1背景

目前針對燃氣PE管道的探測方法有很多，包括常見的主動聲源探測法、聲波反射法、地質(zhì)雷達法、示蹤線探測法、電子標簽探測法、釬探法等，另外市面上出現(xiàn)一些很玄妙的針對非金屬管線探測方法，如前幾年市面上出現(xiàn)的“天線寶寶”靜電力探測法、弱磁法、手持雷達探測等探測方法，這些方法的設備都是天價，因為人們還是普遍認為越貴的東西越有用性能越好，所以又貴又玄的新技術(shù)成為很多單位追逐的“新技術(shù)”，這些傳統(tǒng)的方法和“新技術(shù)”在市面上的探測效果在不同人群探測結(jié)果不一樣，導致很多燃氣公司，包括專業(yè)的檢測單位在這些眾多方法中不知道如何選擇有效的探測方法探測埋地的燃氣PE管道。

埋地燃氣PE管道一直是行業(yè)內(nèi)的探測難題，盡管目前主動聲源探測法已經(jīng)解決了聚乙烯（PE）非金屬管道探測的難題，但是主動聲源探測法是一種定性的物探方法，需要技術(shù)人員在現(xiàn)場有一定識別信號的能力和使用適當?shù)奶綔y方法才能進行精準探測。

部分技術(shù)人員把主動聲源探測法和雷迪金屬管線探測儀探測效果比較，誤認為只要是有效的探測方法就能通過看、分析信號就能探測到管線，所以至今仍然有很多人認為主動聲源探測法也解決不了燃氣PE管道的探測難題，在此背景下，越不容易探測的管線，就越容易有很多玄學的探測方法。

據(jù)說，某燃氣公司在多次技術(shù)探測失敗后，曾邀請風水師參與管線定位。有的采用“尋龍尺”的方法去探測燃氣PE管道。

面對PE管道探測這一"世界性難題"，從業(yè)者經(jīng)歷著多重心理沖突：

這種壓力導致人們急于尋找解決方案，有時甚至會嘗試缺乏科學依據(jù)的方法。

燃氣PE管道探測領(lǐng)域的玄學現(xiàn)象，本質(zhì)上是人類面對技術(shù)局限時的適應性反應。這種現(xiàn)象既揭示了當前工程技術(shù)的發(fā)展邊界，也反映了人性中尋求確定性與控制感的基本需求。隨著聲波定位等新技術(shù)的成熟推廣，以及工程決策科學化的推進，這種"技術(shù)-玄學"共生狀態(tài)有望逐步改善。

我們的專業(yè)技術(shù)團隊擁有近9年燃氣PE管道探測經(jīng)驗，從2016年開始至今先后完成上萬公里燃氣PE管道探測，團隊技術(shù)人員大多數(shù)是從地質(zhì)院校地球物理勘探專業(yè)畢業(yè)的學生，團隊一直專注于燃氣管道的探測和從事燃氣PE管道探測的設備研發(fā)生產(chǎn)工作，實打?qū)嵧瓿闪瞬簧偃細釶E管道探測項目，積累了一些燃氣PE管道探測的經(jīng)驗。

本文根據(jù)現(xiàn)場探測經(jīng)驗，從設備的有效性、適用性兩大內(nèi)容總結(jié)分析如何選取有效的埋地燃氣PE管道探測方法。

2.方法有效性

設備方法有效性從兩方面測試：

第一是是否能夠探測到有效的信號；

第二是在噪聲干擾情況下是否能夠有效識別信號。

2.1信號的有效性分析

信號的有效性是評價一款設備是否能夠有效探測到目標體的最基礎(chǔ)條件因素，如果這個基礎(chǔ)條件達不到，設備外觀、性能做得再優(yōu)秀都是無濟于事。

信號有效性到底如何理解呢？

首先是信號能觸達，即表示管道的信號能夠直接被傳感器接收到。信號一般通過物理傳輸方式，跟介質(zhì)的材質(zhì)、密度等物理性質(zhì)有關(guān)。

比如我們常說的地質(zhì)雷達是由電磁波發(fā)射和接收裝置組成，地質(zhì)雷達發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播遇到電阻率不一樣的介質(zhì)造成信號反射被接地面的接收器收到，從而達到探測目的。

聲波反射法（APL）也是在設備底部地面接觸的位置發(fā)射一束聲波信號，聲波信號在地下介質(zhì)傳播遇到密度不一樣的界面造成反射，反射波被地面上的接收器接收到。示蹤線探測法是通過在示蹤線施加變頻的電信號在地面上接收電磁信號達到探測目的。

主動聲源探測法的原理是通過驅(qū)動器向管道內(nèi)部施加聲波振動信號，振動信號沿著有氣體介質(zhì)的管道內(nèi)傳播，振動信號再通過聚乙烯管壁傳到地面上，傳感器在地面上接收信號，并分析信號強弱達到探測目的，這是一個信號的閉環(huán)，因此能夠接收到發(fā)射機沿著管道產(chǎn)生的振動信號，這是主動聲源探測法解決燃氣PE管道探測難題的基礎(chǔ)物理條件。

因此包括主動聲源，地質(zhì)雷達、示蹤線探測法、聲波反射法、電子標簽探測法都是能夠接受到表示管道的信號，這些方法應用是有物理條件基礎(chǔ)的，但是為什么我們很多場合仍然覺得這些方法沒有達到效果呢，繼續(xù)往下看看有效探測燃氣PE管道的第二個條件。

圖 1 主動聲源探測法的工作原理

2.2在噪聲背景下信號是否能識別

在噪聲背景下信號是否能被識別是有效探測燃氣PE管道的第二個條件，前面我們所說到的信號有效性要被接收器能夠接收到，信號是否還能識別也是設備有效性的重要衡量因素。

我們說地質(zhì)雷達、聲波反射法的信號能夠被接收到，但是地質(zhì)雷達受到介質(zhì)的電性性質(zhì)影響較大，地下有類似管道的空腔或者電性介質(zhì)不一樣時，都會產(chǎn)生雷達異常的信號，能夠在設備上顯示時差弧形的雷達信號，但是我們?nèi)匀粺o法識別這些信號到底是燃氣PE管道信號，還是供水PE管道信號，甚至其他管道的信號都很相似，沒有特定的特征，因此無法識別。

圖2 地質(zhì)雷達對不同地下管道的圖像反應圖

聲波反射法只要遇到地下密度不一樣的介質(zhì)都會造成聲波反射，不管是不是管道，因此無法識別反射波信號是否是管道信號。

因此在《城市工程地球物理探測標準（CJJ/T 7 -2017）》的第3章里講到城市工程地球物理探測的應用條件，也是我們選取有效的探測方法的基本原則。

《城市工程地球物理探測標準（CJJ/T 7 -2017）》內(nèi)容如下：

信號能夠被接收到和在噪聲背景下能夠識別這兩條是衡量設備有效性缺一不可的條件，智能聲波PE探管儀基于主動聲源探測法能夠有效的接收到振動信號，那它如何在噪聲背景下去識別管道信號呢？

儀器主要是通過濾波的方式排除其他噪聲干擾，自然界中存在汽車、工業(yè)機械、風聲等多種頻率的振動噪聲干擾在接收機的傳感器一段接收到全部頻率的聲波，包括自然氣噪聲信號和我們使用發(fā)射機發(fā)射固定的某一個頻率的振動信號，如果全頻的接收信號，那么我們在接收機里面聽到看到的就是雜亂無章的頻譜，無法判斷有效信號到底多強，是多少數(shù)值大小。

如何做到只接收到我們發(fā)射的這個頻率呢？

這就會用到濾波功能。濾波的基本原理就是在硬件上設置一個通道，只允許一定小范圍的聲波頻率能夠通過這個通道，其他的頻率信號都被排除在這個通道之外。

我們在實際探測的過程中如何衡量儀器的濾波效果呢？

第一，就是在城市自然的道路中進行燃氣管道探測，看信號數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定，是否受到周圍噪聲的干擾而不斷地跳動，甚至數(shù)值無法穩(wěn)定下來，說明設備的濾波效果做得不夠好。在自然道路中探測周圍有大車通過，信號可能瞬時發(fā)生突變，但是很快又穩(wěn)定下來，這個設備的濾波效果就很不錯。

第二，同一個位置的信號值是否相同。只要是同一個發(fā)射機和功率，在同一個位置，不同的人不同的時間去測，信號值是穩(wěn)定的，也就是信號值是相同的，但是往往我們在現(xiàn)場為什么傳感器放在“同一個位置”信號有時候相差很大，是因為我們傳感器的三角爪子放置的位置看起來是同一個位置，但是三角爪子不同兩次放置跟地面上接觸的面積不可能一樣，而傳感器信號傳輸跟接觸面有直接關(guān)系，這就是我們經(jīng)常遇到傳感器放在同一個位置信號強度不一樣的原因。

這個問題怎么處理呢？

為了避免三角爪子每次放置地面上接觸面積不一樣導致信號不一樣的問題，我們可以在同一個范圍內(nèi)，多放置幾次避免三角爪接觸不良引起的信號誤差。

在一個范圍內(nèi)（大概半徑10cm內(nèi)信號強度差不多）即可認為同點同值了，在現(xiàn)場中雖然同點的位置信號值相同，但是聲波傳導受接觸面影響很大，我們不可能每次人為的把傳感器接觸面做到每次接觸面積、承受壓力都相同，因此通過多次放置，達到驗證“同點同值”的效果。

3.設備適用性

設備的適用性一般從這幾個方面來評價：

（1）探測的精度

（2）探測距離和埋深

（3）設備便捷性

3.1探測精度

在使用基于主動聲源探測法時候，人們最關(guān)心的這個智能聲波PE探管儀能夠達到的精度是多少？

其實針對這類儀器設備，是不能直接標注設備探測精度的，因為基于主動聲源探測法的設備它是一個對結(jié)果只能定性類的設備，它不是像刻度尺等計量器一樣能夠?qū)Y(jié)果進行定量的。探測精度是一種管道探測結(jié)果要求，這個結(jié)果精度跟設備的性能和現(xiàn)場人員操作方法有很大關(guān)系。

探測結(jié)果的精度=人員的操作程度+設備性能

注：人員操作程度包括操作人員識別信號能力、通過多切面方法排除干擾的能力

也就是說假設設備性能一樣情況下，通過有效的探測操作方法，是可以提高探測精度的，這個也是我們經(jīng)常遇到的問題：為什么不同的人員拿著設備區(qū)探測，結(jié)果誤差很大的原因。說得直白一點就是，現(xiàn)場人員探測工作的隨意性，就很容易影響探測結(jié)果。

圖3 燃氣管道探測精度誤差來源

所以我們不能直接拿管道探測的精度來要求設備的精度，那我們應該到底如何來評價設備探測的性能呢。

燃氣PE探管儀設備探測性能的評價方法我們可以按照這個方法來進行。

圖4 設備探測性能評價圖

我們知道聲波在介質(zhì)中傳播規(guī)律，在均勻介質(zhì)中，管道正上方信號最強，距離管道越遠信號越弱。

假設管道正上方信號最強，信號強度記為A，取管道正上方兩側(cè)的信號強度為B的位置，其中B=90%A，即A，B的信號強度差值為10%。此時A,B對應的地面水平距離為L，L視為探測的誤差精度，記為±L。使用主動聲源法來探測PE燃氣管道時，地表產(chǎn)生一個信號強度分布場，設備需精確判段出信號強度的分布情況。

若兩點的信號的差值太小，是不利于信號強度的判斷的，會直接影響探測精度。因此我們規(guī)定A，B兩點的差值為10%，得到誤差精度±L，可以排除人為因素的干擾。評價設備誤差精度，應測出多組對于數(shù)據(jù)，如下：

如果我們在現(xiàn)場使用燃氣PE探管儀，同樣的位置信號強度差值越大，同時L越小，越容易識別出管道位置，這樣的設備是比較容易識別管道位置，設備性能較好。

因此對智能PE探管儀KF-50的頻譜進行優(yōu)化處理，目的就是在管道正上方信號盡可能最強，遠離管道正上方，信號值要快速的衰減，使得正上方的信號和遠離管道正上方的差值越大。

所以我們評價設備探測性能好，這款設備就應該在同一點上信號值最強，在管道正上方兩側(cè)各設定30cm距離的兩個點，測量出來的信號值越小，設備性能越好。

我們常見的設備探測精度是以各個廠家技術(shù)人員自行拿著設備，以現(xiàn)場探測的結(jié)果作為評價探測設備的依據(jù)，這種方法來評價設備精度還不夠全面，因為現(xiàn)場探測人的探測經(jīng)驗在整個比試中占比很大，一個老練的技術(shù)人員拿著很老的設備和一個新技術(shù)人員拿著新版智能設備測的結(jié)果會相差很大。就如同一名不會開車的小學生開著法拉利和一個老司機開著拖拉機比賽一樣，最終可能拖拉機會贏。

圖5

3.2探測距離和埋深

我們在以往的設備比試中，用探測距離和探測的深度作為衡量設備的一種重要因素，

探測距離跟設備的功率、傳感器靈敏度和所探測位置的管道埋深大小、所測管道的分支多少有關(guān)。我們所說的探測距離都是指在直埋管道（管道埋深1米左右）的條件下，在沒有分支的情況下的探測距離。

探測埋深跟設備的功率、傳感器靈敏度和穿越管道的土壤介質(zhì)有關(guān)，約密實的土壤環(huán)境（如硬質(zhì)水泥路面），探測越深，土壤越疏松（如農(nóng)田、河谷）探測效果越差，根據(jù)最近一次國內(nèi)幾款設備在福建漳州的比試結(jié)果，市面上大多數(shù)的設備該項性能差不多，受土壤環(huán)境影響較大，因此我們在現(xiàn)場探測的時候，盡可能選擇土壤密實的位置去搜索信號。

3.3設備便攜智能性

設備便攜性主要考慮在相同的探測能力下，設備越集成、小巧耐用越好，設備越智能越容易讓使用人員能夠快速上手。

4設備研究的方向

根據(jù)以上評價內(nèi)容，我們在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷地對設備進行升級和改進，KF-50是我公司最新研發(fā)生產(chǎn)的新一代智能燃氣PE管道探測儀，是基于公司歷代版本的PE管道探測儀基礎(chǔ)上研發(fā)升級的新產(chǎn)品，相比以往系列的PE管道探測儀，KF-50在外觀及適用性等功能上全面進行重新設計，發(fā)射機的單體智能觸屏式設計，強悍的外觀及輕巧便捷的手提方式更加適應各種現(xiàn)場探測環(huán)境，接收機增加頻譜自動識別、掃面探測、管道地圖、探測軌跡等功能，全新一代智能燃氣PE探管儀突出的大埋深管道探測能力，具有更智能、更便捷、更準確的優(yōu)勢。

圖6

新設備主要突出一下幾個特點

突出大埋深管道探測能力 發(fā)射機可任意調(diào)節(jié)頻率，通過發(fā)射低頻振動信號，增加聲波振動穿透能力實現(xiàn)大埋深和長遠距離探測，全頻段頻譜信號分析人耳無法識別的低頻信號，達到大埋深遠距離探測目的。

探測智能化 接收機主界面增加頻譜智能自動識別、探測掃面、管道地圖、探測巡線軌跡等功能，使得現(xiàn)場探測方式和獲取的管道探測信息更加豐富，便于操作人員快速識別管道在地下的準確位置；

安全便捷化 信號接收分析系統(tǒng)采用APP開發(fā)模式，配置工業(yè)級防爆防水平板電腦，也可安裝在安卓手機上接收信號，結(jié)合衛(wèi)星定位系統(tǒng)、5G通信系統(tǒng)及wifi、藍牙通信功能實現(xiàn)整機無線數(shù)據(jù)傳輸和指令控制，接收機和發(fā)射機之間采用5G數(shù)據(jù)傳輸，可實時查看、控制發(fā)射機狀態(tài)，控制指令不受距離限制，主機和傳感器通過wifi連接擺脫有線連接易損繁瑣的問題。

數(shù)據(jù)可視化 現(xiàn)場探測的數(shù)據(jù)及掃面圖像、探測測繪成果、現(xiàn)場管線存在問題（現(xiàn)場圖片、文字描述）等內(nèi)容，可導出形成探測報告的過程記錄資料，地圖功能可保存現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)形成管道圖。

云平臺數(shù)據(jù)傳輸 通過4G信號與云平臺連接，無線距離中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)無距離遠程遙控，預留與燃氣公司的管網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺對接接口，數(shù)據(jù)可實時傳回室內(nèi)進行分析判斷。

4.1設備有效性研究

為了更加有效地識別埋地燃氣PE管道的信號，我們對新設備做了以下改進：

發(fā)射機部分

 （1）增加發(fā)射機的任意調(diào)節(jié)頻率功能，任意調(diào)節(jié)頻率使得技術(shù)人員在探測現(xiàn)場遇到不同的條件可通過調(diào)節(jié)頻率方式增加接收信號的強度。我們前面說過，低頻信號穿透力強，探測得更深更遠，高頻信號分辨率高，按照這個邏輯技術(shù)人員可根據(jù)情況，自由調(diào)節(jié)發(fā)射機頻率，達到探測效果，調(diào)節(jié)的方式采用云服務調(diào)節(jié)，不受距離和障礙物的限制。

（2）加大功率使得管道中的信號傳輸更遠，發(fā)射機上預留了兩個驅(qū)動器接口，可采用雙驅(qū)動模式，增加發(fā)射機功率。

（3）波形調(diào)節(jié)，可選擇使用方波和正弦波，方波是能量最強的一種波形，但是正是由于方波能力強，更加容易造成設備發(fā)熱，正弦波是把方波的尖銳能量刪除掉，形成弧形的能量，因此正弦波比較柔和，但是振幅與方波一致，我們發(fā)射機常用的是正弦波。在距離遠、大埋深管道探測時候，可采用方波進行發(fā)射。

接收機部分

接收機部分重點進行濾波升級，盡可能放大有益信號，壓制干擾信號。

目前國內(nèi)硬件濾波最小的寬度是20Hz，已經(jīng)算很高的濾波精度了，這個濾波寬度就像是一道門，這個門只允許20cm寬度的人能夠進入，如果你超胖身體寬度超過20cm，那超過的部分進不了門，例如我們設備中頻的中心頻率設置是470Hz，那么只有460-480Hz頻率的聲波才能允許進入接收機內(nèi)，我們只關(guān)注我們發(fā)射的這個頻率的聲波即可，其他的聲波信號被排除在外，從而達到識別有效信號的目的。

這個濾波的中心頻率是任意可調(diào)的，根據(jù)我們發(fā)射機發(fā)射的信號來設定，假設發(fā)射機發(fā)射300Hz中心頻率的聲波信號，那么我們只需要調(diào)節(jié)接收機濾波中心頻率道300Hz即可。

圖7  接收機信號操作界面

為了測試濾波的有效性，我們分室內(nèi)模擬和真實道路環(huán)境兩種情況進行測試。

室內(nèi)測試，我們使用發(fā)射機發(fā)射中頻信號470Hz，同時發(fā)射其他頻率的聲波信號，300Hz和700Hz信號，我們把接收機濾波調(diào)節(jié)到470Hz，接收信號不受到干擾，470Hz的信號不受影響。

室外現(xiàn)場測試，選擇機動車較多的車行道附近管道進行測試，接收機的濾波主頻率調(diào)節(jié)到發(fā)射機發(fā)射對應的頻率上進行測試，在接收機屏幕上只接收到發(fā)射機發(fā)射的頻率，其他信號干擾是瞬時信號對主頻率的信號值大小沒有影響。

4.2 設備適用性研究

發(fā)射機部分

KF-50設備整體上智能化做得比較好，發(fā)射機部分全部采用觸屏的方式，在屏幕上可從0-2000Hz任意選擇發(fā)射機頻率，功率調(diào)節(jié)、頻率選擇、波形選擇全部采用觸屏方式，操作均有，在并屏幕上顯示當前驅(qū)動器溫度，具有溫度自動調(diào)節(jié)安全保護功能，防止驅(qū)動器溫度過高。

圖8  發(fā)射機操作界面

發(fā)射機顯示通信信號、電量顯示一目了然，發(fā)射機還具備雙驅(qū)動的拓展功能，向外輸出電源的功能，防止在戶外接收機或者操作者手機沒電，發(fā)射機可以想其他的設備進行充電。

發(fā)射機的智能性還表現(xiàn)在在接收機上可以云遙控的方式查看、控制發(fā)射機的狀態(tài)，該遙控方式不受距離限制。

這款發(fā)射機在燃氣PE管道探測的應用領(lǐng)域功能已經(jīng)基本上擴展完成，基本上能夠想到的應用都有了。

接收機部分

接收機采用APP安裝的方式，可以安裝在平板、安卓手機上，軟件可以自動升級和更新，以后軟件升級非常方便。

在信號的識別上，KF-50做了全新的升級，接收機采用頻譜自動識別、信號外放提示音、掃面探測、地圖顯示燈多種方式，輔助探測人員進行信號識別。

1）頻譜自動識別功能

圖9  濾波信號效果

同一個界面上，4鐘信號識別方式：頻率識別（頻率大小和能量大?。⒙曇糇R別、自動鎖頻、聲音提示。屏幕上自動識別到管道信號，該紅圈位置變?yōu)榫G色，并持續(xù)發(fā)出“滴滴”報警功能。該頻譜識別最高信號“98%”呈柱狀，非常平穩(wěn)清晰。

2）復雜管線掃描功能

目前唯一一款能夠針對復雜管線進行掃描探測的功能的設備。掃描功能可以針對庭院管道，平行、交叉、彎頭重點復雜的位置進行掃描探測，通過掃描式探測，一鍵形成管線信號分布圖，直接直觀的能夠看到管道位置。

圖10 復雜管道掃面模式

 圖11 復雜管道掃面模式

3）實時查看地圖管線圖

在探測信號界面可以保存數(shù)據(jù)，形成管線圖。

圖12 地圖自動生成管線連接圖

4）巡線上報功能

探測管線同時自動記錄管線點位置，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題，可記錄隱患點信息，隨時上報后臺處理。

圖13 探測過程中發(fā)現(xiàn)隱患上報

5）無線連接功能

主機和傳感器通過熱點連接，現(xiàn)場探測更加方便，擺脫有線連接易損繁瑣的問題，傳感器和接收機采用有線連接存在很大的問題就是傳感器的線由于在探測過程中反復拖拽，容易造成損壞，KF-50是采用藍牙數(shù)據(jù)傳輸，設備很便攜。國內(nèi)其他設備主要采用有線連接，個別采用無線連接的設備，信號延遲比較嚴重，探測一個點需要很長時間。KF-50的信號接收反應時間跟有線連接的速度幾乎一樣，探測效率很高。

圖14 地圖自動生成管線連接圖

應用場景

圖15 應用場景

總體上，KF-50系列的主動聲源探測儀，通過有效性和適用性研究和升級，目前設備小巧便捷，多種信號智能化識別方式更加有助于技術(shù)人員快速識別管道，濾波信號清晰反應迅速，設備可安裝任意手機上，接收機軟件可自動在后臺升級，數(shù)據(jù)可直接保存在云端，同時傳輸?shù)绞覂?nèi)，已經(jīng)是一款非常既智能、便捷又能夠很好識別管道信號的智能燃氣PE管道探測設備。