慣性陀螺儀定位三維測量技術(shù)在非開挖電力管線探測中的應(yīng)用

任廣振，羅進(jìn)圣，胡 偉

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310000）

0 引言

隨著現(xiàn)代都市的飛速發(fā)展，地下管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)日益發(fā)達(dá)，電力、電信、燃?xì)?、給排水、雨污水等各類管道蛛網(wǎng)密布，錯(cuò)綜復(fù)雜。然而由于歷史與技術(shù)原因，已建成的地下管線很少能夠提供準(zhǔn)確的管線位置與埋深，影響到日漸龐大的管網(wǎng)系統(tǒng)的管理與維護(hù)。如何精準(zhǔn)的探測地下管線如電力管線的位置與埋深，已成為急需解決的問題。

傳統(tǒng)管線探測方法多采用物探方法[1-2]，或利用電磁場感應(yīng)金屬管線的位置與埋深（如管線儀探測），或利用管線與周邊介質(zhì)的物性差異進(jìn)行探查（如地質(zhì)雷達(dá)探測）。這些方法雖有其優(yōu)勢之處，但往往受制于管線材質(zhì)、埋設(shè)深度、環(huán)境干擾、定位精度等因素，使其測量精度大打折扣。而電力管線常采用非開挖定向穿越，其埋深往往超越現(xiàn)有儀器的探測范圍，更是使得這些方法英雄無用武之處。

慣性陀螺定位儀三維定位技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一項(xiàng)管線測量新技術(shù)。它結(jié)合了陀螺儀定向、慣性導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)三維計(jì)算等技術(shù)，拖曳慣性陀螺定位儀穿行于待測管線，自動(dòng)追蹤記錄其在管線內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，生成管道中心軸線的三維坐標(biāo)與位置圖。測量時(shí)受管線材質(zhì)、管線埋深、周圍環(huán)境和地質(zhì)影響較小，只要慣性陀螺定位儀能夠穿行于待測電力管線，即可實(shí)現(xiàn)高精確度的管線測量。

1 慣性陀螺定位儀工作原理

1.1 陀螺儀定向原理

慣性陀螺定位儀交叉利用了重力場、計(jì)算機(jī)矢量計(jì)算等多學(xué)科知識(shí)，其核心原理為陀螺儀定向及慣性導(dǎo)航。

陀螺是一個(gè)繞某一支點(diǎn)作高速旋轉(zhuǎn)的剛體。當(dāng)陀螺高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)軸所指方向在不受外力影響的情況下是不會(huì)改變的，人們由此制造出了陀螺儀。陀螺儀在角動(dòng)量守恒原則下，具有兩大特性：

（1）定軸性。當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，就產(chǎn)生了慣性，這慣性使得陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸保持在空間指向一固定方向，同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量，如圖1所示。

圖1 陀螺儀的定軸性

（2）進(jìn)動(dòng)性。當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向與外力矩作用方向互相垂直，如圖2所示。

圖2 陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性

根據(jù)陀螺儀的定軸性和進(jìn)動(dòng)性，可確定運(yùn)動(dòng)物體在慣性參照系中的方向和姿態(tài)。

1.2 慣性導(dǎo)航原理

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括陀螺儀、加速度計(jì)及計(jì)算機(jī)。開始時(shí)，外界給系統(tǒng)提供初始位置及初始速度，此后系統(tǒng)通過不斷檢測自身的瞬時(shí)角速度和瞬時(shí)加速度，可以確定自身的位置變化（如向東或向西的運(yùn)動(dòng)）、速度變化（速度大小或方向）和姿態(tài)變化（繞各個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)），通過積分不斷更新系統(tǒng)當(dāng)前位置及速度。

陀螺儀在慣性參照系中用于測量系統(tǒng)的角速度。通過以慣性參照系中系統(tǒng)初始方位作為初始條件，對(duì)角速度進(jìn)行積分，就可以得到系統(tǒng)的當(dāng)前方向。

加速度計(jì)在慣性參照系中用于測量系統(tǒng)的線加速度，由于加速度計(jì)與系統(tǒng)固定并隨系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，不知道自身的方向，只能測量相對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向的加速度。

通過系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向及相對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向的當(dāng)前線加速度，就可以確定參照系中系統(tǒng)當(dāng)前的慣性加速度向量。以起始速度作為初始條件，對(duì)慣性加速度進(jìn)行積分就可得到系統(tǒng)慣性速度，然后以起始位置作初始條件再次積分就可得到慣性位置。

1.3 慣性陀螺定位儀

慣性陀螺定位儀正是運(yùn)用了陀螺儀和慣性定位原理而研制的，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 慣性陀螺定位儀結(jié)構(gòu)

陀螺儀確定系統(tǒng)瞬時(shí)方向，加速度計(jì)確定系統(tǒng)瞬時(shí)前進(jìn)方向加速度值，由此可求得定位系統(tǒng)的瞬時(shí)加速度向量α，將α分解到慣性坐標(biāo)系X，Y，Z三軸上可得各自的加速度分量αx，αy，αz。分別積分并與X，Y，Z三方向上的初始速度Vx0，Vy0，Vz0相加即可得到定位系統(tǒng)的當(dāng)前速度分量 Vx，Vy，Vz。 再將 Vx，Vy，Vz進(jìn)行積分計(jì)算，與初始坐標(biāo)相加即可得定位系統(tǒng)的當(dāng)前坐標(biāo)位置。電子單元不斷記錄其運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈傳輸至計(jì)算主機(jī)，根據(jù)起終點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算其運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)。

2 DuctRunnerTm DR-HDD-4.2慣性陀螺定位儀

Reduct公司生產(chǎn)的DuctRunnerTmDR-HDD-4.2系列慣性陀螺定位儀如圖4所示，是當(dāng)前國際上最先進(jìn)的慣性陀螺定位儀?？捎糜跍y量4～150cm管徑的各類管線，提供高精度、連續(xù)的管線三維坐標(biāo)，平面測量精度可達(dá)0.25%L（測量管線的總長度），高程測量精度可達(dá)0.10%L，在國內(nèi)已逐步應(yīng)用于工程實(shí)例。

圖4 DUCT RunnerTmDR-HDD-4.2慣性陀螺定位儀

其主要結(jié)構(gòu)包括：

（1）測量單元。以陀螺儀慣性定位為核心技術(shù)的三維定位裝置，用于穿行各類管線，連續(xù)測量管線的高精度三維坐標(biāo)，并記錄于內(nèi)部計(jì)算機(jī)。

（2）PC處理系統(tǒng)。內(nèi)建專業(yè)處理軟件，分析計(jì)算測量單元所測量的數(shù)據(jù)。

（3）網(wǎng)絡(luò)線。測量單元所測數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)線傳輸至PC處理系統(tǒng)。

（4）控制器。實(shí)現(xiàn)對(duì)測量單元的開啟關(guān)閉及監(jiān)控。

（5）支架與輪組。通過不同尺寸的支架與輪組，可適應(yīng)不同管徑的管線測量需要。

3 慣性陀螺定位儀工作流程

慣性陀螺定位測量主要包括前期準(zhǔn)備、輔助測量、慣性陀螺定位測量、數(shù)據(jù)處理等工作，其主要工作流程見圖5。

（1）前期準(zhǔn)備?，F(xiàn)場踏勘，確定測量方案；清理場地，滿足工作要求；檢查儀器，保證工作順利進(jìn)行。

（2）地形測量及測區(qū)縱橫斷面測量。測繪測區(qū)地形圖及管線穿越路徑的地面縱、橫斷面，為管線測量成果提供地形資料。

（3）管線起終端點(diǎn)測量。精確測量待測管線起終端點(diǎn)的三維坐標(biāo)，作為慣性陀螺定位測量的起算校核資料，計(jì)算校核管線的三維坐標(biāo)。

（4）慣性陀螺定位測量。將測量單元直接置于管線內(nèi)，采用置中技術(shù)使測量位置為管線中心軸線，設(shè)定參數(shù)，拖曳慣性定位陀螺儀測量主機(jī)由管線進(jìn)口行至出口，由計(jì)算主機(jī)自動(dòng)記錄計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡（見圖6）。

圖6 慣性陀螺定位儀工作示意

（5）現(xiàn)場處理及質(zhì)量判斷?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)處理，評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量及精度，確定是否需復(fù)測。

（6）數(shù)據(jù)后處理。將測量單元所記錄的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，輸入管線進(jìn)出口三維坐標(biāo)，由軟件自動(dòng)計(jì)算得到管道中心軸線的三維坐標(biāo)。并生成XY，YZ，XZ視圖及三維視圖。

（7）成果提交。編制報(bào)告及圖件，提供管線測量成果。

在地面模擬試驗(yàn)時(shí)，架設(shè)管線，模擬地下電力管線的形態(tài)，分別采用傳統(tǒng)全站儀測量及慣性陀螺定位測量方法，確定管線三維坐標(biāo)。通過比較2種方法的測量結(jié)果，檢驗(yàn)慣性陀螺定位測量的精度。慣性陀螺定位測量管線本身測量平面偏差在0.25%L以內(nèi)，高程偏差在0.10%L以內(nèi)，自符合精度較高。慣性陀螺定位測量與用全站儀測量，平面最大偏差為0.174 m，高程最大偏差為0.094 m，偏差較大的位置均出現(xiàn)在曲線彎曲較大的地方。

通過對(duì)比表明，與傳統(tǒng)方法比較，慣性陀螺定位儀測量精度仍能保持在較高水平，檢查誤差較小，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

4 工程測量實(shí)例

4.1 管線概況

杭州市拱墅區(qū)沈半路桃源新區(qū)1號(hào)井—2號(hào)井段電力管線采用非開挖水平導(dǎo)向鉆進(jìn)方法穿越敷設(shè)，長度約123 m，管線埋深由淺至深約在1.5～8 m。由于埋深較深、地質(zhì)情況不佳，傳統(tǒng)探測方法較難測量其準(zhǔn)確位置，因此擬采用慣性定位陀螺儀測量其位置?，F(xiàn)場環(huán)境較好，現(xiàn)有電力管線雖已運(yùn)行，但預(yù)留有空管，可供慣性定位陀螺儀穿行測量。

4.2 輔助測量

非開挖電力管線起終端點(diǎn)均采用網(wǎng)絡(luò)RTK方法測量，測量歷元30次，平面收斂精度不大于0.01 m，高程收斂精度不大于0.03 m。表1中X表示該點(diǎn)的平面北坐標(biāo)、Y表示該點(diǎn)平面東坐標(biāo)、H表示該點(diǎn)高程，坐標(biāo)為杭州市坐標(biāo)系，高程為1985國家高程系統(tǒng)，其坐標(biāo)值是通過陀螺儀進(jìn)出口預(yù)先測定的坐標(biāo)值計(jì)算得出的結(jié)果。

表1 非開挖電力管線起終端點(diǎn)

4.3 慣性定位作業(yè)

現(xiàn)場操作步驟：選擇適合于擬測量管道的測量主機(jī)及輪組，并將輪組編號(hào)輸入系統(tǒng)；測量主機(jī)開機(jī)；用牽引繩將主機(jī)拖入管道；從遠(yuǎn)端拉動(dòng)牽引繩，將測量主機(jī)從管道遠(yuǎn)端拉出；將主機(jī)記錄的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并將管道2個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)輸入系統(tǒng)；自動(dòng)計(jì)算得到管線中心軸線的三維坐標(biāo)。

工作中將慣性陀螺定位儀從A至B選擇一孔（軌跡1）來回拖拉各測量2次，共測量4組數(shù)據(jù)，采樣間距1 m，4組測量成果分別連接擬合線位，比較誤差，計(jì)算其方差。選擇鄰近另外一孔（軌跡2）重復(fù)上述工作。若符合儀器限差（平面誤差：0.25%L，高程誤差：0.10%L），則由4組測量成果平差擬合為1組數(shù)據(jù)。

慣性陀螺定位作業(yè)完畢后，將測量數(shù)據(jù)傳輸至PC處理系統(tǒng)，計(jì)算校核管線軸線的三維坐標(biāo)。慣性陀螺定位測量管線位置軌跡1見圖7。

4次測量成果平面最大較差0.08 m，高程最大較差0.07 m；平面相對(duì)中誤差0.03%L，高程相對(duì)中誤差0.03%L。

4.4 現(xiàn)場開挖驗(yàn)證

圖7 慣性陀螺定位測量軌跡1管線位置圖

表2 開挖結(jié)果

為驗(yàn)證慣性陀螺定位儀的實(shí)際測量精度，對(duì)所測的非開挖電力管線進(jìn)行了2處開挖驗(yàn)證，開挖深度分別為2 m和4.5 m。開挖結(jié)果見表2。

從工程實(shí)例中可以看出，慣性陀螺定位不受環(huán)境電磁波及地層等干擾因素影響，測量精度高，定位準(zhǔn)確可靠，所測量數(shù)據(jù)，除入口與出口點(diǎn)坐標(biāo)由傳統(tǒng)測量方法獲得，其余數(shù)據(jù)皆由設(shè)備自行運(yùn)算，消除人為誤差，并可重復(fù)驗(yàn)證，可以解決非開挖電力管道的準(zhǔn)確測量問題。

5 結(jié)論

慣性陀螺定位測量采用陀螺導(dǎo)航定向技術(shù)，并將測量設(shè)備直接置入管內(nèi)，采用置中技術(shù)測量管道中心軸線位置，所以在目前已知的非開挖測量技術(shù)中，其測量精度最高。

該系統(tǒng)工作時(shí)無須操作人員于地面進(jìn)行追蹤定位，所以不受地面環(huán)境、交通、天氣、光線等影響，理論上講可以24 h全天候進(jìn)行作業(yè)。

由于慣性陀螺定位儀采用的是管內(nèi)直接測量法，要求必須能夠穿行于管線中，因此，較適合測量新建成未運(yùn)行管線。對(duì)于現(xiàn)有運(yùn)行管線，必須有預(yù)留空管方能測量，一些老舊管線如被淤泥堵塞而不能穿行時(shí)，同樣也不能進(jìn)行測量。

慣性陀螺定位儀三維測量技術(shù)不受管線材質(zhì)、管線埋深、周圍環(huán)境和地質(zhì)情況等因素影響，特別適用于非開挖定向鉆入敷設(shè)管線的探測工作，能夠測量出待測管線的精確三維坐標(biāo)，為管線管理及維護(hù)提供準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)資料。

[1]張漢春.非開挖特深管線的探測技術(shù)分析及展望[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2010（6）∶1092-1093.

[2]黃遷輝，溫俊濤.非開挖技術(shù)在城市建設(shè)中的作用[J].非開挖技術(shù)，2010，4（1）∶81-82.