高志貴

（天津市嘉信技術(shù)工程公司，天津 300384）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市電力電氣化的不斷推進(jìn)，埋地鋼質(zhì)管道的安全運營面臨著嚴(yán)峻考驗。在城市地鐵和輕軌等軌道交通運輸系統(tǒng)中，一般采用直流牽引走行軌回流的方式驅(qū)動。一旦回流通路與大地的絕緣存在問題，巨大的直流電流會流入大地，形成隨時間變化的動態(tài)雜散電流。雜散電流干擾的危害是在管道的雜散電流流出點，管體會受到強烈的腐蝕。電性干擾的存在嚴(yán)重地威脅著城市地下管道等構(gòu)筑物的安全，若不采取治理措施，干擾致使管道的管體在短時間內(nèi)腐蝕穿孔發(fā)生管道安全事故，因此對雜散電流的檢測顯得尤為重要[1]。

常用的雜散電流測試技術(shù)包括：檢查片腐蝕監(jiān)測、地電位梯度檢測、管地電位正向偏移法、管道電位連續(xù)動態(tài)監(jiān)測、雜散電流干擾探針測試法、雜散電流測繪儀SCM檢測等方法。結(jié)合對儀器的便捷性、時效性、結(jié)果分析難易等因素，目前主流先進(jìn)的測試技術(shù)是雜散電流測繪儀SCM檢測技術(shù)。此技術(shù)主要應(yīng)用磁飽和磁力儀探頭獲取電流產(chǎn)生的磁場數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的主要影響因素有鐵磁性物質(zhì)、電磁信號和地磁場干擾。其中，由于地磁場的廣域性、持續(xù)性、地域分布性、變化性等特殊性質(zhì)，使研究如何消除地磁場的影響變?yōu)橹刂兄亍?/p>

1 遺傳算法簡介

遺傳算法是計算數(shù)學(xué)中用于解決最佳化的搜索算法，是進(jìn)化算法的一種。進(jìn)化算法最初是借鑒了進(jìn)化生物學(xué)中的一些現(xiàn)象而發(fā)展起來的，這些現(xiàn)象包括遺傳、突變、自然選擇以及雜交等。遺傳算法通常實現(xiàn)方式為一種計算機模擬。對于一個最優(yōu)化問題，一定數(shù)量的候選解（稱為個體）的抽象表示（稱為染色體）的種群向更好的解進(jìn)化。進(jìn)化從完全隨機個體的種群開始，之后一代一代發(fā)生。在每一代中，整個種群的適應(yīng)度被評價，從當(dāng)前種群中隨機地選擇多個個體（基于它們的適應(yīng)度），通過自然選擇和突變產(chǎn)生新的生命種群，該種群在算法的下一次迭代中成為當(dāng)前種群。

遺傳算法是解決搜索問題的一種通用算法，對于各種通用問題都可以使用。搜索算法的共同特 征為：

（1）首先組成一組候選解；

（2）依據(jù)某些適應(yīng)性條件測算這些候選解的適應(yīng)度；

（3）根據(jù)適應(yīng)度保留某些候選解，放棄其他候選解；

（4）對保留的候選解進(jìn)行某些操作，生成新的候選解。

在遺傳算法中，上述幾個特征以一種特殊的方式組合在一起：遺傳算法基于染色體群的并行搜索，帶有猜測性質(zhì)的選擇操作、交換操作和突變 操作。

2 磁飽和磁力儀簡介

電磁測量方法是埋地管道腐蝕檢測行業(yè)主流的檢測方法。管道中電流的非接觸式測量所使用的傳感器為磁飽和磁力儀。利用高磁導(dǎo)率的坡莫合金作為靈敏元件，在弱磁場中就能達(dá)到磁飽和。靈敏元件的磁芯為閉合磁路，在其兩邊繞以匝數(shù)相同、繞向相反的激勵繞組其外繞以信號繞組。對激勵繞組給以交變電壓，使靈敏元件達(dá)到近于飽和，若無外磁場存在，則兩邊磁芯產(chǎn)生的磁通波形對稱而反向，這時信號繞組將沒有感應(yīng)電壓輸出。當(dāng)沿元件軸向存在一外磁場，則兩邊磁芯在正、負(fù)半周內(nèi)飽和程度不一，產(chǎn)生的磁通量不能互相抵消將有感應(yīng)電壓脈沖輸出。其幅度與外磁場大小成正比，據(jù)此即可測定外磁場的大小[2]。

在理論上，磁飽和磁力儀在測量理想單一的磁場方面有著優(yōu)秀的能力，但是實際環(huán)境中并非只有單一磁場，其他的磁場信號會導(dǎo)致目標(biāo)磁場的信噪比降低。主要干擾磁場包括鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生的干擾，例如含鐵磁性材料的構(gòu)筑物；現(xiàn)場環(huán)境中電磁波的干擾等以及地磁干擾。對于前兩種干擾可采取遠(yuǎn)離構(gòu)筑物和低通濾波來消除，而地磁場的特殊性質(zhì)導(dǎo)致去除地磁干擾的方法相對困難。

3 大地磁場

3.1 大地磁場的分布

圖1 地磁的分布形態(tài)

地球磁場近似于放在地心的一個磁偶極子磁場，圖1為地磁的分布形態(tài)圖。地磁場的基本特征 如下：

（1）地球有兩個磁極，在地理北極附近的磁極叫北磁極，具有S極性，反之亦然；

（2）磁軸與地球旋轉(zhuǎn)軸不重合，大致相交11.5°；

（3）不同緯度地區(qū)，磁力線方向可從磁針的偏轉(zhuǎn)方向判定；

（4）地磁場是矢量場，既有方向也有大小[3]。

3.2 大地磁場要素

圖2為地磁的要素，觀測點的地磁場矢量（T）為任意方向，它在坐標(biāo)系內(nèi)可分解為以下分量：

（1）x分量（北向分量）：在正北方向（X軸）的投影；

（2）y分量（東向分量）：在正東（Y軸）上的投影；

（3）z分量（垂直分量）：在垂直方向（Z軸）上的投影；

圖2 地磁的要素

（4）H分量（水平分量）：在xoy平面上的 投影；

（5）地磁傾角（I）：T與xoy面的交角，約定T下傾為正；

（6）磁偏角（D）：H與地理北的夾角，即磁子午面與地理子午面的夾角，約定磁北自地理北向東偏為正。

4 消除地磁干擾的方法

面對地磁場的種種特性，結(jié)合嘉信公司自主研發(fā)的雜散電流記錄儀（SCL）消除地磁干擾所做研究，提出消除地磁干擾的方法。首先，從儀器的探頭方面入手，選用四個性能參數(shù)一致的探頭，使其探頭間誤差得到有效控制。

第一次改進(jìn)是對儀器探頭的擺放進(jìn)行精細(xì)的布局控制。圖3為儀器探頭擺放位置圖，將兩個用于管道電流I 產(chǎn)生磁場的垂直分量測量的磁飽和磁力儀探頭（下稱探頭），沿與管道軸向垂直方向垂直于地面放置，分別稱為3號探頭和4號探頭，之間的間距為L ，靠近管道一側(cè)的探頭即3號探頭到經(jīng)過管道的豎直平面的距離為0.5L。另外以儀器中垂線為軸，探頭兩兩對稱布置，實現(xiàn)對地磁的消除。

第二次改進(jìn)，由于探頭內(nèi)部三軸正交誤差以及探頭安裝時安裝平面與三軸的正交存在夾角，使差值計算后地磁干擾沒能完全去除，因此對探頭引入自適應(yīng)權(quán)值校正系數(shù)，進(jìn)一步對地磁干擾進(jìn)行去除，已達(dá)到更好的效果[4]。

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，無限長載流直導(dǎo)體的磁感應(yīng)強度。

3號和4號探頭的磁感應(yīng)強度為：

圖3 儀器探頭擺放位置圖

根據(jù)電流I相等將②中公式進(jìn)行合并，將r用l和d來表示，得出管道埋深和電流的計算公式。

（1）測量修正系數(shù)β和γ的計算：

安裝好儀器后，將1號探頭方向分別放置在無電流干擾情況下地磁場的東、南、西、北四個方向上。以磁北為0度，順時針增大至360度回到磁北。求得在四個方向上B1/B4和B2/B3的比值，即B1標(biāo)定修正系數(shù)β和B2標(biāo)定修正系數(shù)γ。測量結(jié)果如表1所示。

表1 四方向修正系數(shù)

在標(biāo)定四方位下B1和B2的修正系數(shù)后，便可以通過方位角探頭測量儀器實際使用過程中在不同方向角下的B1和B2修正系數(shù)；

（2）獲得修正值

獲得修正系數(shù)β和γ后，將此時1號探頭和2號探頭的測量結(jié)果分別進(jìn)行修正，修正計算公式 如下：

修正后1號位置探頭的結(jié)果為：

修正后2號位置探頭的結(jié)果為：

B1和B2是儀器1號探頭和2號探頭實際測量結(jié)果。得到修正后的測量結(jié)果后便可以獲得更為精確的管道埋深和管中電流。

第三次改進(jìn)，雖然校正系數(shù)能夠自動根據(jù)方向角對系數(shù)進(jìn)行修正，但此方法過于依賴初始測量獲得四方向基礎(chǔ)校正系數(shù)。由于地磁場的地域分布性和時間變化性，導(dǎo)致?lián)Q到初始校正地點以外的其他地方時，消除地磁干擾的效果較差；當(dāng)與初始校正時間不同時，一起測量效果也會發(fā)生細(xì)小的誤差。因此第三次的改進(jìn)是對自適應(yīng)權(quán)值校正系數(shù)加入遺傳算法，優(yōu)化權(quán)值，使其更加精確，進(jìn)一步對地磁干擾進(jìn)行去除[5]。

由埋深公式變換得出：

因此當(dāng)埋深d已知時，B3電和B4電就可以通過A來相互變換，將電流I變換成由單獨的B3電和B4電來表示。由于地磁干擾沒有達(dá)到完全的消除，導(dǎo)致3號和4號探頭由公式算出的電流值不同，即I差＝｜I3-I4｜≠0。因此反向思考，通過計算單獨由3號或4號探頭得出的電流值的差值越小，來反映地磁干擾消除越徹底。所以對校正系數(shù)β和γ加入遺傳算法，使其按照同時增加步長、同時減小步長、一增一減步長四套方案進(jìn)行迭代，將1號和2號探頭的測量結(jié)果進(jìn)行修正，通過I差是否變小即I差next＜I差，來決定迭代方案是否繼續(xù)。選定方案進(jìn)入迭代后，當(dāng)?shù)蟮腎差變大即I差next＞I差時，停止迭代，選定此次計算I差時的校正系數(shù)為最終校正系數(shù)β和γ，來對1號和2號探頭的測量結(jié)果進(jìn)行修正，最終返回測量目標(biāo)的管中電流值。

表2 在校正地點進(jìn)行測量

表3 不在校正地點進(jìn)行測量

5 改進(jìn)效果對比

分別對管中施加0.5A，1A，2A的電流，統(tǒng)計三次改進(jìn)的測量結(jié)果。測量結(jié)果如表2和表3所示。

結(jié)合表2和表3可以看出，在校正地點進(jìn)行測量時，第二次和第三次改進(jìn)都有效的消除地磁干擾，效果比較明顯，管中電流誤差率在30%以內(nèi)，誤差率隨電流的增大而減小。但更換測試地點后，第二次改進(jìn)的測量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，消除地磁效果明顯下降，而加入遺傳算法的第三次改進(jìn)在不同地點都表現(xiàn)出較強的消除地磁干擾的能力，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示測量誤差率最大為8.7%，保持控制在10%以內(nèi)，相比其他改進(jìn)效果，誤差率最小。表2和表3中第三次改進(jìn)的數(shù)據(jù)是迭代30次的結(jié)果。驗證得知測量誤差與迭代次數(shù)有關(guān)，經(jīng)過進(jìn)一步的修正后，測量誤差得到大幅度的降低，現(xiàn)已控制在3%以內(nèi)。

6 結(jié)論

加入自適應(yīng)權(quán)值校正系數(shù)雖然在校正時的區(qū)域消除地磁干擾能力表現(xiàn)優(yōu)秀，但離開校正時的區(qū)域后，消除地磁干擾的能力卻大大衰減。對校正系數(shù)引入遺傳算法后，儀器表現(xiàn)出很強的消除地磁干擾的能力，測量管中電流的誤差率在3%以內(nèi)，誤差率隨電流的增大而減小。因此加入具備遺傳算法的自適應(yīng)權(quán)值校正系數(shù)，可以有效消除地磁干擾。