基于REDUCT慣性定位的地下管線測繪系統設計

周忠贛 高 芳

（1.江西核工業測繪院集團有限公司，江西 南昌 330038；2.永豐縣自然資源局，江西 吉安 331500）

0.引言

在現代化城市建設中，地下管線分布是核心，地線管線涵蓋了水、電、氣、通信等方方面面，需要采用信息化的測量方法，建立地下管線測量系統。采用遙感測繪和慣導控制的方法，建立地下管線測繪的信息化管理模型，通過同步測量和信息化監測的方法，進行地下管線測繪系統模型構造，提高地下管線測繪和項目工程管理能力。相關的地下管線測繪工作研究在提高地下管線的檢修和維護能力方面具有重要意義[1]。

對地下管線測繪系統的設計是建立在對管線的紅外和CT掃描測繪基礎上，結合自動化的電機傳輸控制，通過微機傳輸控制的方法，構建地下管線測繪的數據分析系統、電力傳感系統以及人機交互系統[2]，文獻[3]中提出基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統設計方法，通過MEMS陀螺儀采集三軸角速度和三軸加速度，運用管道測繪算法對讀取的數據進行解算，實現管線測繪，但該系統的測繪定位能力不好。文獻[4]中構建基于信息化管理的電力地下管線測繪模型，通過施工計劃、項目進度控制、項目質量管理，實現地下管線的自動化測繪設計，但該方法對地下管線測繪的智能化水平不高。針對傳統方法存在的弊端，本文提出基于REDUCT慣性定位的地下管線測繪系統設計方法，首先進行地下管線測繪系統的總體設計構架，然后進行系統的功能結構模塊設計，采用MMC子模塊設計方法，建立地下管線測繪系統的信息交互模塊、人機控制模塊和信息處理模塊，實現系統的集成設計，最后進行系統測試，展示了本文設計系統在提高地下管線測繪定位能力方面的優越性能。

1.系統總體結構和組件分析

1.1 測繪系統的總體設計結構

研究REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的優化設計方法，通過智能聲信號定位和管道的回聲定位設計方法，建立測繪系統的遙感和CT檢測模型，采用慣導定位和參數識別，進行系統的信息處理模型設計，結合無線通信技術，建立地下管線測繪系統的高速信號參數識別和定位模型。設計的REDUCT慣性定位地下管線測繪系統包括信號采集模塊、聲回波檢測模塊、濾波模塊和慣性參數識別模塊，通過程序控制和參數識別的方法，構建REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的集成信息處理器[5]，采用ARM作為核心控制單元，在FLASH中進行REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的程序加載。采用局部總線技術，建立REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的專用模塊，采用TTL電平信號監測技術，構建REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的邏輯控制處理器。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統的總體結構

在參數設定中，設計的REDUCT慣性定位地下管線測繪系統采樣率為196kSa/s的實時數據記錄。系統的邏輯觸發定位的時頻參數達到7.5Msample/s（15Mbytes/s），結合REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的應用環境，進行REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的技術指標分析和功能模塊設計，采用PXI、VXI、LXI聯合總線測試的方法，建立地下管線測繪系統的基陣定位模型。通過組件控制和模糊參數調節的方法，在高速DSP控制下進行REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的組件開發。REDUCT慣性定位地下管線測繪的動態采集的范圍為-12dB～+20dB，采用32位定時器/計數器進行地下管線測繪系統的信號濾波檢測，采用Revit軟件進行REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的信號傳輸控制[6]。

1.2 系統的功能組件分析

采用多功率調節方法，實現16位的REDUCT慣性定位地下管線測繪系統聲信號輸出控制，采用基于ANSIC內核控制，進行地下管線測繪系統的時間驅動控制和設計，得到地下管線測繪系統的LabWindows/CVI模型。通過回調函數編程的方法，進行輸出穩定性調節，建立測繪系統的ANSIC 編譯、連接、調試模型，系統的組件構成如圖2所示。

圖2 系統的組件構成

根據圖2的系統組件結構，進行REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的組件開發和測試。結合嵌入式的ARM進行REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的總線輸出控制設計，采用ADSP-BF537BBC-5A實現REDUCT慣性定位地下管線測繪系統控制總線傳輸和自適應控制，建立REDUCT慣性定位模型。通過探測的聲信號傳輸帶寬為20位，構建系統的時鐘控制總線。通過PLC總線傳輸和時鐘控制總線協議控制，采用RFID標簽識別技術，進行REDUCT慣性定位和時鐘補償[7]。構建CPU時鐘，實現對地下管線測繪過程中的聯合總線控制，得到系統的總線傳輸結構模型，如圖3所示。

圖3 系統的總線傳輸結構模型

2.地下管線測繪系統集成設計實現

2.1 算法設計

在上述構建了REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的總體結構模型的基礎上，進行地下管線測繪陀螺儀測繪裝置調速優化控制，建立地下管線測繪聯控參數模型，得到輸出函數fu（x）定義，如式（1）所示：

式（1）中，σ為一個較大的常數，表示慣性定位的啟停時間間隔；x為地下管線測繪的啟動時間順序函數，通過對地下管線的膜厚等參數分析，得到摩擦力矩值在流場的控制迭代方程，如式（2）、式（3）所示：

式（2）、式（3）中，w為地下管線測繪的軸承啟停過程瞬態慣性權重；c1和c2為摩擦力矩值和慣性特征量；rand（）和Rand（）為兩個在[0,1]范圍里變化的隨機值；pid為全塑性接觸特征量；xid為推力啟停的瞬態分量。

基于REDUCT慣性定位的摩擦力矩值在流場的分布特性，構建慣性測繪的控制目標函數，如式（4）所示：

式（4）中，f0（X）為控制目標函數；pi（X）為接觸特征量；ε為一個小的常數；wp、wv、wc分別為各誤差源對導航定位參數的慣性誤差；Vt（X）為慣性定位的北向速度誤差；C（X）為慣性定位的東向速度誤差；fu為頻率參數；Tem和T*em分別為組合導航的信息導入分量；ωmaxr為校正捷聯慣導系統的最大差分值；ω*r為REDUCT慣性定位緯度誤差；Bsy和Bkneesy為REDUCT慣性定位的模糊演化參數和姿態誤差角。由此構建了地下管線測繪的定位算法，通過REDUCT慣性定位，實現對地下管線的實時狀態分析和定位檢測。

2.2 系統的硬件設計

結合ARM技術構建REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的物理設備組件，建立REDUCT慣性定位地下管線測繪的硬件結構模型，采用高速DSP進行智能REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的功能模塊化設計，通過中斷復位程序進行REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的輸出中斷控制，建立地下管線測繪系統的基陣定位模型，采用多通道的地下聲通道信息采集和數據實時記錄的方法，進行REDUCT慣性定位地下管線測繪的實時數據采集，設計AD信息采集電路，實現對REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的傳感信息采集。在進行地下管線測繪過程中現場數據分析和數據實時記錄的基礎上，結合觸發總線、模擬總線等測試儀器，進行地下管線測繪過程中的REDUCT慣性定位。考慮到數據的高速與高實時性，通過REDUCT陀螺整體控制，結合32位嵌入式的交叉編譯技術，進行REDUCT慣性定位地下管線測繪系統的硬件模塊設計，實現系統集成設計。系統硬件實現流程圖如圖4所示。

圖4 系統硬件實現流程圖

3.試驗測試分析

通過試驗驗證本文方法在實現地下管線測繪和定位中的性能，進行試驗測試分析，采用加速Simulink的仿真REUDCT定位速度，管線測繪定位采用Gleeble3500熱力模擬試驗機，管線材料為鐵素體、貝氏體及鐵素體與貝氏體的雙相體，屈服響應的強度為80 dB，裂紋尖端張開位移為0.06 mm。測繪系統的相關參數設置，如表1所示。

表1 參數設計

根據上述參數設定，在四邊形單元（CAX8型單元）格中進行管線測繪和定位，得到管線分布網格有限元圖，如圖5所示。

圖5 管線分布網格有限元圖

根據圖5的管線分布網格有限元分布，進行管線測繪定位，得到的定位結果，如圖6所示。

圖6 管線測繪定位結果

由圖6可知：管線A、B的色階圖清晰地反映管線定位情況，利用色階對定位情況與管線位置進行區分，管線分布的重點區域得到準確辨識。由此可知：本文方法可有效實現對地下管線測繪，定位參數解析準確可靠，測試定位精度，對比結果如圖7所示。由圖7可知：本文方法的測繪定位精度高于傳統方法。

圖7 測繪定位精度對比測試

4.結束語

本文建立地下管線測繪的信息化管理模型，通過同步測量和信息化監測的方法，進行地下管線測繪系統模型構造，提高地下管線測繪和項目工程管理能力。通過智能聲信號定位和管道的回聲定位設計方法，建立測繪系統的遙感和CT檢測模型，進行地下管線測繪陀螺儀測繪裝置調速優化控制，實現對地下管線的實時狀態分析和定位檢測。測試得出，本文方法進行地下管線測繪的定位精度較高。