基于方位測(cè)量的地下管線探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王國(guó)方

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西咸陽(yáng)712000）

基于方位測(cè)量的地下管線探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王國(guó)方

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西咸陽(yáng)712000）

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的發(fā)展，在當(dāng)前的地下管線探測(cè)工作中，亟待應(yīng)用信息化手段設(shè)計(jì)出地下管線探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線探測(cè)工作的信息化管理；對(duì)此本篇基于方位測(cè)量技術(shù)，從系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)等多個(gè)方面，優(yōu)化設(shè)計(jì)地下管線探測(cè)系統(tǒng)。結(jié)果證實(shí)，基于方位測(cè)量下，優(yōu)化設(shè)計(jì)地下管線探測(cè)系統(tǒng)，可以根據(jù)地下管線的形狀以及位置進(jìn)行探測(cè)，提升探測(cè)精度，還可以使地下管線探測(cè)免受環(huán)境影響，規(guī)避地下管線探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合受限的缺點(diǎn)，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益。結(jié)論表明，基于方位測(cè)量技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)出地下管線探測(cè)系統(tǒng)，可以提升地下管線探測(cè)精度，降低環(huán)境對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，提升系統(tǒng)應(yīng)用效益，可以在實(shí)際中推廣應(yīng)用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

地下管線；方位測(cè)量；管線探測(cè)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

針對(duì)目前在地下管線探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于方位測(cè)量下，優(yōu)化設(shè)計(jì)地下管線探測(cè)系統(tǒng)，可以根據(jù)地下管線的形狀以及位置進(jìn)行探測(cè)，有助于提升地下管線探測(cè)精度[1]，還有助于使地下管線探測(cè)免受環(huán)境影響，規(guī)避地下管線探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合受限的缺點(diǎn)，具有積極的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益。以下本篇對(duì)此做具體分析。

1 方位測(cè)量技術(shù)

方位即地平經(jīng)度，是一種兩面角，即午圈所在的平面與通過(guò)天體所在的地平經(jīng)圈平面的夾角，以午圈所在的平面為起始面，按順時(shí)針?lè)较蚨攘縖2-4]。方位的度量亦可在地平圈上進(jìn)行，以北點(diǎn)為起算點(diǎn)，由北點(diǎn)開(kāi)始按順時(shí)針?lè)较蛴?jì)量。方位的大小變化范圍為 0°～360°，北點(diǎn)為 0°，東點(diǎn)為 90°，南點(diǎn)為 180°，西點(diǎn)為270°。方位測(cè)量即通過(guò)應(yīng)用方位測(cè)量?jī)x器，測(cè)量出測(cè)量物體所處地面參照物的方位。

相關(guān)計(jì)算公式如下所示：

兩點(diǎn)間距離公式：

直線方位角

方位角：由標(biāo)準(zhǔn)方的北端起，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到直線的水平角稱為該直線的方位角。

線段OB方位角≠線段BO方位角

儀器架O點(diǎn)，后視B點(diǎn)，拔β角，儀器讀數(shù)為K。

OC的方位角：αOC=αBO+K（正方向拔角）＝αBO+β

αOC=αBO+k-360°（反方向拔角）＝αBO-β。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

在當(dāng)前進(jìn)行地下管線探測(cè)中，在復(fù)雜地質(zhì)條件和深層的地下管線開(kāi)挖施工過(guò)程中，若是應(yīng)用傳統(tǒng)的基于物探檢測(cè)儀器以及人工測(cè)量的手段，將會(huì)存在一定的局限性，由于對(duì)既有地下管線探測(cè)數(shù)據(jù)掌握得不夠準(zhǔn)確，又缺乏對(duì)地下管線的位置與形狀走向的數(shù)據(jù)，缺少精確檢測(cè)手段[5-8]。若是對(duì)于被檢測(cè)地下管線的管徑相對(duì)較小之時(shí)，如針對(duì)地下有信息管線的情況，則在無(wú)形中將會(huì)增加探測(cè)地下管線的難度；對(duì)于在地下存在許多管線的情況，地下的管線如網(wǎng)狀的密集交錯(cuò)，這樣就會(huì)造成實(shí)際得出探測(cè)結(jié)果的高度耦合，降低探測(cè)結(jié)果精度；同時(shí)，在實(shí)際探測(cè)地下管線過(guò)程中，其探測(cè)信號(hào)也容易受到城市空間中的電磁干擾，也會(huì)因?yàn)榈刭|(zhì)狀況、交通環(huán)境等綜合的因素，影響地下管線測(cè)量數(shù)據(jù)精度，增大探測(cè)結(jié)果誤差，使地下管線探測(cè)作業(yè)失去意義[9]。因此，在本次設(shè)計(jì)的地下管線探測(cè)系統(tǒng)中，將會(huì)基于方位測(cè)量，優(yōu)化系統(tǒng)地下管線探測(cè)規(guī)程，可以提供地下管線三維檢測(cè)數(shù)據(jù)，提升檢測(cè)精度，使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足實(shí)際應(yīng)用需求。系統(tǒng)中可以實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)和里程計(jì)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，傳輸?shù)降叵鹿芫€探測(cè)系統(tǒng)中，確保系統(tǒng)在接收到系統(tǒng)中探測(cè)傳感器發(fā)生的數(shù)據(jù)之后，可以重建地下管線的三維位置圖，并能夠?qū)崟r(shí)的顯示出管線在地下的三維空間圖像，使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3 基于方位測(cè)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)地下管線探測(cè)系統(tǒng)

3.1 本次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于本次設(shè)計(jì)的方位測(cè)量地下管線探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，應(yīng)該能夠從整體上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，確保系統(tǒng)中的各組成部分之間可以相互協(xié)調(diào)，并且可以相互配合完成對(duì)底線管線的探測(cè)工作[10]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理是通過(guò)測(cè)量管線內(nèi)離散點(diǎn)上管線中心線的切線方位角，然后利用離散點(diǎn)上的這些信息來(lái)重建整個(gè)管線的形狀位置[11-13]。在系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，通過(guò)分析被測(cè)地下管線的特征，然后在此基礎(chǔ)上優(yōu)化總結(jié)出系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以將系統(tǒng)分為若干個(gè)不同的模塊，并針對(duì)各模塊開(kāi)展功能設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)發(fā)揮實(shí)用價(jià)值。對(duì)于本次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)將會(huì)被分成三大不同的子系統(tǒng)，分別是“控制與可視化子系統(tǒng)”、“介入式探測(cè)頭子系統(tǒng)”以及“牽引與拖曳子系統(tǒng)”。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要參見(jiàn)圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在實(shí)際設(shè)計(jì)基于方位測(cè)量的地下管線探測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)于其牽引與拖曳子系統(tǒng)的功能，利用管線外部纜線的拖曳裝置，以此能夠驅(qū)動(dòng)地下管線探測(cè)中探測(cè)頭可以沿管線來(lái)前進(jìn)，并能夠感知同地下管線地下方位相關(guān)的三維幾何參數(shù)。應(yīng)用牽引機(jī)器人，并保證可以在30分鐘之內(nèi)完成對(duì)100 m長(zhǎng)探測(cè)頭纜線的牽引工作，在完成纜線牽引工作之后，可以由牽引機(jī)器人自動(dòng)把鋼纜移交到纜線收放裝置中，然后可以控制地下管線探測(cè)頭運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)纜線收放以及地下管線探測(cè)頭啟停的管控功能。

系統(tǒng)中的介入式探測(cè)頭子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，其功能主要就是可以對(duì)測(cè)量對(duì)象的空間形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，然可以便于更精確地獲得地下管線的方位測(cè)量信息。主要負(fù)責(zé)管線內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量及傳輸，以保證系統(tǒng)探測(cè)底線管線的精度。

設(shè)計(jì)基于方位測(cè)量的地下管線探測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)于其控制與可視化系統(tǒng)部分的功能，可以負(fù)責(zé)調(diào)控系統(tǒng)的整體探測(cè)過(guò)程，并可以根據(jù)探測(cè)頭得到的地下管線信息，而重建出整個(gè)管線在地下的形狀位置，并在系統(tǒng)的人機(jī)交互界面中實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，以供施工單位以及相關(guān)市政規(guī)劃部門參考。

3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于方位測(cè)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)地下管線探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于其方位測(cè)量中，應(yīng)用英國(guó)雷迪RD4000管線探測(cè)儀作為地下管線三維位置探測(cè)儀器，探測(cè)儀器性能參數(shù)滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 儀器的參數(shù)

基于方位測(cè)量技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)中的方向角傳感器采用可測(cè)量翻滾、俯仰和偏擺角的三軸電子羅盤。同時(shí)，在地下管線探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用單片機(jī)ATMEL80C51系列控制系統(tǒng)的下位控制盒以及拖曳電機(jī)單元，構(gòu)成控制系統(tǒng)CPU部分；同時(shí)采用基于RS485的通訊協(xié)議與系統(tǒng)中的上位控制器進(jìn)行通訊[14-16]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能夠應(yīng)用計(jì)數(shù)器設(shè)備對(duì)光編脈沖計(jì)數(shù)，并且能夠在系統(tǒng)Mcu中保存計(jì)數(shù)器的數(shù)值，最后可以通過(guò)串行通訊的方式將數(shù)字傳送給系統(tǒng)的上位機(jī)，這樣可以測(cè)量采樣點(diǎn)間的位移變化[17]，從而使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足應(yīng)用的需求。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于方位測(cè)量的地下管線探測(cè)系統(tǒng)中，采用VC++語(yǔ)言編寫管線重建軟件及可視化人機(jī)接口，確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足實(shí)際用戶應(yīng)用需求。通過(guò)測(cè)量管線內(nèi)離散點(diǎn)上管線中心線的切線方位角，然后利用離散點(diǎn)上的這些信息來(lái)重建整個(gè)管線的形狀位置。其中切線方位角指的在管線截面中心線曲線在離散點(diǎn)上的切線方向，即相對(duì)于水平面的傾角和水平面內(nèi)投影的擺角，采用重力傾角傳感器和磁阻傳感器分別測(cè)得。同時(shí)，應(yīng)用軟件編程方法，在系統(tǒng)中設(shè)置地下管線探測(cè)技術(shù)指標(biāo)：

①可以探查地下管線中隱蔽管線點(diǎn)的精度：確保其平面位置的限差達(dá)到δts=0.10h，埋深限差達(dá)到δth=0.15h（其中，應(yīng)用h表示地下管線的中心埋深，其計(jì)量單位是厘米，若是h＜1 m時(shí)，則能夠應(yīng)用100㎝來(lái)代入計(jì)算精度）。

②對(duì)地下管線埋深量的探測(cè)精度：若是管線的埋深＜2 m之時(shí)，其量測(cè)埋深限差為5㎝，當(dāng)埋深為2～4 m時(shí)，其量測(cè)埋深限差為8㎝，當(dāng)管線埋深≥4m時(shí)，確保其量測(cè)埋深的限差達(dá)到10㎝。

③地下管線點(diǎn)的測(cè)量精度：確保臨近控制點(diǎn)的平面測(cè)量誤差不大于±5㎝，高程測(cè)量誤差不能夠大于±3㎝。

④電纜根數(shù)（包括總孔數(shù)與已用孔數(shù)）計(jì)數(shù)錯(cuò)誤率＜3%。

⑤管線規(guī)格（包括管徑和方溝斷面尺寸）的量測(cè)限差為±5 cm。

3.5 應(yīng)用探測(cè)

為驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用探測(cè)試驗(yàn)。被測(cè)管線為實(shí)際非開(kāi)挖工程中使用的地下管線。探測(cè)管線總長(zhǎng)度63 307.215 m，管線明顯點(diǎn)1 641個(gè)、隱蔽點(diǎn)1 102個(gè)。為能夠模擬出在實(shí)際中地下管線可能會(huì)出現(xiàn)的各形狀，因此，可以沿管線每隔一定距離設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，詳見(jiàn)表2。

表2 地下管線探查工作量統(tǒng)計(jì)表

實(shí)際中，可以將介入式探測(cè)頭在收放線機(jī)構(gòu)的拖曳下能夠沿管線進(jìn)行移動(dòng)，并且可以應(yīng)用里程計(jì)實(shí)施自動(dòng)的記錄下在管線內(nèi)探測(cè)頭的移動(dòng)距離。然后，在采集到探測(cè)頭的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)信息之后，就可以完成對(duì)整個(gè)管線的重建工作。與此同時(shí)，可以在系統(tǒng)中顯示出關(guān)于地下管線的三維城建圖像，也可以輸出在水平面、豎直平面內(nèi)中管線的投影圖與坐標(biāo)值。最后，就可以根據(jù)地下管線的長(zhǎng)度，優(yōu)化設(shè)置管線探測(cè)點(diǎn)，滿足施工需求。系統(tǒng)的性能參數(shù)，參見(jiàn)表3。

表3 系統(tǒng)的性能

對(duì)于本次設(shè)計(jì)的地下管線探測(cè)系統(tǒng)，將其應(yīng)用到實(shí)際管線探測(cè)中，可以降低探測(cè)深度的相對(duì)誤差，比例達(dá)到2.8%，而起水平擺度的相對(duì)誤差比例則是5.7%，該探測(cè)誤差能夠滿足預(yù)先對(duì)系統(tǒng)探測(cè)精度設(shè)定的需求，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后的可用性。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)效益分析

基于方位測(cè)量下，優(yōu)化設(shè)計(jì)地下管線探測(cè)系統(tǒng)，可以根據(jù)地下管線的形狀以及位置進(jìn)行探測(cè)，提升探測(cè)精度，還可以使地下管線探測(cè)免受環(huán)境影響，規(guī)避地下管線探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合受限的缺點(diǎn)，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益。同時(shí)，基于方位測(cè)量技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)出地下管線探測(cè)系統(tǒng)，可以提升地下管線探測(cè)精度，降低環(huán)境對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，提升地下管線探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效益，可以在實(shí)際中推廣該設(shè)計(jì)方法。

5 結(jié) 論

綜上所述，基于方位測(cè)量技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)出地下管線探測(cè)系統(tǒng)，可以提升地下管線探測(cè)精度，降低環(huán)境對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，提升系統(tǒng)應(yīng)用效益，可以在實(shí)際中推廣應(yīng)用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

[1]李均瑤.基于方位傳感器的非開(kāi)挖地下管線探測(cè)的應(yīng)用研究[D].上海：上海大學(xué)，2007.

[2]陸麒.基于方位測(cè)量的地下管線探測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與裝置研究[D].上海：上海大學(xué)，2007.

[3]金洪日，沈林勇，章亞男，等.基于方位傳感的地下管線探測(cè)系統(tǒng)的研制[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，14（1）:26-30.

[4]王樹(shù)申，張嵩，趙延升，等.基于地磁成像的管線探測(cè)系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2010，36（4）:25-28.

[5]龔大利，張嵩，李輝，等.基于磁異常信號(hào)的油田地下管線探測(cè)方法[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，35（6）:102-106.

[6]吳金鋒.地下通信管線探測(cè)方法的探討[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013（6）.

[7]王敬欣.地下通信管線探測(cè)方法[J].科技傳播，2012，（14）:169，168.

[8]吳廬山.基于地下管線軌跡測(cè)量系統(tǒng)的光纖陀螺振動(dòng)特性研究[D].上海工程技術(shù)大學(xué)，2014.

[9]朱青松，葉如燕，李宏昭等.一種地下金屬管線探測(cè)器測(cè)深補(bǔ)償算法研究[J].測(cè)控技術(shù)，2016，35（8）:6-9.

[10]歐石生.電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)在非金屬材質(zhì)管線的探測(cè)應(yīng)用與研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2014（2）.

[11]江周勇.RD-PCM管線電流測(cè)繪系統(tǒng)在重慶市地下管線探測(cè)中的特殊應(yīng)用[J].地球，2015（4）:305-306.

[12]范娟娟，鞠建榮.基于Android的管線移動(dòng)采集更新系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].城市勘測(cè)，2016（1）:98-100.

[13]葛軼洲，張小薊，王大龍，等.基于DFT算法的地埋金屬管線探測(cè)儀研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2013，27（10）:986-991.

[14]徐桂芳.移動(dòng)GIS在城市基礎(chǔ)設(shè)施探測(cè)中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].新材料新裝飾，2014（10）:504.

[15]向乾，黨幼云，張周熊，等.智能變電站溫升在線監(jiān)測(cè)IED的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].陜西電力，2013（7）：59-64.

[16]張利平，張武軍，鄭望.西門子RS485中繼器在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014（3）：88-89，97.

[17]龔大利，劉得軍，葉琿，等.基于OpenGL的油田地下管線探測(cè)數(shù)據(jù)三維成像方法[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，35（6）:97-101.

Design and research of underground pipeline detection system based on azimuth measurement

WANG Guo?fang
（Shaanxi Energy Institute，Xianyang712000，China）

With the development of modern information technology，in the current underground pipeline detection，using the means of information to design underground pipeline detection system，realize the information management of underground pipeline detection；this article based on range measurement technology，many aspects from the system requirements analysis，system structure，system function design，optimization design of underground pipeline detection system.The results confirmed that based on azimuth measurement，optimization design of underground pipeline detection system can detect according to the shape and position of underground pipelines，improve the detection accuracy，but also can make the detection of underground pipeline from environmental influences，to avoid the detection of underground pipeline system applications limited shortcomings，design play a positive benefit.Conclusion shows that the range measurement technology to optimize the design of underground pipeline detection system based on underground pipeline can improve the detection accuracy，reduce the environmental impact on the detection results，enhance the effectiveness of the application system，the system design method can be applied in practice.

underground pipeline；azimuth measurement；pipeline detection system；design

TN99

A

1674-6236（2017）22-0054-04

2016-09-09稿件編號(hào)：201609106

王國(guó)方（1987—），女，山西運(yùn)城人，碩士，講師。研究方向:電子商務(wù)，地球物理勘查技術(shù)教學(xué)和科研。