惯性陀螺仪在地下管线测量的技术分析和应用

惯性陀螺仪在地下管线测量的技术分析和应用

叶本育

佛山市南海燃气发展有限公司广东佛山528200

摘要：本文分析了地下管线测量技术常用方法和未来的发展趋势。并将惯性陀螺仪定位新技术引入到地下管线测量中，着重阐述和分析惯性陀螺仪的工作原理以及技术分析，通过实例验证了惯性陀螺仪在地下管线测量领域是切实可行的，该技术的应用将为地下管线管理及维护提供准确可靠的基础资料。

关键词：地下管线、惯性陀螺仪、测量技术

1前言

近年来城市建设的迅速发展，地下管线网络系统日益发达，如何准确掌握地下管线的位置信息，科学地利用地下空间，消除潜在的安全隐患的尤为重要。特别是电力电缆、通讯光缆、燃气、给排水管线、石油等行业常常需要穿越铁路、公路、河流等障碍物敷设管线，如何精准的测量地下管线的位置与埋深，已成为急需解决的问题。而惯性陀螺仪定位技术作为地下管线测量的一种新技术，具有定位精度高、不受周围环境和电磁干扰等优点，更好地解决一些其它测量手段不能解决的实际问题。

2地下管线测量技术发展情况

2.1地下管线常用测量技术

地下管线作为城市重要的基础设施。因部分地下管线施工建设过程中，由于施工管理、施工环境和技术条件等限制，不能对新建管线进行竣工测量，导致敷设的管线埋深深度和空间位置数据信息不准确，给后续工程建设及管线运行埋下了安全隐患。

目前地下管线测量常用方法主要有利用电磁测量、探地雷达和磁测量等方法，上述的测量方法都是利用周围介质的物理特性差异进行深测。针对不同材质管线和不同地形采用不同的测量方法，如对电力、电信以及金属质的管线，需采用电磁测量方法，对非金属管线则采用探地雷达方法。上述方法都是基于感应原理，因此测量深度受到限制，可测量埋深范围均小于5米，当管线埋深大于5米以上，所测量出的数据偏差较大或无法测量。也容易受到施工地面上和地下的电磁或其它管线磁场干扰，都会对管线埋深和位置测量带来很大影响，甚至使得无法获取有用信息。并且这些测量方法都需要在管线经过上方的地面上进行人工作业，当待测管经过建筑物、高速公路、河流等复杂的地质时，测量工作将无法进行。

2.2地下管线测量技术发展趋势

地下管线的安全运行涉及至城市的安全与稳定，但是常规测量方法只能解决浅表层埋深和位置的测量，测量结果也难以满足工程施工对管线数据的需求，现有的各种地下管线测量方法存在种种局限性，因此工程上急需发展新的管线测量技术以满足实际测量的需求。测量新技术应具有较强的抗干扰能力或不受任何磁场干扰，能在各种复杂环境下进行测量，也不受管线材质、地质条件和管线埋深等因素影响，并具有测量设备自动化，数据自行运算获得，消除人工作业和主观判断误差因素，从而实现高精确度的地下管线测量数据信息。

3惯性陀螺仪技术原理和分析

3.1惯性陀螺仪技术原理

惯性陀螺仪是以惯性定律为原理，以陀螺仪作为技术核心，用来感测与维持方向，是基于角动量守恒定律的理论设计出来的，即一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外为影响时，是不会改变的。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，可以工作很长时间。陀螺仪用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统，将陀螺仪定位置于管线内，并使其沿管线移动，移动的同时定位仪即能实时测量管线水平及垂直方向数据，并存储入记忆体，移动结束后，将定位仪中数据传输至工作电脑中，使用专业处理软件进行计算处理，便可得到管线精确数据。

3.2惯性陀螺仪结构

陀螺仪结构可以分为遥控传感器和陀螺仪。遥控传感器是陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。

陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴上加一内环架，那么陀螺仪就可环绕飞行两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕飞行三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪。

3.3惯性陀螺仪定位技术

惯性陀螺仪定位技术是近年来出现的一项管线测量新技术。它结合了陀螺仪定向、惯性导航、计算机三维计算等技术，拖曳惯性陀螺定位仪穿行于待测管线，自动追踪记录其在管线内的运动轨迹，生成管线中心轴线的三维坐标与位置图。测量时受管线材质、管线埋深、周围环境和地质影响较小，只要惯性陀螺定位仪能够穿行于待测的施工管线，即可实现高精确度的管线测量。具体工作流程主要有以下几个方面：

1、前期资料准备，确定测量方案，清理场地具备满足工作要求，确保工作进行顺利。

2、管线施工完成后，管线起终端点测量，精确测量待测管线起终端点的三维坐标，作为惯性陀螺定位仪测量的起算校核资料和计算校核管线的三维坐标。

3、惯性陀螺定位仪测量，将测量探头直接置于管线中心内，用牵引绳牵引探头在管线内匀速移动。在管线的起点、终点要稍作停顿，以便测量系统对测量探头进行有效定位。

4、当测量探头在管线内移动时，其内部存储设备可以同步记录探头的管线中心移动轨迹。

5、测量完成后，读取测量数据，并输入管线的起点、终点坐标，采用专用软件依据该起算数据及管线中心轨迹，可以立即自动计算管线中心各点的三维坐标。

6、现场利用软件处理生成的管线三维成果提交，编制报告及图件，提供管线测量成果。

3惯性陀螺仪应用案例分析

某市燃气公司，施工中压燃气Φ426钢管，采用非开挖穿越河道施工工艺。但是电力公司要在紧临燃气管线的位置进行施工，需提供该段燃气管线准确具体位置和其它数据信息。因该管线总长度接近350m，中间穿越河面宽达100m的河道，管线埋深由浅至深约在1.5m至15m之间，由于埋深较深，地质情况复杂等因素。如采用传统的测量方法，数据精度很低，并且可靠性差，较难对该管线进行准确的定位测量，无法作为施工依据，因此决定采用惯性陀螺仪对该管线进行定位测量。惯性陀螺仪是直接三维数据，不受任何电磁干扰、地形限制及埋深的深度影响，同时可以看出管线剖面曲线图，能够连续获取管线任何一点的三维数据。经现场施测，并采用专业软件进行数据处理分析，最终测得该管线的三维坐标及管线平面、纵断面成果图。电力公司根据所提供的燃气管线数据信息重新确定电力施工位置，成功避免了事故的发生。

4结论

目前传统的测量方法对新敷设地下管线的测量，在施工过程中往往会遇到各种问题，造成数据偏差较大，而编制竣工资料时，因为不能接触管线进行直接测量，大多采用设计资料或理论数据来确定管线路径，从而给后面临近管线的交叉施工、管线检修等工作留下很大的安全隐患。

惯性陀螺仪定位技术可以应用于各类地下管线的测量，具有高精度、不受地形限制和抗干扰强等特点。尤其是对采用非开挖施工或管线上方有河流、公路、建筑等阻挡物，造成传统测量无法对管线进行定位时。均可利用该方法进行新敷设管线的竣工测量、工程验收以及旧管线的定位。此技术在以后的管线运营管理和维护中将会起到十分重要的作用。

参考文献：

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[2]洪立波，城市地下管线面临的挑战与机遇[J]．地下管线管理，2005（4）

[3]邹延延，地下管线探测技术综述[J]．勘探地球物理进展，2006（15-17）

[4]余艳阳，惯性管道测绘仪（IPSS）设计与实现[J]．电子测量技术，2009（75-78）