影響管道IMU測繪精度因素

尹恒　董華清　張勇　孫鵬　王波

管道在我國能源運輸過程中占有很大比重，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管道行業(yè)對于管道管理也提出了更高的要求。管道完整性管理則是各大管道公司確保管道安全、經(jīng)濟(jì)運行的重要手段，而管道位置參數(shù)是管道完整性管理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS、GPS等技術(shù)可實現(xiàn)管道的數(shù)字化、可視化管理。在管道內(nèi)檢測器上加裝慣性測量單元（IMU），可以在進(jìn)行缺陷檢測和管道清理的同時，確定內(nèi)檢測器運行的姿態(tài)、行進(jìn)的軌跡以及明確管道的地理坐標(biāo)，完善埋地管道的位置參數(shù)信息。

隨著內(nèi)檢測技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，基于預(yù)防為主的管道完整性管理已經(jīng)在各大石油公司實施并日臻成熟。國外大型管道檢測公司都已經(jīng)能夠利用慣性器件對管道內(nèi)檢測設(shè)備運行情況進(jìn)行定位分析，確定管道內(nèi)檢測設(shè)備運行后完善的位置和姿態(tài)等信息，國內(nèi)對這方面的研究起步比較晚，多數(shù)研究處在實驗階段。

本文通過對國外檢測公司所提供的內(nèi)檢測IMU管道中心線坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)驗證，得到相關(guān)內(nèi)檢測IMU坐標(biāo)精度。結(jié)合管道內(nèi)檢測器IMU定位系統(tǒng)工作原理，總結(jié)分析內(nèi)檢測IMU定位系統(tǒng)在實際應(yīng)用中存在的精度影響因素，明確的管道精確坐標(biāo)可以有效防止因管道定位不準(zhǔn)確造成的管道損傷，甚至是事故，因此完善管道位置參數(shù)，提升管道完整性管理水平具有十分重要的意義。

內(nèi)檢測lMU定位系統(tǒng)

IMU原理。管道慣性測量單元（IMU）內(nèi)檢測的基本原理是牛頓力學(xué)運動規(guī)律，其核心部件是由三維正交的陀螺儀與加速度計組成的。分別利用陀螺儀和加速度計測量物體3個方向的轉(zhuǎn)動角速度和運動加速度，將采集、記錄和數(shù)據(jù)使用專門的計算機(jī)進(jìn)行積分等運算處理，便可以得到檢測器不同時刻的速度、位置與姿態(tài)信息，繼而獲得管道中心線坐標(biāo)。

由于檢測器工作在管道內(nèi)部。因此會造成屏蔽GPS信號，同時漏磁檢測工作時將管道磁化，在強(qiáng)磁環(huán)境中也無法利用地磁信號。針對上述情況，將慣性器件組合為慣性測量單元（IMU），搭載在檢測器上進(jìn)行管道地理坐標(biāo)測量，不需要進(jìn)行外部數(shù)據(jù)交換，是一種自主導(dǎo)航方法。

IMU測繪流程。慣性測量單元（IMU）通常搭載于幾何、漏磁等其他內(nèi)檢測器中，與內(nèi)檢測器同步運行。在運行過程中，IMU以一定的頻率采集三路陀螺儀、三路加速度計及里程數(shù)據(jù)并保存在系統(tǒng)磁盤當(dāng)中。當(dāng)內(nèi)檢測器經(jīng)過地面參考點時，激發(fā)地面定標(biāo)盒，同時記錄其內(nèi)檢測器經(jīng)過的時刻。當(dāng)檢測器完成檢測以后，下載磁盤中數(shù)據(jù)利用組合軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合地面定標(biāo)點位置參數(shù)與里程計參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，得到整條管道的位置數(shù)據(jù)和中心線軌跡圖形。

誤差及數(shù)據(jù)修正。慣性測量的誤差源較多，首先為信號的測量誤差，包括零點漂移誤差，短時穩(wěn)定度，尺度因素誤差和溫漂誤差等。按誤差比較原則，主要誤差為零點漂移和短時穩(wěn)定度，將其看作測量信號的零偏值。然后計算誤差，包括含入誤差，量化誤差和耦合誤差等，其中傳遞誤差為主要誤差項。信號零偏在狀態(tài)量更新計算中產(chǎn)生的傳遞誤差，這些誤差之間存在相關(guān)性，同時內(nèi)檢測器運行在管道中運行環(huán)境復(fù)雜，并且伴隨著檢測條件不斷變化。因此慣性測量（IMU）本身具有的不穩(wěn)定特性以及導(dǎo)航定位算法所用的迭代計算方式，如果計算中誤差不能進(jìn)行修正補(bǔ)償，將會使得定位系統(tǒng)出現(xiàn)較大問題。

在軟件設(shè)計處理過程中，建立誤差模型，使用非線性濾波算法對誤差干擾進(jìn)行修正，主要為擴(kuò)展Kalman濾波（EKF）和無跡展Kalman濾波（UKF）。同時增加里程計傳感器輔助信息，起點和終點位置修正，對累積誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，最終得到較為準(zhǔn)確的管道中心線坐標(biāo)。

工程實例

以實際工程項目為例，分別由國外兩家公司對不同兩段管道進(jìn)行管道內(nèi)檢測，內(nèi)檢測器上搭載著慣性測量單元（IMU），經(jīng)過后期處理得到管道內(nèi)檢測IMU中心線坐標(biāo)。1#管段全長149.7km，管徑1016mm；3#管段全長112km，管徑812mm。

驗證的內(nèi)檢測IMU管道中心線坐標(biāo)是兩家檢測公司提供給業(yè)主的成果文件，數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換以后由測繪單位進(jìn)行數(shù)據(jù)驗證，第三方技術(shù)服務(wù)公司進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)督，確保內(nèi)檢測IMU坐標(biāo)放樣準(zhǔn)確，同時也保證驗證結(jié)果公平。

此次驗證的目的主要為確認(rèn)內(nèi)檢測IMU管道中心線坐標(biāo)與實際埋地管道位置的誤差，通過對驗證結(jié)果的分析，確認(rèn)內(nèi)檢測IMU管道中心線坐標(biāo)的影響因素。

IMU精度驗證方法

地面定位驗證。地面驗證是指對檢測公司所提供的內(nèi)檢測IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行地面精度驗證，首先使用高精度RTK定位系統(tǒng)，對內(nèi)檢測IMU坐標(biāo)數(shù)據(jù)（彎頭中心、焊縫、定標(biāo)點等）進(jìn)行位置放樣，此次放樣主要為彎頭中心位置，利用管道探測儀（DM）進(jìn)行彎頭中心確認(rèn)，通過比較內(nèi)檢測IMU彎頭中心坐標(biāo)與管道實際埋地位置誤差，判斷內(nèi)檢測IMU管道中心線數(shù)據(jù)的精度，具體流程如圖1所示。

開挖驗證。開挖驗證是指對內(nèi)檢測IMU管道中心線坐標(biāo)進(jìn)行缺陷點放樣，通過對管道特征點相對位置關(guān)系（彎頭、焊縫、時鐘等）對缺陷位置進(jìn)行確認(rèn)，測量放樣點與缺陷真實位置相對位置關(guān)系，從而準(zhǔn)確驗證內(nèi)檢測IMU管道中心線坐標(biāo)精度。

誤差分析

地面驗證和開挖驗證兩種方法主要是為了對比內(nèi)檢測IMU管道中心線坐標(biāo)與特征真實位置坐標(biāo)的差異，通過對特征真實位置的確認(rèn)，采集準(zhǔn)確的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后通過坐標(biāo)比對，進(jìn)行內(nèi)檢測IMU精度判斷。內(nèi)檢測IMU放樣點坐標(biāo)與采集點坐標(biāo)誤差方程為：

驗證結(jié)果。依據(jù)上述驗證方法和誤差計算，對兩段管道進(jìn)行驗證，驗證位置分布于全管段不同位置，得到兩段管道內(nèi)檢測IMU中心線精度誤差。

從圖4可以看出，1#管段開挖驗證6處缺陷點，水平偏差范圍為-1.7m-4.4m，軸向偏差范圍為-0.3m-1.3m；1#管段地面驗證52處彎頭，水平偏差范圍為-6.8m-0.5m，軸向偏差范圍為-4.7m-3.4rn。

從圖5可以看出，2#管段開挖驗證6處缺陷點，水平偏差范圍為2.1m-7.1m，軸向偏差范圍為-6.5m-6.4m；2#管段地面驗證34處彎頭，水平偏差范圍為0.8m-8.6m，軸向偏差范圍為-6.6m-6.4m。endprint

IMU定位誤差因素分析

從工程實例驗證結(jié)果來看，兩條管段的地面定位數(shù)據(jù)與開挖驗證數(shù)據(jù)的誤差趨勢類似。從水平誤差和軸向誤差分布趨勢分析，初步分析造成水平誤差的主要因素是定標(biāo)點的水平偏差，造成軸向誤差的是內(nèi)檢測里程偏差。

定標(biāo)點水平偏差。為了分析定標(biāo)點水平偏差與IMU定位水平偏差的關(guān)系，采取地面驗證的方式對1#管段和2#管段的部分定標(biāo)點水平誤差進(jìn)行驗證，并分析了環(huán)焊縫水平偏差情況。從驗證結(jié)果來看，1#管段驗證37處定標(biāo)點，水平偏差范圍為-5m～0.4m，113處環(huán)焊縫水平偏差-8.5m-0.4m；2#管段驗證27處定標(biāo)點，水平偏差范圍為-2.6m-8.7m，121處環(huán)焊縫水平偏差范圍為-3.0m-9.0m，誤差分布如圖6和圖7所示。

定標(biāo)點間距

地面定標(biāo)點作為內(nèi)檢測里程和IMU管道中心線修正的參考，在內(nèi)檢測系統(tǒng)中，定標(biāo)點的相對位置的準(zhǔn)確性影響著IMU成果精度。定標(biāo)點越是密集，相對參考點越多，偏移相對準(zhǔn)確，當(dāng)部分管段定標(biāo)點間距越大時，其在里程上的誤差累積越明顯，IMU管道中心線坐標(biāo)誤差也將擴(kuò)大。

內(nèi)檢測里程偏差。IMU管道中心線坐標(biāo)需要依靠內(nèi)檢測里程進(jìn)行參考與校正，如果內(nèi)檢測的檢測里程出現(xiàn)較大的誤差，那么相應(yīng)的中心線坐標(biāo)也會出現(xiàn)較大的軸向誤差。

1#管段里程偏差與驗證點軸向偏差分析。通過對1#管段的閥室、場站的檢測站間距與實際管道站間距的檢測誤差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1#管段的發(fā)球站1A到閥室1B和閥室1c和閥室1D的檢測誤差較大，都達(dá)到了1.1Km，具體詳見表1所示。通過對1#管段檢測誤差與驗證點軸向誤差的趨勢進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)站間距較大時，該段管道的驗證點軸向誤差范圍也較大，具體詳見圖8所示。

2#管段里程偏差與驗證點軸向偏差分析。采用同樣的比較分析方法對2#管段進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在閥室2c到閥室2E之間的誤差是所有站間距中檢測偏差最大的，詳見表2所示；通過對2#管段的驗證點軸向誤差進(jìn)行分析，同樣得到了檢測誤差越大，其驗證點軸向誤差范圍相對較大的結(jié)論，具體詳見圖9所示。

其它影響因素。獲得準(zhǔn)確、完整的IMU成果數(shù)據(jù)除了需要慣性測量單元（IMU）數(shù)據(jù)以外，還需要地面定標(biāo)點數(shù)據(jù)、里程數(shù)據(jù)、濾波器處理等數(shù)據(jù)。因此，除了上述三個重要影響因素以外，還有其它因素也會造成IMU成果數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，主要分為以下方面：

檢測環(huán)境（壓力、地勢、溫度）的變化，造成不同檢測數(shù)據(jù)（里程計、慣性測量單元等）出現(xiàn)偏差，檢測設(shè)備的固有誤差會造成IMU參數(shù)發(fā)生變化；檢測過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)的判斷和處理不當(dāng)，也會造成局部出現(xiàn)較大誤差，如IMU軌跡發(fā)生偏離，進(jìn)行數(shù)據(jù)糾正和地面定標(biāo)點糾偏不到位，也會影響IMU成果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度。

通過工程實例以及IMU定位誤差因素的分析，得出以下結(jié)論：依據(jù)地面定標(biāo)點參數(shù)對IMU軌跡進(jìn)行修正得到完整的IMU管道中心線。因此地面定標(biāo)點采集精度（位置準(zhǔn)確性）在一定程度上影響IMU成果的精度；IMU坐標(biāo)偏移需要將管道內(nèi)部系統(tǒng)的位置參數(shù)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)參數(shù)，地面定標(biāo)點作為IMU偏移的參考點，其相對于管道的位置關(guān)系決定著IMU坐標(biāo)偏移的準(zhǔn)確性。通過對驗證結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，地面定標(biāo)點相對于管道水平偏移量決定了IMU坐標(biāo)水平偏差量。從圖6和圖7中可以看出，開挖驗證點、彎頭、環(huán)焊縫的IMU坐標(biāo)數(shù)據(jù)相對于管道的水平偏差與其附近的定標(biāo)點的水平偏差趨勢一致，且當(dāng)與其相近的定標(biāo)點水平偏差較大時，驗證點的水平偏差也較大。因此，可以說明定標(biāo)點水平偏差直接影響著IMU成果水平偏差的大??；定標(biāo)點間距越小，誤差積累越小，檢測里程誤差也就越小，IMU成果精度越高；內(nèi)檢測里程誤差的大小直接影響IMU成果誤差的軸向偏差大小。

總結(jié)與建議

依據(jù)IMU成果數(shù)據(jù)驗證結(jié)果，分析其誤差影響因素發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的IMU技術(shù)在管道中心線定位應(yīng)用過程中尚存在較多問題需要解決。IMU管道中心線定位精度的影響因素較多，單一數(shù)據(jù)質(zhì)量控制不能保證IMU成果數(shù)據(jù)的精度。為實現(xiàn)對管道的精準(zhǔn)定位，還需對IMU檢測流程、數(shù)據(jù)處理、驗證與校正方面進(jìn)行深度分析與優(yōu)化。一方面控制好IMU成果數(shù)據(jù)生成的各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)質(zhì)量.另一方面改進(jìn)相應(yīng)的技術(shù)思路，提升IMU在內(nèi)檢測環(huán)境中的適應(yīng)性。由于IMU檢測成本較高，如不能有效的對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別和修正，那么會造成資源的浪費。

作為管道完整性管理的重要組成部分，管道數(shù)字化將有效的提升管道數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平，實現(xiàn)管道可視化管理，同時能夠在維修維護(hù)和缺陷管理中節(jié)省不必要的開支，為管道安全運行提供可靠的技術(shù)支持。

（作者單位：1.中國石化天然氣分公司川氣東送管道有限公司；2.四川德源石油天然氣工程有限公司；3.四川德源云管道信息技術(shù)有限公司）endprint