胡云斌,周熙人,陳歡歡

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,合肥 230026)

1 引 言

地下管網(wǎng)的管理在當(dāng)今的城市發(fā)展中十分重要.電力、水、煤氣、污水和電信信號(hào)通過地下管網(wǎng)進(jìn)行傳輸.這些管道經(jīng)常需要在非開挖的情況下進(jìn)行準(zhǔn)確定位,而相關(guān)的地球物理探測(cè)傳感器技術(shù)已經(jīng)有很多[1].因?yàn)椴煌瑐鞲衅鬟m用于不同的情況,所以研究者們研究了多傳感器探測(cè)設(shè)備[2].同時(shí)通過程序智能分析傳感器數(shù)據(jù)獲得管道信息來(lái)降低人力成本和時(shí)間也是當(dāng)前趨勢(shì).

已有很多關(guān)于多傳感器設(shè)備的研究成果[3-6].Li 等人[4]展示了一種3G系統(tǒng)來(lái)可視化測(cè)量管道結(jié)果的不確定程度,并研究了探地雷達(dá)探測(cè)的誤差梯度和埋藏物體的深度之間的關(guān)系.但是它沒有涉及數(shù)據(jù)智能分析領(lǐng)域.Hafsi等人[5]展示了一種電磁場(chǎng)傳感器和探地雷達(dá)結(jié)合的解決方案.他們?cè)O(shè)計(jì)了算法先解釋探地雷達(dá)圖像并給出管道可能存在的空間點(diǎn),然后融合多個(gè)空間點(diǎn)分析出管道走勢(shì).Dou等人[6]在一個(gè)多傳感器設(shè)備上設(shè)計(jì)了一種多橫截面前進(jìn)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)地下管道的精確定位.設(shè)備包含五種傳感器:探底雷達(dá),被動(dòng)電磁場(chǎng)探測(cè)儀,磁場(chǎng)梯度儀,低頻電磁場(chǎng)探測(cè)儀和聲振傳感器.

本文提出了一種快速探測(cè)方案能探測(cè)地下管網(wǎng)且在地圖上實(shí)時(shí)地繪制最新結(jié)果.該方案是針對(duì)上述已有方案的不足而提出,具體對(duì)比在下一小節(jié)給出.該方案建立在一輛帶有被動(dòng)電磁感應(yīng)線圈和探地雷達(dá)的探測(cè)車之上,并包含了如下內(nèi)容:設(shè)計(jì)掃描軌跡的形狀,設(shè)計(jì)解釋算法解釋一段掃描軌跡上的傳感器數(shù)據(jù),還有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)融合方法得到管網(wǎng)位置和方向.本文主要的貢獻(xiàn)如下所示:

1)提出掃描線的 “Z” 形布局方式,因?yàn)樗诠艿婪较蛭粗獣r(shí)比平行線布局更好,并且掃描路徑成本不高于兩倍.

2)提出了一種基于自修正和篩選的管道數(shù)據(jù)融合算法用于處理由噪聲引起的虛警空間點(diǎn)問題.解釋算法給出的空間點(diǎn)既有反映真實(shí)管道的,也有誤報(bào)的,該算法基于管道的線性特征分析不同假設(shè)的概率并篩選出高可信的假設(shè)管道.

3)提出了一種簡(jiǎn)單的利用被動(dòng)電磁感應(yīng)線圈來(lái)探測(cè)地下電纜的方法.結(jié)合 GPS模塊,設(shè)備只要沿著一條掃描軌跡掃描一遍,就可以分析出地下電纜的位置和方向.

2 探測(cè)問題描述

下面介紹本文研究的管網(wǎng)探測(cè)問題的細(xì)節(jié).假設(shè)在地下淺層處水平埋藏著多根管道,管道連續(xù)但材料未知.有傳感器能夠探測(cè)地下管道位置,但工作模式比較特殊——設(shè)備沿著地上某條和地下管道在水平方向交叉的掃描軌跡前進(jìn),解釋算法分析采集到的數(shù)據(jù)并給出交叉點(diǎn)的位置和交叉處管道的切線方向.為了得到某管道的走勢(shì),需要沿著管道的方向完成多條這樣的掃描軌跡,融合多個(gè)交叉點(diǎn)信息分析走勢(shì).假定解釋算法給出了一些空間點(diǎn),空間點(diǎn)和真實(shí)交叉點(diǎn)之間存在三種情況:1)真實(shí)情況:空間點(diǎn)反映了交叉點(diǎn)位置.2)虛警情況:空間點(diǎn)標(biāo)注的位置實(shí)際不是交叉點(diǎn).3)缺失情況:某個(gè)交叉點(diǎn)沒有被探測(cè)到,故沒有空間點(diǎn)反應(yīng)它.

圖1從俯視角度說明了探測(cè)問題.圖中細(xì)長(zhǎng)條表示地下的真實(shí)管道,帶箭頭的線表示地上設(shè)備水平移動(dòng)走過的掃描線,三角形表示真實(shí)管道和掃描線的交叉點(diǎn).圖中多條掃描線的布局沒有規(guī)律,沿著一條掃描線采集的傳感器數(shù)據(jù)會(huì)被解釋得到空間點(diǎn),空間點(diǎn)的三種情況在第1、2、3條掃描線中展示.寬長(zhǎng)條是通過某種算法分析所有空間點(diǎn)得到的一個(gè)假設(shè)管道,和真實(shí)管道間有誤差.

圖1 探測(cè)問題示意圖Fig.1 Diagram of detection problem

掃描線的布局關(guān)系到數(shù)據(jù)采集的效率和質(zhì)量,Hafsi等人的方案采用網(wǎng)格式布局,而Dou等人采用了平行線布局.為了獲得更好的效果,本文提出了一種掃描線的“Z” 形布局.

解釋算法需要針對(duì)不同傳感器而特殊設(shè)計(jì).比如探地雷達(dá)返回的是二維掃描圖像,一般地下管道會(huì)以雙曲線的形式表示.關(guān)于從圖像中自動(dòng)識(shí)別和擬合雙曲線的問題,已有一些發(fā)表的成果[7-9].地下管道的深度和直徑能通過擬合雙曲線的參數(shù)來(lái)獲得[10].而對(duì)于電磁感應(yīng)類的探測(cè)儀器,目前主要以人工讀數(shù)并分析地下管道位置為主[11].為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分析的過程,本文基于被動(dòng)電磁感應(yīng)線圈提出了一種探測(cè)地下電纜的方法并給出了解釋算法.

最后一個(gè)問題是設(shè)計(jì)算法融合多個(gè)空間點(diǎn)分析管道走勢(shì).Hafsi等人的方案直接假設(shè)管道方向是已知的,所以所設(shè)計(jì)的算法實(shí)用性不強(qiáng).Dou等人的方案提出了多橫截面前進(jìn)算法,其中掃描橫截面是以豎直方向和水平掃描線線段形成的平面.它結(jié)合了擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)方法來(lái)自動(dòng)推測(cè)管道如何從當(dāng)前掃描橫截面延伸到下一個(gè)橫截面.該算法能處理真實(shí)空間點(diǎn)的位置誤差問題,但是它無(wú)法處理虛警空間點(diǎn)問題.為此,本文設(shè)計(jì)了一種基于自修正和篩選的管道數(shù)據(jù)融合算法專門處理虛警空間點(diǎn)問題.

針對(duì)上述三個(gè)方面,本文的幾個(gè)成果將在下文給出具體描述.其中解釋算法通過真實(shí)環(huán)境實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說明其細(xì)節(jié).

3 掃描線布局問題

設(shè)θbs是一根管道和一條掃描線之間的夾角.根據(jù)本文設(shè)備上的被動(dòng)電磁感應(yīng)線圈和探地雷達(dá)的使用經(jīng)驗(yàn),θbs大于 60 度時(shí),傳感器在交叉點(diǎn)處才有明顯信號(hào)變化.定義θbs大于60度的交叉點(diǎn)為有效交叉點(diǎn),它的空間點(diǎn)不會(huì)缺失.在圖2中,細(xì)長(zhǎng)條表示地下管道,總行進(jìn)方向表示掃描線依次安置的方向,a和b的含義如圖所示,定義布局密度d=b/a.每個(gè)圖中兩條地下管道是在該總行進(jìn)方向下可被探測(cè)到的極限情況,方向在它們之間的管道都可被探測(cè)到,定義探測(cè)范圍角θr.可以看到,在d=6時(shí),平行線布局的管道上有效交叉點(diǎn)為10個(gè)/每根且θr= 60°,而“Z”字形布局的管道上有效交叉點(diǎn)為5個(gè)/每根(圖中用小矩形框標(biāo)注)且θr=60°+2arctan(1/d).雖然有效交叉點(diǎn)數(shù)在平行線布局上更多,但“Z”字形布局的θr更大.

圖2 平行線布局和“Z”字形布局Fig.2 Parallel layout and zigzag layout

下面分析在總前進(jìn)方向上探測(cè)單位長(zhǎng)度時(shí)兩種布局的掃描路徑長(zhǎng)度.首先假定一條管道和某布局的有效交叉點(diǎn)數(shù)k和夾角θbs,可以給出d關(guān)于k的函數(shù):

(1)

(2)

用d可以算出在總前進(jìn)方向上前進(jìn)單位長(zhǎng)度時(shí)掃描路徑長(zhǎng)度R:

(3)

Rparallel(d)=d(b+a)

(4)

如果設(shè)θbs=60°且b=1,可以做出公式(3)和公式(4)之比關(guān)于密度的曲線,可得平行線布局的成本永遠(yuǎn)低于“Z”字形布局,但是掃描路徑成本后者不會(huì)高于前者兩倍.

總結(jié)上面分析,“Z”字形布局θr更大,更適用于管道方向未知時(shí)的情況,同時(shí)k相同時(shí)它的掃描路徑成本不會(huì)比平行線布局高兩倍.

4 基于自修正和篩選的管道數(shù)據(jù)融合算法

4.1 算法的數(shù)學(xué)模型

在之前章節(jié)中已經(jīng)描述了探測(cè)問題的細(xì)節(jié),解釋算法返回的空間點(diǎn)會(huì)有三種情況:真實(shí)的、虛警的和缺失的.本文的數(shù)據(jù)融合算法首先建立在下面的四個(gè)假設(shè)上:

1)地下管道幾乎是直的.

2)虛警率>0,而缺失率為0.

3)真實(shí)的空間點(diǎn)在交叉點(diǎn)周圍且包含高斯噪聲.

4)虛警的空間點(diǎn)的出現(xiàn)遵循泊松過程.

第一條假設(shè)可以通過增加掃描線的密度來(lái)滿足,第二條假設(shè)可以通過提高解釋算法的靈敏度來(lái)滿足.比如探地雷達(dá)的原始數(shù)據(jù)是二維圖像,管道在圖像中反映為雙曲線形式,解釋算法可以將盡可能多的區(qū)域判定為有雙曲線,即使判據(jù)不那么明確.第三和第四條假設(shè)依據(jù)之前的研究[4]和合理推測(cè)而定.

第一條假設(shè)意味著一條地下管道和一條掃描線最多只有一個(gè)交點(diǎn).選擇n個(gè)相鄰的掃描線并從每條掃描線中選擇一個(gè)空間點(diǎn),然后擬合一條直線.嘗試n的值和選取的空間點(diǎn)的不同組合會(huì)得到很多擬合線,如果擬合線所用空間點(diǎn)全部是真實(shí)的,則代表了地下管道的真實(shí)情況,定義這種線是“正確的”,而其它的是“錯(cuò)誤的”.但是空間點(diǎn)真實(shí)與否是未知的,這里可以設(shè)計(jì)一種篩選條件將擬合線分成不同可信度,其中低可信的擬合線所用的空間點(diǎn)有大概率是虛警的.

下面給出了一種合適的篩選條件.假設(shè)一條管道具有N1個(gè)與掃描線的交叉點(diǎn),并且沿著其掃描線,第i個(gè)交叉點(diǎn)的真實(shí)空間點(diǎn)的坐標(biāo)為Xi(Xi～(μi,σ),其中μi是交叉點(diǎn)的位置).對(duì)于有n個(gè)點(diǎn)的擬合線,通常n的數(shù)量越大且所用到的空間點(diǎn)距離擬合線的距離方差越小越能說明擬合線可信,篩選條件可以如下:

(5)

先用Pin來(lái)表示空間點(diǎn)的X滿足|X-μ|

Pin=P(-kσ≤X-μ≤kσ|X～N(μ,σ))
=P(-kσ≤X≤kσ|X～N(0,σ))

(6)

公式(5)中的閾值參數(shù)需要確定,這里通過兩個(gè)概率的方程來(lái)確定.首先是拒絕管道的所有正確擬合線的概率P1.正確的擬合線用到的都是真的空間點(diǎn),它被篩選條件拒絕等價(jià)于nkσ.由于從N1個(gè)真的空間點(diǎn)中取出一些的所有取法都將被枚舉以創(chuàng)建擬合線,所以P1等價(jià)于在N1個(gè)空間點(diǎn)中,有不多于N0-1個(gè)滿足X

(7)

如果N1=N0,可以簡(jiǎn)化P1:

P1=1-(Pin)N0

(8)

(9)

如果給定環(huán)境參數(shù)λ=0.3,k=3,σ=1/3,且P1<5%∧P2<5%,可以得到6.32

(10)

4.2 構(gòu)造空間點(diǎn)和管道的對(duì)象結(jié)構(gòu)

對(duì)于一個(gè)空間點(diǎn),使用檢測(cè)向量(DV)來(lái)表示其信息:

DV=

其中(x,y,z)為三維坐標(biāo),r為地下管道的半徑,(dx,dy,dz)為管道的方向.管道對(duì)象的結(jié)構(gòu)是:

1)DN:空間點(diǎn)的數(shù)量;

2)MVP:空間點(diǎn)到擬合線的距離的均值;

3)MDA:空間點(diǎn)到擬合線的角度偏差的均值.

DN=n

(11)

(12)

(13)

篩選條件在下面將被稱為“邊界”.一個(gè)邊界可以通過結(jié)合這三種評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)產(chǎn)生.它可以是邏輯結(jié)合:

boundary=DN>N0∧MVP≤P0∧MDA≤A0

(14)

或者一個(gè)運(yùn)算結(jié)合:

(15)

與數(shù)學(xué)模型中不同,這里增加了A0,但都可以以類似于公式(10)的思路設(shè)置.

4.3 算法流程

包含該算法的整體流程在圖3中說明,左半部展示了探測(cè)過程中操作者的工作,而右半部展示了數(shù)據(jù)處理算法流程,其中數(shù)據(jù)融合算法以一條掃描線為周期迭代運(yùn)行.算法構(gòu)造的管道對(duì)象根據(jù)其可信度水平分為三個(gè)層級(jí)(按升序排列):L1,L2,L3.相應(yīng)的需要三個(gè)邊界來(lái)判斷管道是否符合此層級(jí).另一方面,為了說明方便,定義了管道上的二元關(guān)系:

pipe1 conflictpipe2≡
?DV0:DV0∈pipe1.DVList∧DV0∈pipe2.DVList

一條管道是“無(wú)沖突”的表示它的所有空間點(diǎn)都不屬于其它管道.融合算法具體分三步:

第一步是修改管道,具體工作是為已有的高可信管道對(duì)象提供新的空間點(diǎn)來(lái)優(yōu)化其評(píng)估指標(biāo).如果一條“正確的”管道的延長(zhǎng)線與最新掃描線相交,則在新掃描線上應(yīng)有對(duì)應(yīng)的真實(shí)空間點(diǎn).L2和L3的管道被認(rèn)為是高可信的,因此應(yīng)該找到它們的對(duì)應(yīng)空間點(diǎn).為了估計(jì)一個(gè)空間點(diǎn)對(duì)管道的匹配程度,需要設(shè)計(jì)估計(jì)匹配度的方法.一般應(yīng)該基于兩點(diǎn):空間點(diǎn)和管道之間的空間距離以及空間點(diǎn)的方向和管道方向的差異.具體操作使用一種雙向選擇方法:在新空間點(diǎn)的集合和待修改管道的集合之間,找到一對(duì)組合使空間點(diǎn)和管道相互最匹配.在修改該管道后從集合中刪除此組合,然后重復(fù)上述操作直至一個(gè)集合為空.

圖3 探測(cè)方案流程Fig.3 Procedure of detecting procedure

第二步是創(chuàng)建管道,目的是建立大量低可信(L1)管道作為候選者.L1邊界會(huì)設(shè)置得很松,故L1管道是低可信的管道.新創(chuàng)建的L1管道的來(lái)源可以是一個(gè)空間點(diǎn)與已有L1管道的結(jié)合,也可以是單單基于一個(gè)空間點(diǎn).算法會(huì)枚舉所有可能來(lái)創(chuàng)建.L1管道集合內(nèi)管道允許互相“沖突”.

第三步是通過升級(jí)產(chǎn)生新的L2或L3管道.要測(cè)試新創(chuàng)建的或修改過的管道所在層級(jí)的上一級(jí)邊界,通過則升級(jí).L1升L2要考慮兩種情況.首先,L1管道允許“沖突”,但L2和L3不允許(如果一個(gè)空間點(diǎn)在高可信管道上,其它具有這個(gè)空間點(diǎn)的管道是正確的可能性很低).所以升級(jí)某L1管道后,所有與之“沖突” 的管道將被刪除.這也刪除了它們含有的很可能是虛警的空間點(diǎn).其次,當(dāng)兩個(gè)或更多“沖突”的L1管道同時(shí)滿足L2邊界時(shí),需要設(shè)定優(yōu)先級(jí)來(lái)決定升級(jí)哪個(gè).優(yōu)先級(jí)值可以是公式(15)的值.而L2升到L3無(wú)需額外操作,因?yàn)長(zhǎng)2和L3管道都是“無(wú)沖突” 的.

在圖4中,帶箭頭的線表示掃描線,淺色的長(zhǎng)條表示之前迭代得到的管道而深色的是當(dāng)前迭代將生成的.第一個(gè)子圖舉例說明了雙向選擇過程.對(duì)于圖中的下管道,A比B距離更近故而更匹配,但是不能組合A和下管道,因?yàn)樯瞎艿篮虯更匹配.使用雙向選擇方法后A和上管道配對(duì),而B和下管道配對(duì).修改后的管道表示為虛線長(zhǎng)條.在第二個(gè)子圖中,白色的空間點(diǎn)同時(shí)屬于兩個(gè)淺色管道.中間的深色管道是由淺色管道和新的空間點(diǎn)配對(duì)后創(chuàng)建.在升級(jí)步驟中,該管道會(huì)被升級(jí),但是由于“沖突”問題,有兩個(gè)管道被刪除.在第三個(gè)子圖中,新的空間點(diǎn)使得兩個(gè)L1管道需要升級(jí).直觀地看,斜管道的空間點(diǎn)更散,所以它有低優(yōu)先級(jí).同樣由于“沖突”問題,也有兩個(gè)管道被刪除.

圖4 舉例說明融合算法Fig.4 Examples for explaining the fusion method

5 實(shí)驗(yàn)分析

5.1 模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)融合算法

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證算法在不同運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)下的性能.首先需要設(shè)置“Z”字形布局的密度和掃描線長(zhǎng)度.而環(huán)境參數(shù)方面,需要設(shè)置高斯分布和泊松分布的參數(shù),還要設(shè)定真實(shí)地下管道的位置和數(shù)目.在運(yùn)行參數(shù)方面,需要設(shè)置區(qū)分管道可信度的三個(gè)邊界的參數(shù).表1展示了部分參數(shù)設(shè)置,此設(shè)置對(duì)以下所有實(shí)驗(yàn)都是一致的.

表1 模擬實(shí)驗(yàn)部分參數(shù)表
Table 1 Part of parameters of synthetic experiments

Z字形方向1(0.866,0.5,0)角度高斯(rad) (μ,σ) (0,0.5)Z字形方向2(-0.866,0.5,0)掃描線長(zhǎng)度(m) 20 位置高斯(m)(μ,σ)(0,0.5)真實(shí)管道1的斜率10 真實(shí)管道2的斜率(如果有)-10

表2 邊界1參數(shù)表
Table 2 Parameters of the 1sttype of boundaries

管道層級(jí)L1<1,2,π>L2<10,4.4,0.8>L3

在表2所示的邊界參數(shù)時(shí),針對(duì)不同真實(shí)管道條數(shù),分別測(cè)試了不同泊松分布參數(shù)λ時(shí)的算法性能.比如真實(shí)管道為1條時(shí),使λ=0,0.1,0.2,0.3,算法一直能找到正確的擬合管道,而錯(cuò)誤被接受的管道數(shù)量依次為0,0,0,1.隨著λ的增加,算法會(huì)無(wú)法找到正確的擬合管道,這里定義能找到時(shí)最大的λ為識(shí)別上限(DUB).這里DUB為0.6.對(duì)于真實(shí)管道有兩條的情況也做了實(shí)驗(yàn).在圖5中(基于ArcGIS平臺(tái)[13]),左邊四列是1

表3 邊界2參數(shù)表
Table 3 Parameters of the 2ndtype of boundaries

管道層級(jí)L1<1,2,π>L2<4,4.5,0.8>L3

條真實(shí)管道時(shí)λ=0,0.3的結(jié)果,右邊四列是2條管道時(shí)λ=0,0.3的結(jié)果.同圖1一樣,圖5是俯視圖,其中鋸齒狀的是掃描線,掃描線上的許多線條是空間點(diǎn),細(xì)虛線是真實(shí)管道的位置.在每一列中,設(shè)備沿著掃描線從圖中下方到達(dá)上方,過程中算法迭代分析獲得實(shí)時(shí)結(jié)果,在設(shè)備完成最上方一段掃描線后,輸出的管道位置在圖中用粗管道表示,最好的管道和真實(shí)管道的位置誤差和其它多出來(lái)的管道條數(shù)反映了算法性能.在表3的邊界設(shè)置下也開展了實(shí)驗(yàn),匯總情況在表4說明.

通過上面的實(shí)驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn):其他條件不變的情況下,設(shè)置L2邊界的N0更大時(shí),算法挑選管道的出錯(cuò)率更低,但是其DUB會(huì)相應(yīng)下降.設(shè)定其他環(huán)境參數(shù)和邊界相同,真實(shí)管道的數(shù)目增加時(shí),DUB有較大幅度下降.

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總Table 4 A summary of experiment results

圖5 (邊界1)λ和真實(shí)管道數(shù)目不同時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 (1st type of boundaries)Results when λ and the number of real pipes are different

通常,如果真實(shí)空間點(diǎn)的位置誤差滿足N(0,σ),P0在2σ和3σ之間最好.一般σ越小,DUB就越高.對(duì)于A0,它應(yīng)該比P0更緊,因?yàn)镸DA是在MVP之后使用的強(qiáng)化約束.如果隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展使得可以得到更小的σ,則算法可以通過設(shè)置更嚴(yán)格的邊界來(lái)適應(yīng)這一進(jìn)步.

5.2 真實(shí)環(huán)境實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為一輛帶有被動(dòng)電磁感應(yīng)線圈和探地雷達(dá)的探測(cè)車.圖6展示了其實(shí)物圖和俯視圖.實(shí)物圖中四組被動(dòng)電磁感應(yīng)線圈用圓圈標(biāo)注,同時(shí)探地雷達(dá)天線用矩形標(biāo)注;俯視圖展示了傳感器的布局,兩個(gè)互相垂直的線圈組成一組,四組線圈標(biāo)號(hào)G1-G4,G2位置上固定有一個(gè)GPS模塊,正中間是探地雷達(dá)的天線.被動(dòng)電磁感應(yīng)線圈是2000匝的銅絲線圈,直徑約10cm,可以探測(cè)空間某點(diǎn)的交變磁場(chǎng)強(qiáng)度.GPS模塊是帶有實(shí)時(shí)定位差分功能的高精度工業(yè)級(jí)GPS模塊.探地雷達(dá)為GSSI SIR30型號(hào),頻率200MHz.

圖6 設(shè)備的實(shí)物圖和俯視圖Fig.6 Practicality picture and top view of the device

圖7顯示了真實(shí)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.第一個(gè)子圖包含電源線和水管的測(cè)試場(chǎng)地(左邊的是電纜而右邊的是水管).第二個(gè)子圖顯示了得到的空間點(diǎn)和掃描線,棱形點(diǎn)表示掃描線,淺色空間點(diǎn)來(lái)自探地雷達(dá)而深色的來(lái)自被動(dòng)電磁感應(yīng)線圈,還有一條細(xì)線表示真實(shí)管道.每條掃描線的長(zhǎng)度接近10m.設(shè)置L2邊界中N0=3和A0=1.7,而其他參數(shù)與模擬實(shí)驗(yàn)中的設(shè)置相同.由于兩條真實(shí)管道非常接近,因此只使用一條細(xì)線表示.最后一個(gè)子圖展示了算法得到的結(jié)果.

圖7 真實(shí)探測(cè)實(shí)驗(yàn)Fig.7 An experiment in the real environment

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),解釋算法的過程介紹如下.

為了說明被動(dòng)電磁感應(yīng)線圈的解釋算法,用圖7中間圖橢圓框里掃描線的數(shù)據(jù)來(lái)舉例.共八個(gè)線圈在一段掃描線上得到八條經(jīng)過濾波和平滑處理后的時(shí)間-電勢(shì)曲線.每?jī)蓚€(gè)互相正交的線圈為一組做分別處理.比如1,2號(hào)線圈組成G1組,這里設(shè)計(jì)了一種極大極小值算法處理1,2號(hào)曲線,具體是對(duì)垂直線圈分析向上梯度而對(duì)水平線圈分析向下梯度得到極大極小序列,并用極大極小序列生成評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)某時(shí)刻處于電纜正上方的可能性,找到最可能的時(shí)刻.

圖8展示了G1-G4四組線圈分別處于電纜正上方的時(shí)刻.結(jié)合GPS記錄的空間軌跡,可以把四個(gè)時(shí)刻換成四個(gè)位置.在圖9中斜率較小的線表示GPS的空間軌跡,四個(gè)實(shí)心點(diǎn)表示換算出來(lái)的位置.而GPS和其中一組線圈重疊,對(duì)于不在同一位置的其他三組線圈來(lái)說,其真實(shí)位置需要校正.圖中每個(gè)矩形框的四個(gè)頂點(diǎn)表示同一時(shí)刻四組線圈的位置,空心點(diǎn)為校正后位置,斜率較大的線表示擬合出來(lái)的管道.利用擬合線的參數(shù)就能得到管道位置和方向.

圖8 四組線圈在電纜正上方的時(shí)刻Fig.8 Times of four groups of coils being on the cable

雷達(dá)返回的數(shù)據(jù)是二維圖像,已有很多算法能處理其圖像[14],通常探地雷達(dá)的圖像會(huì)在有電纜或管道處將顯示開口向下的雙曲線特征.本文的探地雷達(dá)雙曲線識(shí)別和擬合算法來(lái)自合作作者周熙人的論文[15].空間點(diǎn)的位置結(jié)合辨別的雙曲線頂點(diǎn)的位置和GPS的軌跡計(jì)算得到.空間點(diǎn)處管道的半徑從雙曲線方程得出.而方向被設(shè)置成與掃描線垂直,因?yàn)樘降乩走_(dá)無(wú)法推測(cè)方向.四個(gè)階段分別是:原始掃描圖像;二值化處理;聚類和模式識(shí)別算法處理估計(jì)雙曲線參數(shù);生成空間點(diǎn).

圖9 結(jié)合GPS獲得管道位置和方向Fig.9 Obtaining the location and direction of the pipe with GPS

圖7右邊子圖展示了算法輸出的五條管道.最長(zhǎng)的深色管道比較貼合真實(shí)情況,其斜率為0.047(真實(shí)管道的斜率為0.02),而其長(zhǎng)度接近70 m,而距離真實(shí)管道的最大偏差約為0.96m.深色管道中的所有空間點(diǎn)都來(lái)自探地雷達(dá),因此反映的較為可能是水管.

6 總 結(jié)

復(fù)雜的地下管道現(xiàn)狀催生了對(duì)高效的管網(wǎng)探測(cè)技術(shù)的研究.為了節(jié)約人工成本,采用非開挖的探測(cè)技術(shù)是一種趨勢(shì);為了節(jié)約時(shí)間,程序智能分析傳感器數(shù)據(jù)逐漸代替了專家分析.本文研究了實(shí)時(shí)的地下管道探測(cè)的情景,基于現(xiàn)有的探測(cè)技術(shù),研究了一套數(shù)據(jù)處理算法從而完成了一套可行方案.設(shè)備開啟后,以“Z”字形掃描方式勻速前進(jìn),對(duì)不同傳感器會(huì)有不同的解釋算法來(lái)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的空間點(diǎn)形式,然后利用基于自修正和篩選的管道數(shù)據(jù)融合算法融合多空間點(diǎn)獲得地下管網(wǎng)走勢(shì).

在介紹融合算法之前,引入了一個(gè)數(shù)學(xué)模型.基于地下管道是直的并且對(duì)不同情況的空間點(diǎn)建立合理的概率分布假設(shè),然后據(jù)此設(shè)定篩選條件的參數(shù).融合算法是一個(gè)迭代函數(shù)且標(biāo)記具有不同可信度標(biāo)簽的假設(shè)管道,新的一批空間點(diǎn)的到來(lái)會(huì)觸發(fā)一次新的迭代來(lái)修改現(xiàn)有的假設(shè)管道的屬性和可信度標(biāo)簽.算法通過刪除可信度低的管道來(lái)刪除虛警空間點(diǎn).但是融合算法還是有一些不足,下面給出了幾個(gè)方向:

1)目前算法默認(rèn)行進(jìn)方向是單向的,這意味著設(shè)備不能來(lái)回探測(cè)多次采集一個(gè)地方的數(shù)據(jù)以提高精度.

2)實(shí)驗(yàn)中DUB不那么高,更高的DUB可以使算法具有更好的噪聲容納能力.

3)構(gòu)建管道的模型,其操作涉及到尋找新點(diǎn)、評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)兩點(diǎn).尋找新點(diǎn)是指完成一條掃描線并獲得一些空間點(diǎn)后,對(duì)于一個(gè)管道尋找其中最優(yōu)的空間點(diǎn)并延長(zhǎng)管道本身;評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)是指需要有一種機(jī)制評(píng)價(jià)管道的真實(shí)程度和可信程度.最簡(jiǎn)單的就是直線模型,也就是對(duì)于直線管道,其尋找新點(diǎn)按最小距離標(biāo)準(zhǔn)尋找,而評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)可以用擬合管道所用的空間點(diǎn)關(guān)于這條管道的方差均值做評(píng)價(jià).這也是本文所用的模型.可以修改直線模型而采用更好更復(fù)雜的模型比如可以用高階曲線,或者濾波算法等等.也可以修改評(píng)價(jià)方式,用其它更好的方式來(lái)評(píng)價(jià)管道.

4)在一條掃描線上不同傳感器給出的真實(shí)空間點(diǎn)可能來(lái)自同一個(gè)交叉點(diǎn),所以可以增加一個(gè)環(huán)節(jié)先融合一些可能來(lái)自同一個(gè)交叉點(diǎn)的空間點(diǎn)為一個(gè).一個(gè)思路是類比給假設(shè)管道劃分可信度的方法,也可以對(duì)空間點(diǎn)也設(shè)定可信度劃分.