慣性陀螺儀定位技術(shù)在非開(kāi)挖燃?xì)夤艿蓝ㄎ坏膽?yīng)用

黃福

摘要：本文介紹了慣性陀螺儀定位技術(shù)的原理，適用范圍等，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)非開(kāi)挖地下管線定位技術(shù)的分析，指出傳統(tǒng)定位技術(shù)的不足。結(jié)合在燃?xì)夤艿浪蕉ㄏ蜚@施工中的應(yīng)用實(shí)例，凸顯慣性陀螺儀定位技術(shù)在非開(kāi)挖管線定位中的精度優(yōu)勢(shì)，為今后地下深埋的燃?xì)夤芫€精準(zhǔn)定位識(shí)別提升到了一個(gè)全新的探測(cè)高度。

關(guān)鍵詞：慣性陀螺儀;非開(kāi)挖;地下管線

一、前言

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，燃?xì)?、排水、電力、化工、通訊等行業(yè)常常需要穿越鐵路、公路、河流等障礙物敷設(shè)管道，基于對(duì)城市市容環(huán)境的考慮，在城市建成區(qū)利用水平定向鉆非開(kāi)挖施工技術(shù)敷設(shè)管線的情況也越來(lái)越多，而常規(guī)的管線探測(cè)儀等由于自身的局限性（探測(cè)深度淺、易受電磁干擾、場(chǎng)地地形可通達(dá)的條件差等）無(wú)法獲得較準(zhǔn)確的管線位置信息，導(dǎo)致后期第三方交叉施工時(shí)破壞事故頻發(fā)，極易釀成人員傷亡事故且破壞后修復(fù)成本高。因此地下管線定位數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度就顯得尤為重要。

二、傳統(tǒng)地下管線定位技術(shù)

現(xiàn)今常規(guī)探測(cè)埋地燃?xì)夤芫€位置的技術(shù)有：電磁法、電磁波法（探地雷達(dá)）、地震波法和紅外線輻射法等等。一般探測(cè)的非開(kāi)挖鋼制燃?xì)夤芫€主要采用電磁法;探測(cè)非開(kāi)挖聚乙烯燃?xì)夤艿乐饕捎梅笤O(shè)金屬示蹤線結(jié)合電磁法的方式，電磁波法（探地雷達(dá)）探測(cè)聚乙烯管道的較為少見(jiàn)。

（一） 電磁法探測(cè)金屬示蹤線

在利用電磁法探測(cè)金屬示蹤線時(shí)，其原理是：通過(guò)對(duì)金屬示蹤線加上一定強(qiáng)度的電流信號(hào)或者電磁信號(hào)，使之產(chǎn)生電電場(chǎng)或磁場(chǎng)，通過(guò)接收機(jī)在地面測(cè)量金屬示蹤線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定金屬示蹤線的空間位置，進(jìn)而確定埋地PE燃?xì)夤艿赖目臻g位置，見(jiàn)圖1。

這種探測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)速度快、簡(jiǎn)單易操作、對(duì)于埋深較淺的管線探測(cè)誤差小;缺點(diǎn)是在復(fù)雜電磁干擾的區(qū)域或埋深較大探測(cè)誤差較大。

（二） 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)是以地下各種介質(zhì)的介電常數(shù)差異為物理?xiàng)l件，通過(guò)向地下發(fā)射高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的無(wú)損探測(cè)儀器。其原理是：通過(guò)在地面移動(dòng)的發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到不用介質(zhì)的電性界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、投射及折射，反射到地面的電磁波被與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，精確記錄下反射回波的時(shí)間、相位、振波、波長(zhǎng)等參數(shù)，再通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)處理后，獲得地下剖面的CT掃描圖像，最后通過(guò)雷達(dá)圖像的識(shí)別，可以得到地下管線的分布位置和狀態(tài)。探地雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)地下土壤層掃描成像，直觀的反應(yīng)地層物質(zhì)差異，探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、直觀。缺點(diǎn)是探測(cè)的靈敏度與深度密切相關(guān)，深度越大靈敏度越低;受土壤環(huán)境影響較大且管徑越小的管道探測(cè)難度越大。

（三） 小結(jié)

以上介紹的探測(cè)方法均為目前城市非開(kāi)挖燃?xì)夤艿莱Ｓ玫亩ㄎ患夹g(shù)，但均會(huì)受到電磁、管道材質(zhì)、埋設(shè)深度、土壤環(huán)境等等因素影響，探測(cè)結(jié)果的精度往往事與愿違。由此，尋找一種不受地質(zhì)條件制約且具備高精度測(cè)量結(jié)果的測(cè)量?jī)x器或者方法是具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

三、 慣性陀螺儀定位技術(shù)

管道陀螺儀-GXY-200管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x器主要由MEMS（微機(jī)械）陀螺、測(cè)量主體、信號(hào)分析處理軟件三部分組成。其原理是三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)分別測(cè)量定位儀的相對(duì)慣性空間的3個(gè)轉(zhuǎn)角速度和3個(gè)線加速度沿定位儀坐標(biāo)系的分量（見(jiàn)圖2），經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把加速度信息轉(zhuǎn)化為沿導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度，并運(yùn)算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態(tài);其次采用GPS等手段獲得管道起點(diǎn)和終點(diǎn)的地理坐標(biāo);根據(jù)起終地理坐標(biāo)將慣性定位儀獲取的坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系中，從而得到管道的三維地理信息。

慣性陀螺儀定位技術(shù)優(yōu)點(diǎn)具體體現(xiàn)在如下3個(gè)方面：

1） 慣性陀螺儀導(dǎo)航測(cè)量能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量出定向鉆施工敷設(shè)的埋地燃?xì)夤艿牢恢茫╔、Y、Z坐標(biāo)），測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境因素與管道埋深影響，準(zhǔn)確度較高（一般1-2小時(shí)內(nèi)就能完成測(cè)量工作，水平誤差≯0.25%L，垂直誤差≯0.1%L）;

2） 只要知道被測(cè)管道兩端點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)測(cè)量?jī)x在管道內(nèi)的行走即可得到整條管道的軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)，坐標(biāo)點(diǎn)的密度可以在一個(gè)點(diǎn)/0.1m任意設(shè)定的數(shù)據(jù)之上任意設(shè)置;

3） 由于管道坐標(biāo)數(shù)據(jù)永久不變，任地表基樁如何變化，都能夠通過(guò)該坐標(biāo)快速定位查找管道位置 當(dāng)管道附近進(jìn)行第三方施工時(shí)，由于能確定該管道的實(shí)際位置，可以有效避免第三方施工破壞。

缺點(diǎn)：慣性陀螺儀定位技術(shù)只能對(duì)正在施工的管道進(jìn)行測(cè)量，但在運(yùn)行的管道無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。

適用范圍：適應(yīng)各種材質(zhì)、口徑管道測(cè)量。

四、應(yīng)用實(shí)例

本文介紹的案例是2018年11月份桂林港華委托了南京地龍測(cè)繪有限公司對(duì)機(jī)場(chǎng)路（世紀(jì)立交至兩江機(jī)場(chǎng)）定向鉆穿越桂柳高速燃?xì)夤こ痰墓艿肋M(jìn)行的三維定位，該項(xiàng)目管材選用PE管，規(guī)格為De250，管道總長(zhǎng)約為214m。測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)采用：北京54坐標(biāo)系統(tǒng)，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

（一）測(cè)量步驟：

1）測(cè)量環(huán)境要求：被測(cè)管道內(nèi)全空無(wú)阻礙，兩端管口敞開(kāi)。測(cè)量前穿好拉線（現(xiàn)場(chǎng)使用直徑6mm鋼絲繩）。

2）根據(jù)管道口徑，調(diào)節(jié)伸縮支架，使伸縮支架滾輪與管道管壁貼合，在拉力作用下，支架滾輪能良好轉(zhuǎn)動(dòng)。

3）支架調(diào)整完畢后，啟動(dòng)慣性陀螺儀電源開(kāi)關(guān)，當(dāng)電源指示燈紅燈閃爍、綠燈長(zhǎng)明時(shí)），將測(cè)量?jī)x放入管道，靜止1min后，拉動(dòng)設(shè)備。

4）在管道另一端拉動(dòng)測(cè)量?jī)x均勻通過(guò)管道，進(jìn)行測(cè)量。為保證測(cè)量準(zhǔn)確，牽引速度保持1.5m/s左右。

5）設(shè)備運(yùn)行至管道末端管口處?kù)o止1min，關(guān)閉測(cè)量?jī)x電源，連接電腦、導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

（二） 測(cè)量成果

（1）測(cè)量坐標(biāo)成果表（10米取一點(diǎn)）：

說(shuō)明：

1）、管道測(cè)量數(shù)據(jù)為管道中心的坐標(biāo)。

2）、測(cè)量坐標(biāo)成果表中0與22兩個(gè)測(cè)點(diǎn)序號(hào)為單獨(dú)列出的管道端口中心起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)，1～21測(cè)點(diǎn)序號(hào)為每隔10米測(cè)取一個(gè)數(shù)據(jù)。

（2）俯視圖：

（3）縱斷面圖

（三） 數(shù)據(jù)分析

本次測(cè)量該市區(qū)機(jī)場(chǎng)路（世紀(jì)立交至兩江機(jī)場(chǎng)）燃?xì)釶E管道，現(xiàn)場(chǎng)共測(cè)得2組數(shù)據(jù)。導(dǎo)入電腦計(jì)算得到測(cè)量最大彌散量為：平面范圍為0.55m高程范圍為0.06m;管道測(cè)得的俯視圖及縱斷面圖，真實(shí)的反應(yīng)了管道的起伏變化，特殊點(diǎn)（管道的最深點(diǎn)、拐點(diǎn)等）。

五、 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際工程案例介紹了慣性陀螺儀在城市燃?xì)夥情_(kāi)挖管道的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)慣性陀螺儀的定位精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的管線探測(cè)儀器，其結(jié)果精度高、可靠性極強(qiáng)、不受外部環(huán)境影響等特點(diǎn)，為以后管道運(yùn)行及監(jiān)管形成可靠的技術(shù)資料，減少第三方破壞事故的發(fā)生。該技術(shù)可在城市燃?xì)獾叵鹿芫€測(cè)量中值得廣泛推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 章海生，王春起黃智.超常埋深燃?xì)夤艿牢恢锰綔y(cè)技術(shù)光[J]. 煤氣與熱力2009，29（10）：B08-B10.

[2] 朱馳峰.城市燃?xì)獾叵鹿芫€探測(cè)方案研究[J]. 上海煤氣，2004（1）：4-8.

[3] 蘇瑾.慣性陀螺儀定位測(cè)量技術(shù)在給水管道非開(kāi)挖中的應(yīng)用[J].上海水務(wù)，2012，28（2）：20-25.

[4] 宋煒昕，易云兵.埋地PE燃?xì)夤艿澜饘偈聚櫨€的探測(cè)[J].煤氣與動(dòng)力，2012，32（8）：A27-A30.

[5] 蔡亮學(xué)，何利民，呂宇玲.水平定向鉆穿越方案設(shè)計(jì)方法研究[J].石油工程建設(shè)，2010.