基于慣性導航技術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、系統穩定性好，幾乎不受檢測深度限制和電磁場干擾。

關鍵詞：電纜頂管位置檢測；慣性導航技術；導向儀測量；電磁管線探測法

在電纜線路工程建設中，為了避讓建筑物和地下管線以及避免對城市環境和道路交通造成負面影響，電纜敷設大多采用頂管進行非開挖施工。施工過程中，管道位置受到地層影響會產生偏移。為了確保電纜線路與城市供水、排污、燃氣、通信和電力等管線之間的安全距離，以及滿足電纜維護檢修和市政建設的需求，檢測出施工后頂管的實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向數據，由于地下管線不明及導向儀測量誤差，與實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，檢測數據不夠穩定且誤差較大，往往達不到檢測效果。

針對上述現狀，我們將慣性導航測量技術引進電纜行業，采用慣性元件和磁敏感元件的多傳感器數據融合方法實現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的影響。

1 地下管線基本形態分析

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

參考文獻[1]并結合施工經驗對頂管后管線整體起伏度進行管線曲率進行分析，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，根據調研，實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的設計

2.1 硬件系統的設計

2.1.1 核心部件慣性導航元件的選型

電纜頂管后反映的空間運動形式為線性和旋轉運動，要準確描述出此兩種運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航組合元件，實現了對相對空間的3個角速度和3個線加速度沿儀器坐標系的分量測量，經坐標變換運算出儀器的位置、速度、航向和水平姿態，實現對管道三維位置的實時測量（見圖1）[2]。

2.1.2 霍爾傳感器的里程計設計

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計算下來，這樣就很大了。在前幾次測驗中，發現該數據可以達到數米。

而霍爾傳感器具有線性測量高精度、開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達μm級），工作溫度范圍寬，可達﹣55 ℃～150 ℃。因此，我們將霍爾傳感器引入測量儀的支架里程計設計中。通過在前側輪上設計基于霍爾傳感器原理的高精度里程計，實時記錄設備運動軌跡里程。并通過管內控制單元對管內里程計單元進行輔助里程測量，由此可剔除因支架滾輪在管道焊接點瞬時產生的誤差值。

2.1.3 產品外型尺寸的確定

根據之前經驗得到電纜頂管的最小彎曲半徑為70 m，我們對10～220 kV所使用的管進行了產品的長度、產品的外徑、支架型式驗算。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格的管徑都進行驗算，只需對10 kV外徑為160管徑進行分析即可。參照圖3所示。

2.1.4 可變徑支架的設計

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

（1）因管線焊接點高度影響，在進行設計時要使測量儀器滿足10 kV、110 kV、220 kV等各種管內徑的需求，需具備一定的變徑能力，以適應管道通過焊接點及截面形狀的變化。同時，為保證慣性導航測量元件固定可靠，并能使其始終位于管線軸線運行。我們采用了常用的被動適應方法：借助彈簧變徑定心。經過反復試驗，確定了支架變徑范圍。

（2）測量元件與其他設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，我們進行了產品外型尺寸的設計：根據上述通過實驗確定了不同管徑下電纜頂管測量儀的最大設計長度。

（3）支架的強度要能滿足牽引力的需求。經過在實驗室反復實驗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，在保證穩定性的同時，確保設備適量比。

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

通過現場試驗將慣性導航系統與儲存器，電源、里程計、電腦之間連接，進行了系統組件聯合試驗，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航系統一起放入鎧裝圓筒中，因而在實際應用中因接線過多而且長，造成故障頻發，使用起來十分不方便。所以，我們通過反復摸索和探討，對產品進行了集成設計，對儲存器、電源和里程計等附屬元件進行改造選型，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、全新的自主設計產品，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，電源充電和數據導出都十分方便。

集成后，產品由主體結構和兩端支架組成。其中，主體結構是系統的基本部件。主體結構是一個集成體，包括管內測量單元、管內控制單元、處理計算機、內置直流電源、里程計等（見圖4）。

2.2 軟件系統的開發

2.2.1 軟件模塊的設計

硬件研發成功后，為使得“電纜頂管三維位置測量儀”測量數據可視化，并能夠實現適宜于電纜頂管檢測的可提交的驗收檢測報告、表格。我們對測量儀配套數據處理軟件進行了開發。通過開發，數據處理軟件形成了數據采集和數據后處理兩部分。其中，數據采集由管內測量單元和管外里程計組成，數據后處理包括數據計算、圖形顯示和數據管理三大單元。其原理如圖5所示。

2.2.2 對工程進行建庫管理

為了方便對檢測施工管理，結合項目管理理念。我們對工程進行了建庫管理，用戶可根據自己的習慣，對單根管線建項目，也可以建立同一位置的多根管線項目。可實現對不同時間、不同地點的管線測量管理。涉及工程內容包含原始數據、基表信息、報表數據等各種信息數據，從而實現了管道數據的標準化管理和信息化管理。

2.2.3 采用雙重坐標系統

系統采用了用戶相對坐標系和大地坐標系雙重坐標系統，可滿足不同的工程需求。

大地坐標系統是采用大地坐標和海拔值表示管線的地理位置，其主要缺點是：由于坐標值需借助GPS儀器才能觀測取得，不夠直觀。因此我們根據用戶的需求引進了用戶相對坐標系統。用戶相對坐標系統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，以任意一點為起點O點，另外一端為終點P，以O點為中心樁，建立空間三維坐標系（見圖6）。并以OP線段的前后方向為X軸，以垂直OP線段的左右方向為Y軸，上下鉛垂方向為Z軸。其最大的優點是，日后進行管線維護時，用戶可根據原有起點、終點方向樁，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，系統設置了多種顯示方式：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系，這樣就方便用戶查找。

2.2.5 圖形顯示方案設計

軟件的研發過程中，本系統首次采用了將平面投影和基于OpenGL技術的三維立體顯示相結合的圖形顯示方式，美觀實用，能夠實時繪圖和自由縮放，實現了圖形數據和文字數據的交互，具有良好的人機界面。

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行三維立體旋轉顯示等，從而實現了管道的空間方向、俯視方向、側視方向三維查看。

空間三維查看，主要查看官道空間三維姿態。實現鼠標控制空間自由旋轉，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據。鼠標控制縮放、平移等操作，實現在線路上選點，實時查看點位信息數據。

側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據。鼠標控制縮放、平移等操作，實現在線路上選點，實時查看點位信息數據。

主要為實現管道測量數據與現場用戶設立的基表樁聯系，達到將管線測量數據處理成與現場基樁一致數據。系統共設置了基表點配置和基本配置兩項。

用戶可根據現場樁位、管口起點終點的坐標、水平距離及高差進行基表點設置。這樣就能通過在現場設立的樁位快速準確地找到管道位置，并能夠導入管道起點和終點相對信息數據（坐標或平距、高差）以及管道起點終點與基表點的相對關系數據（X偏差、Y偏差、Z偏差）。

2.2.6 檢測圖和檢測表制版

設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行統一版式設計。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，輸出內容包括相對數據、絕對數據等，模板自定義。

3 結語

本文開發成果的實現為電纜埋管位置的精確測量提供了一種高精度和高穩定性的重要手段，其系統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的設計誤差要求。彌補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，在電力行業實現了又一次巨大的超越。