GPS及慣導裝置在長輸管道檢測中的應用

摘 要

摘要：管道腐蝕檢測點的定位及管線概貌圖形的繪制技術業(yè)已成為當代管道在線檢測技術的目標，本文從發(fā)展的角度對當今國內外此項技術的發(fā)展概況，及實現的可行性做了相應的闡述。關
摘要：管道腐蝕檢測點的定位及管線概貌圖形的繪制技術業(yè)已成為當代管道在線檢測技術的目標，本文從發(fā)展的角度對當今國內外此項技術的發(fā)展概況，及實現的可行性做了相應的闡述。
關鍵詞：GPS；管道檢測；接口
1 概況
    近年來隨著自動化和信息技術的不斷發(fā)展，各個學科領域都取得突破性的成就。高精尖端技術的應用同樣也使管道檢測技術得到了飛速的發(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、檢測技術的更新已成為競爭的焦點。向用戶快速提交高精度、高質量的檢測報告成為管道檢測市場的關鍵需求。目前，管道檢測技術的發(fā)展趨勢一是高清晰度檢測器，對管道缺陷特性進行精確的描述；二是對管道缺陷的位置進行精確的定位，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，進一步發(fā)展IMU(慣導裝置)系統。國外不但具有小口徑管道檢測的能力，而且全球定位系統的應用使得向用戶快速提交高精度、高質量的檢測報告成為可能，如PII公司就將GPS系統結合慣性導航器件應用到了檢測器中。這樣不但可以實現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據庫，為管線的自動化管理提供數據依據，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，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參考基準的位置。這樣生成管道故障一覽表。在國內，GPS系統的應用也日趨廣泛，地理信息系統、測繪計量、航天航空海運、汽車導航等領域的應用也趨于成熟。
    本項技術旨在利用全球定位系統(GPS)結合慣性技術來確定檢測器在管道中的方位，再經過數據處理，通過與地面標記的配合修正誤差、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，再通過里程確定腐蝕缺陷(變形點)的地理坐標，來實現缺陷的精確定位。
    技術關鍵
    1、選擇適當的慣性器件，使之適用于管道中運行的特殊要求，由于慣性器件具有漂移大、安裝方位精度要求較高，考慮到這些特點需要選擇靈敏度較高的器件。
    2、慣性器件測出的坐標數據，通過濾波算法如卡爾曼濾波，并積分轉換成為轉角信號。再結合檢測器的里程信息通過一定的算法轉換成地理信息坐標。
    3、通過軟件將慣性器件測試數據與記錄數據融合。
2 技術方案
    2.1 整個系統由軟件和硬件兩部分組成
    為了整個系統的安全性和不破壞原系統的完整性，可將GPS系統和慣導系統同原記錄儀系統實現分離。每個系統可獨立工作，互不干擾。運行結束后進行數據合成。
硬件部分：
    系統通過原有檢測器記錄儀和慣性記錄單元擴展而成，慣性記錄單元主要用來采集和計算偏轉角度并將其傳輸到記錄磁盤當中。
軟件部分：
    為了將記錄儀記錄的數據同慣導系統的數據歸一化管理，必須通過軟件將記錄數據中的每一點位置轉換成GPS坐標，腐蝕(變形)檢測數據分析軟件應該具有與GPS分析軟件之間的數據接口，為現場開挖驗證提供方便可靠的數據。功能定義為：
    2.2 硬件部分結構設計
    (1) 慣性器件及伺服機構(可由慣性器件自身攜帶)
慣性器件(陀螺儀、加速度計)用于測量檢測器在管道中運行時的轉向。由于檢測器在管道中運行方式的復雜性，必須增加伺服機構或采用捷聯式結構設計，前者對后續(xù)運算要求不高，但需要復雜的伺服機構且耗電量明顯增加。后者電路設計簡單但需要后續(xù)大量的數學運算來建立虛擬坐標系統，此種方案對電量的要求不高。
    (2) 信號調整電路
將慣性器件的輸出信號進行調整，使之滿足模數轉換的信號要求。
    (3) 信號轉換(A/D轉換)
根據轉換精度要求，可選擇12位或8位A/D轉換器。通道數為8。
    2.3 軟件部分
    軟件部分的主要功能是統計采集到的慣性器件數據，形成指定的數據庫文件，以形成腐蝕(變形)數據的GPS定位。
   主要功能包括面向整個數據操作的接口部分。
    (1) 數據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，數據存儲和數據傳輸也實現了相應分離。單獨的數據傳輸保證了整個檢測數據的完整性和數據處理的靈活性、安全性。
    (4) 數據處理(數據傳輸和數據存儲)數據處理可由PC104完成，數據存儲按數據量大小可選擇1G以下的硬盤。
    (5) 頻率測定(精確時鐘電路測定數據采集頻率)
    (6) GPS系統與AGM組成地面標記系統。為了減小慣性器件的隨機漂移和溫度漂移可用先進的現代信號處理技術和地面坐標修正技術，使用GPS測量參考點的坐標信息，坐標間隔可為2公里。通過與里程輪的里程信號得到系統測量數據與實際數據的誤差對隨后的數據進行修正。
    為了保持原系統的完整性和獨立性，擬設計一節(jié)壓力密封倉，用于安裝慣導裝置及記錄系統。可通過時鐘同步或里程觸發(fā)建立慣導系統與原記錄儀系統的數據聯系。
綜上所述，慣導系統硬件部分結構如圖1：
 

    (2) GPS數據修正接口
為了得到精確的GPS坐標，利用地面標記點的GPS對慣性器件的檢測數據加以修正。
    (3) 腐蝕(變形)點GPS查找接口
為了方便的得到現場腐蝕(變形)點的開挖數據，具有直接對單個點的GPS數據的查找功能。
    (4) 腐蝕(變形)檢測GPS報告生成接口
    (5) 打印接口
 

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