地下管线惯性定位技术简介
地下管线惯性定位技术简介
一、研发背景
1.1、地下管线测量的目的与意义
城市地下管线是城市基础设施的重要组成部分，包括给排水、电力、电视、通信、燃气等几大类，承担着信息、生活资源和能量输送的重要职能，是城市各项功能正常运行的基本保障。近年来我国城市基础设施不断完善，各种电力、通讯电缆架设由地上转入地下，使得地下管线的规模日益扩大。对已有和即将竣工的地下管线进行精确定位测量，成为业界当前关注和研究的热点。
详细准确的地下管线资料是城市建设必备的重要资料。如果缺少这方面的信息，在城建规划、设计、施工及管理工作中会出现诸多不便，甚至发生重大事故，造成重大损失。然而，目前我国大部分城市地下管线测量和数据信息管理滞后于城市的发展。由于探测手段限制和管理上存在漏洞，早期建设的地下管线普遍缺少详细技术资料，新铺设的管线也存在测量精确度不高、信息不全等问题，导致地下管网分布不清，档案资料管理不够规范。所以，对新老地下管线进行精确测量，建立城市地下管网详细的技术资料信息库成为城市发展的当务之急。目前很多城市已经着手这方面的工作，相继出台一系列的规定，并开始有计划地进行地下管网信息普查。
我国目前有超过50%的城市已经或正在着手建立完备的地下管线信息管理系统，因此对已有地下管线的定位测量工作业务需求量巨大。国内外现行的管线测量方法包括单独或综合运用声纳（Sonar）、电磁定位仪（Electromagnetic Locator）、探地雷达（Ground Probing/Penetrating Radar）和GPS进行测量。虽然各种方法在一定限定条件下均能取得令人满意的效果，但是它们的缺点和局限性也非常明显。例如在复杂地质条件下声纳的探测精度达不到实用要求；电磁定位仪仅适用于金属管道，而探测非金属管道需要配合可塞入管道的示踪器；探地雷达仅适用于非金属管道。并且几乎所有的现有探测方法的可用性均受到电磁干扰、铁磁干扰和管道埋深的限制。目前对于地下干扰情况复杂、深度较大的各种管线，尚无可靠实用的探测方法对其准确定位。此外上述这些方法都要求管道上方为开阔的地面，而对位于建筑物和水面以下的各种管道探测无能为力。综上所述，眼下亟待发展一种能够自主测量、具有可用精度和抗干扰能力，并且适用于各种材质与各种口径管道的测量方法，以填补该方面的空白。可以预见这种新型的基于惯性技术的管道测量技术具有广阔的应用前景，必将创造丰厚的经济和社会效益。
1.2、非开挖技术及施工
非开挖技术（Trenchless or No-dig Technology）是在不开挖地表的条件下，利用各种钻掘技术手段，铺设或探测、检查、修复和更换各类地下管道或设施的一种施工技术和方法。与开挖技术相比，非开挖施工技术的主要优点是：
(1)非开挖施工可不阻断交通、不破坏道路和植被，因而可以避免开挖施工所带来的对居民生活和交通的干扰，以及对环境、建筑物基础的破坏或影响。
(2)在开挖施工难以进行或根本不允许进行的情况下（如穿越河流、湖泊、交通干线、重要建筑物、特殊障碍和繁华市区等），采用非开挖技术可使管线施工成为可能，并且可将管线设计在施工工程量最经济合理的地点穿过。
(3)有较好的经济效益和社会效益，特别是当埋深和管径越大时，其效益更加明显。
非开挖技术的提出和兴起，虽然只有短短的二三十年，但是其发展却异常迅速，市场看好，堪称朝阳行业。近年来，在西方发达国家，非开挖地下管线工程的施工量已占管线工程总施工量的10%左右，个别城市（如德国柏林）甚至已达到40%左右。世界上从事非开挖设备的制造商已有约400家。其中，制造水平定向钻机（HDD）设备较为著名的厂家约有20家，产品型号规格近140种；从事非开挖工程的承包商已达4000余家。此外，多所世界著名大学都设立了非开挖技术专业和相应的研究机构，足见各国对这项技术的重视程度。成立于1996年的国际非开挖技术协会（ISTT）迄今已有30余个国家和地区参加，并拥有1000余家公司会员和2000多名个人会员，每年举办一到两次国际性技术交流和设备展览会。
我国的非开挖技术也处于迅速上升阶段，前景看好。随着各大中城市的公共设施建设需求日益扩大，对非开挖技术的需求也不断增长。我国目前运用的HDD水平钻机数量超过五千台，非开挖施工在整个管线施工中所占比重逐年提高。以上海市为例，2005年全市的非开挖管线施工占到全部管线施工总量的20%以上。
交通繁忙、人口众多的现代城市，每年都有大量的管线铺设工程，这些工程给人们生活工作带来了很大的影响。为了减少施工带来的人们生活和交通的干扰，非开挖技术必将得到越来越广泛的重视。
在非开挖施工中，管线安全问题已经日益引起从业者和有关部门的注意。它主要是指施工过程中对其他现有管线，如水管、煤气管、电缆、光纤等管线造成损坏。目前国内外此类事故时有发生，造成了巨大的经济损失、社会效益损失，甚至威胁到附近居民的安全。目前还只能通过制度的制约、施工单位的责任心及专业素养来提高安全性，这些制度包括到各大管线单位办理管线交底、申请管线施工监护、查阅施工原始记录、调查本区域道路翻修情况等。但是由于缺乏详细的测量资料，一般只能测定施工时管线的覆盖深度；而随着道路状况的变化，施工记录往往与目前的情况有很大差别，尤其在高程方面。加上施工队伍人员流动性强，而管线监护人员对具体施工情况的不了解，常常无法提供很有价值的现有管线信息。北美和欧洲非开挖技术协会的调查表明，钻进承包商最担心的问题是对地下已有管线的准确定位。水平定向钻进工程的大部分工作量是在第一根钻杆下入地层之前完成的。事先必须弄清地下已有管线的位置和土层特性，绘制施工平面图和剖面图，并据此合理设计出钻孔轨迹，这是下一步钻进和铺设管线的基础。
因此，为了尽量避免非开挖工程可能造成的损失，在施工之前必须对施工范围内的各种已有地下管线进行精确测量，以获取其准确信息。测量的方面包括：查明施工场地有无已铺设的地下管线（包括给排水、燃气、热力、工业等各种管道和电力以及电信电缆、光缆），如有，则查明地下管线的平面位置、走向、埋深（或高程）、规格、材质、性质等，并编绘地下管线图，其核心是获得地下管线的三维位置。同时，为了能够保障按照预定的路线铺设和施工，需要在钻进过程中进行导向和测量，了解当前钻进的位置，钻头的运行方向等信息。因此，地下管线精确探测对推动非开挖等地下施工技术的开展、避免事故的发生具有重要的意义。
二、国内外研究现状和发展趋势
2.1地下管线测量技术研究现状
地下管线按其物理性质可大致分为3类：①由铸铁、钢材等构成的金属管线；②由水泥、陶瓷和塑料材料构成的非金属管道；③内含钢、铝等材料电缆的管道。上述管线与周围介质在电性、磁性、密度、波阻抗和导热性等方面均存在差异，因此工程上一般可以利用导电率、导磁率、介电常数和密度等物理参数，选择不同的方法进行探测。目前常用的地下管线测量方法主要有利用电磁定位仪EML的电磁感应探测法和利用探地雷达GPR的方法和磁探测法等。
2.1.1电磁探测法
电磁探测法利用探测目标(管线)与周围介质的导电性、导磁性和介电性的差异，根据电磁学的原理，观测和研究人工或天然形成的电磁场的分布规律(频率特性和时间特性)，进而推断地下管线的位置状态。
在各种不同的电磁探测方法中，可根据电磁场产生方式的不同分为直接充电法和感应法。直接充电法（夹钳法）是将人工电流通过出露点接在管线上，用接收机直接接收电流产生的磁场信号，来达到探测地下管线的目的。该方法简便可靠，能够产生较强电磁场，故可在工程中优先选用。当受到条件限制无法应用直接法时，可采用感应法进行测量。
感应法的前提假设是地下管线与周围介质之间有明显的电性差异。当地面发射机发出的电磁信号（一次场）遇到地下金属管线及其周围介质后，管线本身及导电介质均会产生感应电流。但由于金属管线的导电性远大于周围介质的导电性，所以管线内的电流强度大于介质的电流强度，因此可认为管线相当于通电金属导线。此时地下管线中的二次谐变电流将产生二次磁场，可在地面上通过接收线圈观测到。这样就可以根据二次磁场的分布规律，通过解释分析，得出地下管线的位置和埋深。
电磁探测法主要适用于金属管道或预埋金属标记线的非金属管道，而探测非金属管道需要在管道内塞入电磁示踪器，然后用地面探测仪器追踪电磁信号，达到探测地下管线的目的。
2.1.2探地雷达
探地雷达（GPR）是利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式由地面通过发射天线送入地下，由于周围介质与管线的电导率和介电常数等物理性质存在明显差异，使脉冲波在界面上产生反射和绕射回波，接收天线(R)在收到这种回波后，通过光缆将信号传输到控制台，经计算机处理后，将雷达图像显示出来，并通过对雷达波形的分析、判断，来确定地下管线的位置和埋深。
探地雷达采集的数据以脉冲反射波的波形形式记录，可在雷达屏幕上用灰度或彩色图像表示波形，由操作人员目视读取、判断雷达图像或者采用模式识别的方法进行目标自动识别。该方法具有操作简便、精度高的优点，在地下管线测量领域得到了普遍青睐。但是该方法要求土壤介质对电磁波有透过性，因此在某些地质条件下应用受到了限制。
2.1.3磁法探测
磁法探测是基于磁感应的原理：由于铁质管道在地球磁场的作用下被磁化，管道磁化后的磁性强弱与管道的铁磁性材料有关，钢、铁管的磁性较强，非铁质管则无磁性。磁化的铁质管道就成了一根磁性管道，而且因为钢铁的磁化率最强而形成它自身的磁场，与周围物质的磁性差异很明显。通过地面观测铁质管道的磁场的分布，便可以发现铁质管道并推算出管道的埋深。
2.2各种方法的局限性
虽然上述各种方法在一定限定条件下均能取得令人满意的效果，但是它们的局限性也非常明显。可以大概总结为以下几点：
首先，各种方法只能适用于某一部分材质类型的管道。在实际操作中，需要针对不同材质的管线和不同的地理环境采用不同的探查方法。如对电力、电信以及金属质的管线，需采用电磁探测法，对非金属管线则采用探地雷达方法。当施工现场地下管线种类众多时，单一的探测方法不能满足需求，这使得探测工作变得繁琐，给施工增加了难度。
第二，上述各方法都是基于感应原理的，其探测深度受到限制。以电磁探测法和探地雷达法为例，它们的可用探测埋深较小。虽然近年来不断有基于这些方法的改进技术出现，使得它们的适用深度由5米拓展到了10米，但对于深度超过10米的管道基本无法测量。而目前大中城市地下管网星罗棋布，重叠交错，新铺设的管线往往超出现有仪器的探测深度。
第三，上述各种方法大都利用了电、磁方面的原理，因此容易受到施工场所地面上或地下的电磁或铁磁干扰。例如附近地面上的大型工程设备、电信机站和浅部埋藏的金属废弃物或其它管道都会对深部管道的探测带来很大影响，甚至使得上述方法无法获得有用信息。
第四，上述各种方法的可用性和探测精度很大程度上取决于施工地段地质条件的制约，例如土壤和岩石成分、土壤湿度等因素均会对测量结果带来大的影响。
第五，这些探测方法都需要在管线经过上方的地面上进行人工作业，当待测管道经过建筑物、高速公路和大片水面时，探测工作将无法进行。
上述各种管道探测方法自动化程度不高，数据记录方式较为原始。以探地雷达法为例，需要操作人员根据经验对雷达图像进行判断，主观成分影响较大。测量所得的位置和深度数据需要人工记录，经过相应坐标转换后再录入计算机数据库，不利于信息归档。
2.3地下管线测量技术发展趋势
由于现有的各种地下管线测量方法存在的种种局限性，且在其原有基本原理上进行改进的潜力有限，工程上急需发展新的管线测量手段以满足实际测量的需求。未来的地下管线测量技术将呈现以下发展趋势：
第一，测量方法应具有自主性，不受其它因素诸如管道材质、地质条件等因素影响。
第二，测量技术应当具有较强的抗干扰能力，在各种复杂的电磁、铁磁和地质环境下均能顺利进行测量，并取得足以满足工程需要的测量精度。
第三，测量技术应当具有通用性，可应用于对各种常见口径、材质和埋深管道的测量，适用于各种地理条件。
第四，测量设备自动化程度高，最大程度地降低人工作业强度和主观判断在测量过程中的比重，以提高工作效率和测量数据客观程度，并使得测量工作能够在某些人力无法企及的环境下（如水底）顺利进行。
第五，测量结果应实现数据可视化，将地下管道三维数据通过实体造型技术在计算机中实时立体显示，有利于工程人员更加全面、直观地掌控信息。
第六，建立地下管线信息数据库，该系统的建立不但可以方便数据归档、查找，还有利于进一步进行管线远程控制和统计分析，计算机辅助规划等。
2.4惯性技术的管道测量技术
目前，基于惯性技术的管道测量技术已经开始引起了国内外部分研究者的关注，初步研究成果验证了这种方法的可行性和优势。2006年底，比利时的REDUCT 技术公司开发出名为Ductrunner的基于陀螺仪的管道定位系统；几乎与此同时，零偏科技依托北京航空航天大学自动化学院导航与容错控制实验室，也研制出了第一代产品，且已经通过现场测试，并于当年交付施工单位使用。
所谓惯性技术(Inertial Technology)，是研究利用惯性传感器（陀螺仪、加速度计）、进行导航与制导的一门学科。它具有如下优点：
(a)自主性强，它可以不依赖任何外界系统的支持，而单独进行导航。
(b)不受环境、载体机动和无线电干扰的影响，可连续的输出包括基准在内的全部导航参数，实时导航数据更新率高。
(c)具有非常好的短期精度和稳定性。
三、地下管线惯性定位技术产品的技术特点
3.1关键技术及创新点
地下管线的位置数据是智慧管道的基础。管道定位技术已由传统的电磁方法向不受外界干扰的、可获得可靠数据的、基于惯性技术的管道定位技术发展。
基于惯性技术的地下管线定位技术：采用航空航天的惯性导航技术，研制了具有国际领先水平的地下管线测量仪器，并已形成产品。该仪器采用管内直接测量方法，具有不受外界电磁干扰、不受管道埋深影响、适用于各种材质和口径的管道，且不受地面条件限制等特点，弥补了现有测量方法的缺陷，其测量速度快、测量精度高，可获得可靠的测量结果。
其关键技术及创新点为：
1）采用惯性技术进行地下管线测量，在原理上具有充分自主性和通用性，不受深度和地质条件限制；
2）传感器冗余配置解决测量角度受限的问题；
3）采用先进的多传感器数据融合技术，具有很强的抗干扰能力，可以在各种复杂的电磁、铁磁环境下正常工作，获得准确数据；
4）通过误差补偿、传感器信息融合，使得系统具有较高的测量精度。
3.2技术特点：
①采用惯性导航原理进行地下管线测量，在原理上具有充分自主性和通用性，不受深度和地质条件限制；
②传感器冗余配置解决测量角度受限的问题；
③采用先进的多传感器数据融合技术，具有很强的抗干扰能力，可以在各种复杂的电磁、铁磁环境下正常工作，获得准确数据；
④通过误差补偿、传感器信息融合，使得系统具有较高的测量精度。
该项技术历经十多年的研发阶段，从最初的样品，发展到了目前的40mm-1500mm全管径覆盖，厘米级误差，其测量精度、可靠性、成熟度等都满足工程应用需要。
3.3技术优势：
Ø 不受外界电磁干扰；
Ø 不受管道埋深影响；
Ø 适用各种材质、口径的管道；
Ø 是管内直接测量方法，不受地面条件限制；
Ø 测量速度快、精度高、结果可靠。
3.4知识产权情况
零偏科技自主知识产权，已获40余项专利，10余项软件著作权。
3.5技术指标
地下管线测量系统技术性能指标：
（1）在电磁干扰、电磁屏蔽、不同地质条件下对不同材质管线均能够给出满足工程要求的测量精度；
（2）测量范围：管线内径大于φ40毫米，最小弯曲半径为400D(D为管道外径)的金属或非金属管线；
（3）测量精度：在管线最大长度为200米时，深度误差小于0.15米；其他两维误差小于0.2米；长度误差小于0.1米；
（4）工作温度：-200C至500C；
（5）防水：IP68,可在20m-50m水下长期工作；
（6）工作时间：大于4小时。
