如何选择有效的方法探测埋地燃气PE管道

1背景

目前针对燃气PE管道的探测方法有很多，包括常见的主动声源探测法、声波反射法、地质雷达法、示踪线探测法、电子标签探测法、钎探法等，另外市面上出现一些很玄妙的针对非金属管线探测方法，如前几年市面上出现的“天线宝宝”静电力探测法、弱磁法、手持雷达探测等探测方法，这些方法的设备都是天价，因为人们还是普遍认为越贵的东西越有用性能越好，所以又贵又玄的新技术成为很多单位追逐的“新技术”，这些传统的方法和“新技术”在市面上的探测效果在不同人群探测结果不一样，导致很多燃气公司，包括专业的检测单位在这些众多方法中不知道如何选择有效的探测方法探测埋地的燃气PE管道。

埋地燃气PE管道一直是行业内的探测难题，尽管目前主动声源探测法已经解决了聚乙烯（PE）非金属管道探测的难题，但是主动声源探测法是一种定性的物探方法，需要技术人员在现场有一定识别信号的能力和使用适当的探测方法才能进行精准探测。

部分技术人员把主动声源探测法和雷迪金属管线探测仪探测效果比较，误认为只要是有效的探测方法就能通过看、分析信号就能探测到管线，所以至今仍然有很多人认为主动声源探测法也解决不了燃气PE管道的探测难题，在此背景下，越不容易探测的管线，就越容易有很多玄学的探测方法。

据说，某燃气公司在多次技术探测失败后，曾邀请风水师参与管线定位。有的采用“寻龙尺”的方法去探测燃气PE管道。

面对PE管道探测这一"世界性难题"，从业者经历着多重心理冲突：

这种压力导致人们急于寻找解决方案，有时甚至会尝试缺乏科学依据的方法。

燃气PE管道探测领域的玄学现象，本质上是人类面对技术局限时的适应性反应。这种现象既揭示了当前工程技术的发展边界，也反映了人性中寻求确定性与控制感的基本需求。随着声波定位等新技术的成熟推广，以及工程决策科学化的推进，这种"技术-玄学"共生状态有望逐步改善。

我们的专业技术团队拥有近9年燃气PE管道探测经验，从2016年开始至今先后完成上万公里燃气PE管道探测，团队技术人员大多数是从地质院校地球物理勘探专业毕业的学生，团队一直专注于燃气管道的探测和从事燃气PE管道探测的设备研发生产工作，实打实完成了不少燃气PE管道探测项目，积累了一些燃气PE管道探测的经验。

本文根据现场探测经验，从设备的有效性、适用性两大内容总结分析如何选取有效的埋地燃气PE管道探测方法。

2.方法有效性

设备方法有效性从两方面测试：

第一是是否能够探测到有效的信号；

第二是在噪声干扰情况下是否能够有效识别信号。

2.1信号的有效性分析

信号的有效性是评价一款设备是否能够有效探测到目标体的最基础条件因素，如果这个基础条件达不到，设备外观、性能做得再优秀都是无济于事。

信号有效性到底如何理解呢？

首先是信号能触达，即表示管道的信号能够直接被传感器接收到。信号一般通过物理传输方式，跟介质的材质、密度等物理性质有关。

比如我们常说的地质雷达是由电磁波发射和接收装置组成，地质雷达发射一定频率的电磁波，电磁波在地下介质传播遇到电阻率不一样的介质造成信号反射被接地面的接收器收到，从而达到探测目的。

声波反射法（APL）也是在设备底部地面接触的位置发射一束声波信号，声波信号在地下介质传播遇到密度不一样的界面造成反射，反射波被地面上的接收器接收到。示踪线探测法是通过在示踪线施加变频的电信号在地面上接收电磁信号达到探测目的。

主动声源探测法的原理是通过驱动器向管道内部施加声波振动信号，振动信号沿着有气体介质的管道内传播，振动信号再通过聚乙烯管壁传到地面上，传感器在地面上接收信号，并分析信号强弱达到探测目的，这是一个信号的闭环，因此能够接收到发射机沿着管道产生的振动信号，这是主动声源探测法解决燃气PE管道探测难题的基础物理条件。

因此包括主动声源，地质雷达、示踪线探测法、声波反射法、电子标签探测法都是能够接受到表示管道的信号，这些方法应用是有物理条件基础的，但是为什么我们很多场合仍然觉得这些方法没有达到效果呢，继续往下看看有效探测燃气PE管道的第二个条件。

图 1 主动声源探测法的工作原理

2.2在噪声背景下信号是否能识别

在噪声背景下信号是否能被识别是有效探测燃气PE管道的第二个条件，前面我们所说到的信号有效性要被接收器能够接收到，信号是否还能识别也是设备有效性的重要衡量因素。

我们说地质雷达、声波反射法的信号能够被接收到，但是地质雷达受到介质的电性性质影响较大，地下有类似管道的空腔或者电性介质不一样时，都会产生雷达异常的信号，能够在设备上显示时差弧形的雷达信号，但是我们仍然无法识别这些信号到底是燃气PE管道信号，还是供水PE管道信号，甚至其他管道的信号都很相似，没有特定的特征，因此无法识别。

图2 地质雷达对不同地下管道的图像反应图

声波反射法只要遇到地下密度不一样的介质都会造成声波反射，不管是不是管道，因此无法识别反射波信号是否是管道信号。

因此在《城市工程地球物理探测标准（CJJ/T 7 -2017）》的第3章里讲到城市工程地球物理探测的应用条件，也是我们选取有效的探测方法的基本原则。

《城市工程地球物理探测标准（CJJ/T 7 -2017）》内容如下：

信号能够被接收到和在噪声背景下能够识别这两条是衡量设备有效性缺一不可的条件，智能声波PE探管仪基于主动声源探测法能够有效的接收到振动信号，那它如何在噪声背景下去识别管道信号呢？

仪器主要是通过滤波的方式排除其他噪声干扰，自然界中存在汽车、工业机械、风声等多种频率的振动噪声干扰在接收机的传感器一段接收到全部频率的声波，包括自然气噪声信号和我们使用发射机发射固定的某一个频率的振动信号，如果全频的接收信号，那么我们在接收机里面听到看到的就是杂乱无章的频谱，无法判断有效信号到底多强，是多少数值大小。

如何做到只接收到我们发射的这个频率呢？

这就会用到滤波功能。滤波的基本原理就是在硬件上设置一个通道，只允许一定小范围的声波频率能够通过这个通道，其他的频率信号都被排除在这个通道之外。

我们在实际探测的过程中如何衡量仪器的滤波效果呢？

第一，就是在城市自然的道路中进行燃气管道探测，看信号数据是否稳定，是否受到周围噪声的干扰而不断地跳动，甚至数值无法稳定下来，说明设备的滤波效果做得不够好。在自然道路中探测周围有大车通过，信号可能瞬时发生突变，但是很快又稳定下来，这个设备的滤波效果就很不错。

第二，同一个位置的信号值是否相同。只要是同一个发射机和功率，在同一个位置，不同的人不同的时间去测，信号值是稳定的，也就是信号值是相同的，但是往往我们在现场为什么传感器放在“同一个位置”信号有时候相差很大，是因为我们传感器的三角爪子放置的位置看起来是同一个位置，但是三角爪子不同两次放置跟地面上接触的面积不可能一样，而传感器信号传输跟接触面有直接关系，这就是我们经常遇到传感器放在同一个位置信号强度不一样的原因。

这个问题怎么处理呢？

为了避免三角爪子每次放置地面上接触面积不一样导致信号不一样的问题，我们可以在同一个范围内，多放置几次避免三角爪接触不良引起的信号误差。

在一个范围内（大概半径10cm内信号强度差不多）即可认为同点同值了，在现场中虽然同点的位置信号值相同，但是声波传导受接触面影响很大，我们不可能每次人为的把传感器接触面做到每次接触面积、承受压力都相同，因此通过多次放置，达到验证“同点同值”的效果。

3.设备适用性

设备的适用性一般从这几个方面来评价：

（1）探测的精度

（2）探测距离和埋深

（3）设备便捷性

3.1探测精度

在使用基于主动声源探测法时候，人们最关心的这个智能声波PE探管仪能够达到的精度是多少？

其实针对这类仪器设备，是不能直接标注设备探测精度的，因为基于主动声源探测法的设备它是一个对结果只能定性类的设备，它不是像刻度尺等计量器一样能够对结果进行定量的。探测精度是一种管道探测结果要求，这个结果精度跟设备的性能和现场人员操作方法有很大关系。

探测结果的精度=人员的操作程度+设备性能

注：人员操作程度包括操作人员识别信号能力、通过多切面方法排除干扰的能力

也就是说假设设备性能一样情况下，通过有效的探测操作方法，是可以提高探测精度的，这个也是我们经常遇到的问题：为什么不同的人员拿着设备区探测，结果误差很大的原因。说得直白一点就是，现场人员探测工作的随意性，就很容易影响探测结果。

图3 燃气管道探测精度误差来源

所以我们不能直接拿管道探测的精度来要求设备的精度，那我们应该到底如何来评价设备探测的性能呢。

燃气PE探管仪设备探测性能的评价方法我们可以按照这个方法来进行。

图4 设备探测性能评价图

我们知道声波在介质中传播规律，在均匀介质中，管道正上方信号最强，距离管道越远信号越弱。

假设管道正上方信号最强，信号强度记为A，取管道正上方两侧的信号强度为B的位置，其中B=90%A，即A，B的信号强度差值为10%。此时A,B对应的地面水平距离为L，L视为探测的误差精度，记为±L。使用主动声源法来探测PE燃气管道时，地表产生一个信号强度分布场，设备需精确判段出信号强度的分布情况。

若两点的信号的差值太小，是不利于信号强度的判断的，会直接影响探测精度。因此我们规定A，B两点的差值为10%，得到误差精度±L，可以排除人为因素的干扰。评价设备误差精度，应测出多组对于数据，如下：

如果我们在现场使用燃气PE探管仪，同样的位置信号强度差值越大，同时L越小，越容易识别出管道位置，这样的设备是比较容易识别管道位置，设备性能较好。

因此对智能PE探管仪KF-50的频谱进行优化处理，目的就是在管道正上方信号尽可能最强，远离管道正上方，信号值要快速的衰减，使得正上方的信号和远离管道正上方的差值越大。

所以我们评价设备探测性能好，这款设备就应该在同一点上信号值最强，在管道正上方两侧各设定30cm距离的两个点，测量出来的信号值越小，设备性能越好。

我们常见的设备探测精度是以各个厂家技术人员自行拿着设备，以现场探测的结果作为评价探测设备的依据，这种方法来评价设备精度还不够全面，因为现场探测人的探测经验在整个比试中占比很大，一个老练的技术人员拿着很老的设备和一个新技术人员拿着新版智能设备测的结果会相差很大。就如同一名不会开车的小学生开着法拉利和一个老司机开着拖拉机比赛一样，最终可能拖拉机会赢。

图5

3.2探测距离和埋深

我们在以往的设备比试中，用探测距离和探测的深度作为衡量设备的一种重要因素，

探测距离跟设备的功率、传感器灵敏度和所探测位置的管道埋深大小、所测管道的分支多少有关。我们所说的探测距离都是指在直埋管道（管道埋深1米左右）的条件下，在没有分支的情况下的探测距离。

探测埋深跟设备的功率、传感器灵敏度和穿越管道的土壤介质有关，约密实的土壤环境（如硬质水泥路面），探测越深，土壤越疏松（如农田、河谷）探测效果越差，根据最近一次国内几款设备在福建漳州的比试结果，市面上大多数的设备该项性能差不多，受土壤环境影响较大，因此我们在现场探测的时候，尽可能选择土壤密实的位置去搜索信号。

3.3设备便携智能性

设备便携性主要考虑在相同的探测能力下，设备越集成、小巧耐用越好，设备越智能越容易让使用人员能够快速上手。

4设备研究的方向

根据以上评价内容，我们在现有基础上不断地对设备进行升级和改进，KF-50是我公司最新研发生产的新一代智能燃气PE管道探测仪，是基于公司历代版本的PE管道探测仪基础上研发升级的新产品，相比以往系列的PE管道探测仪，KF-50在外观及适用性等功能上全面进行重新设计，发射机的单体智能触屏式设计，强悍的外观及轻巧便捷的手提方式更加适应各种现场探测环境，接收机增加频谱自动识别、扫面探测、管道地图、探测轨迹等功能，全新一代智能燃气PE探管仪突出的大埋深管道探测能力，具有更智能、更便捷、更准确的优势。

图6

新设备主要突出一下几个特点

突出大埋深管道探测能力 发射机可任意调节频率，通过发射低频振动信号，增加声波振动穿透能力实现大埋深和长远距离探测，全频段频谱信号分析人耳无法识别的低频信号，达到大埋深远距离探测目的。

探测智能化 接收机主界面增加频谱智能自动识别、探测扫面、管道地图、探测巡线轨迹等功能，使得现场探测方式和获取的管道探测信息更加丰富，便于操作人员快速识别管道在地下的准确位置；

安全便捷化 信号接收分析系统采用APP开发模式，配置工业级防爆防水平板电脑，也可安装在安卓手机上接收信号，结合卫星定位系统、5G通信系统及wifi、蓝牙通信功能实现整机无线数据传输和指令控制，接收机和发射机之间采用5G数据传输，可实时查看、控制发射机状态，控制指令不受距离限制，主机和传感器通过wifi连接摆脱有线连接易损繁琐的问题。

数据可视化 现场探测的数据及扫面图像、探测测绘成果、现场管线存在问题（现场图片、文字描述）等内容，可导出形成探测报告的过程记录资料，地图功能可保存现场探测数据形成管道图。

云平台数据传输 通过4G信号与云平台连接，无线距离中转数据信息，实现无距离远程遥控，预留与燃气公司的管网数据平台对接接口，数据可实时传回室内进行分析判断。

4.1设备有效性研究

为了更加有效地识别埋地燃气PE管道的信号，我们对新设备做了以下改进：

发射机部分

 （1）增加发射机的任意调节频率功能，任意调节频率使得技术人员在探测现场遇到不同的条件可通过调节频率方式增加接收信号的强度。我们前面说过，低频信号穿透力强，探测得更深更远，高频信号分辨率高，按照这个逻辑技术人员可根据情况，自由调节发射机频率，达到探测效果，调节的方式采用云服务调节，不受距离和障碍物的限制。

（2）加大功率使得管道中的信号传输更远，发射机上预留了两个驱动器接口，可采用双驱动模式，增加发射机功率。

（3）波形调节，可选择使用方波和正弦波，方波是能量最强的一种波形，但是正是由于方波能力强，更加容易造成设备发热，正弦波是把方波的尖锐能量删除掉，形成弧形的能量，因此正弦波比较柔和，但是振幅与方波一致，我们发射机常用的是正弦波。在距离远、大埋深管道探测时候，可采用方波进行发射。

接收机部分

接收机部分重点进行滤波升级，尽可能放大有益信号，压制干扰信号。

目前国内硬件滤波最小的宽度是20Hz，已经算很高的滤波精度了，这个滤波宽度就像是一道门，这个门只允许20cm宽度的人能够进入，如果你超胖身体宽度超过20cm，那超过的部分进不了门，例如我们设备中频的中心频率设置是470Hz，那么只有460-480Hz频率的声波才能允许进入接收机内，我们只关注我们发射的这个频率的声波即可，其他的声波信号被排除在外，从而达到识别有效信号的目的。

这个滤波的中心频率是任意可调的，根据我们发射机发射的信号来设定，假设发射机发射300Hz中心频率的声波信号，那么我们只需要调节接收机滤波中心频率道300Hz即可。

图7  接收机信号操作界面

为了测试滤波的有效性，我们分室内模拟和真实道路环境两种情况进行测试。

室内测试，我们使用发射机发射中频信号470Hz，同时发射其他频率的声波信号，300Hz和700Hz信号，我们把接收机滤波调节到470Hz，接收信号不受到干扰，470Hz的信号不受影响。

室外现场测试，选择机动车较多的车行道附近管道进行测试，接收机的滤波主频率调节到发射机发射对应的频率上进行测试，在接收机屏幕上只接收到发射机发射的频率，其他信号干扰是瞬时信号对主频率的信号值大小没有影响。

4.2 设备适用性研究

发射机部分

KF-50设备整体上智能化做得比较好，发射机部分全部采用触屏的方式，在屏幕上可从0-2000Hz任意选择发射机频率，功率调节、频率选择、波形选择全部采用触屏方式，操作均有，在并屏幕上显示当前驱动器温度，具有温度自动调节安全保护功能，防止驱动器温度过高。

图8  发射机操作界面

发射机显示通信信号、电量显示一目了然，发射机还具备双驱动的拓展功能，向外输出电源的功能，防止在户外接收机或者操作者手机没电，发射机可以想其他的设备进行充电。

发射机的智能性还表现在在接收机上可以云遥控的方式查看、控制发射机的状态，该遥控方式不受距离限制。

这款发射机在燃气PE管道探测的应用领域功能已经基本上扩展完成，基本上能够想到的应用都有了。

接收机部分

接收机采用APP安装的方式，可以安装在平板、安卓手机上，软件可以自动升级和更新，以后软件升级非常方便。

在信号的识别上，KF-50做了全新的升级，接收机采用频谱自动识别、信号外放提示音、扫面探测、地图显示灯多种方式，辅助探测人员进行信号识别。

1）频谱自动识别功能

图9  滤波信号效果

同一个界面上，4钟信号识别方式：频率识别（频率大小和能量大小）、声音识别、自动锁频、声音提示。屏幕上自动识别到管道信号，该红圈位置变为绿色，并持续发出“滴滴”报警功能。该频谱识别最高信号“98%”呈柱状，非常平稳清晰。

2）复杂管线扫描功能

目前唯一一款能够针对复杂管线进行扫描探测的功能的设备。扫描功能可以针对庭院管道，平行、交叉、弯头重点复杂的位置进行扫描探测，通过扫描式探测，一键形成管线信号分布图，直接直观的能够看到管道位置。

图10 复杂管道扫面模式

 图11 复杂管道扫面模式

3）实时查看地图管线图

在探测信号界面可以保存数据，形成管线图。

图12 地图自动生成管线连接图

4）巡线上报功能

探测管线同时自动记录管线点位置，现场发现问题，可记录隐患点信息，随时上报后台处理。

图13 探测过程中发现隐患上报

5）无线连接功能

主机和传感器通过热点连接，现场探测更加方便，摆脱有线连接易损繁琐的问题，传感器和接收机采用有线连接存在很大的问题就是传感器的线由于在探测过程中反复拖拽，容易造成损坏，KF-50是采用蓝牙数据传输，设备很便携。国内其他设备主要采用有线连接，个别采用无线连接的设备，信号延迟比较严重，探测一个点需要很长时间。KF-50的信号接收反应时间跟有线连接的速度几乎一样，探测效率很高。

图14 地图自动生成管线连接图

应用场景

图15 应用场景

总体上，KF-50系列的主动声源探测仪，通过有效性和适用性研究和升级，目前设备小巧便捷，多种信号智能化识别方式更加有助于技术人员快速识别管道，滤波信号清晰反应迅速，设备可安装任意手机上，接收机软件可自动在后台升级，数据可直接保存在云端，同时传输到室内，已经是一款非常既智能、便捷又能够很好识别管道信号的智能燃气PE管道探测设备。