影響管道IMU測(cè)繪精度因素

◎尹恒董華清張勇孫鵬王波

影響管道IMU測(cè)繪精度因素

◎尹恒1董華清1張勇2孫鵬3王波3

隨著管道完整性管理理念在國(guó)內(nèi)管道公司的不斷推進(jìn)，管道公司對(duì)管道數(shù)字化的需求也愈加明顯，通過在管道內(nèi)檢測(cè)時(shí)搭載慣性測(cè)量單元（IMU）成為管道公司實(shí)現(xiàn)在役管道數(shù)字化的方法之一?；诠こ虒?shí)例，通過引入高精度RTK技術(shù)對(duì)IMU成果數(shù)據(jù)從地面驗(yàn)證和開挖驗(yàn)證兩個(gè)方面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的方法，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)收集到的數(shù)據(jù)與IMU成果數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，總結(jié)了影響IMU精度誤差的主要因素。分析結(jié)果表明，影響IMU精度的主要因素為定標(biāo)點(diǎn)水平偏差和檢測(cè)里程偏差，定標(biāo)點(diǎn)的水平偏差影響IMU成果的水平誤差，檢測(cè)里程偏差影響IMU成果軸向誤差。通過對(duì)影響因素的分析，為后續(xù)誤差控制提供了參考性建議。

管道在我國(guó)能源運(yùn)輸過程中占有很大比重，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管道行業(yè)對(duì)于管道管理也提出了更高的要求。管道完整性管理則是各大管道公司確保管道安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段，而管道位置參數(shù)是管道完整性管理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS、GPS等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)管道的數(shù)字化、可視化管理。在管道內(nèi)檢測(cè)器上加裝慣性測(cè)量單元（IMU），可以在進(jìn)行缺陷檢測(cè)和管道清理的同時(shí)，確定內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)行的姿態(tài)、行進(jìn)的軌跡以及明確管道的地理坐標(biāo)，完善埋地管道的位置參數(shù)信息。

隨著內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，基于預(yù)防為主的管道完整性管理已經(jīng)在各大石油公司實(shí)施并日臻成熟。國(guó)外大型管道檢測(cè)公司都已經(jīng)能夠利用慣性器件對(duì)管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行定位分析，確定管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行后完善的位置和姿態(tài)等信息，國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究起步比較晚，多數(shù)研究處在實(shí)驗(yàn)階段。

本文通過對(duì)國(guó)外檢測(cè)公司所提供的內(nèi)檢測(cè)IMU管道中心線坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，得到相關(guān)內(nèi)檢測(cè)IMU坐標(biāo)精度。結(jié)合管道內(nèi)檢測(cè)器IMU定位系統(tǒng)工作原理，總結(jié)分析內(nèi)檢測(cè)IMU定位系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的精度影響因素，明確的管道精確坐標(biāo)可以有效防止因管道定位不準(zhǔn)確造成的管道損傷，甚至是事故，因此完善管道位置參數(shù)，提升管道完整性管理水平具有十分重要的意義。

內(nèi)檢測(cè)IMU定位系統(tǒng)

IMU原理。管道慣性測(cè)量單元（IMU）內(nèi)檢測(cè)的基本原理是牛頓力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其核心部件是由三維正交的陀螺儀與加速度計(jì)組成的。分別利用陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量物體3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和運(yùn)動(dòng)加速度，將采集、記錄和數(shù)據(jù)使用專門的計(jì)算機(jī)進(jìn)行積分等運(yùn)算處理，便可以得到檢測(cè)器不同時(shí)刻的速度、位置與姿態(tài)信息，繼而獲得管道中心線坐標(biāo)。

由于檢測(cè)器工作在管道內(nèi)部，因此會(huì)造成屏蔽GPS信號(hào)，同時(shí)漏磁檢測(cè)工作時(shí)將管道磁化，在強(qiáng)磁環(huán)境中也無法利用地磁信號(hào)。針對(duì)上述情況，將慣性器件組合為慣性測(cè)量單元（IMU），搭載在檢測(cè)器上進(jìn)行管道地理坐標(biāo)測(cè)量，不需要進(jìn)行外部數(shù)據(jù)交換，是一種自主導(dǎo)航方法。

IMU測(cè)繪流程。慣性測(cè)量單元（IMU）通常搭載于幾何、漏磁等其他內(nèi)檢測(cè)器中，與內(nèi)檢測(cè)器同步運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，IMU以一定的頻率采集三路陀螺儀、三路加速度計(jì)及里程數(shù)據(jù)并保存在系統(tǒng)磁盤當(dāng)中。當(dāng)內(nèi)檢測(cè)器經(jīng)過地面參考點(diǎn)時(shí)，激發(fā)地面定標(biāo)盒，同時(shí)記錄其內(nèi)檢測(cè)器經(jīng)過的時(shí)刻。當(dāng)檢測(cè)器完成檢測(cè)以后，下載磁盤中數(shù)據(jù)利用組合軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合地面定標(biāo)點(diǎn)位置參數(shù)與里程計(jì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，得到整條管道的位置數(shù)據(jù)和中心線軌跡圖形。

誤差及數(shù)據(jù)修正。慣性測(cè)量的誤差源較多，首先為信號(hào)的測(cè)量誤差，包括零點(diǎn)漂移誤差，短時(shí)穩(wěn)定度，尺度因素誤差和溫漂誤差等。按誤差比較原則，主要誤差為零點(diǎn)漂移和短時(shí)穩(wěn)定度，將其看作測(cè)量信號(hào)的零偏值。然后計(jì)算誤差，包括舎入誤差，量化誤差和耦合誤差等，其中傳遞誤差為主要誤差項(xiàng)。信號(hào)零偏在狀態(tài)量更新計(jì)算中產(chǎn)生的傳遞誤差，這些誤差之間存在相關(guān)性，同時(shí)內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)行在管道中運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，并且伴隨著檢測(cè)條件不斷變化。因此慣性測(cè)量（IMU）本身具有的不穩(wěn)定特性以及導(dǎo)航定位算法所用的迭代計(jì)算方式，如果計(jì)算中誤差不能進(jìn)行修正補(bǔ)償，將會(huì)使得定位系統(tǒng)出現(xiàn)較大問題。

在軟件設(shè)計(jì)處理過程中，建立誤差模型，使用非線性濾波算法對(duì)誤差干擾進(jìn)行修正，主要為擴(kuò)展Kalman濾波（EKF）和無跡展Kalman濾波（UKF）。同時(shí)增加里程計(jì)傳感器輔助信息，起點(diǎn)和終點(diǎn)位置修正，對(duì)累積誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，最終得到較為準(zhǔn)確的管道中心線坐標(biāo)。

工程實(shí)例

以實(shí)際工程項(xiàng)目為例，分別由國(guó)外兩家公司對(duì)不同兩段管道進(jìn)行管道內(nèi)檢測(cè)，內(nèi)檢測(cè)器上搭載著慣性測(cè)量單元（IMU），經(jīng)過后期處理得到管道內(nèi)檢測(cè)IMU中心線坐標(biāo)。1#管段全長(zhǎng)149.7km，管徑1016mm；2#管段全長(zhǎng)112km，管徑812mm。

驗(yàn)證的內(nèi)檢測(cè)IMU管道中心線坐標(biāo)是兩家檢測(cè)公司提供給業(yè)主的成果文件，數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換以后由測(cè)繪單位進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，第三方技術(shù)服務(wù)公司進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)督，確保內(nèi)檢測(cè)IMU坐標(biāo)放樣準(zhǔn)確，同時(shí)也保證驗(yàn)證結(jié)果公平。

此次驗(yàn)證的目的主要為確認(rèn)內(nèi)檢測(cè)IMU管道中心線坐標(biāo)與實(shí)際埋地管道位置的誤差，通過對(duì)驗(yàn)證結(jié)果的分析，確認(rèn)內(nèi)檢測(cè)IMU管道中心線坐標(biāo)的影響因素。

IMU精度驗(yàn)證方法

地面定位驗(yàn)證。地面驗(yàn)證是指對(duì)檢測(cè)公司所提供的內(nèi)檢測(cè)IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行地面精度驗(yàn)證，首先使用高精度RTK定位系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)檢測(cè)IMU坐標(biāo)數(shù)據(jù)（彎頭中心、焊縫、定標(biāo)點(diǎn)等）進(jìn)行位置放樣，此次放樣主要為彎頭中心位置，利用管道探測(cè)儀（DM）進(jìn)行彎頭中心確認(rèn)，通過比較內(nèi)檢測(cè)IMU彎頭中心坐標(biāo)與管道實(shí)際埋地位置誤差，判斷內(nèi)檢測(cè)IMU管道中心線數(shù)據(jù)的精度，具體流程如圖1所示。

開挖驗(yàn)證。開挖驗(yàn)證是指對(duì)內(nèi)檢測(cè)IMU管道中心線坐標(biāo)進(jìn)行缺陷點(diǎn)放樣，通過對(duì)管道特征點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系（彎頭、焊縫、時(shí)鐘等）對(duì)缺陷位置進(jìn)行確認(rèn)，測(cè)量放樣點(diǎn)與缺陷真實(shí)位置相對(duì)位置關(guān)系，從而準(zhǔn)確驗(yàn)證內(nèi)檢測(cè)IMU管道中心線坐標(biāo)精度。

誤差分析

地面驗(yàn)證和開挖驗(yàn)證兩種方法主要是為了對(duì)比內(nèi)檢測(cè)IMU管道中心線坐標(biāo)與特征真實(shí)位置坐標(biāo)的差異，通過對(duì)特征真實(shí)位置的確認(rèn)，采集準(zhǔn)確的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后通過坐標(biāo)比對(duì)，進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)IMU精度判斷。內(nèi)檢測(cè)IMU放樣點(diǎn)坐標(biāo)與采集點(diǎn)坐標(biāo)誤差方程為：

式中，(X1，Y1，Z1)為IMU放樣點(diǎn)的坐標(biāo)A1；(X2，Y2，Z2)為經(jīng)過確認(rèn)后缺陷實(shí)際位置的坐標(biāo)A2；L為放樣點(diǎn)與采集點(diǎn)的距離（即坐標(biāo)誤差距離）；水平偏差是指放樣點(diǎn)與管道水平誤差距離，負(fù)值表示放樣點(diǎn)位于管道氣流方向左側(cè)，正值表示右側(cè)；軸向偏差是指放樣點(diǎn)與管道軸向的誤差距離，負(fù)值表示放樣點(diǎn)位于特征真實(shí)位置的上游，正值表示位于特征真實(shí)位置的下游。

驗(yàn)證結(jié)果。依據(jù)上述驗(yàn)證方法和誤差計(jì)算，對(duì)兩段管道進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證位置分布于全管段不同位置，得到兩段管道內(nèi)檢測(cè)IMU中心線精度誤差。

從圖4可以看出，1#管段開挖驗(yàn)證6處缺陷點(diǎn)，水平偏差范圍為-1.7m～4.4m，軸向偏差范圍為-0.3m～1.3m；1#管段地面驗(yàn)證52處彎頭，水平偏差范圍為-6.8m～0.5m，軸向偏差范圍為-4.7m～3.4m。

從圖5可以看出，2#管段開挖驗(yàn)證6處缺陷點(diǎn)，水平偏差范圍為2.1m～7.1m，軸向偏差范圍為-6.5m～6.4m；2#管段地面驗(yàn)證34處彎頭，水平偏差范圍為0.8m～8.6m，軸向偏差范圍為-6.6m～6.4m。

IMU定位誤差因素分析

從工程實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果來看，兩條管段的地面定位數(shù)據(jù)與開挖驗(yàn)證數(shù)據(jù)的誤差趨勢(shì)類似。從水平誤差和軸向誤差分布趨勢(shì)分析，初步分析造成水平誤差的主要因素是定標(biāo)點(diǎn)的水平偏差，造成軸向誤差的是內(nèi)檢測(cè)里程偏差。

定標(biāo)點(diǎn)水平偏差。為了分析定標(biāo)點(diǎn)水平偏差與IMU定位水平偏差的關(guān)系，采取地面驗(yàn)證的方式對(duì)1#管段和2#管段的部分定標(biāo)點(diǎn)水平誤差進(jìn)行驗(yàn)證，并分析了環(huán)焊縫水平偏差情況。從驗(yàn)證結(jié)果來看，1#管段驗(yàn)證37處定標(biāo)點(diǎn)，水平偏差范圍為-5m～0.4m，113處環(huán)焊縫水平偏差-8.5m～0.4m；2#管段驗(yàn)證27處定標(biāo)點(diǎn)，水平偏差范圍為-2.6m～8.7m，121處環(huán)焊縫水平偏差范圍為-3.0m～9.0m，誤差分布如圖6和圖7所示。

定標(biāo)點(diǎn)間距

地面定標(biāo)點(diǎn)作為內(nèi)檢測(cè)里程和IMU管道中心線修正的參考，在內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)中，定標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置的準(zhǔn)確性影響著IMU成果精度。定標(biāo)點(diǎn)越是密集，相對(duì)參考點(diǎn)越多，偏移相對(duì)準(zhǔn)確，當(dāng)部分管段定標(biāo)點(diǎn)間距越大時(shí)，其在里程上的誤差累積越明顯，IMU管道中心線坐標(biāo)誤差也將擴(kuò)大。

內(nèi)檢測(cè)里程偏差。IMU管道中心線坐標(biāo)需要依靠?jī)?nèi)檢測(cè)里程進(jìn)行參考與校正，如果內(nèi)檢測(cè)的檢測(cè)里程出現(xiàn)較大的誤差，那么相應(yīng)的中心線坐標(biāo)也會(huì)出現(xiàn)較大的軸向誤差。

1#管段里程偏差與驗(yàn)證點(diǎn)軸向偏差分析。通過對(duì)1#管段的閥室、場(chǎng)站的檢測(cè)站間距與實(shí)際管道站間距的檢測(cè)誤差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1#管段的發(fā)球站1A到閥室1B和閥室1C和閥室1D的檢測(cè)誤差較大，都達(dá)到了1.1Km，具體詳見表1所示。通過對(duì)1#管段檢測(cè)誤差與驗(yàn)證點(diǎn)軸向誤差的趨勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)站間距較大時(shí)，該段管道的驗(yàn)證點(diǎn)軸向誤差范圍也較大，具體詳見圖8所示。

2#管段里程偏差與驗(yàn)證點(diǎn)軸向偏差分析。采用同樣的比較分析方法對(duì)2#管段進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在閥室2C到閥室2E之間的誤差是所有站間距中檢測(cè)偏差最大的，詳見表2所示；通過對(duì)2#管段的驗(yàn)證點(diǎn)軸向誤差進(jìn)行分析，同樣得到了檢測(cè)誤差越大，其驗(yàn)證點(diǎn)軸向誤差范圍相對(duì)較大的結(jié)論，具體詳見圖9所示。

其它影響因素。獲得準(zhǔn)確、完整的IMU成果數(shù)據(jù)除了需要慣性測(cè)量單元（IMU）數(shù)據(jù)以外，還需要地面定標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)、里程數(shù)據(jù)、濾波器處理等數(shù)據(jù)。因此，除了上述三個(gè)重要影響因素以外，還有其它因素也會(huì)造成IMU成果數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，主要分為以下方面：

檢測(cè)環(huán)境（壓力、地勢(shì)、溫度）的變化，造成不同檢測(cè)數(shù)據(jù)（里程計(jì)、慣性測(cè)量單元等）出現(xiàn)偏差，檢測(cè)設(shè)備的固有誤差會(huì)造成IMU參數(shù)發(fā)生變化；檢測(cè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)的判斷和處理不當(dāng)，也會(huì)造成局部出現(xiàn)較大誤差，如IMU軌跡發(fā)生偏離，進(jìn)行數(shù)據(jù)糾正和地面定標(biāo)點(diǎn)糾偏不到位，也會(huì)影響IMU成果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度。

通過工程實(shí)例以及IMU定位誤差因素的分析，得出以下結(jié)論：依據(jù)地面定標(biāo)點(diǎn)參數(shù)對(duì)IMU軌跡進(jìn)行修正得到完整的IMU管道中心線，因此地面定標(biāo)點(diǎn)采集精度（位置準(zhǔn)確性）在一定程度上影響IMU成果的精度；IMU坐標(biāo)偏移需要將管道內(nèi)部系統(tǒng)的位置參數(shù)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)參數(shù)，地面定標(biāo)點(diǎn)作為IMU偏移的參考點(diǎn)，其相對(duì)于管道的位置關(guān)系決定著IMU坐標(biāo)偏移的準(zhǔn)確性。通過對(duì)驗(yàn)證結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，地面定標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于管道水平偏移量決定了IMU坐標(biāo)水平偏差量。從圖6和圖7中可以看出，開挖驗(yàn)證點(diǎn)、彎頭、環(huán)焊縫的IMU坐標(biāo)數(shù)據(jù)相對(duì)于管道的水平偏差與其附近的定標(biāo)點(diǎn)的水平偏差趨勢(shì)一致，且當(dāng)與其相近的定標(biāo)點(diǎn)水平偏差較大時(shí)，驗(yàn)證點(diǎn)的水平偏差也較大。因此，可以說明定標(biāo)點(diǎn)水平偏差直接影響著IMU成果水平偏差的大?。欢?biāo)點(diǎn)間距越小，誤差積累越小，檢測(cè)里程誤差也就越小，IMU成果精度越高；內(nèi)檢測(cè)里程誤差的大小直接影響IMU成果誤差的軸向偏差大小。

總結(jié)與建議

依據(jù)IMU成果數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，分析其誤差影響因素發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的IMU技術(shù)在管道中心線定位應(yīng)用過程中尚存在較多問題需要解決。IMU管道中心線定位精度的影響因素較多，單一數(shù)據(jù)質(zhì)量控制不能保證IMU成果數(shù)據(jù)的精度。為實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的精準(zhǔn)定位，還需對(duì)IMU檢測(cè)流程、數(shù)據(jù)處理、驗(yàn)證與校正方面進(jìn)行深度分析與優(yōu)化。一方面控制好IMU成果數(shù)據(jù)生成的各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)質(zhì)量；另一方面改進(jìn)相應(yīng)的技術(shù)思路，提升IMU在內(nèi)檢測(cè)環(huán)境中的適應(yīng)性。由于IMU檢測(cè)成本較高，如不能有效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和修正，那么會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

作為管道完整性管理的重要組成部分，管道數(shù)字化將有效的提升管道數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)管道可視化管理，同時(shí)能夠在維修維護(hù)和缺陷管理中節(jié)省不必要的開支，為管道安全運(yùn)行提供可靠的技術(shù)支持。

（作者單位：1.中國(guó)石化天然氣分公司川氣東送管道有限公司；2.四川德源石油天然氣工程有限公司；3.四川德源云管道信息技術(shù)有限公司）