自适应行走机构10内部的自适应声波信号产生模块7,不需要单个打点标记距离，8×8的矩阵式传感器能够很好的探测其所在区域地下的非金属管线分布情况，利用现有设计的地下PE管路径自动绘制软件，探测出地下PE管的深度、识别多管交叉和空腔的影响等。

如图4(a)-图4(b)所示，本装置在软土地测量前先设置好声波发射频率(500-900HZ)、填土质地，行进路径、测量范围等，测量完成后，地下PE管自动绘制模块11(地下PE管路径自动绘制软件)结合来自数据处理模块6利用matlab工具处理后的数据在平板电脑2的应用程序界面先进行描高亮点，连线画出地下PE管的路径，以及显示深度、多管交叉等信息，本次测量地下PE管为单管情况。

如图5(a)-图5(b)所示，本装置在硬土地测量前先设置好声波发射频率(900-1500HZ)、填土质地，行进路径、测量范围等，测量完成后，地下PE管自动绘制模块11(地下PE管路径自动绘制程序)结合来自数据处理模块6利用matlab工具处理后的数据在平板电脑2的应用程序界面先进行描高亮点，连线画出地下PE管的路径，以及显示深度、多管交叉等信息，本次测量地下PE管为双管交叉情况。

如图6所示，自适应行走机构10能根据用户的需要在埋地非金属管道检测路面上自动行进，自适应行走机构10通过驱动电机控制外部的4个轮子，能够在4个方向自动行进，适应不同坡度的地面，实现自动测量。

自适应声波信号产生模块7可产生频率范围为500Hz-1500Hz连续声波，根据实验，通过在自适应声波信号产生模块7内部的D类功率放大器14进行放大，驱动位于自适应声波信号产生模块7底部的声波发生传感器阵列8，以适应不同被检测管道的管径与埋深，可提高测量的准确性，使得本发明的自适应能力的高精度地下非金属管线探测装置具有频率自适应性。

平板电脑2驱动自适应行走机构10在一定范围内预设的坐标系进行行进，探测装置对地下非金属管道进行测量，根据预设坐标系，地下PE管自动绘制模块11能够很轻易的在由Labview开发WinCE应用程序绘制出地下非金属管线的路径。

弹性机构13由4根弹簧构成(上下左右4个面各一根)，一端连接到自适应行走机构10的内壳，另一端连接到自适应声波信号产生模块7，从而使传感器阵列(声波发生传感器阵列8和声波接收传感器阵列9)悬浮，当探测装置1开始工作时，平板电脑2驱动液压机构12开始工作，液压机构12向下施加力，使悬浮状态的传感器阵列(声波发生传感器阵列8和声波接收传感器阵列9)紧贴地面，与地面达到很好的耦合，测量更加的精确，测量完成后，液压机构12取消施加的压力回归原位，弹性机构13使阵列装置回复到初始位置，等待下一次测量。

地下PE管自动绘制模块11由Labview开发的WinCE应用程序显示界面和数据采集卡组成，数据处理模块6由matlab程序和微处理器组成。

本程序如图7(a)-图7(b)所示，可以一次对多达几十个测量点进行描点绘图，每次测量开始时首先设置测量路径，同时在应用程序界面调出对应的坐标系，接收到来自数据处理模块6的数据，在地下空心位置的点在坐标系中显示高亮，测量完成后对处于一条直线上的高亮点进行连线，没在一条直线上的点为地下空腔位置，绘制出地下PE管的路径，并可在屏幕上显示地下PE管的精确走向、深度、土壤性质、空腔数量等信息，能很大的提高施工的准确性。

WinCE应用程序界面主要用于上位机显示界面，matlab对来自于数据采集模块5的数据利用小波去噪等进行处理，并将预判出来的地下空心位置的坐标记录并传递给由Labview开发WinCE应用程序界面。

如图8所示，数据采集模块5的数据传送至平板电脑2进行数据处理，平板电脑2调用数据处理模块6对数据进行处理，处理好的数据传输给地下PE管自动绘制模块11在由Labview开发WinCE应用程序界面显示管线路径、土壤条件等。数据处理模块6通过已经下载到平板电脑2的小波去噪程序对接收到的回波信号进行数字去燥处理，将接收到的回波信号，先进行去噪效果评价参数的确定，然后按照小波去噪的方法去除第一次回波信号，对第二次回波信号按照评价参数进行判断，是否达到判断管线深度和空心的要求，达到就对信号重构并输出给管线绘制软件地下PE管自动绘制模块11，这样每次采集到的信号都非常精确，大大增强了本探测装置的精确性。

地下PE管自动绘制模块11能够根据每次从数据处理模块6传来的数据，自动在平板电脑2上WinCE应用程序界面按块显示其中高亮的部分，待数据全部测量完成，最后将高亮部分连线，绘制出地下非金属管线的路径位置，并同时在界面上显示管线深度等其他信息。

一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置的探测方法，包括以下内容：

当装置处于工作环境时，系统电源3通过DC/DC电源模块4分别给系统各个工作模块供所需类型的电源。

平板电脑2驱动自适应行走机构10按照预设的先右再上、先右再下、先左再上、先左再下4种测量路径之一，进行运动，如果只有一种行进路径，每次测量时都要将装置放置在固定位置，每次搬仪器很繁琐。有四种行进路径每次开始测量时本装置不需要选择固定的起始点，只需在平板电脑2上选好行进路径，装置会自动进行行走。自适应声波信号产生模块7包含D类功率放大器14，可产生不同频率范围为500Hz-1500Hz连续声波，根据实验所得数据选择不同频率的声波信号，以适应不同被检测非金属管道的管径与埋深，提高测量的准确性。

声波发射传感器8将自适应声波信号产生模块7产生的声波发出，声波接收传感器阵列9与数据采集模块(高精度数据采集卡)5相连，采集到的数据送入到平板电脑2，通过平板电脑2已经下载的小波去噪程序，将信号中的噪声进行抑制，得到需要的特征信号，判断出地下非金属管线的深度、位置等信息，平板电脑2再调用数据处理模块6和地下PE管自动绘制模块11在平板电脑2界面显示目前这边区域的地下非金属管线的路径和深度等信息。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置，其特征在于，所述装置包括平板电脑、系统电源、DC/DC电源模块、数据采集模块、数据处理模块、自适应声波信号产生模块、声波发生传感器阵列、声波接收传感器阵列、自适应行走机构、地下PE管自动绘制模块、液压机构、弹性机构、D类功率放大器；

所述自适应行走机构内部安装自适应声波信号产生模块，所述自适应声波信号产生模块内部具有D类功率放大器，声波发生传感器阵列、声波接收传感器阵列均安装在所述自适应声波信号产生模块的底部，自适应声波信号产生模块与自适应行走机构内壁之间还安装有液压机构以及弹性机构；

自适应声波信号产生模块的上部还安装有，系统电源，DC/DC电源模块、数据采集模块，系统电源与DC/DC电源模块相连，实现分别供电给数据采集模块、自适应声波信号产生模块、声波发生传感器阵列以及声波接收传感器阵列；

自适应声波信号产生模块信号需经D类功率放大器放大处理，再传送至自适应声波信号产生模块底部的声波发生传感器阵列，声波接收传感器阵列用于接收回传的声波信号，声波接收传感器阵列接收的声波信号通过数据采集模块采集后送入平板电脑，再传入数据处理模块，经处理后的数据通过地下PE管自动绘制模块绘制后上传至平板电脑，经平板电脑显示出来。

2.根据权利要求1所述的一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置，其特征在于，自适应声波信号产生模块7的底部的声波发生传感器阵列8与声波接收传感器阵列9均为8×4组，它们交叉排列组成8×8的阵列悬浮探测装置，声波发生传感器阵列8与声波接收传感器阵列9的大小、形状均相同。

3.根据权利要求1所述的一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置，其特征在于，自适应行走机构10有4个轮子,每个轮子都均有转向和自动锁定功能。

4.根据权利要求1所述的一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置，其特征在于，自适应声波信号产生模块7产生的频率根据土壤物性参数、埋地PE管深度等信息在范围500Hz-1500Hz进行调节。

5.根据权利要求1所述的一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置，其特征在于，地下PE管自动绘制模块的显示由LabVIEW开发WinCE应用程序界面组成，平板电脑调用数据处理模块处理数据的处理方法包括以下步骤：

步骤1.测量开始前对测量路径进行设置；

步骤2.在应用程序界面调出对应的坐标系，接收数据采集模块采集来的数据；

步骤3.根据前期实验，输入评价参数，利用小波变换去除第一次回波，若二次回波达到评价参数的要求，将地下空心位置的点在坐标系中高亮显示，测量完成后对处于一条直线上的高亮点进行连线，没有在一条直线上的点为地下空腔位置，绘制出地下PE管的路径；

步骤4.在平板电脑的地下PE管自动绘制模块上显示地下PE管的精确走向，深度、土壤性质、空腔数量等信息，能很大的提高施工的准确性。

6.根据权利要求1所述的一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置，其特征在于，弹性机构由弹簧构成，上下左右4个面各一根，弹簧一端连接到自适应行走机构的内壳，另一端连接到自适应声波信号产生模块，从而使声波发生传感器阵列和声波接收传感器阵列悬浮。

7.根据权利要求6所述的一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置，其特征在于，当探测装置开始工作时，平板电脑驱动液压机构开始工作，液压机构向下施加力，使悬浮状态声波发生传感器阵列和声波接收传感器阵列紧贴地面；

测量完成后，平板电脑控制液压机构取消施加的压力回归原位，弹性机构使声波发生传感器阵列和声波接收传感器阵列回复到初始位置。

8.一种具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.系统电源通过DC/DC电源模块分别给系统各个工作模块供所需类型的电源，液压机构及弹性机构将声波发生传感器阵列与声波接收传感器阵列驱动贴紧地面；

步骤2.平板电脑驱动自适应行走机构按照预设的4中测量路径之一，进行运动；

步骤3.自适应声波信号产生模块和D类功率放大器选择500Hz-1500Hz频率的声波信号，以适应不同被检测非金属管道的管径和埋深；

步骤4.声波发生传感器阵列将步骤3中产生的声波信号发出，声波接收传感器阵列接收声波信号并被数据采集模块接收，传至平板电脑，再传至数据处理模块，通过数据处理模块的小波去燥，将噪声信号进行抑制，得到需要的特征信号，判断出地下非金属管线的深度、位置的信息；

步骤5.数据处理模块在传至地下PE管自动绘制模块，平板电脑再调用地下PE管自动绘制模块信息，在平板电脑上显示当前区域的地下PE管的路径、深度、土壤性质的信息。

9.根据权利要求6所述的具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置的方法，其特征在于，4中测量路径是指先右再上、先右再下、先左再上、先左再下的4种行进方式。

10.根据权利要求6所述的具有自适应能力的高精度地下PE管探测装置的方法，其特征在于，步骤3中在软地面发射500-900hz频率的声波、硬地面发射900-1500hz频率的声波。

Images