科创中国

行业领域

电力、热力、燃气及水生产和供应业,电力设备检测

需求背景

在对复杂条件下的城市地下管线进行探测时，具有较高的难度，不仅要结合探测要求进行分析，也要选择具有针对性的探测技术，在保证探测方案具有科学合理性同时，为后续城市建设与发展提供保障。

地下管线是保障城市正常运行和健康发展的重要基础设施和城市“生命线”。由于地下管线长期敷设于地下，属于隐蔽工程，“看不见”“摸不着”，所以，建立“管线一张图”，让管线“看得见”，对城市安全管理至关重要；而另一方面，地下管线信息数据属于国家秘密，直接在政务外网、互联网等环境下使用地下管线数据库或信息系统，涉及数据保密和安全问题。

需解决的主要技术难题

本项目主要研究内容有以下五项：

（1）搭建地下金属管线耦合仿真模型，分析不同耦合方式下的磁场分布规律和信号特征。研究出一种解耦方法对感应线圈拾取的复合磁场信号进行解耦，进而准确定位和跟踪目标金属管线。

在多物理场仿真软件 CMSOL 中搭建不同耦合方式下的仿真模型，仿真分析目标金属管线径向的磁场分布情况和信号特征，主要分析目标金属管线径向磁场被邻近金属管线磁场扭曲后的分布规律；然后分析定位信号耦合到邻近管线后的信号特征。设计合适的滤波算法和解耦算法对线圈拾取的复合磁场信号进行滤波和解耦处理，以分离出目标管线的径向磁场信号。

（2）仿真分析不同耦合方式下的磁场分布规律信号特征，选用合适的滤波算法提高探测系统对工频信号和其他非定位信号的抗干扰能力。

针对直接耦合、夹钳耦合方式下不同的磁场分布特征，结合管线接收机噪声模型分析结果，分析不同滤波算法的适应场景，优选窄带滤波法实现探测系统对干扰信号的有效滤除。窄带滤波法是微弱信号处理中一种常用的方法，适合噪声信号和有用信号频谱重叠比较少的情况。窄带滤波法可以用来处理接收机接收到的磁场信号。窄带滤波法中所选用的滤波器一般为模拟带通滤波器，但是模拟滤波器的性能比较差，存在电压漂移、温度漂移和噪声等问题，因此本项目选用数字滤波器来实现窄带滤波的同时还需对滤波算法进一步优化和改进。设计地下金属管线定位和跟踪的硬件系统，以拾取地下金属管线激发的磁场定位信号，主要包括优化感应线圈布局、设计高信噪比的信号调理电路以及设计低噪声的 ADC 模拟前端。

（3）结合 GNSS 全球定位技术和惯性测量技术，实现地下金属管线的高精度测绘。

GNSS（Global Navigation Satellite System）并不特指某个单一的卫星系统，而是多个卫星系统的总称。设备通过接收卫星提供的经纬度坐标信息来定位，GNSS 技术能够在几米精度范围内知晓任何物体的绝对位置，而管线探测设备要达到厘米级的定位精度，亟需更高精度的定位解决方案。GNSS定位在遮挡环境、多路径较严重场景下效果较差，可结合 DR 算法，推测定位结果，实现局部高精度定位。另外，GNSS 数据更新频率通常为 1Hz，不能满足高动态需求，而 IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）更新频率可达 100Hz，借助组合，可以显著提高结果频率。同时需要 GNSS 对 DR算法进行实时纠偏，确保以实际数据不断地更新推测出的位置，达到更好的效果。

（4）实现电力电缆精确定位的三维可视化，在三维场景中展示管线定位的空间分布和密度情况。

在系统运行过程中采集现场数据，然后进行三维建模，恢复现场环境，在定义统一的信息数据模型后，可以进行市政管线管理系统中地理信息和资产信息数据的共享，同时，存储相关参数。可以与虚拟场景进行交互，突出具体要求并允许实现场景渲染、漫游等多项功能。数据管理、三位交互等使管线的三维辅助设计功能得以执行。系统的功能主要有三维地形模型、管线布线设计、设计参数设置、材料管理。其中，三维地形模型包括通过地形、规划、建筑、地质等模块和坐标对地理信息系统的不同信息资源进行转换，并进行虚拟场景建模并应用图层渲染、分层细节等处理方法，提高地形模型的直观性和叠加性。

（5）实现管网信息一张图管理，促进地下管线信息数据的互联互通，提高地下管线精确定位的运行效率。

地下管线是保障城市正常运行和健康发展的重要基础设施和城市“生命线”。由于地下管线长期敷设于地下，属于隐蔽工程，“看不见”“摸不着”，所以，建立“管线一张图”，让管线“看得见”，对城市安全管理至关重要；而另一方面，地下管线信息数据属于国家秘密，直接在政务外网、互联网等环境下使用地下管线数据库或信息系统，涉及数据保密和安全问题。去除敏感信息，对涉密数据进行保密技术处理，将脱敏处理后的地下管线数据导入城市信息模型（CIM）平台，推动管线脱敏数据与发改、住建、交通、城管、水务等主管部门信息系统互联互通，支撑项目建设与地下管线的运行、管理、日常巡查、保护工作，以有效减少管线事故发生，增强城市应急和防灾减灾能力，提高城市竞争力，保障城市可持续发展。

期望实现的主要技术目标

1、交付物

（1）设计报告：包括方案论证报告，关键研究节点报告，技术总结报告；

（2）发射机、接收机硬件设计图纸；

（3）发射机、接收机软件源代码；

（4）发射机、接收机生产装配工艺。

2、考核指标

（1）发射机预计可达到 10W 大功率，输出 1000mA 信号电流，可有效探测 0-20m 管线；

（2）5Hz 精准滤波：具有先进的 5Hz 超窄带滤波器，接收信号的频带宽度仅为 5Hz，接收频率与发射频率实现一一对应；

（3）抗干扰性能：可滤除地下和空中的电磁干扰信号，有效提升接收机的灵敏度和抗干扰性能；

（4）GNSS 定位功能：可以实现实时 GNSS 地理定位（测点的经度，纬度，点距），包括可以使用北斗卫星导航系统（BDS）进行定位。GNSS 定位数据与管线探测数据同时存储于接收机中，存储数据可下载为多种格式的表格文件或图形文件。性能指标方面，水平定位精度可在 2cm 左右，高程精度在5cm 左右，测速精度优于 *** 米/秒，授时精度优于 20 纳秒，服务可用性优于 99%。该性能可以确保结合 GNSS 全球定位技术后实现地下管线超高精度的定位以及测绘。

（5）技术参数：

① 发射机：

输出频率：982Hz，***，***；

传感器：采用特制的锰锌铁氧体材料，结合特殊线圈绕制方法制成，

双向抑制磁饱和；

可选三种模式：直连模式，夹钳模式，感应模式；

配备专用模式连接装置，实现模式自动识别；

输出功率：可调三档功率；

带电：无需停电，有感应模式和夹钳两种模式工作；

液晶显示：显示电池电量，工作模式，输出频率，输出功率；

电源：采用干电池供电，持续工作时间不小于 8h；

② 接收机：

可测频率：50Hz，982Hz，***，***；

自动识别外接附件；

测试模式：峰值箭头模式，峰值模式，谷值模式；

增益调节：可手动调节增益；

最大测深可达 8 米；

液晶显示：显示信号强度，罗盘指示，电池电量，工作模式等信息；

走向定位：具有罗盘指示功能，能够准确指示目标电缆的走向趋势；

测深：具有深度测量功能，能够测量出目标电缆的埋深；

电缆识别：配合听诊器使用，具有带电电缆识别功能；

电源：采用干电池，持续工作时间不小于 8h。

需求解析

解析单位：“科创中国”人工智能专业科技服务团（西咸新区人工智能行业协会） 解析时间：2023-11-24

张历南

陕西科友青信息技术有限公司

执行董事

综合评价

此需求足够清晰可以继续进行需求跟进

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