非金属燃气管道定位计算方法、系统、介质、设备及终端

本发明属于安全环保施工检测、地球物理地下管道探测，尤其涉及一种非金属燃气管道定位计算方法、系统、介质、设备及终端。

背景技术：

1、目前，城市已有地下管线准确定位是老旧管线网改造、城市工程建设等安全环保施工的关键。其中，燃气管线铺设是市政工程中的一项基础民生保障工程，特别是天然气作为一种易燃、易爆炸的气体，稍有不慎发生泄漏或滞留都将造成严重后果，祸及千家万户。准确可靠的地下燃气管线探测技术是直接避免盲目开挖和管道泄漏造成事故和社会经济损失的关键技术，并且减少开挖成本、提高效率，为管道的安全稳定运行提供保障，具有非常重要的理论研究价值和现实意义。

2、地下燃气管道常用材料为非金属材质，如pe管材，其为惰性材质，不导电、不导磁，埋地敷设后，很难精准探测其位置及埋深。目前，有别于本发明涉及方法技术的其他地下燃气管道定位技术很多，如井中调查与开挖样洞相结合技术、直接开挖法、扦插法、示踪法、权属认证及看图法等等。上述方法存在缺陷较为明显：如直接开挖类方法费时费力、成本高；扦插法适用于表层覆盖土体较薄或松软工区；示踪法不适用于老旧管道；权属认证及看图法不适用于没有相关图纸、表层有过变动或施工权属单位不明确的管线探测项目。

3、探地雷达发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波遇到不同的电性界面时发生反射，通过软件分析观测信号区别地下的不同介质。但该方法定位效率低，对直径较小敷设深度较大的管道反射信号较弱，图像具有多解性，受管道上方回填物干扰影响大，对操作人员专业水平及经验要求较高。弱磁感应法利用燃气所含氢原子核中的质子是一种带有正电荷并不停自旋转的粒子，它们在外磁场作用下将按一定的方向有规则的排列，表现出非常微弱的磁性，根据这一现象，研制出能将弱磁场放大的探测仪，在地面上方通过专门仪器拾取该信号，从而探测燃气管道的位置与埋深。但该方法要求必须垂直管道检测，抗干扰能力差，定位精度不高，检测人员的熟练程度影响大。

4、主动声源地下管道探测法是应用于非金属材质的地下管道较为普遍的方法技术，其工作原理是利用发射控制机驱动气体振动器通过放散阀或者调压箱对燃气管道施加特殊频率声波振动信号，使管道中的天然气产生特殊调制的振荡波信号，并沿管道定向传播至远端，该声波振动信号在管道压力气体中定向传播的同时，通过管壁和上覆盖层介质立体传播至地面；工作人员佩戴耳机听音器在管道上方地面上采集音频信号确定管道的位置。

5、主动声源探测法采用复合特殊频率的声波信号为主动信号源，主动信号具有强识别性和辨识度，不易受到人为因素及周边其他管线影响，使得探测结果准确率有所提高。但是这种方法目前仅利用声波分贝强度进行定位，存在效率低、检出率低、特别是无法确认目标管道的深度等缺点，仍属于定性检测方法。

6、综上所述，现有非地球物理探测类地下燃气管道定位技术主要靠人为开挖验证为主，定位过程耗费人力物力，效率低且成本昂贵，无法满足高效、低成本的城市地下燃气管道定位需求。常用的地球物理电磁类、地震类地下燃气管道定位技术对探测管道目标体尺寸要求较大，非金属材质燃气管道为惰性材质，不导电、不导磁，使得电磁信号微弱；非主动震源地震信号具有现场布线难度大、工作效率低、干扰信号复杂、探测精度低等缺点。

7、另外，城市非金属管道探测环境错综复杂，干扰信号强度较大；当目标管道尺寸大小、方位及电磁效应强度等多种不确定因素综合影响下，地球物理探测异常强度甚是微弱，导致定位精度极其有限。基于连续的主动声源激发条件下，地面地震波检波器接收的信号与激发信号并不同步，使得从地面接收信号提取由管道返回的震动信号极为困难；其次，接收信号同时包含地面直接传播的地震波信号，导致原本就甚是混杂的震动异常信号更难以区分。由于与传统的地下场源定位位置不同，基于主动声源激发条件、地震检波器接收管道返回震动信号进行定位计算方法需要重新推导研发。

8、目前，基于主动声源的地下非金属燃气管道探测主要以人工佩戴耳机，采用管道返回地面的声音进行定性确定地面的位置，但无法定量确定管道深度。当前地下燃气管道定位领域还未见有针对主动声源的地下非金属燃气管道定位计算方法的定量研究报道。因此，迫切需要开发一种创新性主动声源定位计算方法，用以对复杂城市工区地下非金属燃气管道定位。

9、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

10、(1)现有非地球物理探测类地下燃气管道定位技术耗费人力物力，效率低且成本昂贵，无法满足高效、低成本的城市地下燃气管道定位需求。

11、(2)常用的地球物理电磁类、地震类地下燃气管道定位技术对探测管道目标体尺寸要求较大，非金属材质燃气管道电磁信号微弱；非主动震源地震信号具有现场布线难度大、工作效率低、干扰信号复杂、探测精度低等缺点。

12、(3)现有基于主动声源的地下非金属燃气管道探测以人工佩戴耳机，采用管道返回地面的声音进行定性确定地面的位置，但无法定量确定管道深度。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种非金属燃气管道定位计算方法、系统、介质、设备及终端，尤其涉及一种基于主动声源的地下非金属燃气管道定位计算方法、系统、介质、设备及终端。

2、本发明是这样实现的，一种非金属燃气管道定位计算方法，非金属燃气管道定位计算方法包括：采用主动声源振动器对燃气管道施加可选频率声波振动信号，使管道中的天然气产生振荡波信号，并沿管道定向传播至远端；声波振动信号在管道压力气体中定向传播的同时，通过管壁和上覆盖层介质立体传播至地面；基于地面微动探测器接收的振动信号，提取地下非金属燃气管道返回的振动信号，拾取管道振动信号传播至不同位置微动探测器的时间；根据不同位置接收点的时间差构建方程组，定量求解地下非金属燃气管道的位置信息。

3、进一步，非金属燃气管道定位计算方法包括以下步骤：

4、步骤一，确定用于主动声源发射机振动器连接口，选择合适尺寸的接头，连接发射机振动器；在地面发射机连接振动器井口布置一个固定的微动探测器，在管道定位区域布置五个可移动微动探测器；

5、步骤二，启动所有微动探测器，进行连续振动信号接收；开启发射控制机驱动气体振动器，通过放散阀或调压箱对燃气管道施加可选频率声波振动信号，使管道中的天然气产生振荡波信号，并沿管道定向传播至远端；声波振动信号在管道压力气体中定向传播的同时，通过管壁和上覆盖层介质立体传播至地面，地面微动探测器接收来自地下返回的振动信号；

6、步骤三，根据地面微动探测器接收的振动信号，提取地下非金属管道返回的振动信号，拾取管道振动信号传播至不同位置微动探测器的时间；根据不同位置接收点的时间差，以定位管道点的坐标；上覆盖层介质振动波传播速度和管道激发点至定位点的传播时间为未知量，构建并求解方程组，获取管道定位点坐标、上覆盖层介质振动波传播速度、管道激发点至定位点的传播时间；

7、步骤四，重复步骤一至步骤三，移动地面的五个可移动微动探测器进行逐点管道定位，得到整个地下非金属管道管网分布。

8、进一步，步骤一中，在地面发射机连接振动器井口布置一个固定的微动探测器，确定管道垂直段和水平段距离总和l和在管道定位点p，并按直线型系统布置1～5编号的可移动微动探测器。

9、进一步，步骤一中，主动声源发射机振动器与法兰盘接口、低压放散口或接口、pe球阀法兰放散口连接；

10、固定微动探测器布置于阀井中外通燃气管道方向的地面处；可移动微动探测器针对每一个定位点位为一组观测系统，采用多重圆、直线型、l线型、三角型或不规则型布置，各个可移动微动探测器间距为0.5～1m。

11、进一步，步骤二中，可选发射机频率800hz，用于井边近距离复杂管道探测；可选发射机频率480hz，用于常规中距离管道探测；可选发射机频率400hz，用于探测远距离浅埋深管道；可选发射机频率低于400hz，用于探测远距离大埋深管道；微动探测器采样间隔设置为0.25ms。

12、进一步，步骤三中，采用笛卡尔直角坐标系，坐标系原点为主动声源激发点，取坐标系z轴垂直向上，则根据右手螺旋法则确定x轴和y轴方向；待定位的管道顶部点位p坐标为(xp,yp,zp)，上覆盖层介质振动波传播速度为v，管道激发点至定位点位的管道长度为l，各个微动探测器的空间位置坐标为(xi,yi,zi)，i＝1,2,3,4,5；固定微动探测器接收信号起跳时间为t0，可移动微动探测器接收信号起跳时间为ti，激发信号从管道激发点至定位点位的管道长度为l中传播时间为tp，激发信号从管道激发点至可移动微动探测器距离中传播时间为δti＝ti-t0，激发信号从定位点位p至可移动微动探测器距离中传播时间为ti。

13、根据微动探测器接收的振动信号时间序列幅值骤变点，读取固定微动探测器接收信号起跳时间t0和激发信号从定位点位p至可移动微动探测器距离中传播时间为ti，则对应可移动微动探测器，根据传播时间、上覆盖层介质传播速度以及传播距离关系式：

14、(xi-x)2+(yi-y)2+(zi-z)2＝v2.(ti)2；

15、利用δti＝ti-t0＝ti+tp关系式，将(1)式改写为：

16、(xi-x)2+(yi-y)2+(zi-z)2＝v2.(δti-tp)2；

17、5个可移动微动探测器接收信号满足方程组：

18、

19、采用以下两步式求解5个未知量：

20、将5个可移动微动探测器接收信号满足的方程组中的一个方程组与其他4个方程组相减，若将第2～5个微动探测器满足的方程组与第一个微动探测器满足的方程组相减，并展开平方项整理得到新的方程组：

21、

22、求解新的方程组获取精确的v和tp解，基于已求取精确的v和tp解，代入5个可移动微动探测器接收信号满足的方程组，则未知量为x,y,z，选用其中三个方程式组求解得到三个未知量。

23、本发明的另一目的在于提供一种应用所述的非金属燃气管道定位计算方法的非金属燃气管道定位计算系统，非金属燃气管道定位计算系统包括：发射机、振动器及接口、固定微动探测器、可移动微动探测器、直线型观测系统、地下非金属燃气管道、地面、上覆盖层介质以及定位点位p；0为固定微动探测器编号；1，2，3，4，5表示可移动微动探测器编号；v为上覆盖层介质振动波传播速度；l1和l2分别为管道垂直段、水平段长度，l为l1和l2两段管道总长度；x，y，z为直角坐标系分量。其中，发射机与振动器及接口导线相连，固定微动探测器放置于地面，可移动微动探测器按照直线型观测系统放置于地下非金属燃气管道的上方地面，上覆盖层介质中定义管道定位点位p。

24、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的非金属燃气管道定位计算方法的步骤。

25、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的非金属燃气管道定位计算方法的步骤。

26、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的非金属燃气管道定位计算系统。

27、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

28、第一，本发明提供的基于主动声源的地下非金属燃气管道定位计算方法，采用主动声源振动器对燃气管道施加可选频率声波振动信号，使管道中的天然气产生振荡波信号，并沿管道定向传播至远端，该高幅值的声波振动信号在管道压力气体中定向传播的同时，通过管壁和上覆盖层介质立体传播至地面，因而可以极大提高地面接收的振动信号幅值，抗噪能力强，实现地下非金属燃气管道的精确定量定位，为城市地下燃气管道管网的健康、高效运行提供技术保障。

29、本发明基于地面微动探测器接收的振动信号，提取地下非金属燃气管道返回的振动信号，拾取管道振动信号传播至不同位置微动探测器的时间；根据不同位置接收点的时间差构建方程组，定量求解地下非金属燃气管道位置信息，突破当前主动声源或有源声源地下非金属燃气管道依靠人工佩戴耳机接收声音进行定性定位的技术难题，实现高精度、高效定量的地下非金属燃气管道定位。

30、本发明填补了地下非金属燃气管道定量定位计算方法的空白，将为不同铺设环境的地下燃气管道探测、城市涉管道区域安全环保施工以及地下燃气管网的健康、高效运行提供技术保障。本发明将微动探测理论与当前基于主动声源地下非金属燃气管道定位紧密的结合在一起，充分发挥了二者在各自领域中的优势，将高效的微动探测理论集成在传统的地下非金属燃气管道定位应用中。

31、本发明的基于主动声源地下非金属燃气管道定位计算装置采用连续时间采样间隔进行直接接收振动信号，在定位管道内产生稳定的、传播距离较远的较高强度振动信号，抗噪能力强，接收信号分辨率高。本发明针对地下非金属燃气管道定位，可填补地下非金属燃气管道定量定位的空白。

32、第二，本发明通过设计合理的主动声源观测系统，针对当前主动声源或有源声源无法定量定位、定深且探测精度低的问题，提出基于地震波动的地下非金属燃气管道定位计算方法，通过推广将为不同铺设环境的地下燃气管道探测、城市涉管道区域安全环保施工以及地下燃气管网的健康、高效运行提供技术保障。