慣性陀螺儀在地下管道探測(cè)定位中的應(yīng)用

黎重輝

（建勘勘測(cè)有限公司廣東第二分公司 廣東東莞 523068）

0 引言

隨著現(xiàn)代城市的快速發(fā)展，完整的地下管線很少能提供準(zhǔn)確的管線位置和深度，這影響了日益龐大的管線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理和維護(hù)。地下各種像蜘蛛網(wǎng)一樣的管道線路錯(cuò)綜復(fù)雜，包括電力管線、供水供暖系統(tǒng)、燃?xì)夤苈?、城市的排污排水系統(tǒng)等，但是因?yàn)楦鞣N技術(shù)的限制以及歷史遺留問(wèn)題，如何準(zhǔn)確地檢測(cè)諸如電力管道的地下管道的位置和埋藏深度已成為迫在眉睫的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的管道探測(cè)方法通常使用地球物理方法，或者使用電磁場(chǎng)來(lái)感應(yīng)金屬管道的位置和埋深（例如，管道儀器探測(cè)），另一方面可以利用不同管道和周邊包圍物的組成不同，即不同物質(zhì)間的差異性進(jìn)行物理探測(cè)，如地質(zhì)雷達(dá)。盡管這些方法都有其優(yōu)勢(shì)，但它們常常受到管道材料，埋深，周圍干擾過(guò)多，會(huì)影響定位精確度，使這種方法的測(cè)量精度降低，影響工程施工。電力管道通常使用非開挖定向穿越，其埋入深度經(jīng)常超出現(xiàn)有儀器的檢測(cè)范圍，這使這些方法無(wú)用。

慣性陀螺儀3D定位技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新的管道測(cè)量技術(shù)。它把慣性陀螺儀的定位裝置拖拽到待測(cè)管道中，利用其自身的陀螺儀定位技術(shù)，同時(shí)整合了慣性導(dǎo)航技術(shù)、計(jì)算機(jī)的三維處理技術(shù)，會(huì)自動(dòng)對(duì)定位裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤記錄，在計(jì)算機(jī)端直接顯示出定位裝置的三維坐標(biāo)，標(biāo)記處位置圖、管道中心線等信息。在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中，管道所用材料種類、管道挖埋得深度、管道周圍環(huán)境得地質(zhì)條件等因素幾乎對(duì)測(cè)試沒有影響，只需保證慣性陀螺儀得定位裝置能夠放進(jìn)被測(cè)管道，并發(fā)生移動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)高精度的管道測(cè)量。

1 慣性陀螺儀管道測(cè)量技術(shù)的工作原理

工作原理：

陀螺儀作為一種基于角動(dòng)量守恒理論被設(shè)計(jì)出來(lái)的，所以他也是一種可以檢測(cè)角動(dòng)量得裝置，陀螺儀位于軸心可高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子圍繞著周圍幾個(gè)與旋轉(zhuǎn)軸正交位置的軸旋轉(zhuǎn)，中心的陀螺儀狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化。并且人們已經(jīng)基于此功能開發(fā)了陀螺儀。陀螺儀的旋轉(zhuǎn)速度是驚人的。在正常情況下，速度可以達(dá)到每分鐘十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)。通常依靠多種方法來(lái)表征旋轉(zhuǎn)軸指示的方向，在應(yīng)用陀螺儀進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中，在保證能夠明確旋轉(zhuǎn)軸指向哪個(gè)位置后，測(cè)量數(shù)據(jù)將被傳輸?shù)秸麄€(gè)檢測(cè)系統(tǒng)。

在陀螺儀旋轉(zhuǎn)期間，如果施加外力，則轉(zhuǎn)輪的某個(gè)點(diǎn)將同時(shí)受到應(yīng)力，并且陀螺儀將立即傾斜。如果陀螺儀力點(diǎn)的勢(shì)能低于陀螺儀的速度，則由于陀螺儀的傾斜，力點(diǎn)將向傾斜的上角滑動(dòng)。當(dāng)斜上角運(yùn)行時(shí)，陀螺儀受力點(diǎn)的勢(shì)能仍向下運(yùn)行，這使得當(dāng)陀螺儀達(dá)到斜上角時(shí)該力點(diǎn)的剩余勢(shì)能向下運(yùn)行。直徑的與力點(diǎn)相反的另一端也具有相應(yīng)的勢(shì)能。該勢(shì)能與力點(diǎn)的移動(dòng)點(diǎn)正好相反，力點(diǎn)向下，勢(shì)能向上。該點(diǎn)通常稱為聯(lián)合力點(diǎn)。當(dāng)聯(lián)動(dòng)力點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到180°時(shí)，它會(huì)從斜上角變?yōu)樾毕陆恰＿@時(shí)，聯(lián)動(dòng)點(diǎn)將向上拉動(dòng)陀螺儀。在力點(diǎn)和連桿力點(diǎn)的相互作用下，陀螺儀返回到平衡狀態(tài)。

在實(shí)際應(yīng)用中，慣性陀螺儀和加速度計(jì)隨著坐標(biāo)系的不斷變化，加速度的性質(zhì)也發(fā)生變化，并成為沿導(dǎo)航坐標(biāo)方向的加速度。例如，一次將由北和東加速度計(jì)測(cè)得的加速度值aN和aE進(jìn)行積分，并將從東，北方向的初始速度VN0和VE0導(dǎo)出的速度分量轉(zhuǎn)換為VN和VE并再次積分。獲取定位器的位置變化，然后將其添加到初始緯度和經(jīng)度坐標(biāo)以確定管道的實(shí)際位置。由于慣性陀螺儀的誤差值很小，為15cm，檢測(cè)深度達(dá)到500m以上，因此該檢測(cè)儀具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

2 慣性陀螺儀的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍

從以上原理可以看出，慣性陀螺定位器三維精確定位技術(shù)作為一種新型的地下管道定位方法，具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具體如下：

（1）儀器必須放置在管道內(nèi)。

（2）定位精度高，連續(xù)數(shù)據(jù)。

（3）測(cè)量不受地形，深度和電磁干擾的限制。

（4）適用于任何材質(zhì)的地下管道。

（5）目的是與GIS完美兼容，會(huì)自動(dòng)根據(jù)測(cè)量結(jié)果生成三維空間的示意圖。

（6）陀螺三維精確定位技術(shù)可以作為管道定位器，GPR探地雷達(dá)，CCTV攝像系統(tǒng)和其他檢測(cè)方法的有力補(bǔ)充，對(duì)精確定位大型地下深埋管道具有重要作用。

使用慣性陀螺定位器三維精確定位技術(shù)檢測(cè)管道時(shí)，必須滿足以下條件：該方法是管道內(nèi)檢測(cè)方法，必須滿足設(shè)備在管道內(nèi)移動(dòng)的條件。對(duì)于封閉的輸氣管道，如煤氣管，油管，水管等，必須在完成單管鋪設(shè)之后且在連接各部分的管鋪設(shè)之前進(jìn)行檢測(cè)；電力，通信等的群管鋪設(shè)中有空管時(shí)或完成時(shí)，可以實(shí)施。

3 實(shí)際應(yīng)用舉例

慣性陀螺儀定位技術(shù)用于定位天然氣鋼管。本文介紹的案例是利用慣性陀螺儀測(cè)量某市區(qū)水路的一條煤氣管道的水平定向鉆井情況。本部分鋼管的規(guī)格為D325.3×7.8，管道的實(shí)際檢測(cè)長(zhǎng)度為695.3m。

數(shù)據(jù)收集與計(jì)算：

（1）管道水平定向鉆進(jìn)施工完成后，將管道兩端切開，并用全站儀測(cè)量管道兩端軸線中點(diǎn)的坐標(biāo)并記錄下來(lái)。

（2）在管道內(nèi)部劃一條線，以將慣性陀螺儀來(lái)回穿過(guò)管道。當(dāng)前，有兩種線程化方法。

①管道穿線。

將過(guò)孔器放在管道的一端，手動(dòng)將其連續(xù)推入管道中位于管道口處的管道內(nèi)，最后穿過(guò)管道的另一端。將裸露的管端金屬頭連接到牽引鋼絲繩上，然后將管向后拉過(guò)管，完成穿線工作。

②鼓風(fēng)機(jī)穿線。

將風(fēng)箏線綁在膨脹的塑料袋上，并將其放在管道的一端。將鼓風(fēng)機(jī)與管口處的塑料袋對(duì)齊，直到將塑料袋吹到管道的另一端。

（3）將管道中的電線連接到牽引鋼絲繩上后，更換管道中的牽引鋼絲繩，然后將牽引鋼絲繩連接到測(cè)量主機(jī)，并拉動(dòng)測(cè)量主機(jī)從管道的一端滑到另一端最后，然后進(jìn)行牽引拖動(dòng)鋼絲繩并將其在管道中來(lái)回傳遞之后，數(shù)據(jù)收集完成。

（4）用計(jì)算機(jī)程序解決測(cè)量主機(jī)收集的數(shù)據(jù)，以獲得管道的3D坐標(biāo)。慣性陀螺儀的定位測(cè)量軌跡如圖1所示。

為了驗(yàn)證慣性陀螺儀測(cè)量管道的結(jié)果是否精準(zhǔn)，可對(duì)非開挖的管道進(jìn)行開挖驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行，開挖深度分別設(shè)定為4.5m和2m，開挖結(jié)果列于表1。

實(shí)際的工程中可以看出，電磁波和地層對(duì)慣性陀螺儀不會(huì)造成影響，慣性陀螺儀具有較高的精度，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，出口處和入口處的數(shù)據(jù)可通過(guò)傳統(tǒng)方法以外的方法進(jìn)行測(cè)量，其余得到的數(shù)據(jù)，設(shè)備自行計(jì)算，消除了人為錯(cuò)誤，可以反復(fù)驗(yàn)證，解決了測(cè)量準(zhǔn)確的問(wèn)題。

圖1 慣性陀螺儀定位軌跡管線位置

表1 驗(yàn)證慣性陀螺儀測(cè)量準(zhǔn)確度的實(shí)際開挖結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

慣性陀螺儀中關(guān)鍵技術(shù)使陀螺儀定位導(dǎo)航技術(shù)，可以在管道中直接放置測(cè)量裝置，對(duì)中技術(shù)用于測(cè)量管道的中心軸位置。因此，當(dāng)前已知的非挖掘測(cè)量技術(shù)具有最高的測(cè)量精度。

慣性陀螺儀的定位系統(tǒng)具有自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)，不需要工作人員隨時(shí)跟進(jìn)測(cè)試進(jìn)行定位，所以這種測(cè)試的抗干擾能力很強(qiáng)，能夠在較為惡劣的天氣、不方便的交通、光線不足的情況下進(jìn)行工作，可實(shí)現(xiàn)24h不間斷的測(cè)量。由于慣性陀螺定位器在管道中使用直接測(cè)量方法，因此要求能夠通過(guò)管道，因此更適合于測(cè)量新建的非運(yùn)行管道。對(duì)于現(xiàn)有的運(yùn)行管道，必須保留空管道以進(jìn)行測(cè)量。如果一些舊管道被淤泥堵塞而無(wú)法通過(guò)，則無(wú)法測(cè)量。

慣性陀螺定位儀的3D測(cè)量技術(shù)不受管道材料，管道埋深，周圍環(huán)境和地質(zhì)條件等因素的影響，尤其在非開挖定向鋪設(shè)的管道中，靠慣性陀螺儀測(cè)試的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)，在管道的維護(hù)和管理工作中提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。