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文章推介:基于Python语言的地下管线电磁场反演软件设计与实现(李卫东,雷斌,张顺东)

  • 2026-10-11 08:27:16
文章推介:基于Python语言的地下管线电磁场反演软件设计与实现(李卫东,雷斌,张顺东)

基于Python语言的地下管线电磁场反演软件设计与实现

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引言

随着智慧城市建设推进,对地下管线三维定位要求无论是精度还是工作效率上已越来越高,而现有技术体系在复杂电磁环境下的数据处理能力严重滞后。对掺杂电磁干扰信号的观测值或者不完整数量观测值进行分析处理,需研发具备抗干扰反演算法的专业软件。Python编程语言具有丰富的标准库与第三方库、高效的科学计算能力、高精度可视化支持、可扩展性及Anaconda的辅助作用,因此,本文介绍了一款基于Python语言的地下管线电磁场反演软件。该软件结合了先进的优化算法,构建了客户端数据处理的结构体系,为地下管线探测工作提供更加可靠、便捷的解决方案。

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图文摘要

软件基于Windows操作系统,使用Python语言进行程序开发,针对地下管线探测工作的特点,按数据加载、数据分析、拟合反演、成果展示保存四部分对软件进行功能划分,系统在满足以上四部分的功能需求基础上,同时考虑不同的电磁场干扰源,以设置定制、开放式程序设计方式,满足不同精度的数据处理需求。

长直导线电流的磁场水平分量理论公式为:

式中:Hx为磁场水平分量,K为长直导线周围介质磁导率,I为电流强度,h为观测点与长直导线的垂直距离,x为观测点与长直导线的水平距离。

一定长度的金属地下管线在被激发产生感应电流后,可以视为长直导线电流。此时,地下管线感应电流磁场水平分量理论公式可以转化为:

式中:l为观测剖面上的观测点位置(与观测剖面起始点的距离),o为投影在观测剖面上的地下管线位置(与观测剖面起始点的距离)。

从公式可以看出,管线的感应电流强度I越大,地面上观测到的管线感应电流的磁场水平分量Hx就越大;管线的埋深h越大,地面上观测到的管线感应电流的磁场水平分量Hx就越小;观测点位置l越接近地下管线在地面的投影位置o,地面上观测到的管线感应电流的磁场水平分量Hx就越大。

2 条并行金属管线,在被激发产生感应电流后,可以认为是2 个磁场的叠加,在地面观测到的磁场水平分量,其理论公式可以视为:

3 条并行金属管线,在被激发产生感应电流后,可以认为是3 个磁场的叠加,在地面观测到的磁场水平分量,其理论公式可以视为:

SciPy是一个基于Python语言的开源库,主要用于科学计算。它通过提供一系列的算法和数学工具,帮助用户快速解决最优化、积分、插值、特征值等复杂问题。

curve_fit是SciPy库中的一个函数,主要用于将数据拟合到指定的函数模型。curve_fit函数的核心是最小化残差平方和(residual sum of squares,RSS)。假设我们有一组观测数据(xi,yi),其中i=1,2,...,n,以及一个带有参数p的模型函数y=f(x,p)。我们的目标是找到一组参数p使得模型函数与观测数据之间的残差平方和最小:

curve_fit函数使用优化算法(如Levenberg-Marquardt算法)迭代调整参数p,直到找到使RSS(p)最小的参数值。

先按一条管线的埋设条件,反演出管线的水平位置及埋深后,结合拟合度数值以及电磁场水平分量观测值曲线变化情况,综合判定其可信度。拟合度越高,说明反演成果越接近实际情况。如果观测值曲线图出现两个比较明显的波峰,可以选择特征明显按两条管线的埋设条件再次拟合反演;如果拟合反演结果与已掌握情况误差比较大,可以选择特征明显部分数据再次局部拟合反演,提高反演精度。

利用实际案例,统计反演结果与实际的误差值是否满足行业规范要求,进而分析模型的准确性和适用边界,为模型优化提供数据支撑。根据数据验证结果,不断迭代优化模型参数。如果发现某个类别管线的判断准确率较低,可针对性地增加该类别管线的历史数据,调整模型参数,完善异常值识别算法,使模型能够更好地适应不同类别管线的管道特性和运行情况。

通过不同颜色、图标和符号直观展示观测值及反演值。例如,黑色曲线代表观测数据,红色曲线表示反演数据。可视化展示方式,能够让施工人员快速、全面地了解管线整体的电磁场水平分量变化情况,为进一步分析判定提供直观、准确的依据。该软件所呈现的磁场水平分量观测数据、剖面距离、反演数据等界面如图1所示。

图 1    磁场水平分量观测数据、反演数据曲线

Fig. 1    Curve of observed and inverted data of horizontal magnetic field component

两种管线平行铺设,水平间距约2.5 m,常规手段探测时均明显受到信号干扰。选择合适位置,垂直管线走向布设了剖面,以0.2 m间距在剖面上采集了不同频率(33、65 kHz)下的2 组数据,根据采集的剖面数据进行反演拟合。图2、3分别是两种频率下的实测曲线和反演曲线。

图 2    频率为33 kHz磁场水平分量拟合曲线(供电和通信)

Fig. 2    Fitting curve of horizontal magnetic field component at 33 kHz(power supply and telecommunication)

图 3    频率为65 kHz磁场水平分量拟合曲线(供电和通信)

Fig. 3    Fitting curve of horizontal magnetic field component at 65 kHz(power supply and telecommunication)

根据图2、3实测曲线和反演曲线可知,33 kHz观测曲线峰值在目标管线位置处只有1 处异常值,说明低频探测时无法区分平行管线的正确平面位置和埋深;65 kHz实测曲线可以反演2 个完整的拟合曲线,两种管线的平面位置和埋深均得到相对准确的理论值。因此近间距平行管线利用磁场水平分量观测法探测时使用高频率65 kHz,可以提高探测的精度。

验证:使用频率为65 kHz观测成果;1 条管线平面位置位于距离观测剖面起点6.2 m处、埋深为0.9 m;另1 条管线的平面位置位于距离观测剖面起点8.7 m处、埋深为1.0 m。通过开挖验证,平面位置及埋深误差满足行业规范《城市地下管线探测技术规程》(CJJ 61—2017)要求。

供电和上水两种管线平行铺设,管线水平间距约1.5 m,常规手段探测时均明显受到信号干扰。选择合适位置,垂直管线走向布设了剖面,以0.2 m等间距在剖面上采集了不同频率(8、33 kHz)下的2 组数据,根据采集的剖面数据进行反演拟合,反演曲线与观测数据吻合度高,图4、5分别是两种频率下的实测曲线和反演曲线。

图 4    频率为8 kHz磁场水平分量拟合曲线(供电和上水)

Fig. 4    Fitting curve of horizontal magnetic field component at 8 kHz(power supply and water supply)

图 5    频率为33 kHz磁场水平分量拟合曲线(供电和上水)

Fig. 5    Fitting curve of horizontal magnetic field component at 33 kHz(power supply and water supply)

根据图4、5实测曲线和反演曲线图不难看出,两目标管线峰值显而易见,两峰值中间受磁场干扰。两种频率观测曲线峰值在目标管线位置处均有2 处异常值,说明两种方法均可区分平行管线的正确平面位置和埋深,两种管线的平面位置和埋深均得到相对准确的理论值。因此,管类和线类管线利用磁场水平分量探测时使用低频,可以满足探测的精度。

验证:使用频率为8 kHz和33 kHz观测成果;1 条管线的平面位置位于距离观测剖面起点3.0 m处、埋深为0.7 m;另1条管线平面位置位于距离观测剖面起点4.6 m、埋深为0.9 m。通过开挖验证,平面位置及埋深误差满足行业规范《城市地下管线探测技术规程》(CJJ 61—2017)要求。

昆山市沪宜高速北侧的西气东输高压燃气管道,拖拉管施工,管径600 mm,材质钢管。选择合适位置,垂直管线走向布设了剖面,以0.2 m等间距在剖面上采集了33 kHz频率下的1组数据,根据采集的剖面数据进行多次拟合反演,最终选定部分数据的拟合反演结果(拟合度98.0%,反演出的位置及深度分别为14.58 m及9.31 m)作为拟合反演成果,反演曲线与观测数据吻合度高,见图6。

图 6    频率33 kHz磁场水平分量拟合曲线(大埋深)

Fig. 6    Fitting curve of horizontal magnetic field component at 33 kHz(large burial depth)

验证:采用地质雷达及静力触探进行了验证。地质雷达剖面上的异常响应特征明显,并且静力触探异常反应明显。可以初步确定该段西气东输管道平面位置位于距离剖面观测起点14.4 m处,埋深为9.7 m。拟合反演结果的误差满足行业规范《城市地下管线探测技术规程》(CJJ 61—2017)要求。

上海龙东大道仲横港输油管线探测,管径为500 mm,材质钢管。探测作业范围比较狭窄,选择合适位置,垂直管线走向布设了剖面,以0.2 m等间距在剖面上采集了33 kHz频率下的1 组数据,根据采集的剖面数据进行多次拟合反演,最终选定部分数据的拟合反演结果(拟合度99.1%,反演出的位置及深度分别为5.56 m及4.12 m作为拟合反演成果,反演曲线与观测数据吻合度高,图7是实测曲线和反演曲线拟合结果。

图 7    频率33 kHz磁场水平分量拟合曲线(狭窄地形)

Fig. 7    Fitting curve of horizontal magnetic field component at 33 kHz(narrow terrain)

验证:采用地质雷达及静力触探进行了验证。地质雷达剖面上的异常响应特征明显,并且静力触探异常反应明显,初步确定输油管线平面位置位于距离剖面观测起点5.3 m处,埋深为4.5 m。拟合反演结果的误差满足行业规范《城市地下管线探测技术规程》(CJJ 61—2017)要求。

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研究结论

1) 基于Python语言构建的反演软件结构体系可行。成功实现了地下管线电磁场反演软件的高效开发与精准计算,验证了其在复杂工程问题中的实用价值,为复杂条件下地下管线探测工作提供了支持。

2) 通过线电流电磁场水平分量模型、最小二乘法反演分析以及成果可视化展示等关键技术,使探测精度误差小,探测准确率较高。多参数联合分析方法有利于提高判断准确性,经历史数据验证和模型优化,可适应不同种类管道情况。

3) 在实际应用项目中,软件判定出的管线位置及深度,经验证,满足精度要求,证明了软件在管网复杂化背景下地下管线探测中的有效性和可靠性,具有较高的工程推广与应有价值。

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作者简介

李卫东(1973— ),男,正高级工程师,主要从事地下管线探测、检测方面的工作,就职于正元地理信息集团股份有限公司。

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引用格式

李卫东,雷斌,张顺东.基于Python语言的地下管线电磁场反演软件设计与实现[J]. 勘察科学技术,2026(1):1-5.

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全文链接

知网链接:

https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-KCKX202601001.htm

万方链接:

https://d.wanfangdata.com.cn/periodical/kckxjs202601002

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