地下管線軌跡測(cè)量與標(biāo)繪儀的研制

賀金俊

(上海市南電力有限公司，上海 200223)

隨著城市化建設(shè)的高速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模日益龐大，工程施工領(lǐng)域日益繁榮，對(duì)施工技術(shù)和設(shè)備的要求也越來越高.水平定向鉆HDD(非開挖)施工技術(shù)以其特有的先進(jìn)性、成熟性、適應(yīng)性，在大中城市(特別是上海、北京、廣州)地下管線建設(shè)中被廣泛應(yīng)用.

對(duì)水平導(dǎo)向鉆而言，由于其施工過程的“不可見”，因此在竣工后，如何準(zhǔn)確測(cè)繪施工軌跡、交付精確的施工資料也是當(dāng)前應(yīng)著重解決的問題.受地質(zhì)條件，以及水平導(dǎo)向鉆鉆桿撓度的影響，其實(shí)際行進(jìn)軌跡與預(yù)定軌跡之間難免會(huì)存在偏差.據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前上海市各行業(yè)非開挖施工單位的工程竣工圖與管道的實(shí)際空間位置誤差較大(10% ～20%)，尤其是在干擾大的城區(qū)，誤差在20%以上.這會(huì)對(duì)城市地下管線的規(guī)劃管理、建設(shè)施工，以及地下空間的合理利用產(chǎn)生重大影響.近年來，許多重大地下管線受損事故的發(fā)生均是因非開挖管道竣工資料不精確，以及物探結(jié)果誤差大而造成的.

從2005年起，上海市電力公司與國(guó)防科技大學(xué)進(jìn)行科研合作，開展地下管線軌跡測(cè)量與標(biāo)繪儀研制，積極探索水平導(dǎo)向鉆非開挖鋪管施工軌跡的準(zhǔn)確測(cè)繪問題，力求為地下管線的科學(xué)準(zhǔn)確管理提供基礎(chǔ)支撐設(shè)備.本人參與了此項(xiàng)課題的研發(fā)工作，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的研制工作，在對(duì)目前常用的測(cè)量、定位方法和原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了采用3軸光纖陀螺、3軸加速計(jì)等元件組成地下慣性測(cè)量單元的設(shè)想，輔以磁強(qiáng)計(jì)、傾斜計(jì)、GPS等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)傳輸、處理，得到所需軌跡圖和相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)管道特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了6輪對(duì)稱行走里程測(cè)量方案，解決了測(cè)量?jī)x的行走測(cè)量誤差問題.該地下管線軌跡測(cè)量與標(biāo)繪儀已應(yīng)用于吳中路-蓮花路電力排管和浦東張楊路電力排管工程，并取得了較好的效果.

1 基本原理

目前，地下管線的軌跡探測(cè)一般采用地下管線探測(cè)儀或水平導(dǎo)向鉆定位定向儀.

地下管線探測(cè)儀通常采用事后等間距抽樣探測(cè)的方式［1］，根據(jù)探測(cè)原理分為兩類.一是管線探測(cè)儀，利用電磁感應(yīng)原理金屬管線、電纜、光纜，以及一些帶有金屬標(biāo)志線的非金屬管線進(jìn)行探測(cè).其優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)速度快、簡(jiǎn)單直觀、操作方便、精確度高，缺點(diǎn)是探測(cè)非金屬管線時(shí)，必須借助非金屬探頭，需要侵入管線內(nèi)部［2］，操作不方便.二是管線雷達(dá)，即利用電磁波探測(cè)所有材質(zhì)的地下管線，也可用于地下掩埋物體的查找.其優(yōu)點(diǎn)是能探測(cè)所有材質(zhì)的管線，缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境要求較高、對(duì)操作者素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)要求高，以及測(cè)深能力較差(難查埋入較深的管線).總體來看，地下管線探測(cè)儀容易受雜散電磁場(chǎng)干擾的影響，探測(cè)誤差大且探測(cè)結(jié)果不完整.

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外普遍采用的是水平導(dǎo)向鉆定位定向儀，按照其工作原理主要分為兩類.一是光電測(cè)斜儀，即采用光源經(jīng)緯儀攝像原理，通過光-電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)水平鉆井方位角和傾斜角的測(cè)量.由于光電設(shè)備對(duì)環(huán)境的要求非?？量蹋⑶覝y(cè)量精度低，因此不能滿足非開挖惡劣環(huán)境施工的使用條件.二是電磁測(cè)斜儀，即通過地磁場(chǎng)測(cè)量的方法來給出方位角和傾斜角.由于其測(cè)量結(jié)果易受附近鐵磁物質(zhì)干擾，因此不能精確測(cè)量水平鉆井的姿態(tài)和位置［3］.

地下管線軌跡測(cè)量與標(biāo)繪儀是在結(jié)合上述兩種儀器設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上開發(fā)研制的，主要由地下慣性測(cè)量單元、里程測(cè)量機(jī)構(gòu)、地面處理顯示系統(tǒng)3大部分構(gòu)成.地下慣性測(cè)量單元為該系統(tǒng)的核心部分，由3軸光纖陀螺、3軸加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、傾斜計(jì)等組成.其特點(diǎn)是不受天氣限制、不需要其他地面設(shè)施、不發(fā)射和接收任何信號(hào)，因而機(jī)動(dòng)靈活，不怕干擾，作業(yè)隱蔽，能夠適時(shí)、迅速、準(zhǔn)確地提供測(cè)量數(shù)據(jù).

地下定向鉆進(jìn)中，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)測(cè)量是保證地下鉆具按照設(shè)定鉆孔軌跡運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)［4］.載體的姿態(tài)測(cè)量常用3組角度——航向角、俯仰角和橫滾角——表示.在管線測(cè)量過程中，本系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)測(cè)量慣性測(cè)量單元的3個(gè)姿態(tài)角(航向角、俯仰角、橫滾角)和3個(gè)線速度，輔以GPS(測(cè)量施工出入口及較淺層軌跡信息)、電子羅盤(測(cè)量無磁條件下的航向角)、傾斜儀(測(cè)量俯仰角和橫滾角)和里程計(jì)測(cè)量的拖進(jìn)長(zhǎng)度，通過CAN總線傳輸?shù)降孛妫M(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而確定管線的空間位置.地下管線軌跡測(cè)量與標(biāo)繪儀的工作原理如圖1所示.

圖1 地下管線軌跡測(cè)量與標(biāo)繪儀流程示意

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

地下管線軌跡測(cè)量與標(biāo)繪儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括慣性測(cè)量單元和里程測(cè)量機(jī)構(gòu).

2.1.1 慣性測(cè)量單元的設(shè)計(jì)

慣性測(cè)量單元包含3軸光纖陀螺和姿態(tài)參考系統(tǒng)(含3軸加表、3軸羅盤)，是整個(gè)測(cè)繪系統(tǒng)的核心部件，包括電池艙段、陀螺安裝支架、外殼和密封抱箍等.

慣性測(cè)量單元設(shè)計(jì)中，陀螺安裝支架和段間連接方式的設(shè)計(jì)是核心.陀螺儀定位架采用整體結(jié)構(gòu)，通過3個(gè)局部的圓周環(huán)，將其與外殼相對(duì)固定，并通過圓周來保證同軸度和安裝精度.而對(duì)于陀螺儀段與電池段之間的連接，則有一定的強(qiáng)度和安裝要求，最重要的是連接和拆卸要方便，不能帶來旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且便于作防水處理.

2.1.2 里程測(cè)量結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為提高測(cè)繪系統(tǒng)的解算精度，采用合適的里程計(jì)對(duì)測(cè)繪系統(tǒng)實(shí)際行走的線距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量是必需的.根據(jù)管道系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了120°對(duì)稱6滑輪行走里程測(cè)量結(jié)構(gòu)，并采用彈性張力結(jié)構(gòu)，可根據(jù)管壁大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)橫截面大小，保證滑輪緊貼管壁，當(dāng)測(cè)繪系統(tǒng)在管道內(nèi)壁拖動(dòng)時(shí)，滑輪通過齒輪帶動(dòng)光電碼盤進(jìn)行計(jì)數(shù)，以測(cè)量實(shí)際行走距離.

由于實(shí)際施工敷設(shè)的管線內(nèi)通常存有污泥、細(xì)砂等雜物，6輪里程測(cè)量機(jī)構(gòu)在管內(nèi)行走容易受阻或打滑，為此，項(xiàng)目還設(shè)計(jì)了外接式里程測(cè)量機(jī)構(gòu).

2.2 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理解算技術(shù)

2.2.1 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集軟件是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心，用于實(shí)現(xiàn)信息的處理、存儲(chǔ)、顯示，以及系統(tǒng)自檢等功能，并配合硬件實(shí)現(xiàn)非開挖管線軌跡測(cè)量及標(biāo)繪系統(tǒng)的所有功能.

數(shù)據(jù)采集軟件按照結(jié)構(gòu)化、模塊化、通用化的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，自頂向下、逐步細(xì)化，直到用程序設(shè)計(jì)語言能夠?qū)崿F(xiàn)開發(fā)環(huán)境為止，從而確立程序的體系結(jié)構(gòu)，見圖2.

圖2 數(shù)據(jù)采集軟件結(jié)構(gòu)

2.2.2 數(shù)據(jù)處理解算軟件

地面處理顯示系統(tǒng)將里程計(jì)、GPS接收機(jī)和慣性測(cè)量單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，算法流程如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)處理解算軟件算法流程

軌跡解算過程如下:首先，輸入陀螺、加速度計(jì)的原始信息，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理進(jìn)行零偏、非正交誤差、溫度誤差補(bǔ)償，得到慣性測(cè)量單元的角速度和加速度的測(cè)量值.然后，在靜態(tài)下利用角速度和加速度測(cè)量值、GPS測(cè)量的初始位置進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，得到載體的初始姿態(tài).在初始對(duì)準(zhǔn)完成后，可以開始進(jìn)行動(dòng)態(tài)姿態(tài)測(cè)量.最后，利用慣性測(cè)量單元的姿態(tài)測(cè)量值及里程計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、傾斜計(jì)、GPS接收機(jī)等的測(cè)量值，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到慣性測(cè)量單元的姿態(tài)、位置信息，即可完成對(duì)非開挖管線軌跡的解算.

2.3 數(shù)據(jù)誤差分析及補(bǔ)償技術(shù)

地下管線軌跡測(cè)量與標(biāo)繪儀的數(shù)據(jù)誤差主要來源于傾角傳感器的精度誤差，加速度計(jì)的精度誤差，加速度計(jì)的溫度漂移，光纖陀螺的精度誤差，光纖陀螺的溫度漂移，里程計(jì)的精度誤差，各傳感器的安裝定位誤差等.由于這些誤差的綜合作用，致使在測(cè)量?jī)x輸出中引入了靜態(tài)偏差和動(dòng)態(tài)偏差項(xiàng).

針對(duì)不同的偏差，可采用不同的技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，如各傳感器的安裝定位誤差，屬于靜態(tài)偏差項(xiàng)，可通過精確測(cè)量其誤差值進(jìn)行在線補(bǔ)償.加速度計(jì)和光纖陀螺的溫度漂移，屬于動(dòng)態(tài)偏差項(xiàng)，應(yīng)先通過熱噪音實(shí)驗(yàn)獲得溫漂數(shù)據(jù)，再通過算法進(jìn)行全量程溫度補(bǔ)償.此外，針對(duì)各傳感器本身的精度誤差，可通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，利用數(shù)據(jù)冗余，來提高測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度.而采用適當(dāng)增益的6態(tài)Kalman濾波器可估計(jì)出角度誤差和角速率偏差，以修正陀螺輸出產(chǎn)生的角度漂移，從而得到最優(yōu)性能.

3 實(shí)驗(yàn)情況

為了檢驗(yàn)地下管線軌跡測(cè)量與標(biāo)繪儀的測(cè)繪精度，以提高系統(tǒng)在實(shí)際施工過程中的適用性，先后在浦東新區(qū)張楊路電力排管工程、花木路用戶配套工程及吳中路-蓮花路電力排管工程等管線施工項(xiàng)目中測(cè)量了14根實(shí)際非開挖敷設(shè)管線的軌跡，測(cè)量及標(biāo)繪距離超過1.5 km.圖4給出了上海吳中路-蓮花路路口的一非開挖敷設(shè)管線的軌跡測(cè)量圖.

圖4 吳中路-蓮花路管線三維軌跡示意

4 結(jié)語

對(duì)城市市政管線進(jìn)行科學(xué)的規(guī)范化管理，是確保市政建設(shè)施工安全的前提.實(shí)際工程試驗(yàn)表明，地下管線軌跡測(cè)量與標(biāo)繪儀具有較高的測(cè)繪精度及可靠性，已基本滿足了工程施工的需要.通過地下管線軌跡測(cè)量與標(biāo)繪儀的研制工作，可在地下管線施工后得出軌跡測(cè)量與標(biāo)繪資料，這些竣工資料及圖紙解決了長(zhǎng)期以來非開挖工程施工結(jié)束后缺少完整、精確管線軌跡走向資料的問題，為非開挖施工管線的精確測(cè)繪提供了有力的工具，值得在管線施工工程領(lǐng)域推廣.

［1］吳尚科.地下管線探測(cè)技術(shù)初探［J］.人民長(zhǎng)江，2007(10):94.

［2］朱魯，程久龍，李篤遠(yuǎn)，等.電磁感應(yīng)法探測(cè)地下金屬管線的研究［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1999(1):8.

［3］周鵬，許志華.慣性測(cè)量系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.讀寫算，2010(7):21.

［4］徐濤，羅武勝，呂海寶，等.地下定向鉆進(jìn)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，12(2):6.