基于北斗系統的吊管機管道定位系統設計及實現

宋秋紅,徐少蓉

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

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基于北斗系統的吊管機管道定位系統設計及實現

宋秋紅,徐少蓉

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

針對管道鋪設作業的日益增多,提出了基于北斗系統的吊管機管道定位系統設計構想。采用北斗系統的導航定位系統可以精確地獲取作業吊管機的位置信息,從而對單根管道進行單點定位。同樣的,管道中可放置攜帶北斗定位模塊的管道爬行器,通過連續采點將位置信息傳輸出來可以繪成管線圖。這樣既節約了人力成本又監控了管道鋪設范圍,后期還可結合其它儀器對管道狀態進行監控并做一些必要的維護和緊急處理,為優化管道施工管理提供了參考價值。

北斗系統;吊管機;管道定位

0 引 言

由于我國大部分管道的鋪設時間都已經超過20年,隨著人員的變動以及管線不斷的優化及改造,大量的管道信息已經流失,給油田的管理及系統的維護和改造工作帶來了極大的困難。為了標記管道的位置和走向,會讓巡線人員在管道的要點位置做些標記,例如打木樁或者豎立牌號,又或者放丈量線來測量關鍵點位與參照物的距離。但由于各方面因素或者不可抗力導致了標記的丟失,非常不易找回,這不僅提升了人員的工作量,而且也無法再對丟失標記的管道進行維護和管理。

世界上主要干線管道約2 300 000 km. 其中,原油管道500 000 km,成品油管道300 000 km,天然氣管道1 500 000 km,并且還以每年40 000 ～50 000 km的速度在遞增[2],圖1為俄石油天然氣管道路線圖。吳波[3]等人利用北斗精準定位技術,對管道高風險點進行快速精準定位,并把管道高風險點的地理位置數據和狀態數據進行融合,解決城鎮燃氣管道管理需求。張棟[4]等人利用北斗衛星對管網進行了定位巡檢,提高了管網巡檢效率,有效地降低了管道傳輸事故率。萬青霖[5]利用北斗衛星結合現有的管線檢測技術,提供了一套管道監控數傳系統,有效的保障了油氣管道的正常運行。管線位置的變化和泄漏,不僅會影響尤其輸送的正常進行和施工作業,而且還會引起火災爆炸等災難事故,污染環境,造成人員傷亡及經濟上的重大損失。所以需要合適的管道定位系統采集管道的軌跡,再結合管道泄漏探測儀所采集的數據,第一時間的發現問題,對泄漏管道進行定位和維護。

圖1 中俄石油天然氣管道路線

1 管道定位系統設計

1.1 管道爬行器定位原理

爬行器上位機開啟并開始在管道進行工作,與此同時北斗系統定位模塊開始采集定位數據并由北斗衛星發送模塊向地面接收模塊發送協議編碼,接收模塊提取到北斗導航衛星傳輸的有效爬行器位置的數據信息后按照協議處理該數據,最后爬行器顯示終端會通過換算顯示出標準的經緯度信息。整個系統工作流程如圖3所示。

圖2 定位系統工作原理

本文中管道爬行器采用的北斗定位系統主要由通信模塊、北斗定位模塊、單片機模塊和上位機組成。爬行器開機后,上位機即開始向定位模塊下達接收數據指令,北斗模塊執行命令,開始接收來自北斗衛星的數據信號,并將數據文件傳輸給單片機模塊,單片機模塊處理出位置信息后,將位置信息通過通信模塊傳輸給上位機存儲。

1.2 管道定位系統硬件

1.2.1 單片機模塊

單片機為管道定位系統的核心部分,采用了飛思卡爾半導體公司的MC9S12XS128單片機,可以處理NMEA-0183定位數據。其中由16位中央處理單元(CPU12X)、128KB程序Flash(P-lash)、8 KB的RAM、8 KB數據Flash(D-lash)組成片內存儲器。主要功能模塊包括:內部存儲器、2個異步串口通訊SCI、1個串行外設接口SPI,16通道A/D轉換模塊ADC、1個8通道脈沖寬度調制模塊PWM以及輸入/輸出數字I/O口等功能模塊,MC9S12XS128主頻最高可達90 MHz,而且體積小,性能穩定,對于管道系統的定位信息采集完全能夠滿足接收與處理要求。

男性檢驗值和標準值有8個單詞存在顯著性差異（占比57%），女性檢驗值和標準值有10個存在顯著性差異（占比71%），明顯高于F1差異顯著比重。說明男性學生和女性學生在舌位的前后和嘴唇的圓展方面問題較多。所有數據中，V1均小于V2，無一例外。這一現象說明，貴州民族學生，無論男生還是女生，舌位通常比母語發音人更靠后，唇形更圓。

1.2.2 北斗定位模塊及電路圖

北斗定位模塊由北斗有源天線、電源、北斗信號處理芯片等組成,為了在各種復雜環境下保持高效的工作能力以及最大限度緩解延遲和提高定位精度,選用UM220北斗定位芯片,該多系統多頻高性能芯片采用了單芯片接收機方案,單個模塊可以實現支持BD2 B1和GPS L1兩個頻點,模塊可一直輸出NMEA-0183數據,多系統融合的開放式架構使不同的可用衛星均可參與聯合定位,為之后的優化設計提供了開源環境。

在快速的捕獲測距碼后,輸出的數據會被傳送到解析程序進行處理,提取出經緯度和時間信息并在液晶顯示器上進行顯示。天線信號連至模塊GNSS-ANT引腳,采用了非2.85V有緣天線。串行口外設接口SPI是一個高速同步串行輸入/輸出端口,它允許一個具有可編程長度的串行位流,以可編程的位傳送速率從設備移入或移出[6]。

UM220硬件連接圖如圖3所示,為了實現主機片選從機,硬件設計時將UM220的SPI的SS端接引腳P1.3,SPI-CLK時鐘端口與P1.0引腳項鏈,SPI-MOSI主機出從機進出數據端口接引腳P1.2,SPI-MISO主機進從機從數據線接引腳P1.1.

圖3 硬件電路圖

1.3 管道定位方案

如圖4所示,管道爬行機器人置于管道進行工作,開啟后爬行器開始沿管壁爬行,同時上位機上電后北斗定位模塊開始進行數據采集,爬行器所運動的軌跡即可理解為管線的軌跡,圖5示出爬行器能預期形成的理論運動軌跡,這樣就可以制作出管線圖有效的監控管道的鋪設范圍。同樣,測量管道的長度以及控制爬行器的運行速度就可以每隔一段時間對管道進行一次單點定位,用來記錄每段管道的精確位置,為日后的維修保養提供必要的幫助。

圖4 爬行器在管道內狀態

圖5 理論采點形成軌跡方式

2 管道定位系統實驗及結果

在滴水湖某假日酒店一旁管道施工處,如圖6所示,進行定位數據實驗驗證,實驗當天天氣情況、能見度優良、實驗場地開闊,符合實驗基本條件。由于管道口徑限制無法將爬行器很好地置于管道中,因此拆下所需模塊沿著管道預期鋪設軌跡,如圖7所示中箭頭所指的淺色路徑為施工軌跡行走定位。

圖6 施工路段

圖7 地圖中查看施工軌跡

2.1 管道靜態定位結果

在淺色施工軌跡上任意取兩點命名為標記1、標記2,分別用北斗定位模塊進行靜態定位,定位結果如圖8所示,將十進制經緯度轉換為度分秒,標記1的位置為30°53′28.52″北, 121°56′1.95″東;標記2的位置為30°53′30.52″北,121°56′4.52″東。經測量,標記2相對于標記1直線距離為91.28 m,方位為東偏北50.49°.

圖8 電腦中讀取定位數據

為了比較定位誤差是否在合理范圍之內,用單機定位3～5 m、實時差分1～3 m,更新率為1 Hz,攜帶高靈敏度天線的定位儀器進行定位,結果如圖9、圖10所示,標記1的位置為30°53′28.52″北,121°56′1.67″東;標記2的位置為30°53′30.42″北,121°56′4.32″東。

圖9 標記1定位

圖10 標記2定位

綜上比較可得,北斗定位模塊和高精度儀器之間的定位存在細小的差別,但定位相對比較準確,滿足靜態定位要求。

2.2 管道動態定位結果

動態定位方案如上所述,手拿北斗定位模塊,開啟定位后沿著軌跡低速行走,數據的采樣間隔為1 s,以標記1為開始點,標記2為結束點。將采集的所有經緯度點進行坐標轉換,然后輸出結果,如圖11所示,現場測量軌跡為158.37 m,北斗定位模塊輸出軌跡為158.05 m,誤差較小,連續采點定位準確,軌跡可靠。

圖11 采集的軌跡

圖12 Google地圖中定位點和管道軌跡

將采集到的標記1、標記2位置以及軌跡提取后輸入Google地圖中,如圖12所示,并沿著施工路徑測量長度為157.92 m,藍線為高精度定位儀所輸出的軌跡,軌跡相對圓滑;紅線為北斗定位模塊輸出軌跡,連續采點有稍許誤差,但軌跡基本重疊,大部分落入規劃軌跡6 m以內,滿足管線圖軌跡采集要求。

3 結束語

通過對管道定位系統的設計以及仿實際工況實驗,證明了北斗系統能夠精確地對管道進行單點定位,并且在管道爬行器持續工作時能夠連續輸出點位形成運行軌跡(即為管道鋪設軌跡)。地面控制端可以精確地獲得管道鋪設范圍圖以及單根管道的唯一位置信息,采集數據并存檔后能夠對管道進行日常的管理,為后續結合管道泄漏檢測儀后能夠第一時間傳回問題管道的位置信息提供了便捷的服務,這樣大大減少了人力維護成本并能夠對管道進行必要的維護。

[1] 萬琪俊. 基于北斗導航衛星移動定位系統研究與實現[D]. 廣州:華南理工大學, 2013.

[2] 徐文華. 管道位置檢測系統研究[D]. 南充:西南石油大學, 2006.

[3] 吳波, 齊曉琳, 王滌平,等. 北斗精準定位在城鎮燃氣管道管理中的應用[J]. 城市燃氣, 2014(9):24-26.

[4] 張棟, 陳圣波, 李健. 基于北斗衛星的油田管網巡檢系統的設計與實現[J]. 吉林大學學報(信息科學版), 2015, 33(6):694-699.

[5] 萬青霖. 基于“北斗”數傳系統的油氣運輸管道監控研究[J]. 當代化工, 2016,45(7):1593-1596.

[6] 高婷. 基于北斗定位的海上落水報警裝置設計與研究[D]. 上海:上海海洋大學, 2014.

Design and Implementation for Position System of Pipelayer’s Pipes Based on BeiDou System

SONG Qiuhong,XU Shaorong

(CollegeofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

In view of the increasing construction of pipeline, a position system based on the Beidou system was proposed. The Beidou navigation positioning system can accurately obtain the location of the working pipelayer’s information, thus, to locating single pipe. Likely, a pipeline crawler with Beidou position module can be placed in the pipe, a pipeline diagram can be formed through getting position continuously. Not only save the manpower cost, but also monitor the pipeline laying. Some necessary and emergency things can be solved combine with other instruments, provides value reference for the optimization of pipeline construction and management.

BeiDou system; pipelayer; pipe position

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.022

2016-11-01

上海市2014年聯盟計劃資助項目(編號:LM201403)

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0098-05

宋秋紅 (1962-),男,教授,碩士生導師,主要研究方向為結構優化設計。

徐少蓉 (1992-),男,碩士生,主要研究方向為機械結構及設計自動化。

聯系人: 徐少蓉 E-mail:qhsong@shou.edu.cn