【储运服务】惯性陀螺仪在非开挖燃气施工管线定位测量中的应用研究
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阙雄文 | 华润燃气
摘 要 ：近年来，燃气施工管线的敷设大量运用了非开挖施工技术。应用这种技术，对管线的埋藏深度要求较高，因此，常规的测定方式无法确定管线的准确位置，这就增加了后期交叉施工的风险性。为了有效解决管线的定位问题，采用惯性陀螺仪对管线进行定位测量，通过发挥惯性陀螺仪精准定位功能的优势，不仅确保了测量精度，同时提升了工作效率。
关键词：关键词 惯性陀螺仪；非开挖燃气施工管理；定位测量；应用研究
0 引言
由于一般的管线探测仪容易受到电磁场干扰以及复杂的地理结构的影响，在识别非开挖燃气管理线的具体走向时，准确度不高。为了快速获取管线的位置信息，使地下空间得到合理利用，杜绝安全事故及次生事故的发生，经过测量 人员的深入研讨和实际尝试，肯定了惯性陀螺仪应用效果， 解决了传统测量措施无法解决的问题。
1 管道三维测量技术原理及实施流程
1.1 管道三维测量技术的工作原理
陀螺仪就是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动检测装置，在不施加任何外力的前提下，这种装置的状态不会发生改变， 也正是基于这个特性，人们才研制出陀螺仪。陀螺仪的旋转 速度惊人，正常情况下，转速可达到每分钟几十万转。而在陀螺仪的应用过程中，对旋转轴指示方向的确认可以通过多种 方法实现，当确认旋转轴指示方向后，测量数据将传输给整 个探测系统[1]。
陀螺仪在旋转过程中，如果受到外力作用，转动轮的某 一个点就会同时受力而使陀螺仪立刻发生倾斜，而陀螺仪受力点的势能如果低于陀螺仪旋转时速，这时的受力点就会因为陀螺仪的倾斜而滑向斜上角。而在向斜上角运行时，陀螺仪受力点势能还在向下运行，这就使得陀螺仪到达斜上角时，受力点的剩余势能将向下运行。与受力点相反的直径另 一端，同样具备了相应的势能，这个势能与受力点运动方恰恰相反，受力点向下，而势能向上，通常将这个点称为联动受力点。当联动受力点旋转角度达到180°时，从斜上角到达斜下角，这时的联动受力点就会将陀螺仪向上拉动。而在受力点与联动受力点相互作用下，陀螺仪回归到平衡状态。
在实际应用中，惯性陀螺仪与加速度计随着坐标系的不断变化，加速度的性质也发生改变，变成了沿导航坐标方向 的加速度。比如将北向加速度计与东向加速度计实测的加速度数值 aN、aE 进行一次积分，与东、北两向的初始速度 VN0、 VE0得出的速度分量，即将速度 VN和 VE进行变换并再次积分而得到定位仪的位置变化量，此时再与初始经纬坐标相加，就可以确定管线的实际位置。由于惯性陀螺仪的误差值非常小，只有15cm，而探测深度达到 500m以上，因此，这种探测仪器具有很高的应用价值[2]。
1.2 基于陀螺仪的管道三维测量系统的组成部分
管道三维测量系统主要由两部分组成，分别是里程仪与惯性测量单元。
（1）里程仪由里程脉冲采集系统与里程轮构成。里程轮借助于载体处于固定位置，随着载体的运动轨迹而有规律的滚动。在滚动过程中，如果不考虑打滑因素，载体前进距离与滚动距离始终保持在相同状态。沿着滚动轨迹，里程的转动受到固定轴传感器的控制，完成脉冲信号的收集采样过程。此时，当转动轮工作时，每形成一个角度，就会产生一个脉冲 信号，工作人员根据显示屏幕上的脉冲数据，能够运算出载体的实际运动距离。
（2）惯性测量单元就是测量物体三个轴姿态角以及加速度的装置。通常情况下，三个单轴陀螺与三个单轴加速度仪构成一个惯性测量单元。而载体坐标系统的加速度信号能够借助于加速度计检测出来，角速度信号则借助于陀螺仪的检测功能而得到相应数据。利用这种方法，能够准确地判断出物体的存在或运行状态，并得出精确的计算数据。由于这种方法的测量精度较高，因此，也被广泛应用于飞机、潜水艇及航天器等领域，并收到理想的应用效果。
1.3 管道三维测量定位系统的组成部分
管道三维测量的定位系统主要由硬件和软件两部分组 成。硬件包括行进部分、管线内部测量单元、外部控制单元以及 PC机。测量单元用于提供电源、获取并存储管道的三维数据，在定位测量时，仪器内含的微型姿态系统与高精度光纤陀螺及磁罗盘同步前行，记下每一个运动轨迹的信息数据。行进构件由轮组构成，它主要计算行进距离，通过数据线传输到测量单元内部的存储系统。外部控制单元的开关主要控制测量单元的开机与停机。而软件部分位于 PC机内，它主要 用于通过PC机相关命令进行测量单元的数据下载与清空。
1.4 管道三维测量技术实施的工作流程
基于惯性陀螺仪的工作原理，在非开挖燃气施工管线定位测量中，管道三维精确定位技术在具体实施时的优势和特点。①测量仪器应旋转在管道内部，才能确保定位测量的准确度；②定位精度高，而且测量数据不间断；③采用三维测量技术完全不受地域、地形限制，不受深度限制，抗电磁干扰能力极强；④对管道的材质没有任何要求；⑤可以自动生成三 维空间曲线图，能够与地理信息系统完美兼容。
具体工作流程是：前期准备工作—地形测量及测区纵横 断面测量—管线起终端点的测量—惯性陀螺仪定位测量— 测量现场及质量判断—数据后处理—提供管线测量成果。工作人员应明确三维技术实施的工作流程，不可本末倒置，影响工作进程[3]。
2 模拟现场测试
在模拟现场测试实验时，第一步是对管线进行铺装作业，按照地下燃气管线的铺设状态进行实地模拟，将惯性陀螺仪与全站仪结合在一起，进行模拟测量，以探测出模拟管 线的实际坐标值。第二步是对陀螺仪与全站仪的测量结果进 行综合比对，比对结果显示，应用全站仪对管线进行定位测量，平面偏差一般在0.25%L以内，高程偏差在 0.10%L以内。而惯性陀螺定位测量仪与传统的全站仪测量方式相比，平面内的最大偏差为0.174m，高程最大偏差为 0.094m，偏差较大的位置均出现在曲线弯曲较大的地方。因此，结合模拟终值可以判断出，惯性陀螺仪精度较高，误差值较小，应用效果较好[4]。
3 应用实例
现以安阳华润燃气有限公司安阳市光明路次高压输气管线工程（洹北至文明大道、长江大道以南），非开挖燃气管道空间位置进行惯性陀螺仪测量为例，展现惯性陀螺仪在实际测量中的应用效果。该工程测量管道南北方向穿越人民大道，全长 513.757 m；穿越管道为管径为 406mm、钢材质的非开挖管道，采用比利时产REDUCT惯性定位仪进行三维测 量。管口坐标及数据如图 1、 表 1 所示。
图 1 管口坐标
经过多次测量，数据重复性很好，符合要求，测量管道结果数据为对应管道管顶的坐标（含高程），每隔 0.5m 选取一 组数据。测量精度符合行业标准，精度达到合同要求。4 结束语借助于惯性陀螺仪的多重优势，目前已被广泛应用于多个行业，特别针对一些远距离大型穿越工程的管线定位测量，效果更为显著。随着社会的不断进步和发展，相信这种高尖端的测量仪器必将辐射到更多社会领域，创造出更多的经济价值与社会价值。
参考文献
[1] 石炜明,危唯.惯性陀螺仪定位技术在非开挖管道定位的 应用[J].煤气与热力,2017,37(7):63- 66.
[2] 北京航空航天大学. 一种陀螺仪的惯性测量方法: 中国, CN201710126681.X[P].2017- 06- 23.
[3] 朱能发,孙士辉,王成.惯性陀螺仪在非开挖施工管线定位 测量中的应用[J].测绘通报,2016(s1).
[4] 陈亮.惯性陀螺定位技术与可视化验管工艺在管线探测中 的应用[J].中国煤炭地质,2017,29(7):75- 79.
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