基于惯性技术的复杂地下管线定位技术

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1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院   

2.北京零偏科技有限责任公司

摘要:地下管线精确定位在城市规划、建设和管理中具有重要作用。由于大埋深、强电磁干扰、非金属管线等原因,采用传统地下管线定位技术难以在现代城市中获得可靠的地下管线信息。本文在讨论惯性技术的原理和特点的基础上,针对城市复杂环境下的地下管线竣工测量与定位问题,给出了惯性技术在地下管线定位中的解决方案。为提高惯性定位的精度,给出了误差建模和信息融合等消除误差的方法。最后给出了测量的工程实际案例,结果显示,地下管线惯性定位技术在复杂环境下可以获得满意的测量结果。



关键词:地下管线定位;竣工测量;

惯性导航技术;陀螺仪;复杂条件


一 引言

给排水、电力、通信、热力和燃气等地下管线承担着信息、生活资源和能量输送的重要职能,是城市各项功能正常运行的基本保障,是城市的“生命线”[1]。详细准确的地下管线信息是城市建设必备的重要资料。如果缺少这方面的信息,在城建规划、设计、施工及管理工作中就会出现诸多不便,甚至发生重大事故和损失。如2014年6月30日的大连原油泄漏重大事件,就是由于施工企业在没获得或采用准确的管道信息情况下进行水平定向钻施工,导致中石油新大一线输油管线被钻通。
由于探测手段限制,早期建设的地下管线普遍缺少详细技术资料,导致地下管网信息不清,其中最关键的是管道三维位置信息的缺失。近年来,随着我国城市化的不断发展,城市基础设施也不断完善,地下管线的规模日益扩大。据新华网2015年10月20日报道,曾任住房和城乡建设部副部长的齐骥在天津召开的2015年中国经济社会论坛上介绍说,经过多年建设,全国现有的供水、排水、燃气和供热这4类市政基础设施地下管线长度已超172万公里,目前仍以每年10万公里的速度递增。准确获知地下管线的分布信息,为城市地下空间的有效利用和合理规划提供技术和数据支撑,对于提高地下管线的运行安全性具有重要意义。国土资源部9月6日指出,中央明确要求“统筹城市地上地下建设”,彰显了国家对地下空间精细化管理的要求。可以预计,未来地下空间和地下管线的精确测量将越来越受重视。
目前常用的地下管线定位方法中较有代表性的有基于电磁定位仪EML(Electromagnet Locator)的电磁探测法、探地雷达GPR(Ground Probing/Penetrating Radar)方法和磁探测法等。如市场上常见的美国DCI公司生产的Eclipse系列和Mark系列无线导向/定位仪、英国雷迪(Radio-detection)公司生产的RD系列管线定位仪以及各种探地雷达等。这些方法大都是利用管线与周围介质物理特性(导电性、导磁性、密度、波阻抗和导热性等)的差异进行探测,不同的探测方法适用于不同材质的管道和不同的地质条件。虽然各种方法在某些限定条件下可以取得满意的效果,但是它们的缺点和局限性也非常明显:对于复杂地下管线的探测无能为力,往往给出错误的探测结果。例如在复杂地质条件下声纳的探测精度达不到实用要求;电磁定位仪仅适用于金属管线,而探测非金属管线需要配合可塞入管线的示踪器;探地雷达更加适用于较大口径管线。现有探测方法的可用性均受到电磁干扰、铁磁干扰和管线埋深的限制。
目前,国家对城市地下空间的利用效率要求越来越高,管道埋深越来越深;城市中电磁信号无处不在;各种材质的管道,特别是非金属管道的利用越来越多。影响地下管线测量的因素越来越复杂。对于干扰情况复杂、大埋深、小口径、非金属等的各种地下管线,传统方法难以可靠地对其准确定位。此外,上述方法都要求管线上方有开阔地面,而对位于建筑物和水面以下的各种管线探测无能为力。因此,亟待发展一种能够自主探测、具有可用精度和抗干扰能力,且适用于各种复杂条件下的管线的探测方法。
惯性技术(Inertial Technology) [2-5]是研究利用惯性传感器(陀螺仪、加速度计)进行导航与制导的一门学科,它具有如下优点:
(a)自主性强,它可以不依赖任何外界系统的支持,而单独进行导航。
(b)不受环境、载体机动和无线电干扰的影响,可连续的输出包括基准在内的全部导航参数,实时导航数据更新率高。
(c)具有非常好的短期精度和稳定性。
惯性定位技术作为一种全自主的定位技术,近年来成为了地下管线定位方面关注的热点,也取得了一些重要成果。可以预见,基于惯性定位的复杂地下管线的探测技术具有广阔的应用前景。

二 惯性技术及其在地下管线定位中的应用

(一)惯性定位原理

惯性导航是一种完全自主的导航技术,主要依靠测量载体的加速度和姿态,推算出载体的瞬时速度和位置。惯性系统一般由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成。加速度计的基本原理如图1所示。假设加速度计由质量模块m和弹簧组成,且与载体固连,a为载体在加速度计敏感轴方向的加速度。通过弹簧的长度变化可以检测到敏感轴方向的力F。若已知质量m,则可获得载体加速度a:

                               

 图1  加速度计原理

根据加速度计测量的载体的平移加速度,通过积分获取速度信息,二次积分得到位移信息。

                   

                      

其中V、S为速度和位移,V0、S0为初始速度和初始位移,t为积分时间。
以二维导航为例。假设载体上有一个平台,这个平台能够自动跟踪已知坐标系XOY。在X和Y轴方向各安装一个加速度计ax和ay,则ax和ay分别敏感载体在X和Y轴方向的加速度,对其二次积分可得到载体在X和Y轴方向位移的变化量,从而获得载体在XOY坐标系下的坐标变化。平台的姿态稳定性由陀螺仪来保证。有真实平台的导航系统叫平台惯导系统,采用数学平台的系统叫捷联惯导系统,它不需物理平台。
陀螺仪具有维持其旋转轴在惯性空间内方向不变的特性(定轴性),用来测量载体相对惯性坐标系的姿态角:航向角、俯仰角和横滚角。根据姿态角信息,可以将速度和位移信息分解到惯性坐标系中,从而得到载体在惯性系中的三维速度信息和三维位置信息。
组成惯性导航的设备都安装在载体内,工作时不依赖外界信息,也不向外界辐射能量,不易受到干扰,是一种自主式导航系统[6]。20世纪惯性技术突飞猛进,应用面不断拓展,现代各种航空、航天、航海运载体都是采用以惯性导航为中心的组合导航系统来完成导航、制导任务。

(二)地下管线惯性定位技术

从原理上来说,以管线测量仪作为搭载惯性导航系统的载体,将其放入地下管线中(如图2所示),并沿管道运动,则管线测量仪这个载体的运动轨迹等同于管道的三维轨迹信息。

2  地下管线惯性定位示意图

惯性技术在导航定位方面具有全自主、抗干扰和高精度的独特优势,完全可以将该技术应用于地下管线的定位测量中,保证在各种复杂的电磁和地质环境下都能获得可靠的测量数据。
惯性技术应用于地下管线中,需要解决的两个问题:
1. 小型化问题: 
MEMS、光纤陀螺等的出现使得惯导系统不断朝着高精度、低成本、小型化方向发展,也使得惯性技术应用于小口径地下管线测量成为可能。目前,小型陀螺能够满足口径80mm以上管道的工程测量精度要求。
2. 误差累积问题:
惯性系统的精度取决于惯性测量元件的精度,且由于积分的两次应用使得定位误差会随时间而积累。如何消除在线测量时的误差累计是地下管线定位精度提高的关键。消除误差的方法有两个方法:惯性器件、系统的误差建模和多传感器信息融合。
(1) 惯性器件和系统误差建模
误差分析如图3所示,惯性测量系统(IMU)的误差来源包括陀螺、加速度计等器件误差和安装误差等。器件误差包括确定性误差、随机误差和温漂等。在误差分析的基础上建立系统误差模型,进而可对误差进行补偿,提高测量精度。

图3  惯性系统的误差分析[7]


陀螺仪测量模型
以陀螺仪的x轴为例,可建立其静态测量模型为[8]

  

在角运动下,陀螺输出值与陀螺有效输出值之间存在依赖关系。以陀螺的x轴为例,建立其动态测量模型为[9]:

              

陀螺模型标定
采用高精度三轴转台对陀螺模型参数进行标定,标定方案采用无定向动静混合标定方法,标定过程如下。
调整转台,使得陀螺的z轴指天,x与y轴在水平面上。安装完成后,陀螺上电并等待系统稳定后,进行速率实验。首先,转台设置成以X0角速率逆时针转动n*360度,记录旋转时间t以及陀螺输出。接着进行顺时针实验,即以X0角速率顺时针转动n*360度,同样记录下时间t及陀螺输出。在不同的位置重复上述两个实验,包括的位置如图4所示,共6个位置,12次旋转[10]。根据试验结果,可以标定出式(4)和(5)的主要模型参数。

4  陀螺无定向动静混合标定方法的实验方案


加速度计测量模型
考虑温度影响、安装误差和零位漂移等,可以建立如下测量模型[9]:
   

模型参数可通过实验标定出来。对于式(6),假设在常温下,则可采用六位置法进行实验、标定,得到相应误差系数。在不同温度下,采用多位置法标定温度变化引起的补偿系数。

(2) 多传感器信息融合
建立误差模型可以减少部分误差因素的影响。为了进一步提高动态载体的定位精度,需要多传感器融合的组合导航。GNSS与INS(捷联惯导)的组合导航是航空航天系统中常见的组合。
针对地下管线而言,可采用里程 + INS的组合导航方案,同时引入管口的卫星定位信息(GPS或北斗)。在建立陀螺、加速度计和里程计误差模型的基础上,建立滤波状态方程和测量方程,采用卡尔曼滤波器等可以获得载体的导航信息。里程信息和管口信息可以有效减少惯性导航的累积误差。


三、惯性技术在地下管线定位中的应用

地下管线惯性定位技术是一种管内测量定位技术,需要待测管道具有通过性条件。

(一)地下管线惯性定位技术的适用性

地下管线惯性定位技术主要适用于以下几类情况:

1. 地下管道在覆土竣工后、投入使用前进行竣工测量

对于非开挖施工管道而言,由于埋深的影响,传统技术难以获得满意的测量结果。惯性定位技术由于与管道埋深无关,在大埋深情况下也能获得精确、可靠的定位结果,因此特别适合于非开挖管道。
开挖直埋管道一般要求在覆土前进行测量,但由于工期等因素的影响,往往来不及测量就已经覆土了。此时竣工资料往往是根据设计图纸或者管线的两个端口数据制作而成,误差很大。惯性技术可以在覆土后、使用前进行测量,可以解决工期和竣工测量的矛盾。
2. 具备管内测量条件的在役管道
在石油、天然气等长输管道中,管内测量仪器有不停运而介入测量的手段,而且测量仪器的运动可以借助管内的压力而无需外部牵引,所以,惯性定位仪器仅需加强耐压、防震两方面能力(与城市其他管道比较而言),即可在此类管道中应用。
由于具有备用管道,所以惯性定位仪器也适用于部分在役电力、电信管道。城市燃气管道如果有临时停运条件,也可以在置换后测量。
(二)地下管线惯性定位仪使用过程
仪器使用简单,包括初始化、测量和数据上传与处理等几个步骤。
1. 初始化过程
将仪器调整好姿态送到管道入口,静止不少于30秒。在此过程中,注意避免转动里程轮。
2. 测量过程
仪器静止后,进入测量状态。在测量过程中,运行速度没有要求。在遇到障碍(如焊接处等)时,尽量控制力量,使管线定位仪平稳地通过。
到达管道的另一端后,可立刻返回再次测量(即从管道末端到入口)。正反向测量结果的重复性可用来判断测量的有效性。
测量过程结束后,等待数据上传。
3. 数据上传与处理 
将仪器数据线连接到电脑USB接口,打开上位机软件,连接成功后可进行数据上传。数据处理包括地理坐标转换、文件编辑与存储、报表输出等。
(三)工程案例
本文采用零偏科技的产品JZ4.0对管道进行了大量现场测量。
1. 石油管道定位测量
2017年 5月27日对位于大兴区中国石油管道公司大兴输油站的一段露天搭建、外径273MM、长约100M的金属管道进行三维位置信息测量。为验证测量的精度,在距管口43米处做了4次沉降:第一次沉降10cm,第2-3次每次沉降5cm,最后一次自然沉降间隔20cm。
 测量中采用地下管线惯性定位仪JZ4.0获取管道的三维精确坐标信息,采用GPS现场采集管口坐标。测量结果如图5、图6所示。蓝色为第1次无沉降的测量,绿色、红色至黄色分别为第2至5次测量。图5为长度-高度图,坐标单位为米;图6为43米沉降附近的细节放大,总坐标每小格20cm。
由测量结果可见,在5cm沉降点精度很高,误差在1cm左右。测量的沉降最大误差不超过3cm。

长度-高程图


6  细节放大图


2. 双穿越PE管道测量
杭州萧山大尼线的一段双穿越、中间熔接的PE管道,外径210mm、长约200m。因中间熔接造成国际同类仪器在管道中通过困难,测量失败。2016年 4月7日,采用JZ4.0对其测量2次,均顺利完成测量任务,取得很好的测量结果。经与熔接点数据比较(熔接处数据为开挖测量),测量误差在10cm以内,如图7、8所示。

7  大尼线三维视图


8  大尼线主视图


可见,惯性定位技术在复杂地下管线测量中可以获得较高的精度和重复性。

四、结论

地下管线精确测量与定位是管线施工中的重要工作,也是城市建设和管理的重要支撑。随着城市规划和建设的不断深入,该领域的需求日益扩大。
惯性技术作为一种全自主的、不受埋深影响的管线定位技术,在复杂城市环境中可获得精确地测量数据。由于这是一种管内测量方法,所以特别适合管道竣工测量与定位。目前,国内仪器水平在测量精度、重复性和通过性等方面,均已达到或超过国外同类产品。测量案例表明,其精度已达15cm以内,完全满足工程需要。



参考文献

[1] 王晓航,宋华,李大海,杨智浩,地下管线三位信息测量技术综述及前景展望[J],非开挖技术, 2007,   2-3:169~173

[2] 张洪钺、李啸、李大海,小口径地下管道测量系统[P],国家专利,200510027070

[3] 李啸,基于多传感器信息融合的移动机器人定位[D],北京航空航天大学博士论文,2006.

[4] 宋 华;李大海;张军香;李旭辉;王晓航。基于惯性技术的地下管线测量系统[P],国家专利,200720069330.1;

[5] Xiaohang Wang,Hua Song.The Inertial Technology Based 3-Dimensional Information Measurement System for Underground Pipeline[J].Measurement, Volume 45, Issue 3, April 2012, Pages 604-614;

[6] 以光衢等编. 惯性导航原理[M]. 北京:航空工业出版社,1987. P2~3

[7] 孙丹彤,基于MEMS惯性器件的组合导航方法研究[D],北京航空航天大学硕士学位论文,2014.

[8] 李新刚. 微机电陀螺误差建模及其在飞行器组合导航中的应用[D].西北工业大学,2004

[9] 王兆密. 基于MEMS陀螺的惯性测量单元的标定与应用[D]. 江苏科技大学,2011

[10] [10] 陈北鸥,孙文胜,张桂宏. 捷联组合(设备无定向)六位置测试标定[J]. 导弹与航天运载技术,2001,3:23-27


2020年06月22日

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