基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的電纜頂管位置檢測(cè)方法

胡文龍 張立林

摘 要：鑒于目前電纜微型頂管后的地下位置檢測(cè)受檢測(cè)深度不足以及信號(hào)源干擾影響大，文章提出一種新型的電纜頂管檢測(cè)手段，該法測(cè)量精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好，幾乎不受檢測(cè)深度限制和電磁場(chǎng)干擾。

關(guān)鍵詞：電纜頂管位置檢測(cè)；慣性導(dǎo)航技術(shù)；導(dǎo)向儀測(cè)量；電磁管線探測(cè)法

在電纜線路工程建設(shè)中，為了避讓建筑物和地下管線以及避免對(duì)城市環(huán)境和道路交通造成負(fù)面影響，電纜敷設(shè)大多采用頂管進(jìn)行非開(kāi)挖施工。施工過(guò)程中，管道位置受到地層影響會(huì)產(chǎn)生偏移。為了確保電纜線路與城市供水、排污、燃?xì)?、通信和電力等管線之間的安全距離，以及滿足電纜維護(hù)檢修和市政建設(shè)的需求，檢測(cè)出施工后頂管的實(shí)際位置是非常必要的。

然而，目前的電纜頂管檢測(cè)還是依靠導(dǎo)向數(shù)據(jù)，由于地下管線不明及導(dǎo)向儀測(cè)量誤差，與實(shí)際管道位置存在較大誤差。此外，對(duì)電纜頂管檢測(cè)手段十分貧乏，常見(jiàn)的僅有電磁管線探測(cè)法，這種檢測(cè)方法容易受到探測(cè)深度影響以及信號(hào)源干擾，檢測(cè)數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定且誤差較大，往往達(dá)不到檢測(cè)效果。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，我們將慣性導(dǎo)航測(cè)量技術(shù)引進(jìn)電纜行業(yè)，采用慣性元件和磁敏感元件的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法實(shí)現(xiàn)了管道的精確定位測(cè)量，為電纜頂管檢測(cè)提供了一種全新的檢測(cè)手段。同時(shí)，該方法還具有不受電磁波等外界因素的干擾，不受管道埋深和材質(zhì)的影響。

1 地下管線基本形態(tài)分析

針對(duì)現(xiàn)有10 kV、110 kV、220 kV等電纜工程頂管設(shè)計(jì)通用管材尺寸，各種管材通過(guò)性允許范圍（見(jiàn)表1）。

參考文獻(xiàn)[1]并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)頂管后管線整體起伏度進(jìn)行管線曲率進(jìn)行分析，頂管后地下管線位置可以分為3個(gè)階段：下降段、平直段、上升段。在下降段、平直段和上升段的曲率半徑都較大，管道接近于直線，而在下降段與平直段的交接處、平直段與上升段的交接段處的曲率半徑相對(duì)較小，說(shuō)明此段管線在深度上變化較快。此外，根據(jù)調(diào)研，實(shí)際頂管管道在下降段和上升段的傾斜角最大不超多30°，因此得出管道最小彎曲半徑約70 m。

2 電纜頂管位置檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1.1 核心部件慣性導(dǎo)航元件的選型

電纜頂管后反映的空間運(yùn)動(dòng)形式為線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要準(zhǔn)確描述出此兩種運(yùn)動(dòng)的測(cè)量手段有陀螺儀傳感器測(cè)量元件和加速度計(jì)傳感器測(cè)量元件，因此選用了陀螺儀和加速度共同融合的慣性導(dǎo)航組合元件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)相對(duì)空間的3個(gè)角速度和3個(gè)線加速度沿儀器坐標(biāo)系的分量測(cè)量，經(jīng)坐標(biāo)變換運(yùn)算出儀器的位置、速度、航向和水平姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道三維位置的實(shí)時(shí)測(cè)量（見(jiàn)圖1）[2]。

2.1.2 霍爾傳感器的里程計(jì)設(shè)計(jì)

由于頂管管線為多段焊接而成，測(cè)量時(shí)不可避免造成跳動(dòng)，這就造成了里程一些誤積累。一個(gè)焊接點(diǎn)誤差較小，相對(duì)于整條幾十米管線是可以忽略的。但是如果將管線上的所有焊接點(diǎn)計(jì)算下來(lái)，這樣就很大了。在前幾次測(cè)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)可以達(dá)到數(shù)米。

而霍爾傳感器具有線性測(cè)量高精度、開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級(jí)），工作溫度范圍寬，可達(dá)﹣55 ℃～150 ℃。因此，我們將霍爾傳感器引入測(cè)量?jī)x的支架里程計(jì)設(shè)計(jì)中。通過(guò)在前側(cè)輪上設(shè)計(jì)基于霍爾傳感器原理的高精度里程計(jì)，實(shí)時(shí)記錄設(shè)備運(yùn)動(dòng)軌跡里程。并通過(guò)管內(nèi)控制單元對(duì)管內(nèi)里程計(jì)單元進(jìn)行輔助里程測(cè)量，由此可剔除因支架滾輪在管道焊接點(diǎn)瞬時(shí)產(chǎn)生的誤差值。

2.1.3 產(chǎn)品外型尺寸的確定

根據(jù)之前經(jīng)驗(yàn)得到電纜頂管的最小彎曲半徑為70 m，我們對(duì)10～220 kV所使用的管進(jìn)行了產(chǎn)品的長(zhǎng)度、產(chǎn)品的外徑、支架型式驗(yàn)算。在以上管線中，10 kV管線的外徑最小。所以我們不必對(duì)每種規(guī)格的管徑都進(jìn)行驗(yàn)算，只需對(duì)10 kV外徑為160管徑進(jìn)行分析即可。參照?qǐng)D3所示。

2.1.4 可變徑支架的設(shè)計(jì)

在最初的設(shè)計(jì)中沒(méi)有設(shè)置支架部件，進(jìn)行管道測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)量水平管線時(shí)儀器沿著管線下部運(yùn)行，在向管道凸起的高點(diǎn)測(cè)量時(shí)（“上坡”）沿著管線上部運(yùn)行，在向凹下的低點(diǎn)測(cè)量時(shí)沿著管線下部運(yùn)行。由于整個(gè)測(cè)量過(guò)程均未沿著管線的軸線方向運(yùn)行，這就造成了測(cè)量后與其他探測(cè)儀器相比誤差更大。結(jié)合測(cè)量精度、運(yùn)行安全等因素，我們進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)理念如下。

（1）因管線焊接點(diǎn)高度影響，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要使測(cè)量?jī)x器滿足10 kV、110 kV、220 kV等各種管內(nèi)徑的需求，需具備一定的變徑能力，以適應(yīng)管道通過(guò)焊接點(diǎn)及截面形狀的變化。同時(shí)，為保證慣性導(dǎo)航測(cè)量元件固定可靠，并能使其始終位于管線軸線運(yùn)行。我們采用了常用的被動(dòng)適應(yīng)方法：借助彈簧變徑定心。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定了支架變徑范圍。

（2）測(cè)量元件與其他設(shè)備整合后的整體長(zhǎng)度能夠滿足與管道起伏度的要求，以便能順利通過(guò)彎道。由此，我們進(jìn)行了產(chǎn)品外型尺寸的設(shè)計(jì)：根據(jù)上述通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了不同管徑下電纜頂管測(cè)量?jī)x的最大設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

（3）支架的強(qiáng)度要能滿足牽引力的需求。經(jīng)過(guò)在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)實(shí)驗(yàn)我們最終確定了支架的材料選用高性能合金材料和碳纖類材料組成，在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，確保設(shè)備適量比。

測(cè)量時(shí)，只需將兩個(gè)可變徑支架通過(guò)航空螺旋接頭分別連接在主體兩端，通過(guò)牽引線盤附件連接任何一端支架的拉力孔來(lái)完成整個(gè)測(cè)量工作。

2.1.5 硬件的集成

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與儲(chǔ)存器，電源、里程計(jì)、電腦之間連接，進(jìn)行了系統(tǒng)組件聯(lián)合試驗(yàn)，獲得成功。由于儲(chǔ)存器、電源和里程計(jì)等附屬元件沒(méi)有與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一起放入鎧裝圓筒中，因而在實(shí)際應(yīng)用中因接線過(guò)多而且長(zhǎng)，造成故障頻發(fā)，使用起來(lái)十分不方便。所以，我們通過(guò)反復(fù)摸索和探討，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，對(duì)儲(chǔ)存器、電源和里程計(jì)等附屬元件進(jìn)行改造選型，最終成功將各種元件全部集成到鎧裝圓筒里，形成了一個(gè)完整的、全新的自主設(shè)計(jì)產(chǎn)品，即“電纜頂管三維位置測(cè)量?jī)x”正式形成。硬件集成后留有多功能接線孔，電源充電和數(shù)據(jù)導(dǎo)出都十分方便。

集成后，產(chǎn)品由主體結(jié)構(gòu)和兩端支架組成。其中，主體結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的基本部件。主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)集成體，包括管內(nèi)測(cè)量單元、管內(nèi)控制單元、處理計(jì)算機(jī)、內(nèi)置直流電源、里程計(jì)等（見(jiàn)圖4）。

2.2 軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

2.2.1 軟件模塊的設(shè)計(jì)

硬件研發(fā)成功后，為使得“電纜頂管三維位置測(cè)量?jī)x”測(cè)量數(shù)據(jù)可視化，并能夠?qū)崿F(xiàn)適宜于電纜頂管檢測(cè)的可提交的驗(yàn)收檢測(cè)報(bào)告、表格。我們對(duì)測(cè)量?jī)x配套數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。通過(guò)開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)處理軟件形成了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)后處理兩部分。其中，數(shù)據(jù)采集由管內(nèi)測(cè)量單元和管外里程計(jì)組成，數(shù)據(jù)后處理包括數(shù)據(jù)計(jì)算、圖形顯示和數(shù)據(jù)管理三大單元。其原理如圖5所示。

2.2.2 對(duì)工程進(jìn)行建庫(kù)管理

為了方便對(duì)檢測(cè)施工管理，結(jié)合項(xiàng)目管理理念。我們對(duì)工程進(jìn)行了建庫(kù)管理，用戶可根據(jù)自己的習(xí)慣，對(duì)單根管線建項(xiàng)目，也可以建立同一位置的多根管線項(xiàng)目?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)間、不同地點(diǎn)的管線測(cè)量管理。涉及工程內(nèi)容包含原始數(shù)據(jù)、基表信息、報(bào)表數(shù)據(jù)等各種信息數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了管道數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化管理和信息化管理。

2.2.3 采用雙重坐標(biāo)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用了用戶相對(duì)坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系雙重坐標(biāo)系統(tǒng)，可滿足不同的工程需求。

大地坐標(biāo)系統(tǒng)是采用大地坐標(biāo)和海拔值表示管線的地理位置，其主要缺點(diǎn)是：由于坐標(biāo)值需借助GPS儀器才能觀測(cè)取得，不夠直觀。因此我們根據(jù)用戶的需求引進(jìn)了用戶相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。用戶相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)是通過(guò)在電纜頂管兩端靠近管線的合適地方打兩個(gè)控制樁，以任意一點(diǎn)為起點(diǎn)O點(diǎn)，另外一端為終點(diǎn)P，以O(shè)點(diǎn)為中心樁，建立空間三維坐標(biāo)系（見(jiàn)圖6）。并以O(shè)P線段的前后方向?yàn)閄軸，以垂直O(jiān)P線段的左右方向?yàn)閅軸，上下鉛垂方向?yàn)閆軸。其最大的優(yōu)點(diǎn)是，日后進(jìn)行管線維護(hù)時(shí)，用戶可根據(jù)原有起點(diǎn)、終點(diǎn)方向樁，立即找到該管線的具體位置，方便管線的管理。

2.2.4 管線的顯示方式

在管線方面顯示方面，系統(tǒng)設(shè)置了多種顯示方式：可顯示所有的管線，如工程的所有頂管的管線；也可以根據(jù)用戶的需求顯示某一根管線，或者顯示一組管線以及相互的位置關(guān)系，這樣就方便用戶查找。

2.2.5 圖形顯示方案設(shè)計(jì)

軟件的研發(fā)過(guò)程中，本系統(tǒng)首次采用了將平面投影和基于OpenGL技術(shù)的三維立體顯示相結(jié)合的圖形顯示方式，美觀實(shí)用，能夠?qū)崟r(shí)繪圖和自由縮放，實(shí)現(xiàn)了圖形數(shù)據(jù)和文字?jǐn)?shù)據(jù)的交互，具有良好的人機(jī)界面。

此外，用戶可選擇將管線顯示平面圖型，或者顯示成剖面圖型以及將管線進(jìn)行三維立體旋轉(zhuǎn)顯示等，從而實(shí)現(xiàn)了管道的空間方向、俯視方向、側(cè)視方向三維查看。

空間三維查看，主要查看官道空間三維姿態(tài)。實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)控制空間自由旋轉(zhuǎn)，各角度查看。

俯視圖查看主要對(duì)管道做平面正投影，查看管道在平面位置上的走向數(shù)據(jù)。鼠標(biāo)控制縮放、平移等操作，實(shí)現(xiàn)在線路上選點(diǎn)，實(shí)時(shí)查看點(diǎn)位信息數(shù)據(jù)。

側(cè)視圖查看主要對(duì)管道做鉛垂面正投影，查看管道在深度反向上的走向數(shù)據(jù)。鼠標(biāo)控制縮放、平移等操作，實(shí)現(xiàn)在線路上選點(diǎn)，實(shí)時(shí)查看點(diǎn)位信息數(shù)據(jù)。

主要為實(shí)現(xiàn)管道測(cè)量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)用戶設(shè)立的基表樁聯(lián)系，達(dá)到將管線測(cè)量數(shù)據(jù)處理成與現(xiàn)場(chǎng)基樁一致數(shù)據(jù)。系統(tǒng)共設(shè)置了基表點(diǎn)配置和基本配置兩項(xiàng)。

用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)樁位、管口起點(diǎn)終點(diǎn)的坐標(biāo)、水平距離及高差進(jìn)行基表點(diǎn)設(shè)置。這樣就能通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立的樁位快速準(zhǔn)確地找到管道位置，并能夠?qū)牍艿榔瘘c(diǎn)和終點(diǎn)相對(duì)信息數(shù)據(jù)（坐標(biāo)或平距、高差）以及管道起點(diǎn)終點(diǎn)與基表點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)（X偏差、Y偏差、Z偏差）。

2.2.6 檢測(cè)圖和檢測(cè)表制版

設(shè)計(jì)制作了專門的檢測(cè)報(bào)告及其附圖和附表的版式，并對(duì)檢測(cè)圖和檢測(cè)表進(jìn)行統(tǒng)一版式設(shè)計(jì)。輸出格式包括TXT格式、EXCEL格式、WORD格式、CAD格式等多種文件格式，輸出內(nèi)容包括相對(duì)數(shù)據(jù)、絕對(duì)數(shù)據(jù)等，模板自定義。

3 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)成果的實(shí)現(xiàn)為電纜埋管位置的精確測(cè)量提供了一種高精度和高穩(wěn)定性的重要手段，其系統(tǒng)的測(cè)量誤差滿足長(zhǎng)度方向小于0.3 m、高度方向小于0.2 m、左右方向小于0.5 m的設(shè)計(jì)誤差要求。彌補(bǔ)了由于電纜頂管檢測(cè)精度低、受電磁干擾大而不能精確測(cè)定地下管線位置的不足，同時(shí)也解決了長(zhǎng)期以來(lái)受此影響而造成損失的困擾，在電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)了又一次巨大的超越。