文摘

在英国有一个utility服务的巨大遗产埋管道和电缆在我们的街道和新服务,如光纤电缆,被添加。这个实用程序的网络映射和记录得很糟糕。因此重要的是准确定位和地图这些服务援助的安装新的,和维修和维护现有的资产。这将有助于避免相邻服务和减少直接和社会成本与发现埋公用事业。介绍两个主要的英国initiatives-Mapping黑社会(MTU)和重力梯度技术和机会计划(GG-TOP)——旨在提高我们定位,地图,和分享有关埋效用的信息服务。MTU旨在开发一个多传感器设备定位埋服务,而GG-TOP旨在开发重力梯度技术提供一个(三个数量级)阶跃变化的性能。

1。介绍

大多数公用事业服务,包括电、水、天然气、电信、分布使用埋管道或管道,或通过直接埋电缆,埋下公用事业基础设施存在的主要道路。通常需要挖沟时需要维护,修理,更换,或扩展,这往往导致干扰(有时伤害)其他公用事业服务,交通延误和/或对环境的破坏。不准确的位置埋管道和电缆的结果远比原本是必要的发掘,从而创建一个讨厌的直接成本和增加维护服务提供商,同时大大增加了成本,最重要的是交通延误的巨大的直接成本,商业和私人司机直接和间接成本。这些“社会成本”英国拥堵的单独估计高达每年十亿(1),5% (百万)是归因于街工作。也有非常可观的环境“成本”由于交通堵塞,破坏地球的很大一部分由于汽车运输车辆延误。然而,公用事业服务提供商,他们承受着巨大的压力从监管机构以各种方式提高性能和降低成本转嫁给消费者,保持开放的切割方法和接受“干孔”的不便(挖掘目标服务小姐)边际成本增加。这种态度的变化是很重要的,但它只会这样做当工具位置技术被证明是可靠的,也就是说,生产的准确和全面的计划表示理想好深度近似也埋了公用事业基础设施。

1.1。英国遗产

最基本的公共服务基础设施的安装在过去的二百年在英国,不同等级的建筑质量,和不同地理参考,根据年龄和埋藏的资产类型。全球这张照片复制,尽管年龄往往没有那么极端。然而,地下公用事业和地方当局的范围和程度上资产在全球范围内大规模和代表一个巨大的资本投资。例如,长度不同的英国资产为Burtwell et al。2)如下:(我)275000公里的天然气干线;(2)353000公里的下水道;(3)396000公里的水管;(iv)482000公里的电力电缆;(v)估计有2000000公里的通信电缆;(vi)估计有500000公里的公路排水和地表水下水道。

此外,还有很多其他服务,其中一些在很大程度上是被遗忘在这个辩论和其他特定的国家。英国也有以下:(我)交通管理布线(灯光、标志等);(2)公用事业服务连接属性;(3)网络铁路(国家铁路基础设施提供者)拥有服务包括信号、排水、电力和电信、电气化和植物;(iv)全国重要的石油管道。

此外,英国的城市织物非常密集,街道狭窄,该实用程序服务基础结构在很大程度上是埋在他们。记录追溯到200年前是不完善的,质量参差不齐。因此,毫不奇怪,这些埋资产的检测是一个巨大的挑战。

1.2。对公用事业和社会压力

公用事业服务提供商面临着持续的高水平的访问需要日益拥挤的地下环境中,几乎没有真正的知识,这一活动的相关费用是不可避免的大。英国政府的既定目标,通常可用宽带接入到2005年明显增加的工作量在道路和人行道在过去的十年里,导致安装的服务的确非常昂贵的修复在较浅的深度;老,更深层次的公用事业公司现在必须协商如果第三方损害发生的另一个危害巨大的处罚。此外,未来三十年将天然气主要的替代计划活动在英国比以往更高水平。这种情况下,尽管也许在不同细节,正在世界范围内复制。

经济增长,竞争的引入到效用服务行业和增加客户需求基本服务带来了更多的挖掘在街上来提供这些服务。公用事业公司授权的数量的增加将电源和电缆在我们街道带来了公用事业服务提供商之间产生冲突的可能性增加,有法定权利使用提供基本服务的街道,公路部门和其他维护他们,和那些街头用于运输目的(他也是这些服务的接受者)。因此,进一步情况复杂。

作为一个社会,效用的影响在道路和人行道工作对人们和环境的持续增长,越来越认识到需要减轻它的影响,体现在英国的垃圾填埋税(从挖掘处理垃圾的成本继续上升),总利维(添加新骨料回填沟)的成本,和所谓的“拥堵沙皇”的引入城市缓解交通拥堵,大部分是由于道路施工。更具体地说,介绍了税收在公用事业公司占用道路空间激励快速实用工作和缓解交通堵塞。例如,莱恩租赁费用和许可证制度,于2010年被引入,试着在伦敦行政区和其他在英国议会。这也将增加的成本压力,如果按照计划,实现更广泛的在英国。伦敦许可证方案的初步结果显示不同工具提供者之间的更大的合作,导致更多的“天救了”在执行工作(3]因此,激励更有效地工作有积极的影响。因此很明显,同样是那些提供测量工具的动力需要使街道工作更有效率。

1.3。实用网络维护的后果

挖沟的直接成本和恢复工作在英国公用事业超过高速公路每年十亿(4),部分是由于干孔和损害第三方的资产。1987年,据估计,每年有75000起第三方损坏的工具设备,有一个关联的成本每年百万(5]。到2000年,英国水务行业单独发生百万的修复成本第三方损害(6]。正如前面所讨论的,光缆的使用增长带来进一步的风险:一个特定事件的损失单独一个电缆成本百万修复(7]。

尽管他们都大,直接成本明显低于间接成本。这些影响效用的影响道路工程包括以下:(我)高速公路用户,通过拥挤的成本,延误和交通事故,(2)业务,通过减少产量和营业额因拥堵造成的延误和中断的活动附近的作品,(3)当地社区,通过减少或失去了获得设施和场所,和重载的牵制性的路线,(iv)环境,通过破坏树木,增加污染(噪音、气味和视觉),延长使用的自然资源,和一代的废物,(v)第三方,通过财产损失,(vi)公路部门,修复受损的人行道和处理道路结构的破坏生活的后果,(七)公用事业公司,通过负面宣传,流产的费用,和修复损坏的成本,(八)工作人员在路上暴露于健康和安全风险。

如前所述,总的来说,这些间接成本估计在英国一样十亿(1]。总直接和间接成本,公用事业、工业、社会和政府将继续上升,除非提供更好的信息效用的形式记录和技术更有效的位置,证明信息记录,发现这两个实用程序服务,不记录,可以提供给那些做的工作。此外,开挖工程可以质疑的权利,如果现有立法措施控制道路拥堵和混乱对公众不改善现状。

本文将介绍两个项目旨在开发技术来定位埋资产。如果这些资产被映射与100%的准确率,干孔可以减少相当数量的(如果不是完全除去)和效用街可以更有效地进行工作。这有可能降低直接成本、社会成本和环境成本,并改善我们城市的生活质量。

2。映射阴间项目(MTU)

2.1。起始和MTU阶段1

MTU项目(http://www.mappingtheunderworld.ac.uk/)是一个25年的倡议在街上提高公用事业公司的运作方式。虽然早在1996年怀孕,MTU正式启动“创意工厂”,这是作为一个创新的新方法由英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)促进多学科工作;在这种情况下确定补充项目与埋藏的位置相关的资产。MTU第一阶段,由前三个作者,协调活动从2004年到2008年,由一个m计划结合大学的浴、伯明翰、利兹,诺丁汉,牛津大学,谢菲尔德,南安普顿,连同许多工业利益相关者。四个核心项目之一,由一个可行性研究来确定合适的传感技术,结合时,可以找到所有公用事业埋在地面条件而不需要探索发掘(8]。此外,MTU第一阶段包括项目,寻求开发一个表面贴装的映射系统,使用地球科学技术,提供准确的3 d位置坐标埋基础设施,即使在“城市峡谷”和代表他们工作在一个合适的三维电子地图系统。这项工作至关重要,因为往往没有明确的对天空的一大部分需要获得一个精确的全球定位系统(GPS)的位置。本研究成功地开发一个可靠的定位系统,集成GPS和惯性导航系统(INS)的精度约1厘米(9- - - - - -12]。

在英国,在许多西方国家,与许多私人公司公用事业行业是高度多样化的操作在任何给定的区域。这些公司持有自己的实用程序记录的格式,有时被完整的记录和/或不准确,有时甚至在数字形式。为了获得全面的信息在所有资产埋在地上,需要结合个人记录。因此,MTU第一阶段研究的建设一个统一的数据库的所有位置数据从各种公用事业公司,因此提供了一个网络数据共享(例如,看到13,14])。

MTU的最终项目第一阶段调查增强方法检测埋资产通过开发新方法提高地下管道的可见性的调查从地面表面使用电磁技术。一系列的“共振”标签(或RFID标签)。这些都是相对简单的金属结构,可以封装在一个管在安装之前或附加到现有管,正在修理15,16]。他们提供了一个有效的手段反映电磁信号在预定的频率,几乎以相同的方式作为自行车反射器提供了增强的可见性,当一辆车的灯光照亮。射频识别标签被视为一个具有成本效益的解决方案,为塑料管道,特别感兴趣的建议是最具挑战性的类型的管道可以探测到探地雷达(GPR)。

上述所有方面的MTU第一阶段收到后续资金。VISTA项目相结合的数据集成和GPS定位方面研究MTU关注可视化集成信息埋资产减少街道工作(http://www.vistadtiproject.org)。项目最终以现场研究旨在结合自动从单个实用程序记录数据。目前在伦敦地区进行大规模测试,也就是说,该地区有界的M25公路轨道高速公路。EPSRC的射频识别标签技术也得到了后续资金计划,旨在将承诺下新产生的技术进步研究基金接近市场。

2.2。MTU多传感器定位项目

MTU第1阶段效用位置可行性研究证明,所有四个截然不同的地球物理技术研究,以前用于隔离定位地下基础设施,有可能被合并在一个多传感器设备,从而实现MTU的愿景,即达到100%检测不需要证明发掘。这由一个格兰特的价值百万从EPSRC(2008 - 2012)详细研究多传感器设备,可以检测所有埋管道和电缆(称为以后埋资产)、可行性研究的有前景的结果的基础上,利用每一个可能的优势通过地面和关注的目标。这是由伯明翰大学的浴缸,南安普顿和利兹。四个地球物理技术正在研究具体关于他们的组合在一个单一的,集成的设备是探地雷达,声,被动电磁和低频电磁场。

探地雷达是目前最常见的一种技术利用定位埋公用事业。它的原则是建立(见[17]),其局限性也同样众所周知:斗争的渗透深度饱和粘土土壤,它需要一个好的目标和材料之间的对比是埋(天然气管道中的空白往往更明显,例如,比管本身),它可以很难看到过去的上覆公用事业寻求更深层次的目标或区分相邻公用事业有拥挤的情况下(杂乱)埋资产。两种方法被采用的MTU项目;第一次使用的传统技术通过地面向下看,虽然利用更先进的思想如扫频正交频分复用(OFDM)探地雷达18),第二个使用双探地雷达系统。双系统的发射机和接收机安装在机器人装置内现有的管道在地面,如污水,向外“看”,但结合发射机和接收机信号的地面,这样单向旅行(管表面,表面管)可以适应。这消除了需要的信号传输到地面,再次反射回来,从而增加的有效深度调查。

vibro-acoutstics技术提供了许多优势埋工具检测,如发现塑料管的能力,而在饱和工作最好的特定优势媒体当GPR斗争由于高衰减的信号。正在调查两种方法:直接激发埋资产通过人孔或阀,可用于定位线管到远方的海浪沿着管和辐射传输到地面,在那里他们发现使用数组铁板或扫描激光;和励磁地面目标检测埋管道使用检波器接收的反射波或激光,它有可能找到多个埋对象(19,20.]。

低频电磁场技术已经从第一原理研究。它有可能补探地雷达的定位工具,探地雷达检测困难。例子包括小直径塑料管道和光纤电缆,管道躺在盲探地雷达区,和大型深埋深下水道等资产,超出范围的传统方法(21]。被动磁场(及)技术利用当前的流动在一个埋AC电力电缆,它创建了一个振荡磁场及相关传感器可以检测(22]。电力电缆中的电流也能导致电流在邻近的公用管道或导管由导电材料制成,如铸铁,及有可能发现这些实用程序。

两个原型车已经发展到目前为止。图1显示的一个原型车被推在一个测试网站与一个商业探地雷达以及低频电磁传感器连接。此外,有许多定位传感器不仅包括在购物车给购物车的绝对位置使用GPS,而且个人的相对位置传感器。这绝对是至关重要的成功的数据集成。其他传感器目前单独测试,最终目标结合在一个购物车。

进一步的项目的重要方面是研究这些不同传感器的数据融合技术与现有实用程序记录开发一个“地图”概率可能埋葬的服务。这是至关重要的数据在一个表单,用户可以很容易地理解(23]。显然这方面研究的程度可以依赖于先进传感器工作的结果。测试已经在过去12个月进行结合在两个测试网站上不同的传感器。这些测试的初步结果是由皇家et al。24),世卫组织还提供进一步的细节关于个人传感技术的最新进展。

此外,这很好理解,地面条件有重要影响的能力不同的传感器技术检测埋服务。这项研究的另一个方面是因此产生一个以知识为基础的系统(KBS)来帮助应用程序的多传感器设备和提高调查操作协议。这个KBS将利用信息从许多来源,如地质和岩土工程数据库由英国地质调查局在英国举行。它还将包括技术将岩土信息转化为地球物理参数更适合传感技术用于检测埋服务,大部分的开创性研究已进行的MTU团队(见[25- - - - - -28])。这KBS将帮助工具调查在很多方面,例如,它可以提供一个可能的地面条件会网站上调查前,从而帮助用户决定哪些技术可能效果最好,也使设备调整之前的调查检测埋服务最大化他们的能力。

作为研究项目的一部分,英国测试设备测试位置技术和培训操作员也被调查。专用设施计划和英国承包商希望今年构建它。设备是基于不同的海湾包含不同地面条件和管道的安排。一些海湾被简单的测试新技术和其他包含复杂安排埋服务为更先进的测试和培训的人员。这将提供一个理想的试验场时多传感器设备在其最后的原型形式和将帮助建立网站测试协议(如调查技术的测序。

3所示。重力梯度传感器(GG-TOP项目)

如上所示,没有单一的技术将能够找到所有资产埋在地面条件。为了实现这一目标的唯一方法就是通过结合不同的传感技术。虽然MTU下的四个技术被开发,并结合多传感器购物车,设想有可能找到所有传统浅埋实用工具,重要的是要确定额外的技术可能会增加信心和扩展的范围MTU传感器。GG-TOP是一个互补的研究项目,旨在探索技术,试图提供一个阶跃变化在重力研究和重力梯度映射(2011 - 2015)。GG-TOP小说通用技术基础将依靠原子干涉测量法,这是一个颠覆性的量子技术,有可能超过传统的重力梯度传感器几个数量级的敏感性和允许新的灵活的传感器方案抑制地形、地质、表达的研究需要和其他噪声源Difrancesco et al。29日]。这些改进将打开新的应用程序在地下映射与一个潜在的巨大的影响行业(建筑、埋藏和地面基础设施维护)和社会(通过减少交通拥堵和带来更可持续的实践我们的城市),以及潜在的帮助通过部署在解读历史考古设置和推进基础科学(自然测试我们的模型)。

当前重量技术已广泛应用于勘探、水下导航、和现场调查,但它的潜力是不可接受的限制大型测量所需的时间交付任何接近可接受程度的精度。当前重力技术的限制是一个直径深比约团结如果时间尺度可以接受目前的工业应用。重力梯度技术追赶的潜力在GG-TOP定位小型地下特性,将检测到的重力异常,浅和中档深处直径深比的≪1,例如一个100毫米对象在10米的深度,在同一时间尺度作为当前技术检测腔的尺寸是相同的数量级(即作为他们的深度。,径深比= 1)。这将是一个重大步骤变化,原则上,礼物没有障碍(30.),用来补充其他测量技术。传感器的灵敏度可以显示在图2,这显示了敏感性锥。它表明更深层次的目标,更大的必须被检测到,而这个论证的推论是,传感器可以检测到小物体接近水面。这个观察的重要性在于基本方法:MTU传感器依靠累进增加“权力”或“信号幅度”,看到深,增加“权力”他们没有发现小异常,躺在小距离地表以下,而重力梯度传感器没有这样的“权力”的局限性;它检测到的重力场,反映出整个埋地下。例如,因此能够检测充气管道由上覆蒙面效用服务简单地通过检测,非常敏感,不同的引力在不同距离上参考系。

GG-TOP项目是一个四年,百万倡议由EPSRC的2011年7月开始。它由五个工作包(WPs),与应用程序工作包核心作用(图3)。WP1关注传感器技术的发展,基于完善的原子干涉测量原理(31日),包括实验室和田间试验。目标是实现和评价小说原子干涉重力梯度仪方案带来的阶跃变化的敏感性和可用性。除了实验室评估,一个健壮的技术原型开发的首次“字段/实用性”测试新的想法。同时,WP2集中于理解传感器,尤其是多波检测和限制sensor-noise模型的发展,McGuirk等人的工作基础上。32]。将是至关重要的区分接收到的信号由于地下空洞、管道、电缆,和其他埋对象,从那些由其他随机噪声的传感器。目的是提供一个全面的MATLAB工具捕捉传感器的物理映射所有可能的信号和噪声传感器的输入输出。关键参数输入这两个工作包的用户需求(例如,设备可接受的大小街道调查,可接受的测量时间的限制来补充其他测量操作,所需的分辨率和那些需要工作的人在街上公用服务设施),加上WP5数据在目标应用程序(例如,材料属性的各种目标资产及其内容)。

WP3关注源的理解,结合线性目标模拟如管道、电缆、战壕、沟渠、考古等特性而离散目标模拟将包括坟墓,洞和埋藏文物。这个工作包的目标信息的优化获得的重力梯度测量的目的是识别多个覆盖基础设施资产埋在不同的深度。特别是,需要密集阵列传感器将检查地面的函数组成和所需的空间定位精度。WP4带来的结果WP1, WP2 WP3一起和集中于概念验证试验同时使用一个考古遗址的国际重要性(英国巨石阵)和MTU测试设施。两个站点提供的线性特性和离散的MTU测试设施提供一系列困难埋资产位置,包含一个孤立的简单安排管和最复杂的一系列堆叠和公用事业。此外,不同土壤的影响可以被测试在MTU测试设施。这个工作包的目的是融合来自不同传感器的数据(包括MTU传感器)和提供一个特定于应用程序的可视化界面之间的基本技术和最终用户。WP5侧重于评估新的重力梯度传感器技术对不同的应用程序相关的商业潜力(城市映射、水下导航、水下映射和考古学)和基本物理。重要的是,规范的新重力传感器原型为不同的应用程序将在这WP派生。如果成功的话,这个项目有可能达到大量的从业人员,包括考古学家,城市规划者,土木工程师、地质学家、海洋科学家和其他人。 Future possibilities, though not the focus of the current project, include mineral exploitation, deep geological mapping and applications in space, that is, long-range targets.

GG-TOP项目的新颖性是重力梯度测量传感器在许多不同的地方,这是重力梯度在这些位置的差异是显著的。图4展示了一个示意性的潜在重力梯度传感器的布局。按照设想,该传感器将占据的体积约1米³网站调查,从而使它容易运输。虽然可能相当大的初始原型阶段,以促进更广泛的研究探索,它仍然可以被添加到购物车MTU多传感器。

4所示。结论

国际目前迫切需要结合多传感器设备的完整的远程位置埋葬的公用设施和其他基础设施,埋就是明证国际文学和热情支持的MTU项目来自英国,欧洲和北美的组织(例如,ORFEUS和DETECTINO欧洲项目和美国交通运输研究委员会)。仅在英国,金融综合测量设备的常规使用的影响可能是非常可观的,可能达到每年几百万的MTU项目成熟和设置为上升拥堵加剧。这里的论点是,如果街道占工作几百万的成本因交通拥堵,减少道路占领20%会产生这样一个储蓄。对街道工作的影响一个准确、全面的定位技术将是双重的:操作会很迅速,大量的“干孔”将被避免,所以道路占用会减少;和一个全面的地下公用事业埋在一个区域的地图将允许使用更多的非开挖技术。仅仅这一个事实证明了政府的支持,通过英国EPSRC的项目。

证明在MTU第1阶段,只有不同的地球物理遥感技术的结合有可能找到所有公用事业埋在地面条件而不需要证明发掘。本文总结了MTU第一阶段的结果,描述了两个英国当前大型研究项目旨在开发新型传感器技术。这也显示了需要考虑用户需求和应用程序在任何这样的发展。数据融合的重要性和挑战一直强调,随着传感器有自己的定位和数据格式。令人兴奋的方法和广泛的潜在应用,重力梯度传感器提供一个有价值的潜在互补性技术正在研究在奔驰的倡议。如果成功,重力梯度传感器将测量的阶跃变化岩土工程应用程序以及扩展的功能效用比目前更大的深度调查。因此,它可能会发现其使用被广泛提倡所有类型和大小的土木工程项目。

确认

作者要感谢英国工程和物理科学研究理事会资助论文(EPSRC赠款EP / F065965/1 EP / I036877/1)和项目的许多工业合作伙伴是谁导致了纸。