GPS及惯导装置在长输管道检测中的应用

摘 要

摘要：管道腐蚀检测点的定位及管线概貌图形的绘制技术业已成为当代管道在线检测技术的目标，本文从发展的角度对当今国内外此项技术的发展概况，及实现的可行性做了相应的阐述。关
摘要：管道腐蚀检测点的定位及管线概貌图形的绘制技术业已成为当代管道在线检测技术的目标，本文从发展的角度对当今国内外此项技术的发展概况，及实现的可行性做了相应的阐述。
关键词：GPS；管道检测；接口
1 概况
    近年来随着自动化和信息技术的不断发展，各个学科领域都取得突破性的成就。高精尖端技术的应用同样也使管道检测技术得到了飞速的发展。单纯的长输管道漏磁腐蚀检测已不再是管道检测业的先锋，检测方法、检测技术的更新已成为竞争的焦点。向用户快速提交高精度、高质量的检测报告成为管道检测市场的关键需求。目前，管道检测技术的发展趋势一是高清晰度检测器，对管道缺陷特性进行精确的描述；二是对管道缺陷的位置进行精确的定位，并能永久保存。前者要求检测器的传感器更小、更灵敏，记录的管道信息量更多，而后者就要求检测器配备GPS，进一步发展IMU(惯导装置)系统。国外不但具有小口径管道检测的能力，而且全球定位系统的应用使得向用户快速提交高精度、高质量的检测报告成为可能，如PII公司就将GPS系统结合惯性导航器件应用到了检测器中。这样不但可以实现缺陷的精确定位而且可以为客户提供精确的管道走向图，同GIS配合使用可形成管线电子地图数据库，为管线的自动化管理提供数据依据，为以后的施工带来了很大的方便。加拿大的Enbridge管道公司使用Trimble GPS绘制管道特征，并在地面上建立控制点，在线检测仪器装备了惯性装置(IMU)，它能测量出并记录下其在管道中的位置。由在线检查手段确定出管道的特征处，例如焊接头、阀门以及故障等位置，然后，由IMU确定出参考于GPS参考基准的位置。这样生成管道故障一览表。在国内，GPS系统的应用也日趋广泛，地理信息系统、测绘计量、航天航空海运、汽车导航等领域的应用也趋于成熟。
    本项技术旨在利用全球定位系统(GPS)结合惯性技术来确定检测器在管道中的方位，再经过数据处理，通过与地面标记的配合修正误差、减小误差，从而可以利用惯性器件描绘出管道的精确地理信息的坐标，再通过里程确定腐蚀缺陷(变形点)的地理坐标，来实现缺陷的精确定位。
    技术关键
    1、选择适当的惯性器件，使之适用于管道中运行的特殊要求，由于惯性器件具有漂移大、安装方位精度要求较高，考虑到这些特点需要选择灵敏度较高的器件。
    2、惯性器件测出的坐标数据，通过滤波算法如卡尔曼滤波，并积分转换成为转角信号。再结合检测器的里程信息通过一定的算法转换成地理信息坐标。
    3、通过软件将惯性器件测试数据与记录数据融合。
2 技术方案
    2.1 整个系统由软件和硬件两部分组成
    为了整个系统的安全性和不破坏原系统的完整性，可将GPS系统和惯导系统同原记录仪系统实现分离。每个系统可独立工作，互不干扰。运行结束后进行数据合成。
硬件部分：
    系统通过原有检测器记录仪和惯性记录单元扩展而成，惯性记录单元主要用来采集和计算偏转角度并将其传输到记录磁盘当中。
软件部分：
    为了将记录仪记录的数据同惯导系统的数据归一化管理，必须通过软件将记录数据中的每一点位置转换成GPS坐标，腐蚀(变形)检测数据分析软件应该具有与GPS分析软件之间的数据接口，为现场开挖验证提供方便可靠的数据。功能定义为：
    2.2 硬件部分结构设计
    (1) 惯性器件及伺服机构(可由惯性器件自身携带)
惯性器件(陀螺仪、加速度计)用于测量检测器在管道中运行时的转向。由于检测器在管道中运行方式的复杂性，必须增加伺服机构或采用捷联式结构设计，前者对后续运算要求不高，但需要复杂的伺服机构且耗电量明显增加。后者电路设计简单但需要后续大量的数学运算来建立虚拟坐标系统，此种方案对电量的要求不高。
    (2) 信号调整电路
将惯性器件的输出信号进行调整，使之满足模数转换的信号要求。
    (3) 信号转换(A/D转换)
根据转换精度要求，可选择12位或8位A/D转换器。通道数为8。
    2.3 软件部分
    软件部分的主要功能是统计采集到的惯性器件数据，形成指定的数据库文件，以形成腐蚀(变形)数据的GPS定位。
   主要功能包括面向整个数据操作的接口部分。
    (1) 数据传输接口由于采用了腐蚀检测部分和惯性部分的整体分离，数据存储和数据传输也实现了相应分离。单独的数据传输保证了整个检测数据的完整性和数据处理的灵活性、安全性。
    (4) 数据处理(数据传输和数据存储)数据处理可由PC104完成，数据存储按数据量大小可选择1G以下的硬盘。
    (5) 频率测定(精确时钟电路测定数据采集频率)
    (6) GPS系统与AGM组成地面标记系统。为了减小惯性器件的随机漂移和温度漂移可用先进的现代信号处理技术和地面坐标修正技术，使用GPS测量参考点的坐标信息，坐标间隔可为2公里。通过与里程轮的里程信号得到系统测量数据与实际数据的误差对随后的数据进行修正。
    为了保持原系统的完整性和独立性，拟设计一节压力密封仓，用于安装惯导装置及记录系统。可通过时钟同步或里程触发建立惯导系统与原记录仪系统的数据联系。
综上所述，惯导系统硬件部分结构如图1：
 

    (2) GPS数据修正接口
为了得到精确的GPS坐标，利用地面标记点的GPS对惯性器件的检测数据加以修正。
    (3) 腐蚀(变形)点GPS查找接口
为了方便的得到现场腐蚀(变形)点的开挖数据，具有直接对单个点的GPS数据的查找功能。
    (4) 腐蚀(变形)检测GPS报告生成接口
    (5) 打印接口
 

3 小结
    目前对于长输管道的检测以美、德、英、俄为代表，都具有雄厚的技术实力，是国际长输管道检测市场的主要竞争对手。GPS系统在长输管道检测系统的应用，不但可以提高长输管道检测的整体技术水平，而且为今后管道的维护提供更便利的手段。
 
    (本文作者：陈崇祺 张永江 中国石油天然气管道局管道技术公司 河北廊坊 065000)