基于北斗系統(tǒng)的吊管機(jī)管道定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

宋秋紅,徐少蓉

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

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基于北斗系統(tǒng)的吊管機(jī)管道定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

宋秋紅,徐少蓉

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

針對管道鋪設(shè)作業(yè)的日益增多,提出了基于北斗系統(tǒng)的吊管機(jī)管道定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想。采用北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)可以精確地獲取作業(yè)吊管機(jī)的位置信息,從而對單根管道進(jìn)行單點(diǎn)定位。同樣的,管道中可放置攜帶北斗定位模塊的管道爬行器,通過連續(xù)采點(diǎn)將位置信息傳輸出來可以繪成管線圖。這樣既節(jié)約了人力成本又監(jiān)控了管道鋪設(shè)范圍,后期還可結(jié)合其它儀器對管道狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并做一些必要的維護(hù)和緊急處理,為優(yōu)化管道施工管理提供了參考價(jià)值。

北斗系統(tǒng);吊管機(jī);管道定位

0 引 言

由于我國大部分管道的鋪設(shè)時(shí)間都已經(jīng)超過20年,隨著人員的變動(dòng)以及管線不斷的優(yōu)化及改造,大量的管道信息已經(jīng)流失,給油田的管理及系統(tǒng)的維護(hù)和改造工作帶來了極大的困難。為了標(biāo)記管道的位置和走向,會讓巡線人員在管道的要點(diǎn)位置做些標(biāo)記,例如打木樁或者豎立牌號,又或者放丈量線來測量關(guān)鍵點(diǎn)位與參照物的距離。但由于各方面因素或者不可抗力導(dǎo)致了標(biāo)記的丟失,非常不易找回,這不僅提升了人員的工作量,而且也無法再對丟失標(biāo)記的管道進(jìn)行維護(hù)和管理。

世界上主要干線管道約2 300 000 km. 其中,原油管道500 000 km,成品油管道300 000 km,天然氣管道1 500 000 km,并且還以每年40 000 ～50 000 km的速度在遞增[2],圖1為俄石油天然氣管道路線圖。吳波[3]等人利用北斗精準(zhǔn)定位技術(shù),對管道高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行快速精準(zhǔn)定位,并把管道高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的地理位置數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,解決城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿拦芾硇枨?。張棟[4]等人利用北斗衛(wèi)星對管網(wǎng)進(jìn)行了定位巡檢,提高了管網(wǎng)巡檢效率,有效地降低了管道傳輸事故率。萬青霖[5]利用北斗衛(wèi)星結(jié)合現(xiàn)有的管線檢測技術(shù),提供了一套管道監(jiān)控?cái)?shù)傳系統(tǒng),有效的保障了油氣管道的正常運(yùn)行。管線位置的變化和泄漏,不僅會影響尤其輸送的正常進(jìn)行和施工作業(yè),而且還會引起火災(zāi)爆炸等災(zāi)難事故,污染環(huán)境,造成人員傷亡及經(jīng)濟(jì)上的重大損失。所以需要合適的管道定位系統(tǒng)采集管道的軌跡,再結(jié)合管道泄漏探測儀所采集的數(shù)據(jù),第一時(shí)間的發(fā)現(xiàn)問題,對泄漏管道進(jìn)行定位和維護(hù)。

圖1 中俄石油天然氣管道路線

1 管道定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 管道爬行器定位原理

爬行器上位機(jī)開啟并開始在管道進(jìn)行工作,與此同時(shí)北斗系統(tǒng)定位模塊開始采集定位數(shù)據(jù)并由北斗衛(wèi)星發(fā)送模塊向地面接收模塊發(fā)送協(xié)議編碼,接收模塊提取到北斗導(dǎo)航衛(wèi)星傳輸?shù)挠行佬衅魑恢玫臄?shù)據(jù)信息后按照協(xié)議處理該數(shù)據(jù),最后爬行器顯示終端會通過換算顯示出標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)緯度信息。整個(gè)系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖2 定位系統(tǒng)工作原理

本文中管道爬行器采用的北斗定位系統(tǒng)主要由通信模塊、北斗定位模塊、單片機(jī)模塊和上位機(jī)組成。爬行器開機(jī)后,上位機(jī)即開始向定位模塊下達(dá)接收數(shù)據(jù)指令,北斗模塊執(zhí)行命令,開始接收來自北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)信號,并將數(shù)據(jù)文件傳輸給單片機(jī)模塊,單片機(jī)模塊處理出位置信息后,將位置信息通過通信模塊傳輸給上位機(jī)存儲。

1.2 管道定位系統(tǒng)硬件

1.2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)為管道定位系統(tǒng)的核心部分,采用了飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC9S12XS128單片機(jī),可以處理NMEA-0183定位數(shù)據(jù)。其中由16位中央處理單元(CPU12X)、128KB程序Flash(P-lash)、8 KB的RAM、8 KB數(shù)據(jù)Flash(D-lash)組成片內(nèi)存儲器。主要功能模塊包括:內(nèi)部存儲器、2個(gè)異步串口通訊SCI、1個(gè)串行外設(shè)接口SPI,16通道A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC、1個(gè)8通道脈沖寬度調(diào)制模塊PWM以及輸入/輸出數(shù)字I/O口等功能模塊,MC9S12XS128主頻最高可達(dá)90 MHz,而且體積小,性能穩(wěn)定,對于管道系統(tǒng)的定位信息采集完全能夠滿足接收與處理要求。

男性檢驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)值有8個(gè)單詞存在顯著性差異（占比57%），女性檢驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)值有10個(gè)存在顯著性差異（占比71%），明顯高于F1差異顯著比重。說明男性學(xué)生和女性學(xué)生在舌位的前后和嘴唇的圓展方面問題較多。所有數(shù)據(jù)中，V1均小于V2，無一例外。這一現(xiàn)象說明，貴州民族學(xué)生，無論男生還是女生，舌位通常比母語發(fā)音人更靠后，唇形更圓。

1.2.2 北斗定位模塊及電路圖

北斗定位模塊由北斗有源天線、電源、北斗信號處理芯片等組成,為了在各種復(fù)雜環(huán)境下保持高效的工作能力以及最大限度緩解延遲和提高定位精度,選用UM220北斗定位芯片,該多系統(tǒng)多頻高性能芯片采用了單芯片接收機(jī)方案,單個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)支持BD2 B1和GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn),模塊可一直輸出NMEA-0183數(shù)據(jù),多系統(tǒng)融合的開放式架構(gòu)使不同的可用衛(wèi)星均可參與聯(lián)合定位,為之后的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了開源環(huán)境。

在快速的捕獲測距碼后,輸出的數(shù)據(jù)會被傳送到解析程序進(jìn)行處理,提取出經(jīng)緯度和時(shí)間信息并在液晶顯示器上進(jìn)行顯示。天線信號連至模塊GNSS-ANT引腳,采用了非2.85V有緣天線。串行口外設(shè)接口SPI是一個(gè)高速同步串行輸入/輸出端口,它允許一個(gè)具有可編程長度的串行位流,以可編程的位傳送速率從設(shè)備移入或移出[6]。

UM220硬件連接圖如圖3所示,為了實(shí)現(xiàn)主機(jī)片選從機(jī),硬件設(shè)計(jì)時(shí)將UM220的SPI的SS端接引腳P1.3,SPI-CLK時(shí)鐘端口與P1.0引腳項(xiàng)鏈,SPI-MOSI主機(jī)出從機(jī)進(jìn)出數(shù)據(jù)端口接引腳P1.2,SPI-MISO主機(jī)進(jìn)從機(jī)從數(shù)據(jù)線接引腳P1.1.

圖3 硬件電路圖

1.3 管道定位方案

如圖4所示,管道爬行機(jī)器人置于管道進(jìn)行工作,開啟后爬行器開始沿管壁爬行,同時(shí)上位機(jī)上電后北斗定位模塊開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,爬行器所運(yùn)動(dòng)的軌跡即可理解為管線的軌跡,圖5示出爬行器能預(yù)期形成的理論運(yùn)動(dòng)軌跡,這樣就可以制作出管線圖有效的監(jiān)控管道的鋪設(shè)范圍。同樣,測量管道的長度以及控制爬行器的運(yùn)行速度就可以每隔一段時(shí)間對管道進(jìn)行一次單點(diǎn)定位,用來記錄每段管道的精確位置,為日后的維修保養(yǎng)提供必要的幫助。

圖4 爬行器在管道內(nèi)狀態(tài)

圖5 理論采點(diǎn)形成軌跡方式

2 管道定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

在滴水湖某假日酒店一旁管道施工處,如圖6所示,進(jìn)行定位數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)當(dāng)天天氣情況、能見度優(yōu)良、實(shí)驗(yàn)場地開闊,符合實(shí)驗(yàn)基本條件。由于管道口徑限制無法將爬行器很好地置于管道中,因此拆下所需模塊沿著管道預(yù)期鋪設(shè)軌跡,如圖7所示中箭頭所指的淺色路徑為施工軌跡行走定位。

圖6 施工路段

圖7 地圖中查看施工軌跡

2.1 管道靜態(tài)定位結(jié)果

在淺色施工軌跡上任意取兩點(diǎn)命名為標(biāo)記1、標(biāo)記2,分別用北斗定位模塊進(jìn)行靜態(tài)定位,定位結(jié)果如圖8所示,將十進(jìn)制經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為度分秒,標(biāo)記1的位置為30°53′28.52″北, 121°56′1.95″東;標(biāo)記2的位置為30°53′30.52″北,121°56′4.52″東。經(jīng)測量,標(biāo)記2相對于標(biāo)記1直線距離為91.28 m,方位為東偏北50.49°.

圖8 電腦中讀取定位數(shù)據(jù)

為了比較定位誤差是否在合理范圍之內(nèi),用單機(jī)定位3～5 m、實(shí)時(shí)差分1～3 m,更新率為1 Hz,攜帶高靈敏度天線的定位儀器進(jìn)行定位,結(jié)果如圖9、圖10所示,標(biāo)記1的位置為30°53′28.52″北,121°56′1.67″東;標(biāo)記2的位置為30°53′30.42″北,121°56′4.32″東。

圖9 標(biāo)記1定位

圖10 標(biāo)記2定位

綜上比較可得,北斗定位模塊和高精度儀器之間的定位存在細(xì)小的差別,但定位相對比較準(zhǔn)確,滿足靜態(tài)定位要求。

2.2 管道動(dòng)態(tài)定位結(jié)果

動(dòng)態(tài)定位方案如上所述,手拿北斗定位模塊,開啟定位后沿著軌跡低速行走,數(shù)據(jù)的采樣間隔為1 s,以標(biāo)記1為開始點(diǎn),標(biāo)記2為結(jié)束點(diǎn)。將采集的所有經(jīng)緯度點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,然后輸出結(jié)果,如圖11所示,現(xiàn)場測量軌跡為158.37 m,北斗定位模塊輸出軌跡為158.05 m,誤差較小,連續(xù)采點(diǎn)定位準(zhǔn)確,軌跡可靠。

圖11 采集的軌跡

圖12 Google地圖中定位點(diǎn)和管道軌跡

將采集到的標(biāo)記1、標(biāo)記2位置以及軌跡提取后輸入Google地圖中,如圖12所示,并沿著施工路徑測量長度為157.92 m,藍(lán)線為高精度定位儀所輸出的軌跡,軌跡相對圓滑;紅線為北斗定位模塊輸出軌跡,連續(xù)采點(diǎn)有稍許誤差,但軌跡基本重疊,大部分落入規(guī)劃軌跡6 m以內(nèi),滿足管線圖軌跡采集要求。

3 結(jié)束語

通過對管道定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及仿實(shí)際工況實(shí)驗(yàn),證明了北斗系統(tǒng)能夠精確地對管道進(jìn)行單點(diǎn)定位,并且在管道爬行器持續(xù)工作時(shí)能夠連續(xù)輸出點(diǎn)位形成運(yùn)行軌跡(即為管道鋪設(shè)軌跡)。地面控制端可以精確地獲得管道鋪設(shè)范圍圖以及單根管道的唯一位置信息,采集數(shù)據(jù)并存檔后能夠?qū)艿肋M(jìn)行日常的管理,為后續(xù)結(jié)合管道泄漏檢測儀后能夠第一時(shí)間傳回問題管道的位置信息提供了便捷的服務(wù),這樣大大減少了人力維護(hù)成本并能夠?qū)艿肋M(jìn)行必要的維護(hù)。

[1] 萬琪俊. 基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星移動(dòng)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 廣州:華南理工大學(xué), 2013.

[2] 徐文華. 管道位置檢測系統(tǒng)研究[D]. 南充:西南石油大學(xué), 2006.

[3] 吳波, 齊曉琳, 王滌平,等. 北斗精準(zhǔn)定位在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿拦芾碇械膽?yīng)用[J]. 城市燃?xì)? 2014(9):24-26.

[4] 張棟, 陳圣波, 李健. 基于北斗衛(wèi)星的油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2015, 33(6):694-699.

[5] 萬青霖. 基于“北斗”數(shù)傳系統(tǒng)的油氣運(yùn)輸管道監(jiān)控研究[J]. 當(dāng)代化工, 2016,45(7):1593-1596.

[6] 高婷. 基于北斗定位的海上落水報(bào)警裝置設(shè)計(jì)與研究[D]. 上海:上海海洋大學(xué), 2014.

Design and Implementation for Position System of Pipelayer’s Pipes Based on BeiDou System

SONG Qiuhong,XU Shaorong

(CollegeofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

In view of the increasing construction of pipeline, a position system based on the Beidou system was proposed. The Beidou navigation positioning system can accurately obtain the location of the working pipelayer’s information, thus, to locating single pipe. Likely, a pipeline crawler with Beidou position module can be placed in the pipe, a pipeline diagram can be formed through getting position continuously. Not only save the manpower cost, but also monitor the pipeline laying. Some necessary and emergency things can be solved combine with other instruments, provides value reference for the optimization of pipeline construction and management.

BeiDou system; pipelayer; pipe position

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.022

2016-11-01

上海市2014年聯(lián)盟計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號:LM201403)

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0098-05

宋秋紅 (1962-),男,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

徐少蓉 (1992-),男,碩士生,主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

聯(lián)系人: 徐少蓉 E-mail:qhsong@shou.edu.cn