管道中心線測繪數據質量開挖驗證方法的研究

徐從齊 陳井軍 曾 輝

〔中國石化銷售有限公司華中分公司 湖北武漢 430000〕

長輸管道沿途環境復雜，頻繁穿越城市人口密集區、河流、公路、鐵路，安全風險管控難度大,一旦發生事故，極易造成重大人員傷亡，污染水源和自然環境，產生較大的社會負面影響。國家對油氣管網及城市地下管網的安全問題非常重視，中國石化積極響應國家號召，組織開展智能化管線建設相關工作。其中摸清地下管線規模大小、位置關系、功能屬性、產權歸屬、運行年限等基礎信息是智能化管線建設的基礎也是重要的工作。管線探測是摸清管道位置關系的有效手段，如何確認探測數據的準確性更是需要一套既可行又有效的評價方法。2016年5月，中國石化銷售公司下發了《中國石化銷售企業智能化管線管理系統深化應用建設指導意見》，要求各單位認真開展管道中心線測繪數據質量開挖驗證工作。開挖驗證工作納入了探測數據準確性驗收內容。

1 智能化管道數據驗收流程

某公司在進行智能化管道建設時，針對數據探測工程實行“三級”檢查制度，分別為項目組自檢、互檢以及第三方檢查。根據《中國石化銷售企業智能化管線管理系統深化應用建設指導意見》(以下簡稱“指導意見”)要求，進一步加強了數據質量管控，并制定了詳細的智能化管道數據驗收流程(見圖1)。

圖1 數據驗收流程

第一步：數據成果。測繪單位管道數據采集完成，內部檢查合格，工程文檔齊全。要求：測繪單位依據采集模板要求采集管道數據，并按管線提交數據；數據種類要齊全；數據格式為EXCEL表格、JPG照片。同時提交數據自檢校驗單及數據采集情況說明表。

第二步：驗收。測繪單位完成數據整改，并自檢完成后，向業主提交驗收申請，由業主組織驗收，并安排時間、人員和路線。測繪單位準備好數據和驗收相關文檔，以輸油管理處為單位統一進行驗收。

初步驗收：核對數據的空間信息及屬性信息。

①由項目組、管道油庫處、各輸油管理處和站場的專業人員組成驗收隊伍；②對管道中心線、管道本體、管道附屬設施和周邊環境數據依據驗收流程進行全線檢驗；③檢查數據是否達到入庫要

求，檢查數據屬性信息、數量、走向是否準確，是否滿足流程要求；④初步驗收未通過，限期整改；⑤初步驗收通過，站場、項目組出具數據校驗單，按照驗收標準要求，選擇現場復檢或開挖的抽樣數據。

現場驗證：對初步驗收選定的抽樣數據，現場進行重復探測復核和開挖驗證復核。①由管道油庫處、各輸油管理處、站場、項目組、測繪單位、第三方測繪檢驗單位組成現場驗證隊伍；②由第三方測繪檢驗單位對抽檢數據現場進行復核；③針對開挖驗證，由輸油管理處辦理相關開挖手續及協調工作，并安排專業開挖施工人員。

驗收結論：對初步驗收及現場驗收的情況形成驗收報告。

①由第三方測繪檢驗單位負責實施，管道油庫處、各輸油管理處、站場、項目組、測繪單位參與；②對初步驗收及現場驗收情況組織專家評審會評議，同時第三方測繪檢驗單位出具現場驗收報告，內容包括：數據質量結論、檢驗工作概況、技術依據、抽樣情況、檢驗內容及方法、檢驗質量統計，提交成果。

第三步：數據脫密。數據驗收合格后，測繪單位配合企業，統一到地球物理總部進行脫密處理。最后將脫密后的數據進行入庫，并同步到總部服務器。

第四步：流程結束。

2 探測數據的質量要求

開挖驗證是現場驗收的一項重要內容，是判定探測數據是否符合要求的重要手段。其主要目的是驗證探測數據質量是否合格，依據國家法律法規和行業標準規范制定數據質量要求。

2.1 平面精度要求

管道開挖點的平面精度由兩部分組成：測量平面精度和探測平面精度。測量平面精度，30 cm；探測平面精度，探測點平面誤差小于0.1h(其中h為地下管線中心埋深，單位為cm)，當h<100 cm 時，則以100 cm 代入計算(含探管儀誤差)。 管道開挖點平面精度限差為30 cm+0.1h。

2.2 高程精度要求

管道開挖點的高程精度由兩部分組成：測量高程精度和探測埋深精度。

測量高程精度，平原不低于 30 cm、多山地區精度不低于 60 cm；探測埋深精度，探測點埋深誤差小于0.15h(其中h為地下管線中心埋深，單位為cm)，當h<100 cm 時，則以100 cm 代入計算(含探管儀誤差)。 管道開挖點高程精度限差：平原30 cm+0.15h；多山地區60 cm+0.15h。

3 數據質量評判的方法

該公司智能化管線項目組依據探測數據質量要求以及國家及行業相關標準和規范制定了開挖驗證方案，主要包括人員組織、技術要求、數據質量要求、過程實施、數據質量評判方法等內容。其中數據質量評判方法又包含了誤差計算和成果判定標準等內容。現就誤差計算方法和成果判定標準敘述如下。

3.1 誤差計算方法

3.1.1 平面位置誤差和高程、埋深誤差計算方法

數據成果平面所采用WGS-84大地坐標系統，單位為十進制度；高程采用1985國家高程基準，單位為m。因此在評價平面位置時，需采用統一的投影參數將大地坐標轉換為投影坐標，統一單位為m；在評價高程數據時，需統一在1985國家高程基準下進行計算高程誤差，統一單位為m，按照以下方法進行計算：

通過樣本點(X，Y，Z，H)與開挖點(x0，y0，z0，h0)進行計算管道的平面誤差、管頂高程誤差和埋深誤差。其中Z、z0為樣本點與開挖點的管頂高程。

(1)

管頂高程誤差ΔZ=|Z-z0|

(2)

埋深誤差ΔH=|H-h0|

(3)

其中：X，Y，Z，H分別為經度，緯度，管頂高程，埋深。

3.1.2 隱蔽管線點中誤差計算方法

重復探查點位就隨機抽取，選點數量按標準對應項執行，并分別按(3.1.2-1)、(3.1.2-2)式計算隱蔽管線點的平面位置中誤差mH，和埋深中誤差mV，其數值不應超過規范精度要求的1/2。

隱蔽管線點的平面位置中誤差：

(4)

隱蔽管線點的埋深中誤差：

(5)

式中：ΔSi——復查點位與原點位間的平面位置偏差，cm；

ΔHi——復查點位與原點位的埋深偏差，cm；

n——復查點數。

3.2 成果判定標準

當管道開挖點的平面位置誤差d小于0.1h，即表示該樣本點探測平面位置質量合格，否則判定為不合格；管道開挖點的埋深誤差ΔH小于0.15h，即表示該樣本點埋深質量合格，否則判定為不合格。

現場開挖驗證，若平面合格率、埋深合格率均大于等于90 %，則視為合格；若小于90 %則應再抽取不少于隱蔽管線點總數的1 %進行開挖驗證，若再次檢驗仍不合格，則視為探測質量不合格，需對該段管線全部重新探測，直至合格為止；全部重新探測的成果重新整理提交，按照判定標準重新組織成果判定；現場開挖驗證時對于進行開挖驗證點平面位置，如果開挖驗證不合格，則要求對該開挖點管線段路由全部重新探測。

4 數據質量評判方法的適用性分析

誤差是測量所得的量值減去參考量值。測得的量值簡稱測量值,代表測量結果的量值，參考量值簡稱為原值。所謂參考量值，一般由量的真值或約定量值來表示。對于開挖驗證而言，參考量值為開挖點(x0，y0，z0，h0)，測量值為樣本點(X，Y，Z，H)。依據樣本點選擇開挖點就顯得尤為重要。

4.1 公式(1)、(2)、(3)適用的前置條件

在開挖現場可找到原樣本點實際探測位置，且該處地形地貌較原探測時不發生任何改變。

4.2 現場開挖驗證客觀存在的問題

該公司智能化項目數據探測完成時間為2015年6月，開挖驗證工作于2017年8月開展。經過隨機抽取590個樣本點位進行現場開挖驗證。待探測人員到達現場后，發現存在以下問題：

(1)原始探測點標記較多已損毀，無法準確找到原始探測點，因此無法準確選定現場開挖點。

(2)數據采集的時間與數據開挖驗證時間間隔相差較大，發現現場局部的地形地表發生較大改變，有翻土、有水坑等現象，對管道的埋深參數影響較大。

4.3 公式(1)、(2)、(3)適用性分析

假設按照上述公式(1)、(2)、(3)進行誤差計算，結果分析如平面投影圖(圖2)。

圖2 數據分析點位模擬

誤差的計算有一個前置條件：必須在同等觀測條件下進行測量。客觀問題的存在導致了公式前置條件的無法滿足，綜上分析，公式(1)、(2)、(3)已不能作為隱蔽點開挖驗證的誤差計算方法。

5 評判方法的改進

為確保開挖驗證順利有序進行，同時盡量保證對探測結果的一個客觀、公正較為準確合理的判斷，對評價方法筆者提出了一定的修正和改進，具體如下。

5.1 探測點標記保存完好，可準確找到原始探測點的情況

在計算埋深誤差時，若探測點標記保存完好，可準確找到原始探測點，且在局部的地形地表未發生改變的情況下按照原公式進行計算。

5.2 若探測點標記已損毀，無法準確找到原始探測點，或局部地形地表發生較大改變的情況

5.2.1 開挖點的選取

此種情況下開挖點位置的選取沒有具體的某個樣本點位置坐標做依據，只能進行現場探管找點開挖。

5.2.2 誤差計算方法修正

此種情況下為了計算誤差，需引入一個理論樣本點作為誤差計算的前置條件。具體按照以下方法計算：

(1)管線隱蔽點平面誤差計算方法。

如平面投影圖(圖3)，其中樣本點1、樣本點2坐標為測繪單位原始實際測量的成果坐標，開挖點為現場驗證開挖點管頂坐標即誤差計算中的原值。運用幾何等比計算：

理論點y=

(6)

(7)

計算平面誤差值

(8)

若開挖點為彎頭位置應考慮管線彎曲因素影響，對探測點數據的影響，適當放寬限差要求。

(2)管線隱蔽點埋深誤差計算方法。

針對地形地貌變化較大的情況，高程并非呈現線性關系，需對理論點的高程進行修正。具體按照以下方法計算：通過相鄰兩個樣本點的坐標計算得到樣本理論點●的坐標(X、Y、Z、H)，將開挖點地表高程和理論點計算的地表高程的差值作為地形表面變化的修正值，加入到開挖實測點埋深中，再與理論點埋深值比較，計算得到不同地形地貌埋深誤差縱斷面圖，如圖4和圖5所示。

圖4 不平地表點位模擬

圖5 梯田地表點位模擬

(9)

(10)

理論點管頂高程計算方式同理論點地表高程。

計算埋深誤差值：

ΔH=|h0±|z-z'|-H|

(11)

式中：z'——開挖點地面投影高程，m。

計算管頂高程誤差值；

ΔZ=|Z理論-z0|

(12)

(3)修正方法的可行性分析。

樣本點的坐標是管道中心線管頂坐標非地表坐標，原始探測點樣本點1和樣本點2平均20 m左右間距，管道一般由直縫鋼管焊接而成，一根直縫鋼管長度約12 m，20 m長度由兩根直縫鋼管焊接而成，兩根直縫鋼管幾乎是處于同一直線上的，因此樣本點1和樣本點2可以看作呈現線性關系，因此理論點的經度、緯度、管頂高程是可以通過公式(6)、(7)、(10)計算得到的。由于埋深受地表高程影響較大，而且地表高程在20 m左右范圍內出現高低起伏是非常常見，因此進行埋深誤差計算時引入埋深修正值是必要的。

5.2.3 對成果判定標準進行適當修訂

引入理論點，必將存在理論誤差，為提高判定準確度，對成果判定標準進行適當修訂。主要是現場開挖驗證時將管頂高程也作為綜合判定依據，當管道中心線平面位置、管頂高程、埋深合格率均大于等于90 %時，則視為成果合格，否則需對該開挖點管線段路由重新抽取點位進行復探復測或開挖。

6 評判方法效果的檢查

按照改進后的評判方法對590處開挖點進行了誤差計算，結果見表1：

表1 按修正后的誤差計算方法計算的數據質量評判結果

由表1可以看出，引入修正值進行埋深誤差計算的合格率要明顯高于不引入修正值進行埋深誤差計算的合格率，因此可以進一步證明引入修正值的必要性。針對改進后的評判方法及開挖驗證結果，該公司邀請了測繪專家進行了專項評審，經評審，一致認為評價方法切合實際，成果數據滿足智能化管線管理系統建設要求，同意通過數據準確性驗收。

7 結語

本文結合開挖現場實際，通過對管道中心線測繪數據質量開挖驗證的評判方法進行修正，扭轉了按照原方法無法進行的管道中心線測繪數據質量開挖驗證工作的不利局面，同時提高了評判方法的適用性。

建議對于原始探測點標記較多已損毀，無法準確找到原始探測點的情況，可采用此評判方法；鑒于此種評判方法對開挖點的選取沒有特別要求，對于探測工期要求緊的項目可選擇采用此評價方法。