基于北斗系統(tǒng)的地下金屬管線測(cè)量定位放線誤差控制技術(shù)研究

劉 偉

（山東魯?shù)蠝y(cè)繪有限公司，山東 濟(jì)南 250102）

測(cè)量地下金屬管線是一種包括地球物理學(xué)、測(cè)繪、計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)和其他專業(yè)知識(shí)的技術(shù)。用于完成城市地下金屬管線的勘探和測(cè)量，并存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)或直接進(jìn)行分析。地下金屬管線測(cè)量工程是一項(xiàng)大型工程，非常復(fù)雜，需要提前規(guī)劃、管線檢測(cè)、資金支持，及多部門協(xié)同等多系統(tǒng)協(xié)同配合。因此，在復(fù)雜作業(yè)的背景下，地下金屬管線的測(cè)量定位放線過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)誤差。

為減少由于地下金屬管線損壞引起的事故，需要研究地下金屬管線測(cè)量誤差控制方法。研究可以證明通過城市地下金屬管線的通訊功能，可以控制地下金屬管線的測(cè)量誤差，以及控制誤差的重要性，分析地下金屬管線測(cè)量過程中存在的問題。面對(duì)復(fù)雜金屬管線的測(cè)量任務(wù)，需要運(yùn)用多種技術(shù)手段，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，嚴(yán)格地控制地下金屬管線的測(cè)量過程，杜絕誤差，對(duì)加強(qiáng)地下金屬管線的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展有重要意義。

1 基于北斗系統(tǒng)的管線定位放線誤差控制技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)管線測(cè)量定位放線控制指標(biāo)

根據(jù)測(cè)量規(guī)范的要求，在管線測(cè)量定位和設(shè)置誤差控制前應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。換句話說，控制測(cè)量精度、儀器精度要求、測(cè)量水平等必須提前設(shè)計(jì)，以滿足特定要求。管線定位具有誤差控制成本低，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。因此通過找出并去除總誤差，來觀察數(shù)據(jù)，此時(shí)對(duì)最終結(jié)果的影響最小[1]。

地下金屬管線誤差控制網(wǎng)精度標(biāo)準(zhǔn)分為全精度標(biāo)準(zhǔn)和部分精度標(biāo)準(zhǔn)。整體精度標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)在地下金屬管線誤差控制網(wǎng)絡(luò)所有精度信息的協(xié)方差矩陣中。總體精度標(biāo)準(zhǔn)分為不同類型，在許多方面反映了地下金屬管線誤差控制網(wǎng)絡(luò)的總體精度。標(biāo)準(zhǔn)值的大小反映了整體的點(diǎn)位置誤差的大小，當(dāng)達(dá)到最小值時(shí)，被稱為反映兩者所形成的超誤差橢球大小的最優(yōu)準(zhǔn)則矩陣，這也是點(diǎn)位置誤差的一部分。最大特征值A(chǔ)max主要反映局部精度標(biāo)準(zhǔn)，即全反射達(dá)到最小值時(shí)網(wǎng)絡(luò)中最大點(diǎn)誤差的大小，是點(diǎn)精度和相對(duì)點(diǎn)精度等一些因素的局部精度和功能精度。

點(diǎn)誤差橢圓可以很好的解決這個(gè)問題。因此，點(diǎn)誤差橢圓可以用來表示一個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)位置精度?？煽啃岳碚摰那疤崾怯^測(cè)數(shù)據(jù)需要不但包含隨機(jī)誤差，而且包含總誤差?？傉`差被認(rèn)為等于正常觀測(cè)值的方差，但其有不同的期望值，被歸類為評(píng)價(jià)地下金屬管線誤差控制網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的函數(shù)模型。網(wǎng)絡(luò)的可靠性分為內(nèi)部可靠性和外部可靠性。外部可靠性是檢查地下金屬管線誤差控制能力的基礎(chǔ)。內(nèi)部可靠性是地下金屬管線故障控制網(wǎng)絡(luò)抵抗的剩余總故障數(shù)量，依據(jù)兩種可靠性來判斷協(xié)調(diào)結(jié)果的影響能力。

蒙特卡羅方法是一種機(jī)械地下金屬管線誤差控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，主要過程首先需要選取一個(gè)點(diǎn)，標(biāo)記該點(diǎn)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)和已知坐標(biāo)，對(duì)地下金屬管線定位放線進(jìn)行誤差控制。金屬管線控制網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基本過程是計(jì)算所有邊長和角度，然后再將測(cè)量精度和測(cè)量角度調(diào)控到可接受的范圍內(nèi)。對(duì)于所有邊長和角度的隨機(jī)誤差，需要對(duì)井下誤差控制網(wǎng)進(jìn)行間接調(diào)整。金屬管線的整體可靠性需要通過每次觀測(cè)來實(shí)現(xiàn)。

除此之外還需要根據(jù)地下金屬管線誤差控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)可靠性標(biāo)準(zhǔn)和平均重疊觀測(cè)的特點(diǎn)來降低觀測(cè)值，使地下金屬管線誤差控制網(wǎng)的可靠性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。每次觀測(cè)的可靠性是一致的，粗差檢查的標(biāo)準(zhǔn)也考慮到匹配邊緣和精度的測(cè)量要求，降低了觀測(cè)成本[2]。最后，對(duì)地下金屬管線誤差控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二級(jí)優(yōu)化，為每次觀測(cè)選擇最優(yōu)權(quán)重，并根據(jù)權(quán)重值選擇合理的方案。

1.2 基于北斗系統(tǒng)進(jìn)行誤差模擬觀測(cè)

誤差模擬觀測(cè)階段主要根據(jù)地下金屬管線誤差控制網(wǎng)絡(luò)的精度和成本來建立觀測(cè)計(jì)劃。該方法基于北斗系統(tǒng)進(jìn)行誤差模擬觀測(cè)，設(shè)計(jì)有特殊要求的點(diǎn)精度。例如，在用于管線測(cè)量的地上和地下金屬管線的誤差控制網(wǎng)絡(luò)中，接觸定位點(diǎn)的點(diǎn)精度測(cè)量和兩個(gè)良好定位點(diǎn)的相對(duì)定位誤差都有特殊要求。地下金屬管線誤差控制網(wǎng)絡(luò)二級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是滿足具有特殊要求的點(diǎn)位誤差要求。第二種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是對(duì)有特殊要求的點(diǎn)的輔因子進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇合適的權(quán)重，使地下金屬管線誤差控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)類型和測(cè)量方案更有針對(duì)性。

整個(gè)觀測(cè)過程首先要建立初始數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)工程要求和已知點(diǎn)坐標(biāo)提供設(shè)計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)值，計(jì)算邊長和方向的實(shí)際值。這些實(shí)際坐標(biāo)設(shè)計(jì)值用作以下模擬觀測(cè)的基礎(chǔ)。第二步是生成畸變值，根據(jù)設(shè)計(jì)的觀測(cè)精度使用北斗系統(tǒng)觀測(cè)誤差，并進(jìn)行偽隨機(jī)數(shù)測(cè)試和變換，生成和添加符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的偽隨機(jī)數(shù)，以獲得具有相應(yīng)橫向長度的真實(shí)世界的模擬觀測(cè)值[3]，最后需要進(jìn)行平差計(jì)算，將模擬觀測(cè)值配置成誤差方程和函數(shù)方程，對(duì)模擬地下金屬管線誤差控制網(wǎng)進(jìn)行平差計(jì)算和數(shù)據(jù)分析，得到坐標(biāo)模擬平差值來模擬網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)。

1.3 進(jìn)行管線定位放線誤差的定量化驗(yàn)證

為了分析地下金屬管線誤差控制網(wǎng)的質(zhì)量，需要開發(fā)地下金屬管線誤差控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，該程序可以定量分析可靠性指標(biāo)、整體精度指標(biāo)、本地精度指標(biāo)并利用地下金屬管線故障控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行顯示。地下金屬管線誤差控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)得到修正系數(shù)的輔因子矩陣和觀測(cè)值逼近的輔因子矩陣影響。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)可靠性標(biāo)準(zhǔn)，兼顧邊角精度匹配，參考最大點(diǎn)誤差和最弱側(cè)相對(duì)誤差的容差要求，對(duì)地下金屬管線誤差控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，確保地下金屬管線故障控制網(wǎng)局部精度滿足使用要求。

管線定位和設(shè)置誤差的定量驗(yàn)證過程如下。第一步是輸入加密點(diǎn)的已知坐標(biāo)，計(jì)算每個(gè)邊和角的大小。第二步，根據(jù)測(cè)量誤差呈正態(tài)分布的理論，將邊和邊陣列放入MATLAB中。第三步是檢索模擬的橫向長度和角度觀測(cè)值，并根據(jù)坐標(biāo)修正計(jì)算理論從VC中的已知點(diǎn)中導(dǎo)出所有加密點(diǎn)的近似坐標(biāo)。第四步，調(diào)整理論計(jì)算系數(shù)矩陣，根據(jù)角度觀測(cè)確定觀測(cè)的權(quán)重矩陣，計(jì)算角點(diǎn)權(quán)重，根據(jù)觀測(cè)值和近似坐標(biāo)值計(jì)算出的邊長差，將矩陣進(jìn)行平差計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)

使用各種技術(shù)手段測(cè)量金屬管線，在測(cè)量過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些復(fù)雜、混亂的管線。在這種情況下，一般的測(cè)量方法難以有效地執(zhí)行測(cè)量計(jì)劃，可采用夾鉗法、感應(yīng)法、盲探法等多種方法與本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行對(duì)比迭代驗(yàn)證，確定地下復(fù)合金屬管線最準(zhǔn)確的位置。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)上述方法，建立了一個(gè)全面的誤差控制系統(tǒng)。首先制定測(cè)量計(jì)劃，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和信息對(duì)計(jì)劃進(jìn)行修改，明確組間職責(zé)和任務(wù)，然后測(cè)量分組。在這個(gè)過程中，歷史數(shù)據(jù)的完整性決定了控制方法的有效性。測(cè)量完成后，需要進(jìn)行自檢和抽檢，只有通過檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)才能進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

以某地地下金屬管線測(cè)量為例，采用不同探測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，本文設(shè)計(jì)的誤差控制方法在與各個(gè)方法相比時(shí)其誤差始終處于最低值，因此可以有效地控制誤差，具有有效性。

3 結(jié)語

綜上所述，金屬管線測(cè)量定位放線誤差控制技術(shù)是降低金屬管線受損導(dǎo)致的關(guān)鍵性技術(shù)，可以幫助金屬管線達(dá)到實(shí)施及時(shí)修護(hù)的目的，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明了本文設(shè)計(jì)的控制技術(shù)具有有效性，可以成功減小誤差，但是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可以看出，目前仍有一定的誤差，還需要通過后續(xù)的研究進(jìn)行不斷完善，盡量使誤差降到最低。