王文明 郭建強 張桂瑞 喬振銘 趙永卓 湯凱 何令普

1中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院

2北京中油建設(shè)項目勞動安全衛(wèi)生預(yù)評價有限公司

3大慶油田第四采油廠

4長慶油田第四采油廠

隨著智慧數(shù)字化油田建設(shè)不斷發(fā)展，各油氣田設(shè)備技術(shù)產(chǎn)業(yè)均走向數(shù)字化，使得數(shù)據(jù)存儲、技術(shù)控制更加完善[1]。但由于油氣田不同發(fā)展階段的需要，使得按照不同工業(yè)需求建設(shè)的管線埋設(shè)錯綜復(fù)雜，并且由于技術(shù)等原因相關(guān)資料記錄不明確、地下管線空間不可見，管線種類多和埋設(shè)多樣性等特點，決定了埋地管線探測必然是一項具有復(fù)雜性和涉及多方面學(xué)科的技術(shù)[2]。準(zhǔn)確的管線資料是避免事故的前提，常規(guī)的金屬管道可以通過金屬探測方式進(jìn)行定位探測，但是非金屬管道則很難通過這種方式進(jìn)行探測[3]。

國內(nèi)外非金屬管線探測方法主要包括地質(zhì)雷達(dá)電磁波法、示蹤電磁感應(yīng)法、非金屬管線聲波測位法以及高密度電阻率法[4-8]。另外還包括一些數(shù)據(jù)后處理方法，如時域分析法、頻域分析、小波分析以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法等[9-10]。針對以上方法，地質(zhì)雷達(dá)電磁波法作為非金屬管線探測相對有效的方法被國內(nèi)外大量研究與應(yīng)用，加拿大Guelph 大學(xué)工程學(xué)院針對探地雷達(dá)資料解釋進(jìn)行研究，利用復(fù)折射率模型（CRIM）解釋地質(zhì)雷達(dá)資料可以更好地輔助GPR 資料解釋[11]；上海銳特測繪有限公司袁建華通過應(yīng)用加拿大EKKOl00 型探地雷達(dá)，對其應(yīng)用于地下管道探測的效果進(jìn)行了分析并取得有益成果[12]；湖北省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心魯勇波利用LD6000 管線探測儀對宜昌市某污水處理廠內(nèi)管線進(jìn)行探測，該探測儀提供了四種管線探測方式，其中示蹤法主要用于排水等非金屬管道，且受管道內(nèi)條件限制大，應(yīng)用較少[13]。普渡大學(xué)對于利用GPR 對地下管線探測進(jìn)行去噪算法的改進(jìn)[14]。但探地雷達(dá)對于大深度小管徑非金屬玻璃鋼管道應(yīng)用卻很少，其可行性和準(zhǔn)確度有待考證。因此，提出了一種依據(jù)電磁法（EM）來檢測非金屬污水管線的定位方法。

基于電磁法檢測非金屬污水管線的定位方法，進(jìn)行非金屬管線電磁檢測實驗，并得到相關(guān)磁場分布特征和數(shù)據(jù)。其次，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將已有管線信息數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)過驗證測試得到合理地網(wǎng)絡(luò)net，最終調(diào)用net 預(yù)測非金屬管線的管徑大小。調(diào)試硬件添加GPS 模塊并做數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用GPS 信息采集確定管線走向的位置信息，將信息數(shù)據(jù)后處理后進(jìn)行Mapping 定位計算，并進(jìn)行可視化顯示。

1 非金屬管線檢測方法

1.1 方法原理

管線探測儀依據(jù)電磁法探測管線，其根本在于金屬管線的導(dǎo)電性。地下管線探測的理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)定律。將地下管線視為無限長直導(dǎo)線，當(dāng)對其施加交變信號時，就成為無限長載流直導(dǎo)線。由右手螺旋法則可知，該載流直導(dǎo)線周圍空間存在磁感應(yīng)強度。此方案中管中污水視為無限長導(dǎo)線，玻璃鋼管視為導(dǎo)線絕緣層，增加了探測效果，不再直接探測管道，而是通過檢測定位管道內(nèi)部污水介質(zhì)確定管道走向與深度。

在電磁學(xué)里，時變電場可以生成磁場，而根據(jù)法拉第感應(yīng)定律，時變磁場又可以生成電場。這樣，兩個方程在理論上允許自我維持的電磁波傳播于空間。利用麥克斯韋方程來求解電磁學(xué)問題[15]，其微分形式為

式中：H為磁場強度，A/m；J為電流密度，A/m2；D為電位移矢量，C/m2；B為磁感應(yīng)強度，Wb/m2；ρ為電荷密度，C/m3。

式（1）表示麥克斯韋-安培定律的定量關(guān)系，表示穩(wěn)定的電場和變化的電場都可以產(chǎn)生磁場。式（2）表示高斯磁場定律，代表磁通守恒定律，也表示了磁通量的連續(xù)性，并且磁力線沒有起始點。

1.2 實驗論證

采用管線探測儀進(jìn)行非金屬管道測量，不再直接探測管道，而是通過檢測定位管道內(nèi)部污水介質(zhì)確定管道走向與深度。如圖1 所示，將發(fā)射機電極改造為鉆頭電極，并配置相應(yīng)非金屬管線密封卡座連接裝置，地面接收機接收信號來探測管線。

圖1 非金屬管線檢測實驗Fig.1 Non-metallic pipeline inspection experiment

以上實驗表明，通過檢測定位管道內(nèi)部污水介質(zhì)確定管道走向與深度的非金屬管線檢測方法是有效的。并且從管線儀可以得到管線埋深、電流大小以及磁場強度等數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)建立數(shù)據(jù)庫奠定了基礎(chǔ)。

依據(jù)以上非金屬管線探測方法，得到相關(guān)管線數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，對非金屬管線管徑大小預(yù)測，可以彌補管線探測儀僅可測深、導(dǎo)向功能之外的空缺，真正實現(xiàn)管線特征一體化檢測。

2 非金屬管線管徑預(yù)測

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來一種發(fā)展迅速的前沿交叉學(xué)科，它可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)輸入因子和網(wǎng)絡(luò)輸出目標(biāo)之間的高度非線性映射。基于MATLAB 編程的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有效地預(yù)測非線性關(guān)系[16]。它由一個非線性自適應(yīng)動態(tài)系統(tǒng)組成，可以在不同層級上模仿大腦的信息處理機制，可以靈活方便地對多原因的、復(fù)雜的未知變量進(jìn)行建模。

采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測時網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱藏層和輸出層。根據(jù)式（3）確定BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層的神經(jīng)元數(shù)目。

式中：p為隱藏層神經(jīng)元數(shù)目；m為輸入?yún)?shù)的數(shù)目；n為輸出神經(jīng)元的數(shù)目；a為常數(shù)，并且a∈[1，10]。

在確定隱藏層的神經(jīng)元數(shù)目時，為了防止過擬合和欠擬合，根據(jù)預(yù)測值和測量值之間的相關(guān)系數(shù)，將神經(jīng)元數(shù)目由小變大依次進(jìn)行訓(xùn)練并測試其準(zhǔn)確性。通常選擇一個小的非零隨機數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的初始權(quán)重，根據(jù)經(jīng)驗，通常在(-2.4/F，2.4/F)之間取值。

當(dāng)使用管線探測儀探測管線時，可以直觀看到信號強度、電流大小以及管線埋深，卻無法得到管徑的信息，因此，需要研究探測管徑大小的方法。通過實驗可以將管徑標(biāo)記好，進(jìn)行多次實驗得到大量數(shù)據(jù)，形成屬性為信號強度、電流大小、管線埋深、管徑大小的數(shù)據(jù)庫。在訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)時提取數(shù)據(jù)庫中70%的數(shù)據(jù)進(jìn)行BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，30%的數(shù)據(jù)作為測試集進(jìn)行驗證，經(jīng)過大量調(diào)試得到較好的網(wǎng)絡(luò)。管線探測因素如表1 所示，按照以上方法將埋深以及磁場強度作為輸入層，管徑大小為輸出層，得到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（圖2）。

表1 管線探測因素Tab.1 Pipeline detection factors

圖2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Artificial neural networks

通過實驗得到埋深、管徑和場強等因素，用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)管道的各種因素，可以分別得到訓(xùn)練集、驗證集、測試集以及整體的回歸誤差圖，訓(xùn)練結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，訓(xùn)練集、驗證集和測試集部分的R值分別為0.992 55、0.990 61 和0.999 98，其中R值越接近與1 其性能越好，因此得到的網(wǎng)絡(luò)是較準(zhǔn)確的。為了更直觀地了解網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性：首先，要保存上面訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)。其次，導(dǎo)入一組輸入值，用premnmx 函數(shù)進(jìn)行歸一化，然后用sim 函數(shù)調(diào)用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)得到輸出值并進(jìn)行反歸一化，最終得到輸出管徑的預(yù)測值為178 mm，與實際管道半徑（d=180 mm）相比，誤差為1.1%。由此可以看出此種方法對于管徑的預(yù)測具有較好的效果和一定的指導(dǎo)意義。

3 Mapping 定位及信息可視化

在對非金屬管線定位過程中，需要將位置信息采集并上傳，作為GIS 系統(tǒng)的備份記錄。利用百度地圖的開發(fā)工具，實現(xiàn)GPS 經(jīng)緯度坐標(biāo)到百度地圖坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換以及百度地圖的調(diào)用。

通過配備GPS 模塊與單板計算機進(jìn)行定位采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲于儲存卡中，設(shè)置GPS 數(shù)據(jù)的傳輸模式，使用串口和上位機通信的GPS 模塊，設(shè)定波特率等，可直接搭載上位機繪制界面，實現(xiàn)實時Mapping 定位。硬件連接，編譯采集程序使之采集所得數(shù)據(jù)可以自動保存，隨時調(diào)用。添加相關(guān)附件封裝，如圖4 所示。

圖4 硬件采集系統(tǒng)Fig.4 Hardware acquisition system

在計算位移時，記地球半徑是R，這里以0°經(jīng)線作為基準(zhǔn)，那么根據(jù)地球表面任意兩點的經(jīng)緯度就可以計算出這兩點間的地表距離。設(shè)第一點A的經(jīng)緯度坐標(biāo)為(LonA，LatA)，第二點B 的經(jīng)緯度坐標(biāo)為(LonB，LatB)，按照0°經(jīng)線的基準(zhǔn)，東經(jīng)取經(jīng)度的正值，西經(jīng)取經(jīng)度負(fù)值，北緯90-緯度值，南緯取90+緯度值，得到地表位置點（圖5）。

圖5 地表位置點Fig.5 Ground location point

中國處于東半球、北半球，所以不對經(jīng)度作處理，而對緯度作（90-Latitude）處理，因此進(jìn)行簡化，根據(jù)三角定理推導(dǎo)，可以得到計算兩點距離的公式為

通過公式（4）可以獲取管線長度等信息，根據(jù)采集計算得到的管線位置、管線長度、埋深以及管徑大小等數(shù)據(jù)信息，通過軟件開發(fā)工具進(jìn)行程序編譯，將相關(guān)信息實現(xiàn)可視化并打包為APP。APP可視化界面如圖6 所示。

圖6 APP 可視化界面Fig.6 APP visual interface

對于將所采位置數(shù)據(jù)可視化于APP 界面之中，需要百度地圖開放平臺密鑰，進(jìn)行百度地圖API 接口連通。以上界面包括三個主菜單即主界面、管徑后臺預(yù)測、生成報告。主界面包括位置變化曲線圖、管徑變化曲線圖、埋深變化曲線圖、方向、百度地圖mapping 定位可視化等信息；管徑后臺預(yù)測包括網(wǎng)絡(luò)層的搭建（各層參數(shù)修改）、訓(xùn)練、檢測與驗證，以及后期的管徑預(yù)測；報告生成包括鏈接到主界面的管線位置、埋深以及管徑大小等數(shù)據(jù)信息，評價以文檔形式表現(xiàn)并自動保存。

4 結(jié)論

在目前的工作中，提出了一種基于電磁法的非金屬管道測繪預(yù)測及可視化方法，并通過理論分析以及實驗驗證了方法的可行性。

通過電磁法測量數(shù)據(jù)后，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)較為有效、智能和方便預(yù)測管徑。根據(jù)掩埋深度和場強等因素預(yù)測直徑大小，結(jié)果精度在許用范圍內(nèi)，可以為實際工程管道檢查提供思路和理論參考。這種管徑預(yù)測方法不僅彌補了管道檢測儀無法測量管徑的缺點，而且智能方便。但是，仍然存在一些誤差，將來需要添加更多數(shù)據(jù)庫。管線數(shù)據(jù)可視化研究增加了硬件GPS 采集系統(tǒng)，同時將各管線必要數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸PP 可視化界面，在PC 端APP中一鍵生成管線關(guān)鍵信息文檔，更加完善了管線資料系統(tǒng)。