基于惯性导航技术的电缆顶管位置检测方法

胡文龙 张立林

摘 要：鉴于目前电缆微型顶管后的地下位置检测受检测深度不足以及信号源干扰影响大，文章提出一种新型的电缆顶管检测手段，该法测量精度高、系统稳定性好，几乎不受检测深度限制和电磁场干扰。

关键词：电缆顶管位置检测；惯性导航技术；导向仪测量；电磁管线探测法

在电缆线路工程建设中，为了避让建筑物和地下管线以及避免对城市环境和道路交通造成负面影响，电缆敷设大多采用顶管进行非开挖施工。施工过程中，管道位置受到地层影响会产生偏移。为了确保电缆线路与城市供水、排污、燃气、通信和电力等管线之间的安全距离，以及满足电缆维护检修和市政建设的需求，检测出施工后顶管的实际位置是非常必要的。

然而，目前的电缆顶管检测还是依靠导向数据，由于地下管线不明及导向仪测量误差，与实际管道位置存在较大误差。此外，对电缆顶管检测手段十分贫乏，常见的仅有电磁管线探测法，这种检测方法容易受到探测深度影响以及信号源干扰，检测数据不够稳定且误差较大，往往达不到检测效果。

针对上述现状，我们将惯性导航测量技术引进电缆行业，采用惯性元件和磁敏感元件的多传感器数据融合方法实现了管道的精确定位测量，为电缆顶管检测提供了一种全新的检测手段。同时，该方法还具有不受电磁波等外界因素的干扰，不受管道埋深和材质的影响。

1 地下管线基本形态分析

针对现有10 kV、110 kV、220 kV等电缆工程顶管设计通用管材尺寸，各种管材通过性允许范围（见表1）。

参考文献[1]并结合施工经验对顶管后管线整体起伏度进行管线曲率进行分析，顶管后地下管线位置可以分为3个阶段：下降段、平直段、上升段。在下降段、平直段和上升段的曲率半径都较大，管道接近于直线，而在下降段与平直段的交接处、平直段与上升段的交接段处的曲率半径相对较小，说明此段管线在深度上变化较快。此外，根据调研，实际顶管管道在下降段和上升段的倾斜角最大不超多30°，因此得出管道最小弯曲半径约70 m。

2 电缆顶管位置检测系统的设计

2.1 硬件系统的设计

2.1.1 核心部件惯性导航元件的选型

电缆顶管后反映的空间运动形式为线性和旋转运动，要准确描述出此两种运动的测量手段有陀螺仪传感器测量元件和加速度计传感器测量元件，因此选用了陀螺仪和加速度共同融合的惯性导航组合元件，实现了对相對空间的3个角速度和3个线加速度沿仪器坐标系的分量测量，经坐标变换运算出仪器的位置、速度、航向和水平姿态，实现对管道三维位置的实时测量（见图1）[2]。

2.1.2 霍尔传感器的里程计设计

由于顶管管线为多段焊接而成，测量时不可避免造成跳动，这就造成了里程一些误积累。一个焊接点误差较小，相对于整条几十米管线是可以忽略的。但是如果将管线上的所有焊接点计算下来，这样就很大了。在前几次测验中，发现该数据可以达到数米。

而霍尔传感器具有线性测量高精度、开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级），工作温度范围宽，可达﹣55 ℃～150 ℃。因此，我们将霍尔传感器引入测量仪的支架里程计设计中。通过在前侧轮上设计基于霍尔传感器原理的高精度里程计，实时记录设备运动轨迹里程。并通过管内控制单元对管内里程计单元进行辅助里程测量，由此可剔除因支架滚轮在管道焊接点瞬时产生的误差值。

2.1.3 产品外型尺寸的确定

根据之前经验得到电缆顶管的最小弯曲半径为70 m，我们对10～220 kV所使用的管进行了产品的长度、产品的外径、支架型式验算。在以上管线中，10 kV管线的外径最小。所以我们不必对每种规格的管径都进行验算，只需对10 kV外径为160管径进行分析即可。参照图3所示。

2.1.4 可变径支架的设计

在最初的设计中没有设置支架部件，进行管道测量时发现测量水平管线时仪器沿着管线下部运行，在向管道凸起的高点测量时（“上坡”）沿着管线上部运行，在向凹下的低点测量时沿着管线下部运行。由于整个测量过程均未沿着管线的轴线方向运行，这就造成了测量后与其他探测仪器相比误差更大。结合测量精度、运行安全等因素，我们进行了改造，设计理念如下。

（1）因管线焊接点高度影响，在进行设计时要使测量仪器满足10 kV、110 kV、220 kV等各种管内径的需求，需具备一定的变径能力，以适应管道通过焊接点及截面形状的变化。同时，为保证惯性导航测量元件固定可靠，并能使其始终位于管线轴线运行。我们采用了常用的被动适应方法：借助弹簧变径定心。经过反复试验，确定了支架变径范围。

（2）测量元件与其他设备整合后的整体长度能够满足与管道起伏度的要求，以便能顺利通过弯道。由此，我们进行了产品外型尺寸的设计：根据上述通过实验确定了不同管径下电缆顶管测量仪的最大设计长度。

（3）支架的强度要能满足牵引力的需求。经过在实验室反复实验我们最终确定了支架的材料选用高性能合金材料和碳纤类材料组成，在保证稳定性的同时，确保设备适量比。

测量时，只需将两个可变径支架通过航空螺旋接头分别连接在主体两端，通过牵引线盘附件连接任何一端支架的拉力孔来完成整个测量工作。

2.1.5 硬件的集成

通过现场试验将惯性导航系统与储存器，电源、里程计、电脑之间连接，进行了系统组件联合试验，获得成功。由于储存器、电源和里程计等附属元件没有与惯性导航系统一起放入铠装圆筒中，因而在实际应用中因接线过多而且长，造成故障频发，使用起来十分不方便。所以，我们通过反复摸索和探讨，对产品进行了集成设计，对储存器、电源和里程计等附属元件进行改造选型，最终成功将各种元件全部集成到铠装圆筒里，形成了一个完整的、全新的自主设计产品，即“电缆顶管三维位置测量仪”正式形成。硬件集成后留有多功能接线孔，电源充电和数据导出都十分方便。

集成后，产品由主体结构和两端支架组成。其中，主体结构是系统的基本部件。主体结构是一个集成体，包括管内测量单元、管内控制单元、处理计算机、内置直流电源、里程计等（见图4）。

2.2 软件系统的开发

2.2.1 软件模块的设计

硬件研发成功后，为使得“电缆顶管三维位置测量仪”测量数据可视化，并能够实现适宜于电缆顶管检测的可提交的验收检测报告、表格。我们对测量仪配套数据处理软件进行了开发。通过开发，数据处理软件形成了数据采集和数据后处理两部分。其中，数据采集由管内测量单元和管外里程计组成，数据后处理包括数据计算、图形显示和数据管理三大单元。其原理如图5所示。

2.2.2 对工程进行建库管理

为了方便对检测施工管理，结合项目管理理念。我们对工程进行了建库管理，用户可根据自己的习惯，对单根管线建项目，也可以建立同一位置的多根管线项目。可实现对不同时间、不同地点的管线测量管理。涉及工程内容包含原始数据、基表信息、报表数据等各种信息数据，从而实现了管道数据的标准化管理和信息化管理。

2.2.3 采用双重坐标系统

系统采用了用户相对坐标系和大地坐标系双重坐标系统，可满足不同的工程需求。

大地坐标系统是采用大地坐标和海拔值表示管线的地理位置，其主要缺点是：由于坐标值需借助GPS仪器才能观测取得，不够直观。因此我们根据用户的需求引进了用户相对坐标系统。用户相对坐标系统是通过在电缆顶管两端靠近管线的合适地方打两个控制桩，以任意一点为起点O点，另外一端为终点P，以O点为中心桩，建立空间三维坐标系（见图6）。并以OP线段的前后方向为X轴，以垂直OP线段的左右方向为Y轴，上下铅垂方向为Z轴。其最大的优点是，日后进行管线维护时，用户可根据原有起点、终点方向桩，立即找到该管线的具体位置，方便管线的管理。

2.2.4 管线的显示方式

在管线方面显示方面，系统设置了多种显示方式：可显示所有的管线，如工程的所有顶管的管线；也可以根据用户的需求显示某一根管线，或者显示一组管线以及相互的位置关系，这样就方便用户查找。

2.2.5 图形显示方案设计

软件的研发过程中，本系统首次采用了将平面投影和基于OpenGL技术的三维立体显示相结合的图形显示方式，美观实用，能够实时绘图和自由缩放，实现了图形数据和文字数据的交互，具有良好的人机界面。

此外，用户可选择将管线显示平面图型，或者显示成剖面图型以及将管线进行三维立体旋转显示等，从而实现了管道的空间方向、俯视方向、侧视方向三维查看。

空间三维查看，主要查看官道空间三维姿态。实现鼠标控制空间自由旋转，各角度查看。

俯视图查看主要对管道做平面正投影，查看管道在平面位置上的走向数据。鼠标控制缩放、平移等操作，实现在线路上选点，实时查看点位信息数据。

侧视图查看主要对管道做铅垂面正投影，查看管道在深度反向上的走向数据。鼠标控制缩放、平移等操作，实现在线路上选点，实时查看点位信息数据。

主要为实现管道测量数据与现场用户设立的基表桩联系，达到将管线测量数据处理成与现场基桩一致数据。系统共设置了基表点配置和基本配置两项。

用户可根据现场桩位、管口起点终点的坐標、水平距离及高差进行基表点设置。这样就能通过在现场设立的桩位快速准确地找到管道位置，并能够导入管道起点和终点相对信息数据（坐标或平距、高差）以及管道起点终点与基表点的相对关系数据（X偏差、Y偏差、Z偏差）。

2.2.6 检测图和检测表制版

设计制作了专门的检测报告及其附图和附表的版式，并对检测图和检测表进行统一版式设计。输出格式包括TXT格式、EXCEL格式、WORD格式、CAD格式等多种文件格式，输出内容包括相对数据、绝对数据等，模板自定义。

3 结语

本文开发成果的实现为电缆埋管位置的精确测量提供了一种高精度和高稳定性的重要手段，其系统的测量误差满足长度方向小于0.3 m、高度方向小于0.2 m、左右方向小于0.5 m的设计误差要求。弥补了由于电缆顶管检测精度低、受电磁干扰大而不能精确测定地下管线位置的不足，同时也解决了长期以来受此影响而造成损失的困扰，在电力行业实现了又一次巨大的超越。