[0001] 本
发明总体涉及根据
权利要求1所述的用于检测诸如建筑工地的地
下管道或布线系统的埋入式结构的接近检测方法，以及根据权利要求13所述的用于这种结构的接近检测系统。
[0002] 在建筑工地上，在挖掘之前或挖掘同时，使用用于检测地下结构的装置是很常见的。这样的结构经常以在其他导电地下结构中的供电设施、供气设施、供
燃料的设施、供
水设施或提供通信数据的设施的形式出现。尽管根据工地勘测员的平面图大多数这些设施的
位置是已知的，但是它们的位置可能具有不确定性，或者可能存在这里未提到的附加设施。在工作过程中，它们经常被运土机的操作者简单地忽略。
[0003] 避免在沟渠或正在被采挖的区域中进行挖掘时损害地下结构是一个重要任务。由于对设施的损害可能造成严重的影响和代价，所以在采挖之前或采挖时，进行能够检测是否接近工地上这种设施的这些附加测量。用于该目的的装置被称为线缆避开工具，也被称为CAT(Cable Avoidance Tools)。
[0004] 一种对地下设施进行
定位的方法是检测由设施本身发出的电
磁场。为此，需要设施具有自然产生的电
信号，该
电信号发射可以在地上检测到的场。这对于开启的电源是有效的，但是用该方式难以检测例如关闭
路灯的布线系统、未使用或
低电压的通信
电缆、输气管或输水管。
[0005] 为了避免这些缺点，进行许多开发，以提高检测，并且还能够检测不同类型的设施。美国
专利US 5 194 812示出了这样一种解决方案，其通过将导体引入中空管(如，输气管或输水管)-或者通过在设施旁边敷设将起到
电磁场发射器作用的导体，来检测中空管。这样，如上所述，通过电磁场也可以检测不具有本身自然发生的场的管。该方法的缺点在于并不是总可以将这样的发射器插入到管中。经常发生的是，由于设施出口远离工地而无法到达，或者当前正在使用该设施而无法到达，因此无法插入发射器。
[0006] 如果设施本身是导电的，则可以使用发射场的另一种方式。美国专利US 4 438401公开了这样一种系统：其中，不具有自然产生的信号的金属设施直接连接至信号发生器。这样，电信号可以耦合到该设施，因此，可以通过其电磁场来检测该设施。为此，设施必须被定位且连接在建筑工地附近的某处。这可能是一项非常难的任务，因为某些设施是隐藏的、无法到达的，或者甚至是正在使用的，所以是无法连接到建筑工地附近的某处。 [0007] 用于向设施施加信号的另一种可能是通过发射天线将电磁场发射到地中。接收天线收集由地下结构反射回的信号，并且基于该信息，确定是否接近设施。美国专利US
4,600,356、US 5,592,092和US 6,437,726示出了例如安装在反铲
挖土机的挖斗上的这样的装置。这些系统对于许多金属设施都是有效的，但是检测仍然限于含有导电材料的设施。
例如，用该方式难以检测到由塑料制成的水管。
[0008] 也可以通过除了电磁场的其他手段检测地下管。例如，美国专利US 5,617,031示出了利用三个地面导电
接触器，基于地面阻抗分析的检测方法。在沿着地面拖曳接触器的同时，根据接触器之间阻抗的变化，可以推断出是否存在结构。检测的精确度取决于执行该方法的操作者的技术，并且通常是非常低。测量需要沿着地面拖曳导电接触器。因此，在不平地面上或者当表面被例如碎石或柏油
覆盖时，无法使用这样的装置。而且，其无法直接安装至挖掘机，以在工作期间辅助操作者。
[0009] 大多数已知系统或已使用系统的共同点在于地下结构需要在可用
频率范围内发射强度足以在地表上检测得到的电磁场。
[0010] 这些场可以由自然产生的电信号来产生，这将可用性主要限制在输电线和一些通信线缆。
[0011] 发送出电磁场并且根据从结构反射回的场来确定是否存在结构的方法由于通过这可达到的信号强度很低，所以在性能方面受到限制。通过导电将期望频率的信号从外部直接施加于该结构的另一种选择通常是不可能的。
[0012] 因此，本发明的目的是检测无法达到(accessable)的结构，以及改善利用反射无线电信号可得到的
低信号强度。
[0013] 本发明的另一个目的是检测通过
现有技术的任何方法几乎不可能检测到的结构，如通常使用的塑料水管。
[0014] 本发明的另一个目的是提高不能自然发射强度足以在地上检测到的电磁场的结 构的可检测性和检测准确度。
[0015] 本发明的另一个目的是提供一种更加容易使用的接近检测方法。 [0016] 通过实现
独立权利要求的特征来实现这些目的。在专利
从属权利要求中描述了以另选或有益方式进一步开发的本发明的特征。
[0017] 根据本发明的接近检测方法基于从地下结构发射电磁场，即使它们不自然发射这样的场。通过沿该结构流动的
电流发射该场。该电流的引入不是通过电流源直接连接至该结构实现的，也不是仅基于该结构与由检测单元发送出的电磁场之间的通常弱的电磁耦接来实现的。
[0018] 用于导电、细长、埋入式结构(尤其是建筑工地的地下管道或布线系统)的接近检测方法通过以下步骤来执行：生成步骤，通过电流源生成期望频率和强度的交流电流；引入步骤，将所述电流引入所述结构中，使得通过载流结构来发射电磁场；检测步骤，通过与地面电绝缘的地上的移动检测单元来检测时变的电磁场；以及确定步骤，根据所检测到的电磁场，来确定所述结构是否接近所述检测单元。
[0019] 根据本发明，以
电极被
土壤材料包围的方式插入土壤中并且彼此分开大约5-200米的至少第一和第二单点电极，通过导电将所述电流直接引入所述土壤中，使得所述电流的流动路径为：
[0020] ·从所述电流源至第一电极，
[0021] ·从所述第一电极通过土壤到所述结构，使得它们仅由土壤材料传导， [0022] ·沿着作为地下
电阻最小的路径的、所述结构的至少一部分，
[0023] ·从所述结构通过土壤到第二电极，使得它们仅由土壤材料传导， [0024] ·从至少第二电极通过地上的绝缘电缆到所述电流源，
[0025] 其中，所述第一电极和第二电极限定了
检测区域，在该检测区域中执行检测所述电磁场的步骤。
[0026] 根据本发明，电流被导电耦合至在关注区域的至少两侧上的土壤中。通过由适当长度的充分绝缘的电缆连接至电流源的电极来引入电流，电缆应当位于离挖掘区域一定距离处，以避免来自电缆本身的干扰，并且避免在挖掘同时损坏电缆。
[0027] 从电流源至土壤的至少两个单点的连接可以例如通过电极来建立，该电极为现有的渠盖、金属
门柱、街道名称标杆或其他已经存在的土壤连接器的形式。如果没有这样自然土壤连接器可用，则可以通过如帐篷桩等的地钉来引入电流。电极必须至少部 分被土壤材料围绕，以导电地连接至它们。由于这个目的，应当避免使用多点土壤连接(如，灯柱、长金属栅栏、长路障、气/水检修孔或
阀盖)。
[0028] 由于地下结构的
导电性比土壤的连接性好大约至少一百倍，所以引入到土壤的电流将采取主要沿地下结构的电阻最小的流动路径。
[0029] 解释该原理的简单模型是将土壤和土壤中埋设的结构作为一组多导
电路径。土壤材料的阻抗通常在至少几千欧至百万欧的范围内，而埋入式结构在几欧的范围内。因此，所引入的电流的大部分将从电极通过土壤材料流到埋入式结构，并且沿该结构的至少一部分，发射电磁场。
[0030] 如这样的布局与以某些方式地缚的所有种类的
电子导电结构或离子导电结构一起工作。例如，经由家用
铜管接地从而连接至土壤的塑料管内部的水，将根据本发明以与由导电材料(如，
铸铁、铜等)制成的任意管类似的方式工作。
[0031] 为了确保正确的操作，电流源可以配备有检测是否有电流流动的系统。电流源优选地提供频率在大约5kHz至300kHz的范围内的交流电流，但是也可以使用其他频率，尤其是为了应付某种土壤条件。
[0032] 电流的电磁场由地上的检测单元检测。检测单元可以由工人随身携带，或者直接附接到运土机(如挖掘机、挖土机、
推土机、
反铲挖土机或挖泥机)，允许在劳动期间在线观察地下结构的实际工作区域。由于检测单元的可检测到结构的检测范围与工具一起移动，所以可以有效避免在工作的同时损坏地下结构，而在开工之前不需要在先探索步骤。另一个选择是通过诸如小车(carriage)或自主式
机器人的某些专用手段移动检测单元。检测单元不需要导电地连接至土壤，并且因此可以在没有地面接触的情况下移动。通常，检测单元包括天线、线圈、磁通计或其他
传感器中的至少几种，来检测电磁场，并且根据该场生成
输出信号。计算单元分析这些场的信号(signature)，并且根据它们生成输出。 [0033] 在一个可能的实施方式中，由彼此相距已知距离设置的两个天线或传感器来检测电磁场。到作为电磁场的源的结构的距离可以根据由两个天线收集的信号强度差来确定。因此，不仅可以确定是否存在结构，还可以确定是否接近结构，并且例如，可以通过光、声或触觉手段呈现给检测单元的用户，或者显示为距离-或深度-信息，作为以长度为单位的值。
[0034] 如所提到的，可以根据底部天线和顶部天线的信号强度差和它们之间的分开距离 来评估距离值。在用于计算距离值的公式(A)中，“天线_分离”是两个天线之间的间隔，并且变量“底部”和“顶部”分别代表由相应的顶部天线和底部天线收集的电磁场的强度。 [0035]
[0036] 所描述的评估不限制于使用两个天线或传感器，例如，更多条天线可以对准不同方向，并且它们的测量信号或测量值可以
叠加。
[0037] 例如，通过在LCD屏幕上显示确定出的设施距离，将由计算装置处理后的测量值提供给用户。
[0038] 除了显示以长度为单位的精确距离值，还可以仅以粗略等级来呈现距离(如，“无信号”、“远”(例如，大于3m)、“附近”(例如，3m至50cm)或“浅”(例如，小于50cm)呈现给用户，因为该信息对于某些实际应用可能就足够了。
[0039] 当在检测单元或其他已知基准点的附近检测到结构时，检测单元可以向挖掘机的操作者发布警告信号。这样的基准点的示例是检测单元固定在已知相对位置(尤其是通过将检测单元附接到挖掘机的臂而固定到已知相对位置的)挖掘机的挖斗的尖端。 [0040] 警告信号可以还含有关于结构的接近的附加信息，例如，从基准点(如，挖掘机的挖斗)到结构的距离。如果结构和挖斗之间的距离小于临界距离，则将发布警告。根据工地要求，临界距离可以被限定为固定值，或者由操作者来设置。可以发布警告，以通知操作者结构靠近实际工作区域的事实。另选地，警告也可以控制挖掘机的联
锁机构，或挖掘机的部件，以避免挖掘机的挖斗和结构的碰撞。出于上述目的，检测单元可以固定于挖掘机，例如靠近其挖斗的某处。
[0041] 本发明还涉及用于导电、细长、埋入式结构(尤其是建筑工地的地下管道或布线系统)的接近检测系统，该接近检测系统包括：电流源，其用于生成期望频率的交流电流；连接装置，其用于将所述电流以通过所述结构发射时变电磁场的方式引入所述结构中；以及移动检测单元，其位于地上、与土壤电绝缘，以下述方式构造：检测所述电磁场，并且根据所述电磁场，来确定所述结构是否接近所述检测单元，其特征在于，所述连接装置包括至少第一和第二地钉，各具有插入土壤中的电极，使得所述电极被土壤材料围绕，以及具有近似
5-200米长度的绝缘电缆，连接至所述电流源和所述电极，从而所述连接装置构造为将所述电流以下述方式导电引入所述土壤中：所述 电流的所述流动路径是：
[0042] ·从所述电流源至第一电极，
[0043] ·从所述第一电极通过土壤到所述导电结构，使得它们仅由土壤材料传导， [0044] ·沿着作为土壤内电阻最小的路径的所述结构，
[0045] ·从所述结构通过土壤到第二电极，使得它们仅由土壤材料传导， [0046] ·从所述第二电极通过地上的电缆返回到所述电流源，
[0047] 其中，所述第一电极和所述第二电极限定了检测区域，在该检测区域内所述检测单元能够检测到所述结构。
[0048] 检测单元还可以被构造为可以用于在挖掘之前或挖掘同时扫描设施的移动、手持装置。在该情况下，工人可以标记检测到设施的位置，以避免在挖掘过程中的碰撞。 [0049] 下面参照
附图中示意性示出的工作示例，完全以示例的方式更详细地描述或解释根据本发明的接近检测方法和根据本发明的装置和布局。具体地，
[0050] 图1示出了建筑工地上执行根据本发明的接近检测方法的典型布局的一个示例； [0051] 图2示意性示出了俯视时根据本发明的电流流动；
[0052] 图3在大地的截面图中示出了电流流动和由此发射的电磁场以及通过根据本发明的手持检测单元对其进行的检测；
[0053] 图4示出了根据本发明的电流流动和用于接近检测方法的布局的工作示例，以避免在挖掘的同时与街灯的地下布线碰撞；
[0054] 图5示出了根据本发明的接近检测方法的工作示例，以避免在挖掘的同时挖掘机与塑料水管碰撞；
[0055] 图6示出了根据本发明的接近检测方法的工作示例，其中，检测单元直接安装在挖掘机上，以在诸如地下管的结构正在接近挖掘机的挖斗的情况下发布警告信号； [0056] 图7示出了根据本发明的利用安装在挖掘机上的检测单元的接近检测方法的工作示例，以及工地上的布局的示例；以及
[0057] 图8示出了通过两个地钉将电流引入到土壤中的连接装置的一个示例。 [0058] 附图不应当被解释为按比例进行绘画。
[0059] 图1示出了建筑工地8上执行根据本发明的接近检测方法的布局的一个示例。示 出了必须由运土机7(如，所示的挖掘机)进行挖掘的挖掘区域9。其中可以由对电磁场敏感的检测单元来检测导电、埋入式结构1的检测区域18由电极10插入到地中的位置来界定，尤其由电流源2和电缆11的位置来界定。进一步地，结构1的位置和方向，以及地面条件和工地8上或靠近工地8的其他障碍物(如，
建筑物或机械)影响检测区域18的实际尺寸和形状。在该示例中，挖掘区域9在检测区域18内部，具体地，在电极10之间。附接到挖掘机7的是检测单元3。在挖掘区域9之外，存在与两个单点(土壤导电电极10(如，插入大地中的地钉19))连接的电流源2。它们通过例如由电缆盘15提供的电缆11与电流源2连接。用于引入电流的电极10由此被构造为插入到土壤12中的金属地钉19，使得它们至少部分地被土壤材料围绕，因此与土壤材料电连接。
[0060] 在该示例中，待检测的埋入式结构1是诸如管和管道的地下设施。为了取得好的检测结果，电极10彼此分开大约5-200米。如果已知或假设它们几乎与设施的方向成一直线(in line)，则可以获得最好的检测结果。同样地，已经证明其他布局(其中，在检测区域18中以某种方法对准设施)会产生好的检测。通常，电缆11应当布线为离期望的检测区域18至少2-5米，以避免电缆11本身的有害干扰，或者避免挖掘机7损坏电缆11。 [0061] 现场测试确定了电极距离为大约20-100米具有好的结果。检测区域18可以通常被描述为由以电极为焦点、直径大约为50-200米所限定的几乎椭圆形区域，避开正好在电极10、电流源2和电缆11本身周围大约2-5米距离的区域。当然，根据工地8的特征(如，工地8的尺寸、期望的检测区域18、土壤材料的条件和结构、设施1的方向和总数、设施1的导电性、自然电极10的可用性等)，布局可以有变化。
[0062] 用于检测电磁场4并且确定是否接近结构1的移动检测单元3可以例如包括用于检测电磁场的、彼此分开已知距离的两个传感器，由此，可以根据两个传感器所检测到的场的不同，确定是否接近电磁场的源，具体地由沿结构1流动的电流5发射的电磁场4。 [0063] 例如，可以如根据WO2008/064851或WO2008/064852所知地构造检测单元3。 [0064] 图2更详细地示出了根据本发明的电流5的流动。再一次地，电极10、电流源2和电缆11以一定距离放置在工地8上挖掘区域9之外。实际实验已经示出，通常从挖掘区域9至电极大约10米的距离是合适值，并且电极10彼此之间的距离在50-100 米的范围中允许好的检测结果。因为电极10、电流源2和电缆11发射的电磁场的干扰，应当避开在他们周围在大约至少2米，尤其为5米，更尤其为10米，的距离内的区域。
[0065] 挖掘区域9包括埋设在土壤中的某些结构1，例如，
铸铁输气管、地缚(earth-bounded)的电
力线或通信线或由铸铁、铜或塑料制成的水管。由于地缚结构1具有比周围土壤12(其可以包括粘土、岩砂和水分)高得多的导电性，所以从两侧引入土壤材料的电流5采取——至少部分——沿该结构的电阻最小的路径。在附图中，由电极10引入的电流5的方向由电流流动路径附近的箭头象征性地示出。
[0066] 电流5的强度由电流源2观测，其可以通过信号表示电流5沿路径的流动。如果没有电流流动，或者没有足够电流流动，则必须选择其他类型或位置的电极10。因此，电流源可以配备有检测电流是否以期望强度沿流动路径流动的系统，这将向接近检测系统的用户示出。
[0067] 本方法不限于检测单个地下结构1。在多于一个结构1的情况下，电流5将在结构1之间分开。仅有的限制在于沿各个结构1必须有该方法足以检测到所有这些结构的电流
5。一个示例性布局的实验已经示出大约4mA的电流强度使得足以检测到在大约一米深度中的结构1。作为一个具体示例，检测沿几乎平行方向埋设、具有几乎相同导电性、在大约一米深度的五个地下结构1，将由此需要来自电流源2的至少20mA的电流。
[0068] 电流源2例如提供具有大约5kHz至300kHz范围中的频率，尤其为大约8至33kHz的交流电流5，但是可以选择其他频率，以应付某些土壤状况。
[0069] 图3示出了由电流源2生成的电流5如何通过电极10被引入到土壤12的截面图。在该示例中，栅栏16的导电柱连接至电缆11，以用作一个电极10。如上所述，电流5被引入到埋入式结构1中。由此发射的电磁场4被土壤12上方的检测单元3检测到。该示例示出了由工人携带的手持检测单元。利用该布局，工人可以标记地下设施的位置。 [0070] 技工携带检测单元3，扫描为此必须在检测区域18上方移动检测单元3的检测区域。当这样做时通常使用的实践是：一旦通过来回摆动检测单元，并且沿测得的最低距离值或最近的接近的方向行走，已经检测到结构，则尝试沿着该结构的路径。地下结构的该检测到的路径例如，可以通过杆、油漆、粉笔、彩带等标记在表面上，由 此不仅可以标记路径，还可以将接近标注为设施的深度信息。
[0071] 图4示出了建筑工地8，其中，已知存在用于连接地下某处的路灯14的电线系统形式的结构1，但是不知道其实际位置。因此，使用了根据本发明的布局，其包括电流源2、长电缆11和两个电极10，这两个电极10连接到在街灯14的各侧有一定距离的地面。电流5将采取土壤12中的电阻最小的路径，即，在该情况下，连接两个街灯14的结构1。因此，挖掘机7可以使用固定到该挖掘机7的检测单元3，以在挖掘的同时定位结构1，并且避免碰撞和损坏结构1。
[0072] 在图5中，存在与图4中类似的任务，但是在该情况下，结构1包括必须避开的塑料水管。由于水管在两侧附接到地缚、生活铜管，所以管内的水可以起到导电路径的作用。因此，如图4中所示并且描述的类似方法可以还用于避免与将以其他方式难以精确检测到的这种结构1的碰撞。
[0073] 图6示出了根据本发明的配备有检测单元3的挖掘机7的特写图。如上述详述，土壤12中埋设的结构1引导所引入的电流5。如果，如虚线所示，结构1进入到由点线标记的检测单元3的范围中，则警告信号6告警操作者接近结构。这样，操作者可以很小心地执行他的工作，或者手工开始结构1周围部分的工作，以避免损害该结构。除了如上所述通过土壤引入的电流5，检测单元还可以被构造为发射电磁场并且检测是否被地下结构1反射回一部分电磁场，以得出关于是否存在结构1的结论。进一步地，还可以检测通过结构1的使用由结构1自然发射的电磁场。自然的、反射的和引入的电磁场的组合可以帮助进一步提高检测精确度。
[0074] 图7示出了使用根据本发明的接近检测方法的另一个示例。由电流源2生成的电流5被引入到土壤12中，其中，电流5主要沿由电缆11连接的至少两个电极10之间的电阻最小的路径流动。挖掘机7配备有检测单元3。如果在挖掘的同时，在挖掘区域9内，在检测单元3下方检测到结构1内部电流的电磁场，则发出警告信号6。这样的警告信号6可以例如是给操作者的
光信号、声信号或触觉信号，以及可以是例如用于停用挖掘机7或者挖掘机7的一部分的电信号。
[0075] 图8示出了将电流5从电流源2引入到土壤12中的连接装置的一个示例。在该情况下，包括电极10的两个地钉19插入地面至少10cm的深度，用于建立电极10和土壤材料之间的导电连接。这样，经由电缆11和电极10从电流源2至土壤材料中建立了电流5的导电流动路径。
