差分衛星定位技術在管道爬行器X射線檢測中的應用

尚寶剛1，沙 艷，徐傳波3，尚佳雨4，劉廣大，王 浩

(1.沈陽市自然資源保護行政執法支隊， 沈陽 110031； 2.丹東華日理學電氣有限公司， 丹東118001； 3.丹東市陽光儀器有限公司， 丹東 118001；4.沈陽工學院 信息與控制學院，撫順 113122)

近年來國內油氣管線項目大量增加，管線對接焊縫的缺陷檢測，常采用射線檢測的方法，通常的做法是：利用管道爬行器進入管道內部，通過外部的伽馬源定位，或者是磁力定位技術來控制管道內部爬行器射線機的定位拍片檢測[1-2]。此種方法存在勞動強度大，輻射危險性高，每次只能定位一個點，檢測效率低等問題。隨著衛星定位技術的逐漸成熟，其不僅在通信等領域應用廣泛，在無損檢測領域也有很多實際應用，筆者介紹了差分衛星定位技術在管道爬行器X射線檢測中的應用。該技術能夠一次定位若干個檢測點位，可以進行連續性射線檢測，具有自動化程度高，檢測效率高等優點。

1 檢測系統組成及原理

具有差分衛星定位功能的管道爬行器X射線檢測系統的組成如圖1所示，其由車載參考基站、定位衛星、智能行車控制裝置、X射線管道爬行器 、手持GPS用戶接收機、射線檢測報警裝置、檢測管線及曝光膠片等部分構成。

圖1 具差分衛星定位功能的管道爬行器X射線檢測系統組成框圖

該應用是基于成型的實用技術——差分衛星定位技術[3]的基本原理設計的，即在一個已知的位置上建一個參考基站——車載參考基站，車載參考基站不停地接收定位衛星的GPS信號并計算出坐標，并將計算出的坐標和實際的坐標比較并得出GPS信號傳輸過程中出現的偏差，在方圓200 km內，所有的GPS接收機(該處為智能行車控制裝置中的接收機和手持GPS用戶接收機)接收到的信號偏差可以看作是一樣的，所以車載參考基站將其計算出的偏差通過無線電向外發射，其周圍的GPS接收機用戶(該處為智能行車控制裝置中的接收機和手持GPS用戶接收機)接收此信號并在計算中減去偏差，從而能準確地計算出自身的坐標。根據此原理，可以完成精確到幾毫米的高精度爬行器工作定位。

2 主要部件選配及參數指標

車載參考基站[3]選配Trimble 5700 GPS Total station型單基站，系統集中安裝在車上，車上裝載基站系統控制中心?？刂浦行南到y硬件包括計算機、Y型電纜、接收機、天線、天線電纜、手機、數據線、SIM卡等設備;這些設備結合系統安裝軟件及應用支持軟件，構成車載基站系統控制中心。車載基站可以方便地駕駛到管線檢測施工現場的固定坐標位置，控制管線內部的爬行器進行X射線定位檢測。車載參考基站接收和發送信號，與定位衛星及智能行車控制裝置中的接收機通信聯系，且和手持GPS用戶接收機等設備進行通信聯系，并計算出坐標?；景l射偏差信號，被其周圍的GPS接收機用戶(該處為智能行車控制裝置中的接收機和手持GPS用戶接收機)接收。 X射線管道爬行器選配HR-92型X射線管道爬行器，其由拖動爬車車體部分和掛在后面的X射線機兩部分組成，可以很好地實現在管道內行走及曝光檢測的功能。智能行車控制裝置是固定在X射線機后端的行車控制系統單元，主要由LAND-PAK型GPS接收測位模塊、無線傳輸模塊、編碼測位模塊、中心控制器、驅動模塊、射線機控制模塊及一些輸入輸出等元器件組成。通過接收車載參考基站和定位衛星位置信息以及各種數字信息，控制爬行器在管道內部的精確行走，并控制X射線機曝光進行檢測。手持GPS用戶接收機可采用LAND-PAK型差分GPS測量接收機，其集成通訊功能，采用無線藍牙全連桿式設計并支持多星定位技術，具有很高的定位傳輸性能和靈活性，可快速設置，容易操作且具抗摔性等，能滿足精確測位工作的需求。射線檢測報警裝置采用聲光一體型警報器，警示非工作人員禁止靠近。檢測管線為直徑2191 620 mm,壁厚530 mm的油氣輸送管線，曝光膠片采用T3型膠片。

3 智能行車控制裝置構成及控制原理

X射線管道爬行器智能行車控制裝置[4]是構成該應用系統的核心部件，由中心控制器、 GPS接收機模塊、無線傳輸輸入模塊、旋轉編碼測位模塊、管道爬行器驅動模塊、射線機控制模塊、數據存儲模塊和其他參數輸入及顯示指示輸出器件等組成。其結構原理圖如圖2所示。各模塊功能如下所述。

(1) GPS接收機模塊。其是LAND-PAK型GPS接收測位模塊，接收機模塊輸入端通過信號增強器與定位衛星通信接收發送GPS定位信息，從而定位爬行器位置坐標。接收機模塊與車載基站控制中心通信，將GPS定位信息發送到車載基站控制中心，并接收車載基站控制中心發送的定位偏差信息和待測焊縫處的手持GPS定位坐標，將接收到的當前位置坐標、基站位置偏差數據及各待測焊縫位置的手持GPS定位坐標信息輸出到中心控制器中。

(2) 無線傳輸輸入模塊。其輸入端與無線信號增強器通信，并與車載基站控制中心通信。車載基站控制中心手工輸入的被測鋼管的基本信息、管道爬行器基本參數信息和射線管曝光參數信息，通過無線傳輸技術輸入到模塊內，再由模塊輸出到中心控制器中。

(3) 旋轉編碼測位模塊。模塊通過與爬行器車軸上的編碼器連接，得到爬車行駛的轉動速度圈數信息，然后將轉速信息輸出到中心控制器中。中心控制器結合爬行器的輪距、有效輪徑能計算出實時的爬行器行走軌跡距離。

(4) 管道爬行器驅動模塊。其與電機控制電源以及中心控制器的輸出端連接，通過系統已知的鋼管參數、爬行器輪距參數等信息，確定爬行傳動速度；再由中心控制器控制管道爬行器驅動模塊，驅動控制管道爬行器電機轉動，帶動爬行器及射線管一起在管道內行走。中心控制器通過處理GPS接收機模塊輸入的各檢測焊縫的位置信息與旋轉編碼測位模塊輸入的爬行器實時行走軌跡距離信息，控制爬行器拖動射線機停到準確的焊縫位置。曝光后，中心控制器判斷是否有下一道待測焊縫，并控制管道爬行器驅動模塊驅動電機繼續行走。若檢測完畢，無下一點檢測信息，則控制管道爬行器驅動模塊驅動電機后退行走，返回至管口的初始端。射線機控制模塊與中心控制器的輸出端連接，按照中心控制器的指令，控制射線機啟動并進行曝光檢測。當爬行器到達指定的待測焊縫位置停止后，中心控制器按照無線傳輸輸入模塊所輸入的鋼管信息，如壁厚、直徑等，結合射線機的參數，指定曝光時間、曝光電流、電壓等參數[1-2]，通過射線機控制模塊控制射線機進行曝光檢測，曝光后停機，到下一道焊縫處再進行曝光檢測。數據存儲模塊與中心控制器的輸出端連接，將中心控制器輸出的各種信息數據，如鋼管參數、射線機參數、爬行器參數、定位參數及軌跡信息等信息參數進行實時存貯保存。其他參數輸入顯示指示輸出器件作為X射線管道爬行器智能行車控制裝置的輸入顯示部件，由按鍵、液晶顯示屏等組成，是輸入爬行器程序、操作調整爬行器及整個系統的有效界面，也是調整編譯處理中心控制器的界面。

圖2 智能行車控制裝置結構原理圖

(5) 中心控制器。中心控制器采用西門子S7-200系列的PLC(可編程控制器)，型號為224XPCN。作為整個智能行車控制裝置的核心，其起到了中樞大腦的作用，即通過與GPS接收機模塊、無線傳輸輸入模塊、旋轉編碼測位模塊連接，對各種信息進行編譯處理，發布驅動指令，使管道爬行器驅動模塊驅動爬行器進行行走、停止、再行走以及退回等動作，同時配合驅動射線機控制模塊控制射線機進行曝光檢測，完成管道內部多點一次性射線怕片檢測過程。最后，通過數據存儲模塊對各種信息進行實時存儲。

4 檢測應用流程

該應用是首次創新地將先進的GPS定位技術與長距離管線的X射線無損檢測技術相結合，解決了長距離管線多點一次定位，X射線管道爬行器智能自動連續檢測的難題，其檢測控制流程如圖3所示，各階段主要工作如下所述。

圖3 檢測控制流程圖

(1) 就位準備階段

車載參考基站行駛到檢測管線現場，在現場標準位置定位，開啟基站控制中心;將X射線管道爬行器連同X射線機及智能行車控制裝置放置到待檢測管線管口初始位置; 分別在待測焊縫處粘貼固定曝光膠片;分別在待測焊縫處放置警示燈并開啟警報，禁止非工作人員靠近。

(2) GPS定位階段

參考基站與定位衛星進行GPS定位，并確定位置偏差; 智能行車控制裝置中的GPS定位模塊與定位衛星進行GPS定位，并將位置信息數據傳到參考基站的控制中心，同時接收參考基站的位置信息和偏差信息，以及手持GPS用戶接收機的GPS信息;檢測人員將GPS用戶接收機分別放置到待測焊縫的正上方進行GPS衛星定位，同時接收參考基站的位置信息和偏差信息，以及智能行車控制裝置中的GPS定位模塊的GPS接收信息。

(3) 基本檢測參數信息輸入階段

向參考基站輸入當前檢測管線的基本參數，如管線直徑、鋼管壁厚、焊管形式(螺旋或直縫)、每段接管距離、管線彎曲度等; 向參考基站輸入當前爬行器對應鋼管的基本參數，如管道爬行器輪距(適合鋼管直徑使用要求)、驅動行走速度、最長工作時間、最長檢測距離、最大爬坡角度、最小轉彎半徑等;向參考基站輸入當前X射線機對應鋼管的性能參數，如管電流、管電壓、錐靶角度、最大穿透厚度、焦距及曝光時間等。

(4) 基站控制中心信息傳輸階段

基站控制中心將輸入的各種位置信息進行整理編譯，將信息及編譯程序傳輸到智能行車控制裝置中。其中的主要控制信息有初始檢測位置節點信息、各檢測具體位置距離信息、爬車運行時間、停車時刻、射線機曝光時間、最大檢測距離、最佳返回時間等。

(5) 控制行走曝光檢測階段

智能行車控制裝置根據基站傳過來的信息，驅動爬行器電機行走，向第一道待檢測焊縫位置方向行駛;爬行器行駛的同時，安裝在爬行器車軸上的編碼器將爬車行駛的轉動速度圈數信息傳輸至智能行車控制裝置中。智能行車控制裝置結合爬行器的輪距、有效輪徑，計算出實時的爬行器行走軌跡距離，再根據基站傳過來的第一道焊縫GPS位置信息與爬行器初始位置信息，計算出到第一道焊縫的實際距離。當爬行器實時行走軌跡距離與第一道焊縫的實際距離相符時，智能行車控制裝置停止驅動爬行器電機，爬行器停止行走，射線機射線工作窗口停置在待檢測焊縫處。此時智能行車控制裝置開始控制射線機進行檢測工作(包括選擇曝光焦距和曝光時間等參數)。

(6) 行走數據及曝光數據存貯階段

智能行車控制裝置將整個爬行器行走、停留、射線機曝光檢測等環節數據集中存貯。

(7) 判斷繼續檢測階段

智能行車控制裝置判斷是否還有待測焊縫，若是則繼續按照第(5)步執行。

(8) 判斷結束階段

智能行車控制裝置判斷是否還有待測焊縫，若否則停止前進，爬行器推動射線機在管線內沿原路退回，直到初始管口端后停止。

(9) 結束收尾階段

檢測人員收取爬行器及射線機，收取曝光后的顯像膠片，到檢測焊縫處關閉收取報警燈,再關閉車載基站，結束檢測。

5 檢測工藝試驗與結果分析

根據實際檢測樣本抽取檢測工藝試驗數據， 其試驗參數如下：管道直徑1 020 mm，管道厚度21 mm,單節管長12 m, 實例管線長度60 m;射線檢測時焦距500 mm，單壁透照的透照方式,輸出電壓 200 kV,輸出電流3 mA,衛星一次連續定位的定位方式。圖4為連續檢測的多道焊縫坐標位置圖像，分別為距離管端12 m處的第一道焊縫，距離管端24 m處的第二道焊縫，距離管端36 m處的第三道焊縫，距離管端48 m處的第四道焊縫。

圖4 焊縫坐標位置圖像

檢測步驟如下所述。

(1) 初始準備。設備調試就位，在4條環焊縫中心位置貼上膠片。

(2) 初始定位。數據通信正常傳輸，基站管端初始定位坐標(x4 628 773.669,y41 523 393.809)，第一道檢測焊縫手持GPS用戶接收機定位坐標(x4 628 769.656,y41 523 382.500)，第二道檢測焊縫手持GPS用戶接收機定位坐標(x4 628 765.643,y41 523 371.191)，第三道檢測焊縫手持GPS用戶接收機定位坐標(x4 628 761.630,y41 523 359.282)，第四道檢測焊縫手持GPS用戶接收機定位坐標(x4 628 757.617,y41 523 348.573)。

(3) 自動檢測。智能行車控制裝置根據定位傳輸信息，驅動爬行器電機行走，管道爬行器以30 m·min-1速度啟動行走，管長12 m，行走24 s后在第一道焊縫定位處停止，啟動射線檢測報警裝置，鳴響警示30 s后，自動開啟射線機進行透照拍片，拍完后，關閉射線機，拍片歷時30 s;管道爬行器繼續以30 m·min-1速度啟動行走，下一節管長12 m，行走24 s后在第二道焊縫定位處停止，啟動射線檢測報警裝置，鳴響警示30 s后，自動開啟射線機進行透照拍片，拍完后，關閉射線機，拍片歷時30 s;按同樣的步驟，分別對第三、四道焊縫實施檢測;檢測后管道爬行器按原路退出，退出歷時96 s。綜上，完成全部檢測，共耗時312 s。

(4) 定位結果及校對分析。由拍片圖像可見：第一道焊縫實際爬車定位位置與膠片中心位置向上偏差為8 mm，第二道焊縫實際爬車定位位置與膠片中心位置向上偏差為8 mm,滿足拍片成像要求；第三道焊縫實際爬車定位位置與膠片中心位置向上偏差為7 mm,滿足拍片成像要求；第四道焊縫實際爬車定位位置與膠片中心位置向下偏差為4 mm,滿足拍片成像要求。即，綜合定位偏差均能滿足爬車曝光位置與膠片成像位置基本重合的要求，可以有效顯示拍片檢測圖像。

6 結論

差分衛星定位技術應用于管道爬行器X射線檢測中時，能夠在復雜的工況條件下實現一次多點定位，可對多段焊縫進行高效率拍片，成像滿足檢測需求，且檢測自動化程度高，檢測過程無需人員靠近操作，可連續自動定位拍照，定位準確度高(達到毫米級)，縮短了檢測時間，提高了工作效率。