管道中心線的慣性導(dǎo)航測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種埋地管道的管道中心線的慣性導(dǎo)航測(cè)量方法。它采用慣性導(dǎo)航檢測(cè)定位器進(jìn)行測(cè)量，該慣性導(dǎo)航檢測(cè)定位器由移動(dòng)載體單元、慣性測(cè)量單元、里程輪、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)下載及處理單元、速度控制單元、地面跟蹤定位及電源管理單元構(gòu)成；其流程為：先對(duì)檢測(cè)設(shè)備設(shè)置參數(shù)；結(jié)合GPS系統(tǒng)完成初始坐標(biāo)設(shè)置；設(shè)備自檢及歸零；如未完成，則轉(zhuǎn)回對(duì)檢測(cè)設(shè)備設(shè)置參數(shù)；如完成，則將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搭載至檢測(cè)器或其他載體上；檢測(cè)并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；檢測(cè)完畢；GPS系統(tǒng)對(duì)末端位置進(jìn)行標(biāo)定；下載數(shù)據(jù)并進(jìn)行后處理，解算中心線數(shù)據(jù)；誤差修正并完成坐標(biāo)繪制；結(jié)束。本發(fā)明能夠精確描繪出管道中心線三維坐標(biāo)、走向、位移甚至管道變形。
【專利說(shuō)明】管道中心線的慣性導(dǎo)航測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種適用于埋地管道中心線位置高精度定位的測(cè)試方法。涉及管道位移監(jiān)測(cè)及油氣管道安全運(yùn)行【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國(guó)內(nèi)油氣行業(yè)的不斷發(fā)展，長(zhǎng)距離埋地油氣管道越來(lái)越多的應(yīng)用于油氣產(chǎn)品的運(yùn)輸之中。由于地質(zhì)災(zāi)害等的影響會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生位移、變形，從而在局部管體產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)變，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管道失穩(wěn)或材料破壞，局部彎曲應(yīng)變處的管體除承受正常的內(nèi)壓載荷外，還承受彎曲應(yīng)變附加的彎曲應(yīng)力載荷，因此管道彎曲應(yīng)變的存在嚴(yán)重影響管道的結(jié)構(gòu)完整性與運(yùn)行安全，特別是彎曲應(yīng)變處存在嚴(yán)重缺陷時(shí)更容易導(dǎo)致管道失效使得管道的安全性得不到保障。管道的安全性在油氣傳輸中有著非常重要的地位，一旦管道出現(xiàn)問(wèn)題，油氣的輸送就會(huì)受到影響。為了避免管道失效事故的發(fā)生，需要對(duì)管道的中心線位置進(jìn)行定位測(cè)量，以確定管道當(dāng)前的具體位置，并對(duì)比以往數(shù)據(jù)進(jìn)行位移、變形計(jì)算。根據(jù)測(cè)繪數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)管道結(jié)構(gòu)完整性，查找管道發(fā)生較大變形的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，從而提前采取有效的措施。
[0003]目前對(duì)于管道位置的檢測(cè)，主要采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、管道探測(cè)儀、地探雷達(dá)等方法，但是由于管道掩埋于地下，使得這些技術(shù)對(duì)定位管道中心線位置存在很大的局限性，難以做到全面、系統(tǒng)地檢測(cè)管道的位移甚至變形。
[0004]慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種先進(jìn)的導(dǎo)航方法，它利用慣性元件(陀螺儀、加速度計(jì))測(cè)量出運(yùn)動(dòng)載體的加速度等參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后便可以獲得物體速度和位置，供導(dǎo)航使用。由于它的完全自主性，慣性導(dǎo)航已經(jīng)廣泛用于航天、航空、航海和許多民用領(lǐng)域，成為目前各種航行體上應(yīng)用的一種主要導(dǎo)航設(shè)備，能夠提供精確的姿態(tài)和多種導(dǎo)航信息。但還未應(yīng)用于管道中心線的測(cè)量上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是發(fā)明一種能夠精確描繪出管道中心線三維坐標(biāo)、走向、位移甚至管道變形的管道中心線的慣性導(dǎo)航測(cè)量方法。
[0006]基于慣性導(dǎo)航的管道中心線測(cè)量方法如圖1和圖2所示。用于測(cè)量的慣性導(dǎo)航檢測(cè)定位器由移動(dòng)載體單元、慣性測(cè)量單元、里程輪、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)下載及處理單元、速度控制單元、地面跟蹤定位及電源管理單元構(gòu)成。其流程為:
[0007]在檢測(cè)開(kāi)始后，對(duì)檢測(cè)設(shè)備設(shè)置參數(shù)；
[0008]結(jié)合GPS系統(tǒng)完成初始坐標(biāo)設(shè)直；
[0009]設(shè)備自檢及歸零；
[0010]如未完成，則轉(zhuǎn)回對(duì)檢測(cè)設(shè)備設(shè)置參數(shù)；如完成，則將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搭載至檢測(cè)器或其他載體上；
[0011]檢測(cè)并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；
[0012]檢測(cè)完畢；[0013]GPS系統(tǒng)對(duì)末端位置進(jìn)行標(biāo)定；
[0014]下載數(shù)據(jù)并進(jìn)行后處理，解算中心線數(shù)據(jù)；
[0015]誤差修正并完成坐標(biāo)繪制；
[0016]結(jié)束。
[0017]在檢測(cè)開(kāi)始后，對(duì)檢測(cè)設(shè)備設(shè)置參數(shù)；結(jié)合GPS系統(tǒng)完成初始坐標(biāo)設(shè)置；完成里程輪的歸零及設(shè)備自檢。其后將慣性導(dǎo)航單元搭載管道內(nèi)檢測(cè)器或其他載體上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)依靠管道內(nèi)液體或氣體的壓力，推動(dòng)檢測(cè)器或載體在管道內(nèi)進(jìn)行速度較穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。定位內(nèi)檢測(cè)器或載體在管道中長(zhǎng)時(shí)間行走、檢測(cè)，由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集慣性測(cè)量單元內(nèi)加速度計(jì)、陀螺儀以及外置里程輪的數(shù)據(jù)，進(jìn)行慣性導(dǎo)航姿態(tài)、速度等參數(shù)采集，通過(guò)濾波和迭代估計(jì)出導(dǎo)航誤差并修正，從而得到高精度的位置、姿態(tài)角和速度信息。軌跡測(cè)繪系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示。
[0018]慣導(dǎo)數(shù)據(jù)經(jīng)慣性導(dǎo)航解算，獲取載體的姿態(tài)矩陣和速度向量，結(jié)合里程輪數(shù)據(jù)，采用航位推算算法，求算出載體的位置向量，即載體在管道內(nèi)的位置變化量，加上初始坐標(biāo)既可得到載體在管道內(nèi)的瞬時(shí)位置，所有位置連接起來(lái)，獲得管道中心線數(shù)據(jù)。
[0019]由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)依靠推算方法確定載體位置，誤差隨時(shí)間累積，需要通過(guò)GPS系統(tǒng)對(duì)慣導(dǎo)進(jìn)行校正。首先，采用差分GPS獲取高精度的標(biāo)定坐標(biāo)，將一臺(tái)GPS接收機(jī)放置在一個(gè)已知點(diǎn)上，一臺(tái)放置在待測(cè)點(diǎn)上，同時(shí)接受來(lái)自GPS衛(wèi)星星座的信號(hào)，由于兩臺(tái)接收機(jī)具有相同的星歷誤差、電離層延遲誤差、對(duì)流層延遲誤差等，經(jīng)過(guò)差分解算消除測(cè)量點(diǎn)誤差，獲取高精度的GPS位置。然后，將慣導(dǎo)位置數(shù)據(jù)、速度向量、里程計(jì)數(shù)據(jù)和GPS坐標(biāo)采用優(yōu)化濾波(前卡爾曼濾波)算法，獲取慣導(dǎo)裝置的姿態(tài)矩陣誤差，里程計(jì)誤差等誤差估計(jì)值，再次經(jīng)航位推算解算，從數(shù)據(jù)中減去所有誤差值。最后，反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，采用后向數(shù)據(jù)解算方法，模擬測(cè)量裝置在管線內(nèi)反方向運(yùn)行，經(jīng)過(guò)同樣處理過(guò)程解算出載體在管線內(nèi)的位置，將正向計(jì)算結(jié)果和反向計(jì)算結(jié)果合并，經(jīng)優(yōu)化濾波平滑算法，獲取載體在管線內(nèi)任一位置的最優(yōu)估計(jì)值，完成標(biāo)定計(jì)算。
[0020]慣性導(dǎo)航測(cè)量裝置向速度控制環(huán)節(jié)傳遞內(nèi)檢測(cè)器實(shí)時(shí)速度，構(gòu)成控制閉環(huán)，達(dá)到速度控制目的；通過(guò)地面跟蹤定位確定內(nèi)檢測(cè)器位置，保持和地面的聯(lián)系；將慣性導(dǎo)航測(cè)量裝置、地面跟蹤定位單元測(cè)得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)內(nèi)檢測(cè)器或載體從管道中出來(lái)以后，再次利用GPS系統(tǒng)對(duì)末端位置進(jìn)行標(biāo)定，并將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和里程輪的里程信息融合，利用地面跟蹤定位單元已知的高精度位置信息結(jié)合里程計(jì)航位推算結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差進(jìn)行修正，以進(jìn)一步提高定位精度從而完成對(duì)管道軌跡的精確測(cè)量，繪制管道中心線軌跡，確定管道中心線具體位置。
[0021]通過(guò)使用高精度的慣性導(dǎo)航單元，可以使得地面參考點(diǎn)距離為Ikm時(shí)定位誤差小于2m。本測(cè)量方法完全能夠滿足埋地管道中心線定位需要。
[0022]本發(fā)明根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特性提出了一種管道中心線的慣性測(cè)量方法。將其搭載至管道內(nèi)檢測(cè)器上對(duì)油氣管道進(jìn)行檢測(cè)，可以在管道正常運(yùn)行狀態(tài)下，使用慣性測(cè)量單元測(cè)繪出管道的三維相對(duì)位置坐標(biāo)，結(jié)合地面高精度參考點(diǎn)GPS坐標(biāo)定位及修正，能夠精確描繪出管道中心線三維坐標(biāo)與走向。利用管道慣性測(cè)繪內(nèi)檢測(cè)獲得的管道中心線曲率變化數(shù)據(jù)，能夠有效識(shí)別出由于環(huán)境因素等所誘發(fā)的管道局部變形與位移區(qū)域，并評(píng)價(jià)相應(yīng)區(qū)域管道的結(jié)構(gòu)完整性，為管道事故的預(yù)防和合理維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)保證管道的安全運(yùn)行具有重要作用。今后，將管道慣性測(cè)繪數(shù)據(jù)與變形、漏磁、超聲內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，能夠解算出管道所有參考環(huán)焊縫的GPS坐標(biāo)，并繪制成工程圖，極大方便管道維修方案制定與開(kāi)挖定位，提高維修效率，節(jié)省維修費(fèi)用。另外，管道位移檢測(cè)技術(shù)獲取的管道中心線坐標(biāo)還是管道完整性管理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS、GPS等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)管道的數(shù)字化、可視
化管理。
[0023]本發(fā)明能夠測(cè)繪埋地管道的中心線位置、走向、位移甚至管道變形。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1管道中心線慣性導(dǎo)航測(cè)試方法流程圖
[0025]圖2軌跡測(cè)繪系統(tǒng)原理示意圖
[0026]圖3第一次檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)軌跡(管道測(cè)繪曲線)
[0027]圖4第二次檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)軌跡(管道測(cè)繪曲線)
[0028]圖5三次測(cè)試檢測(cè)器軌跡比較(管道測(cè)繪曲線)
[0029]圖6三次測(cè)試檢測(cè)器軌跡“經(jīng)度-高度”曲線
【具體實(shí)施方式】
[0030]實(shí)例例.用于測(cè)量的慣性導(dǎo)航檢測(cè)定位器由移動(dòng)載體單元、慣性測(cè)量單元、里程輪、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)下載及處理單元、速度控制單元、地面跟蹤定位及電源管理單元構(gòu)成。其流程為:
[0031]在檢測(cè)開(kāi)始后，對(duì)檢測(cè)設(shè)備設(shè)置參數(shù)；
[0032]結(jié)合GPS系統(tǒng)完成初始坐標(biāo)設(shè)直；
[0033]設(shè)備自檢及歸零；
[0034]如未完成，則轉(zhuǎn)回對(duì)檢測(cè)設(shè)備設(shè)置參數(shù)；如完成，則將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搭載至檢測(cè)器或其他載體上；
[0035]檢測(cè)并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；
[0036]檢測(cè)完畢；
[0037]GPS系統(tǒng)對(duì)末端位置進(jìn)行標(biāo)定；
[0038]下載數(shù)據(jù)并進(jìn)行后處理，解算中心線數(shù)據(jù)；
[0039]誤差修正并完成坐標(biāo)繪制；
[0040]結(jié)束。
[0041]使用本測(cè)量方法對(duì)某管道進(jìn)行了多次測(cè)量。第一次測(cè)試使管道保持統(tǒng)一水平高度進(jìn)行測(cè)量。在正式檢測(cè)之前，首先對(duì)管道起點(diǎn)中心位置進(jìn)行定位，經(jīng)度為116.731304、緯度為39.489336、高度為25.0m，設(shè)定載體速度為lm/s，由于檢測(cè)器或載體以旋轉(zhuǎn)方式在管道中前進(jìn)，所以對(duì)載體車輪側(cè)偏3度。待系統(tǒng)自檢完畢后，開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。如圖3為檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)軌跡圖。從圖3中及檢測(cè)數(shù)據(jù)可以得到，檢測(cè)器在管道中旋轉(zhuǎn)約2.5圈，前進(jìn)距離為96.5946m，且完全得到整條管道中心線的坐標(biāo)。檢測(cè)完畢后對(duì)管道長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際長(zhǎng)度為96.6m,與檢測(cè)器測(cè)試結(jié)果基本一致。
[0042]第二次進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，比較數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。如圖4，為第二次充分測(cè)量數(shù)據(jù)。
[0043]第三次測(cè)試將管道中部沉降0.25m，通過(guò)本測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)量。如圖5所示，第三次測(cè)試軌跡與前兩次測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比。如圖6所示為三次測(cè)試檢測(cè)器軌跡“經(jīng)度-高度”曲線，從圖中可以明顯看出第三次測(cè)量與前兩次測(cè)量的中部高度相差約0.23m，這與實(shí)際管道下沉高度一致，證明了本測(cè)試方法的準(zhǔn)確性。
[0044]本例經(jīng)試驗(yàn)，能夠測(cè)繪埋地管道的中心線位置、走向、位移甚至管道變形。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于埋地管道的管道中心線的慣性導(dǎo)航測(cè)量方法，其特征在于采用慣性導(dǎo)航檢測(cè)定位器進(jìn)行測(cè)量，該慣性導(dǎo)航檢測(cè)定位器由移動(dòng)載體單元、慣性測(cè)量單元、里程輪、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)下載及處理單元、速度控制單元、地面跟蹤定位及電源管理單元構(gòu)成；其流程為: 在檢測(cè)開(kāi)始后，對(duì)檢測(cè)設(shè)備設(shè)置參數(shù)； 結(jié)合GPS系統(tǒng)完成初始坐標(biāo)設(shè)置； 設(shè)備自檢及歸零； 如未完成，則轉(zhuǎn)回對(duì)檢測(cè)設(shè)備設(shè)置參數(shù)；如完成，則將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搭載至檢測(cè)器或其他載體上； 檢測(cè)并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)； 檢測(cè)完畢； GPS系統(tǒng)對(duì)末端位置進(jìn)行標(biāo)定； 下載數(shù)據(jù)并進(jìn)行后處理，解算中心線數(shù)據(jù)； 誤差修正并完成坐標(biāo)繪制； 結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道中心線的慣性導(dǎo)航測(cè)量方法，其特征在于所述檢測(cè)并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)是由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集慣性測(cè)量單元內(nèi)加速度計(jì)、陀螺儀以及外置里程輪的數(shù)據(jù)，進(jìn)行慣性導(dǎo)航姿態(tài)、速度參數(shù)采集。 通過(guò)濾波和迭代估計(jì)出導(dǎo)航誤差并修正，從而得到高精度的位置、姿態(tài)角和速度信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道中心線的慣性導(dǎo)航測(cè)量方法，其特征在于所述解算中心線數(shù)據(jù)是獲取載體的姿態(tài)矩陣和速度向量，結(jié)合里程輪數(shù)據(jù)，采用航位推算算法，求算出載體的位置向量，即載體在管道內(nèi)的位置變化量，加上初始坐標(biāo)即可得到載體在管道內(nèi)的瞬時(shí)位置，所有位置連接起來(lái)，獲得管道中心線數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道中心線的慣性導(dǎo)航測(cè)量方法，其特征在于所述誤差修正是采用差分GPS獲取高精度的標(biāo)定坐標(biāo)，將一臺(tái)GPS接收機(jī)放置在一個(gè)已知點(diǎn)上，一臺(tái)放置在待測(cè)點(diǎn)上，同時(shí)接受來(lái)自GPS衛(wèi)星星座的信號(hào)，由于兩臺(tái)接收機(jī)具有相同的星歷誤差、電離層延遲誤差、對(duì)流層延遲誤差，經(jīng)過(guò)差分解算消除測(cè)量點(diǎn)誤差，獲取高精度的GPS位置；然后，將慣導(dǎo)位置數(shù)據(jù)、速度向量、里程計(jì)數(shù)據(jù)、GPS坐標(biāo)采用前卡爾曼濾波算法，獲取慣導(dǎo)裝置的姿態(tài)矩陣誤差和里程計(jì)誤差估計(jì)值，再次經(jīng)航位推算解算，從數(shù)據(jù)中減去所有誤差值；最后，反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，采用后向數(shù)據(jù)解算方法，模擬測(cè)量裝置在管線內(nèi)反方向運(yùn)行，經(jīng)過(guò)同樣處理過(guò)程解算出載體在管線內(nèi)的位置，將正向計(jì)算結(jié)果和反向計(jì)算結(jié)果合并，經(jīng)優(yōu)化濾波平滑算法，獲取載體在管線內(nèi)任一位置的最優(yōu)估計(jì)值，完成標(biāo)定計(jì)算。
【文檔編號(hào)】G01B15/06GK103697886SQ201210367128
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】馮慶善, 王學(xué)力, 李睿, 張海亮, 韓小明, 靳宏遠(yuǎn), 馮文興, 戴聯(lián)雙, 燕冰川, 李保吉, 項(xiàng)小強(qiáng), 任重, 劉成海, 賈光明, 于智博, 沙勝義, 趙曉明 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司