GPS及慣導(dǎo)裝置在長輸管道檢測中的應(yīng)用

摘 要

摘要：管道腐蝕檢測點(diǎn)的定位及管線概貌圖形的繪制技術(shù)業(yè)已成為當(dāng)代管道在線檢測技術(shù)的目標(biāo)，本文從發(fā)展的角度對當(dāng)今國內(nèi)外此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展概況，及實(shí)現(xiàn)的可行性做了相應(yīng)的闡述。關(guān)
摘要：管道腐蝕檢測點(diǎn)的定位及管線概貌圖形的繪制技術(shù)業(yè)已成為當(dāng)代管道在線檢測技術(shù)的目標(biāo)，本文從發(fā)展的角度對當(dāng)今國內(nèi)外此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展概況，及實(shí)現(xiàn)的可行性做了相應(yīng)的闡述。
關(guān)鍵詞：GPS；管道檢測；接口
1 概況
    近年來隨著自動(dòng)化和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都取得突破性的成就。高精尖端技術(shù)的應(yīng)用同樣也使管道檢測技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。單純的長輸管道漏磁腐蝕檢測已不再是管道檢測業(yè)的先鋒，檢測方法、檢測技術(shù)的更新已成為競爭的焦點(diǎn)。向用戶快速提交高精度、高質(zhì)量的檢測報(bào)告成為管道檢測市場的關(guān)鍵需求。目前，管道檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢一是高清晰度檢測器，對管道缺陷特性進(jìn)行精確的描述；二是對管道缺陷的位置進(jìn)行精確的定位，并能永久保存。前者要求檢測器的傳感器更小、更靈敏，記錄的管道信息量更多，而后者就要求檢測器配備GPS，進(jìn)一步發(fā)展IMU(慣導(dǎo)裝置)系統(tǒng)。國外不但具有小口徑管道檢測的能力，而且全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用使得向用戶快速提交高精度、高質(zhì)量的檢測報(bào)告成為可能，如PII公司就將GPS系統(tǒng)結(jié)合慣性導(dǎo)航器件應(yīng)用到了檢測器中。這樣不但可以實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位而且可以為客戶提供精確的管道走向圖，同GIS配合使用可形成管線電子地圖數(shù)據(jù)庫，為管線的自動(dòng)化管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為以后的施工帶來了很大的方便。加拿大的Enbridge管道公司使用Trimble GPS繪制管道特征，并在地面上建立控制點(diǎn)，在線檢測儀器裝備了慣性裝置(IMU)，它能測量出并記錄下其在管道中的位置。由在線檢查手段確定出管道的特征處，例如焊接頭、閥門以及故障等位置，然后，由IMU確定出參考于GPS參考基準(zhǔn)的位置。這樣生成管道故障一覽表。在國內(nèi)，GPS系統(tǒng)的應(yīng)用也日趨廣泛，地理信息系統(tǒng)、測繪計(jì)量、航天航空海運(yùn)、汽車導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用也趨于成熟。
    本項(xiàng)技術(shù)旨在利用全球定位系統(tǒng)(GPS)結(jié)合慣性技術(shù)來確定檢測器在管道中的方位，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，通過與地面標(biāo)記的配合修正誤差、減小誤差，從而可以利用慣性器件描繪出管道的精確地理信息的坐標(biāo)，再通過里程確定腐蝕缺陷(變形點(diǎn))的地理坐標(biāo)，來實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位。
    技術(shù)關(guān)鍵
    1、選擇適當(dāng)?shù)膽T性器件，使之適用于管道中運(yùn)行的特殊要求，由于慣性器件具有漂移大、安裝方位精度要求較高，考慮到這些特點(diǎn)需要選擇靈敏度較高的器件。
    2、慣性器件測出的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過濾波算法如卡爾曼濾波，并積分轉(zhuǎn)換成為轉(zhuǎn)角信號(hào)。再結(jié)合檢測器的里程信息通過一定的算法轉(zhuǎn)換成地理信息坐標(biāo)。
    3、通過軟件將慣性器件測試數(shù)據(jù)與記錄數(shù)據(jù)融合。
2 技術(shù)方案
    2.1 整個(gè)系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成
    為了整個(gè)系統(tǒng)的安全性和不破壞原系統(tǒng)的完整性，可將GPS系統(tǒng)和慣導(dǎo)系統(tǒng)同原記錄儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分離。每個(gè)系統(tǒng)可獨(dú)立工作，互不干擾。運(yùn)行結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)合成。
硬件部分：
    系統(tǒng)通過原有檢測器記錄儀和慣性記錄單元擴(kuò)展而成，慣性記錄單元主要用來采集和計(jì)算偏轉(zhuǎn)角度并將其傳輸?shù)接涗洿疟P當(dāng)中。
軟件部分：
    為了將記錄儀記錄的數(shù)據(jù)同慣導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)歸一化管理，必須通過軟件將記錄數(shù)據(jù)中的每一點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換成GPS坐標(biāo)，腐蝕(變形)檢測數(shù)據(jù)分析軟件應(yīng)該具有與GPS分析軟件之間的數(shù)據(jù)接口，為現(xiàn)場開挖驗(yàn)證提供方便可靠的數(shù)據(jù)。功能定義為：
    2.2 硬件部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    (1) 慣性器件及伺服機(jī)構(gòu)(可由慣性器件自身攜帶)
慣性器件(陀螺儀、加速度計(jì))用于測量檢測器在管道中運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)向。由于檢測器在管道中運(yùn)行方式的復(fù)雜性，必須增加伺服機(jī)構(gòu)或采用捷聯(lián)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，前者對后續(xù)運(yùn)算要求不高，但需要復(fù)雜的伺服機(jī)構(gòu)且耗電量明顯增加。后者電路設(shè)計(jì)簡單但需要后續(xù)大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算來建立虛擬坐標(biāo)系統(tǒng)，此種方案對電量的要求不高。
    (2) 信號(hào)調(diào)整電路
將慣性器件的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，使之滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)要求。
    (3) 信號(hào)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)
根據(jù)轉(zhuǎn)換精度要求，可選擇12位或8位A/D轉(zhuǎn)換器。通道數(shù)為8。
    2.3 軟件部分
    軟件部分的主要功能是統(tǒng)計(jì)采集到的慣性器件數(shù)據(jù)，形成指定的數(shù)據(jù)庫文件，以形成腐蝕(變形)數(shù)據(jù)的GPS定位。
   主要功能包括面向整個(gè)數(shù)據(jù)操作的接口部分。
    (1) 數(shù)據(jù)傳輸接口由于采用了腐蝕檢測部分和慣性部分的整體分離，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸也實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)分離。單獨(dú)的數(shù)據(jù)傳輸保證了整個(gè)檢測數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)處理的靈活性、安全性。
    (4) 數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ))數(shù)據(jù)處理可由PC104完成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按數(shù)據(jù)量大小可選擇1G以下的硬盤。
    (5) 頻率測定(精確時(shí)鐘電路測定數(shù)據(jù)采集頻率)
    (6) GPS系統(tǒng)與AGM組成地面標(biāo)記系統(tǒng)。為了減小慣性器件的隨機(jī)漂移和溫度漂移可用先進(jìn)的現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)和地面坐標(biāo)修正技術(shù)，使用GPS測量參考點(diǎn)的坐標(biāo)信息，坐標(biāo)間隔可為2公里。通過與里程輪的里程信號(hào)得到系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差對隨后的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。
    為了保持原系統(tǒng)的完整性和獨(dú)立性，擬設(shè)計(jì)一節(jié)壓力密封倉，用于安裝慣導(dǎo)裝置及記錄系統(tǒng)?？赏ㄟ^時(shí)鐘同步或里程觸發(fā)建立慣導(dǎo)系統(tǒng)與原記錄儀系統(tǒng)的數(shù)據(jù)聯(lián)系。
綜上所述，慣導(dǎo)系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)如圖1：
 

    (2) GPS數(shù)據(jù)修正接口
為了得到精確的GPS坐標(biāo)，利用地面標(biāo)記點(diǎn)的GPS對慣性器件的檢測數(shù)據(jù)加以修正。
    (3) 腐蝕(變形)點(diǎn)GPS查找接口
為了方便的得到現(xiàn)場腐蝕(變形)點(diǎn)的開挖數(shù)據(jù)，具有直接對單個(gè)點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)的查找功能。
    (4) 腐蝕(變形)檢測GPS報(bào)告生成接口
    (5) 打印接口
 

3 小結(jié)
    目前對于長輸管道的檢測以美、德、英、俄為代表，都具有雄厚的技術(shù)實(shí)力，是國際長輸管道檢測市場的主要競爭對手。GPS系統(tǒng)在長輸管道檢測系統(tǒng)的應(yīng)用，不但可以提高長輸管道檢測的整體技術(shù)水平，而且為今后管道的維護(hù)提供更便利的手段。
 
    (本文作者：陳崇祺 張永江 中國石油天然氣管道局管道技術(shù)公司 河北廊坊 065000)