新型非金属燃气管道定位技术
非金属PE燃气管由于其低廉的造价、良好的抗腐蚀、抗衰老等性能，在城镇燃气管网建设中被普遍使用。但由于其材料本身具有惰性性质，开展管道定期检验需要解决精确定位难题。地球物理方法广泛应用于管道探测，具有无损、高效的优势。然而，传统电磁法、地震类非金属管道探测存在精度低、定性推断及管道材质类型的应用限制。提出采用主动声源直接向非金属管道激发声波，极大提高检测振动信号强度，提高抗噪性及探测精度；通过微动检波器接收管道传播的振动信号，实现高效非金属燃气PE管道定量定位。
桂林理工大学李静和教授团队近年来研究了新型定量定位技术的观测系统、含噪数据去噪算法、自动拾取振动起跳时间及BP神经网络智能预测定位技术。通过与实际开挖情况对比，验证了新型定量定位技术的有效性及可行性。研究成果为非金属燃气管道主动声源探测的推广应用提供了技术支撑。
管线探测是城市地下管网普查的关键，准确可靠的探测方法能够为城市地下管线的信息化建设提供可靠的依据，并有效避免盲目开挖和管道泄漏造成的事故和社会经济损失。针对城市频繁工程建设过程而言，管线探测可有效降低开挖成本，提高施工效率，为管道的安全稳定运行提供保障。因而，管线探测技术研究具有一定的理论研究价值和现实意义。
作为燃气管道常用的制备材料，PE管材是惰性材质，不导电、不导磁，埋地敷设后，很难精准探测其位置及埋深。地球物理方法中，探地雷达发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波遇到不同的介质界面时发生反射，通过观测信号识别地下管线。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，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。
主动声源探测法是近年来PE燃气管道探测新方法，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，通过管壁土壤立体传播至地面[3]，通过采用拾音检波器在管道上方的地面上采集声音信号，通过声音幅值大小确定管道水平位置，但无法给出定量的深度信息。基于主动声源及微动检波器设备，提出一种地下非金属燃气管道定量定位技术（图1）。其中，主动对压力燃气管道施加振动信号，抗干扰能力强，可形成最佳的激发震源；其次，沿管道定向传播至远端的振动信号，可采用微动检波器接收，进而根据管道振动传播至不同位置检波器时间差，是实现非金属燃气管道精确定位极具潜力的方法（图1）。
然而，燃气管道铺设的环境均为人类活动、车辆行驶及施工活动频繁的城市区域，微动检波器接收信号通常为主动声源激发的场源和环境噪声混合信号。其次，管道长短、埋深及分布各不相同，其振动信号传播至微动检波器的起跳时间亦需要自动化拾取。最后，由于微动检波器个数有限，传统通过求解线性方程组获取空间位置信息的方法，对观测时间差噪声较为敏感，无法有效应用于实际领域。可见，提出的基于主动声源及微动检波器设备的非金属燃气管线探测技术真正实用化，需要解决上述关键技术问题。
为此，研究团队提出采用线性相位（Finite Impulse Response，FIR）标准窗函数法，进行微动检波器接收含噪信号的去噪处理；引入粘滞性单自由度振动器（Single Degree of Freedom, SDOF）响应下的能量转换理论[4]，通过跟踪耗散阻尼能量的变化率实现纵波（P波）自动到时拾取，进而计算管道振动信号传播至不同微动检波器的时间差；基于多层误差反向传播（Back Propagation，简称BP）前馈神经网络，构建了非金属PE燃气管道主动声源探测的空间位置、覆盖层速度及管道长度智能预测技术。
图1 观测系统示意图
（a）主动声源激发装置，（b）微动接收装置；（c）振动传播示意图
根据图1所示观测方式，选取广西壮族自治区桂林市七星区英才路与创业三道路口北侧点作为观测点，激发声源与接收点距离约250m， 如图2所示。其中，场源激发频率为200Hz, 采用持续声源振动模式；观测点距为0.5m，微动检波器采集频率0.25ms，采用被动采集、分段保存模式；观测环境为实际道路路口，车辆通行及人行活动频繁。采集实测数据（图3-4）进行去噪处理（图5）、振动时间拾取（图6）。
图2观测系统示意图及场源附近振动信号
图3 接收点位1-2观测数据
图4 移动微动检波器3-5观测数据
图5 接收点号3数据去噪结果
图6 自动拾取时间差结果
图7 BP神经网络结构示意图
图8 BP神经网络训练集预测值与真实值对比
基于每个移动检波器的相对时间差，利用BP神经网络对非金属燃气管道埋地深度预测（图7-8）。利用上述训练好的模型进行英才路与创业三道路口实地数据预测燃气埋深为0.80m。图9所示为该观测点实地开挖情况，开挖揭示埋深为0.75m，可见，提出的方法可有效定量定位非金属燃气管道的埋深。
图9实际开挖情况图
