一种城市地下燃气管网第三方施工破坏实时监测方法

本发明涉及地下燃气管网施工破坏实时监测，特别涉及一种城市地下燃气管网第三方施工破坏实时监测方法。

背景技术：

1、近5年来，我国燃气管网泄漏事故原因中，第三方施工破坏平均比例高达82％，最高达到86％，第三方施工破坏是近20年来地下燃气管网破坏的主要原因。随着城镇化发展的不断深化，城市基础设施改造力度不断加大，第三方施工破坏比例还将进一步上升。中央部署十四五期间加快城市基础设施更新改造，安委会和住建部发布政策文件进行指导部署。城市基础设施改造、道路施工、地下管网抢修与维护过程中极易对地下燃气管道本体造成损伤和破坏，如未能及时发现，在长期土壤腐蚀及城市重载、动载等外力作用下，将进一步演化为燃气泄漏爆炸事故。为此，亟需提出一种面向城市地下燃气管网第三方施工破坏实时监测方法，解决预防地下燃气管道第三方施工破坏难的问题。

2、城市施工活动频繁且种类繁多，具有较强的空间不确定性和时间不确定性，导致城市施工活动信息难以被实时掌握。同时，城市地下管网分布交错复杂，经常导致既有管网间互相影响、事故耦合叠加，一方面热力、供水、排水、电力、通讯等地下管线更新改造过程中，燃气管道容易受到挖机、钻头、打桩机、铁锹、镐等施工器械撞击、刮擦、挤压等外力作用。对于钢制管道，这种外力作用可能导致管道防腐层损坏并进一步演化为腐蚀泄漏，对于pe管道，由于结构强度较弱，管壁极易直接贯穿破坏；另一方面，城市施工活动行为会打破地下管网原始应力状态，随着施工作业深度与管道距离的减小，影响越大，尤其是对于路面沉降、压实度低、接口松动、焊接质量不合格等情况，这种外力影响将进一步加剧。

3、目前第三方施工破坏监测技术主要有人工巡检法、光纤监测法、、视频监控法和土体振动监测法，其中，人工巡检法实时性差；光纤监测法适用于新敷设管网，需要与既有管线同沟敷设，安装成本较高，同时对长距离施工信号解析与辨识难度较大；视频监控法受天气和建筑物影响较大，且组件监控系统成本高；土体振动监测法监测距离仅有25m，单点覆盖范围小，监测效率低。国内目前预防第三方施工破坏的手段主要还是依靠人工定期巡检、旁站、电子围栏、管网哨兵(25m)等方式进行监督巡查，但这些方法缺乏实时性、有效性、实用性与经济性，无法实现在线、长距离监测，无法实现城市级地下燃气管网系统的全域覆盖和全天候监测，特别针对盲目施工、野蛮施工等不法行为现有技术手段无法有效解决。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种城市地下燃气管网第三方施工破坏实时监测方法，拟采用声发射感知技术对燃气管网附近第三方施工活动以及当第三方施工器械与管道发生撞击与管道破坏行为进行监测，解决上述技术问题。

2、具体技术方案是一种城市地下燃气管网第三方施工破坏实时监测方法，将声发射探头及数据采集与发射装置安装至燃气管道附属设施中，数据采集与发射装置与远程服务器建立无线连接；声发射探头采集管道附近的声波信息并将声波信息转化为电压信号输出；数据采集与发射装置接收声发射探头发出的电压信号并进行处理，通过内置预警模型对信号进行筛选，当信号被判别为施工信号时，原始数据将被保存，并传送至远程服务器；远程服务器接收信息，并向相关单位发出相应的预警信息。

3、优选地，数据采集与发射装置中预警模型步骤如下：

4、s1、低通滤波，采用四阶butterworth低通模拟滤波器对原始信号进行滤波处理，获得频率范围为1hz-5khz信号，然后采用iir型chebyshev i型数字滤波器对信号进行滤波，低通滤波频率范围分为低频和高频，低频为1hz-2.5kh，高频为2.5hz-5khz，

5、s2、加窗运算，采用矩形窗对步骤s1处理的信号进行截断处理，

6、s3、特征提取，对截断信号进行特征提取，每个信号特征计算范围为步骤s2中的矩形窗内的信号，低频段：波峰因子a11、功率带宽a12、中心频率a13、信噪比a14；高频段：波峰因子a21、功率带宽a22、中心频率a23、信噪比a24，共8个特征值，选取依据是根据计算上述特征与施工信号、噪声信号的相关性，相关性系数大于0.75以上的特征作为最终的特征，

7、s4、背景噪声水平估计，设定采样时间进行声波信息采集，对采集到的数据按照步骤s3的方式进行特征提取，计算结果根据步骤s3的命名规则有：波峰因子a11、功率带宽a12、中心频率a13、信噪比a14；高频段：波峰因子a21、功率带宽a22、中心频率a23、信噪比a24，

8、s5、特征因子计算，将a11/a11＝α11，a21/a21＝α21，……，依次类推，可以得到一个新的特征向量t＝{α11，α12，……，α23，α24}，αij称之为特征因子，t中的每个元素αij≈1时，表明没有施工活动。

9、优选地，筛选算法还包括：

10、基于每一个特征因子对结果判断的贡献有所不同，定义权重ωij，根据每个特征值的相关性系数归一化结果进行计算，

11、

12、式中，ωij表示频段i中第j个特征因子权重，i＝1，2分别表示低、高频；rij表示频段i中第j个特征的相关性系数；ni表示频段i中的特征个数；

13、特征因子αij取值范围为1≤αij≤βij，假设αij在该范围内认为是施工信号，超出该范围则认为不是施工信号，因此，用φijk来表示满足特征因子阈值βij的状态，公式如下：

14、

15、利用φijk与ωij的乘积作为对应特征因子的有效性，并对所有特征求和得到tk，下标k表示需要计算的信号数量，当tk小于总阈值θ时认为是施工信号，否则为其他信号，具体公式如下：

16、

17、式中pk表示判定结果，1表示施工信号，0表示非施工信号。

18、优选地，基于采集的多组施工信号与噪声样本，运用遗传算法对总阈值θ和特征因子阈值βij进行优化，其优化目标函数如下所示：

19、objective＝min((1-σ)falsealarm(ys，ps)+σmissrate(ys，ps))   (式四)

20、式中，falsealarm(ys，ps)根据真实类别与预测类别计算虚警率；missrate(ys，ps)为漏报率；σ为漏报率与虚警率的平衡因子。

21、优选地，加窗运算中，矩形窗口大小分为两种，窄窗为0.2s，相邻两个矩形窗重叠区域为50％。

22、优选地，背景噪声水平估计中采样时间，设备在早高峰7：00-10：00选取8：00时刻启动采样程序，午高峰11：00-14：00选取12：00时刻启动采样程序，晚高峰17：00-19：00选取18：00时刻启动采样程序，凌晨00：00选取00：00时刻启动采样程序。

23、优选地，燃气管道附属设施包括但不限于燃气阀门井和燃气调压柜。

24、优选地，数据采集与发射装置对接收的电压信号进行的处理包括：adc采样、信号放大和滤波处理，adc采样的采样频率为20khz，信号放大的放大系数为40db，滤波处理采用4阶butterworth低通滤波器，阻带截止频率为5khz。

25、优选地，远程服务器通过大数据预警模型对施工信号进行再次识别，对于符合第三方施工机械振动响应特征的信号，认定为燃气管网附近存在施工破坏行为，并发出相应的预警信息。

26、与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

27、1、非开挖监测，将声发射探头及数据采集与发射装置安装至燃气阀门井或者燃气调压柜等燃气管道附属设施中，即可实现在已有的管网铺设条件和空间环境中实施监测，实施可行性强，

28、2、安装便捷，本发明提出的监测方法仅需要将传感器探头与管道壁面紧密贴合即可，信号采集装置安装位置较为灵活，人工操作安装难度不大，

29、3、监测范围广，基于声发射感知技术的第三方施工监测技术在实际应用中，实现了感知半径达500米-900米范围，即一个设备双向可覆盖1公里-1.8公里，监测距离远远超出市面上的已有监测产品和技术，

30、4、施工信号识别难度小，城市中的各类噪声源是影响第三方施工活动辨识的主要因素，而声发射探头安装于地下，可以一定程度上屏蔽大部分的城市噪声，只需要对重车碾压井盖、鸣笛等特征明显的信号进行识别即可，同时施工信号在管道中传播过程中，由于土壤的阻隔，地表绝大多数非施工振动声源可以被屏蔽掉，减少了对施工信号识别的干扰，

31、5、价格低廉，本发明所采用的声发射传感技术是目前国内较为成熟技术，价格相对较低，

32、6、设计了设备端使用的预警模型，提高了前端设备对施工信号的预识别和预筛选能力，降低端云数据交互频率，减少资源浪费，

33、综上，本发明主要将声发射探头、线缆及其信号采集与传输装置安装至燃气阀门井或燃气调压柜等燃气管道附属设施中，通过感知管道中的施工载荷下的声波信息，包括时域、频域、功率大小等，然后结合预警模型实现对第三方施工破坏行为的准确预警，这是一种非开挖、安装简单、覆盖范围广、监测效果好的第三方施工破坏监测新方法，对保障城市地下燃气管网运行安全、城市生命线安全、城市公共安全具有重要意义。