基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的電纜頂管位置檢測方法

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受檢測深度不足以及信號源干擾影響大，文章提出一種新型的電纜頂管檢測手段，該法測量精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好，幾乎不受檢測深度限制和電磁場干擾。

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

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)行非開挖施工。施工過程中，管道位置受到地層影響會產(chǎn)生偏移。為了確保電纜線路與城市供水、排污、燃?xì)狻⑼ㄐ藕碗娏Φ裙芫€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)向儀測量誤差，與實(shí)際管道位置存在較大誤差。此外，對電纜頂管檢測手段十分貧乏，常見的僅有電磁管線探測法，這種檢測方法容易受到探測深度影響以及信號源干擾，檢測數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定且誤差較大，往往達(dá)不到檢測效果。

針對上述現(xiàn)狀，我們將慣性導(dǎo)航測量技術(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量，為電纜頂管檢測提供了一種全新的檢測手段。同時，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

針對現(xiàn)有10 kV、110 kV、220 kV等電纜工程頂管設(shè)計通用管材尺寸，各種管材通過性允許范圍（見表1）。

參考文獻(xiàn)[1]并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)對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較小，說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 電纜頂管位置檢測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

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)動形式為線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，要準(zhǔn)確描述出此兩種運(yùn)動的測量手段有陀螺儀傳感器測量元件和加速度計傳感器測量元件，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)了對相對空間的3個角速度和3個線加速度沿儀器坐標(biāo)系的分量測量，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)對管道三維位置的實(shí)時測量（見圖1）[2]。

2.1.2 霍爾傳感器的里程計設(shè)計

由于頂管管線為多段焊接而成，測量時不可避免造成跳動，這就造成了里程一些誤積累。一個焊接點(diǎn)誤差較小，相對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)計算下來，這樣就很大了。在前幾次測驗(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量高精度、開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級），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量儀的支架里程計設(shè)計中。通過在前側(cè)輪上設(shè)計基于霍爾傳感器原理的高精度里程計，實(shí)時記錄設(shè)備運(yùn)動軌跡里程。并通過管內(nèi)控制單元對管內(nèi)里程計單元進(jìn)行輔助里程測量，由此可剔除因支架滾輪在管道焊接點(diǎn)瞬時產(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10～220 kV所使用的管進(jìn)行了產(chǎn)品的長度、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。所以我們不必對每種規(guī)格的管徑都進(jìn)行驗(yàn)算，只需對10 kV外徑為160管徑進(jìn)行分析即可。參照圖3所示。

2.1.4 可變徑支架的設(shè)計

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

（1）因管線焊接點(diǎn)高度影響，在進(jìn)行設(shè)計時要使測量儀器滿足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)管道通過焊接點(diǎn)及截面形狀的變化。同時，為保證慣性導(dǎo)航測量元件固定可靠，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適應(yīng)方法：借助彈簧變徑定心。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定了支架變徑范圍。

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

（3）支架的強(qiáng)度要能滿足牽引力的需求。經(jīng)過在實(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，確保設(shè)備適量比。

測量時，只需將兩個可變徑支架通過航空螺旋接頭分別連接在主體兩端，通過牽引線盤附件連接任何一端支架的拉力孔來完成整個測量工作。

2.1.5 硬件的集成

通過現(xiàn)場試驗(yàn)將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與儲存器，電源、里程計、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。由于儲存器、電源和里程計等附屬元件沒有與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一起放入鎧裝圓筒中，因而在實(shí)際應(yīng)用中因接線過多而且長，造成故障頻發(fā)，使用起來十分不方便。所以，我們通過反復(fù)摸索和探討，對產(chǎn)品進(jìn)行了集成設(shè)計，對儲存器、電源和里程計等附屬元件進(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，形成了一個完整的、全新的自主設(shè)計產(chǎn)品，即“電纜頂管三維位置測量儀”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)是一個集成體，包括管內(nèi)測量單元、管內(nèi)控制單元、處理計算機(jī)、內(nèi)置直流電源、里程計等（見圖4）。

2.2 軟件系統(tǒng)的開發(fā)

2.2.1 軟件模塊的設(shè)計

硬件研發(fā)成功后，為使得“電纜頂管三維位置測量儀”測量數(shù)據(jù)可視化，并能夠?qū)崿F(xiàn)適宜于電纜頂管檢測的可提交的驗(yàn)收檢測報告、表格。我們對測量儀配套數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行了開發(fā)。通過開發(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)測量單元和管外里程計組成，數(shù)據(jù)后處理包括數(shù)據(jù)計算、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 對工程進(jìn)行建庫管理

為了方便對檢測施工管理，結(jié)合項(xiàng)目管理理念。我們對工程進(jìn)行了建庫管理，用戶可根據(jù)自己的習(xí)慣，對單根管線建項(xiàng)目，也可以建立同一位置的多根管線項(xiàng)目。可實(shí)現(xiàn)對不同時間、不同地點(diǎn)的管線測量管理。涉及工程內(nèi)容包含原始數(shù)據(jù)、基表信息、報表數(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)了用戶相對坐標(biāo)系統(tǒng)。用戶相對坐標(biāo)系統(tǒng)是通過在電纜頂管兩端靠近管線的合適地方打兩個控制樁，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，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

軟件的研發(fā)過程中，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)時查看點(diǎn)位信息數(shù)據(jù)。

側(cè)視圖查看主要對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)時查看點(diǎn)位信息數(shù)據(jù)。

主要為實(shí)現(xiàn)管道測量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場用戶設(shè)立的基表樁聯(lián)系，達(dá)到將管線測量數(shù)據(jù)處理成與現(xiàn)場基樁一致數(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。這樣就能通過在現(xiàn)場設(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)的相對關(guān)系數(shù)據(jù)（X偏差、Y偏差、Z偏差）。

2.2.6 檢測圖和檢測表制版

設(shè)計制作了專門的檢測報告及其附圖和附表的版式，并對檢測圖和檢測表進(jìn)行統(tǒng)一版式設(shè)計。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)容包括相對數(shù)據(jù)、絕對數(shù)據(jù)等，模板自定義。

3 結(jié)語

本文開發(fā)成果的實(shí)現(xiàn)為電纜埋管位置的精確測量提供了一種高精度和高穩(wěn)定性的重要手段，其系統(tǒng)的測量誤差滿足長度方向小于0.3 m、高度方向小于0.2 m、左右方向小于0.5 m的設(shè)計誤差要求。彌補(bǔ)了由于電纜頂管檢測精度低、受電磁干擾大而不能精確測定地下管線位置的不足，同時也解決了長期以來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。