◎尹恒董華清張勇孫鵬王波

影響管道IMU測繪精度因素

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隨著管道完整性管理理念在國內管道公司的不斷推進，管道公司對管道數字化的需求也愈加明顯，通過在管道內檢測時搭載慣性測量單元（IMU）成為管道公司實現在役管道數字化的方法之一?；诠こ虒嵗?，通過引入高精度RTK技術對IMU成果數據從地面驗證和開挖驗證兩個方面進行現場驗證的方法，并對現場收集到的數據與IMU成果數據進行綜合分析，總結了影響IMU精度誤差的主要因素。分析結果表明，影響IMU精度的主要因素為定標點水平偏差和檢測里程偏差，定標點的水平偏差影響IMU成果的水平誤差，檢測里程偏差影響IMU成果軸向誤差。通過對影響因素的分析，為后續(xù)誤差控制提供了參考性建議。

管道在我國能源運輸過程中占有很大比重，隨著社會經濟的發(fā)展，管道行業(yè)對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、經濟運行的重要手段，而管道位置參數是管道完整性管理的重要基礎數據，結合GIS、GPS等技術可實現管道的數字化、可視化管理。在管道內檢測器上加裝慣性測量單元（IMU），可以在進行缺陷檢測和管道清理的同時，確定內檢測器運行的姿態(tài)、行進的軌跡以及明確管道的地理坐標，完善埋地管道的位置參數信息。

隨著內檢測技術的發(fā)展與進步，基于預防為主的管道完整性管理已經在各大石油公司實施并日臻成熟。國外大型管道檢測公司都已經能夠利用慣性器件對管道內檢測設備運行情況進行定位分析，確定管道內檢測設備運行后完善的位置和姿態(tài)等信息，國內對這方面的研究起步比較晚，多數研究處在實驗階段。

本文通過對國外檢測公司所提供的內檢測IMU管道中心線坐標數據進行數據驗證，得到相關內檢測IMU坐標精度。結合管道內檢測器IMU定位系統(tǒng)工作原理，總結分析內檢測IMU定位系統(tǒng)在實際應用中存在的精度影響因素，明確的管道精確坐標可以有效防止因管道定位不準確造成的管道損傷，甚至是事故，因此完善管道位置參數，提升管道完整性管理水平具有十分重要的意義。

內檢測IMU定位系統(tǒng)

IMU原理。管道慣性測量單元（IMU）內檢測的基本原理是牛頓力學運動規(guī)律，其核心部件是由三維正交的陀螺儀與加速度計組成的。分別利用陀螺儀和加速度計測量物體3個方向的轉動角速度和運動加速度，將采集、記錄和數據使用專門的計算機進行積分等運算處理，便可以得到檢測器不同時刻的速度、位置與姿態(tài)信息，繼而獲得管道中心線坐標。

由于檢測器工作在管道內部，因此會造成屏蔽GPS信號，同時漏磁檢測工作時將管道磁化，在強磁環(huán)境中也無法利用地磁信號。針對上述情況，將慣性器件組合為慣性測量單元（IMU），搭載在檢測器上進行管道地理坐標測量，不需要進行外部數據交換，是一種自主導航方法。

IMU測繪流程。慣性測量單元（IMU）通常搭載于幾何、漏磁等其他內檢測器中，與內檢測器同步運行。在運行過程中，IMU以一定的頻率采集三路陀螺儀、三路加速度計及里程數據并保存在系統(tǒng)磁盤當中。當內檢測器經過地面參考點時，激發(fā)地面定標盒，同時記錄其內檢測器經過的時刻。當檢測器完成檢測以后，下載磁盤中數據利用組合軟件進行數據處理，結合地面定標點位置參數與里程計參數進行數據修正，得到整條管道的位置數據和中心線軌跡圖形。

誤差及數據修正。慣性測量的誤差源較多，首先為信號的測量誤差，包括零點漂移誤差，短時穩(wěn)定度，尺度因素誤差和溫漂誤差等。按誤差比較原則，主要誤差為零點漂移和短時穩(wěn)定度，將其看作測量信號的零偏值。然后計算誤差，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。信號零偏在狀態(tài)量更新計算中產生的傳遞誤差，這些誤差之間存在相關性，同時內檢測器運行在管道中運行環(huán)境復雜，并且伴隨著檢測條件不斷變化。因此慣性測量（IMU）本身具有的不穩(wěn)定特性以及導航定位算法所用的迭代計算方式，如果計算中誤差不能進行修正補償，將會使得定位系統(tǒng)出現較大問題。

在軟件設計處理過程中，建立誤差模型，使用非線性濾波算法對誤差干擾進行修正，主要為擴展Kalman濾波（EKF）和無跡展Kalman濾波（UKF）。同時增加里程計傳感器輔助信息，起點和終點位置修正，對累積誤差進行校準，最終得到較為準確的管道中心線坐標。

工程實例

以實際工程項目為例，分別由國外兩家公司對不同兩段管道進行管道內檢測，內檢測器上搭載著慣性測量單元（IMU），經過后期處理得到管道內檢測IMU中心線坐標。1#管段全長149.7km，管徑1016mm；2#管段全長112km，管徑812mm。

驗證的內檢測IMU管道中心線坐標是兩家檢測公司提供給業(yè)主的成果文件，數據經過轉換以后由測繪單位進行數據驗證，第三方技術服務公司進行數據記錄與監(jiān)督，確保內檢測IMU坐標放樣準確，同時也保證驗證結果公平。

此次驗證的目的主要為確認內檢測IMU管道中心線坐標與實際埋地管道位置的誤差，通過對驗證結果的分析，確認內檢測IMU管道中心線坐標的影響因素。

IMU精度驗證方法

地面定位驗證。地面驗證是指對檢測公司所提供的內檢測IMU數據進行地面精度驗證，首先使用高精度RTK定位系統(tǒng)，對內檢測IMU坐標數據（彎頭中心、焊縫、定標點等）進行位置放樣，此次放樣主要為彎頭中心位置，利用管道探測儀（DM）進行彎頭中心確認，通過比較內檢測IMU彎頭中心坐標與管道實際埋地位置誤差，判斷內檢測IMU管道中心線數據的精度，具體流程如圖1所示。

開挖驗證。開挖驗證是指對內檢測IMU管道中心線坐標進行缺陷點放樣，通過對管道特征點相對位置關系（彎頭、焊縫、時鐘等）對缺陷位置進行確認，測量放樣點與缺陷真實位置相對位置關系，從而準確驗證內檢測IMU管道中心線坐標精度。

誤差分析

地面驗證和開挖驗證兩種方法主要是為了對比內檢測IMU管道中心線坐標與特征真實位置坐標的差異，通過對特征真實位置的確認，采集準確的坐標數據，然后通過坐標比對，進行內檢測IMU精度判斷。內檢測IMU放樣點坐標與采集點坐標誤差方程為：

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

驗證結果。依據上述驗證方法和誤差計算，對兩段管道進行驗證，驗證位置分布于全管段不同位置，得到兩段管道內檢測IMU中心線精度誤差。

從圖4可以看出，1#管段開挖驗證6處缺陷點，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#管段開挖驗證6處缺陷點，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

從工程實例驗證結果來看，兩條管段的地面定位數據與開挖驗證數據的誤差趨勢類似。從水平誤差和軸向誤差分布趨勢分析，初步分析造成水平誤差的主要因素是定標點的水平偏差，造成軸向誤差的是內檢測里程偏差。

定標點水平偏差。為了分析定標點水平偏差與IMU定位水平偏差的關系，采取地面驗證的方式對1#管段和2#管段的部分定標點水平誤差進行驗證，并分析了環(huán)焊縫水平偏差情況。從驗證結果來看，1#管段驗證37處定標點，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#管段驗證27處定標點，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。

定標點間距

地面定標點作為內檢測里程和IMU管道中心線修正的參考，在內檢測系統(tǒng)中，定標點的相對位置的準確性影響著IMU成果精度。定標點越是密集，相對參考點越多，偏移相對準確，當部分管段定標點間距越大時，其在里程上的誤差累積越明顯，IMU管道中心線坐標誤差也將擴大。

內檢測里程偏差。IMU管道中心線坐標需要依靠內檢測里程進行參考與校正，如果內檢測的檢測里程出現較大的誤差，那么相應的中心線坐標也會出現較大的軸向誤差。

1#管段里程偏差與驗證點軸向偏差分析。通過對1#管段的閥室、場站的檢測站間距與實際管道站間距的檢測誤差進行分析，發(fā)現1#管段的發(fā)球站1A到閥室1B和閥室1C和閥室1D的檢測誤差較大，都達到了1.1Km，具體詳見表1所示。通過對1#管段檢測誤差與驗證點軸向誤差的趨勢進行分析，發(fā)現當站間距較大時，該段管道的驗證點軸向誤差范圍也較大，具體詳見圖8所示。

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

其它影響因素。獲得準確、完整的IMU成果數據除了需要慣性測量單元（IMU）數據以外，還需要地面定標點數據、里程數據、濾波器處理等數據。因此，除了上述三個重要影響因素以外，還有其它因素也會造成IMU成果數據出現誤差，主要分為以下方面：

檢測環(huán)境（壓力、地勢、溫度）的變化，造成不同檢測數據（里程計、慣性測量單元等）出現偏差，檢測設備的固有誤差會造成IMU參數發(fā)生變化；檢測過程中會產生大量的數據，對于數據的判斷和處理不當，也會造成局部出現較大誤差，如IMU軌跡發(fā)生偏離，進行數據糾正和地面定標點糾偏不到位，也會影響IMU成果數據的準確性和精度。

通過工程實例以及IMU定位誤差因素的分析，得出以下結論：依據地面定標點參數對IMU軌跡進行修正得到完整的IMU管道中心線，因此地面定標點采集精度（位置準確性）在一定程度上影響IMU成果的精度；IMU坐標偏移需要將管道內部系統(tǒng)的位置參數轉換為地面坐標參數，地面定標點作為IMU偏移的參考點，其相對于管道的位置關系決定著IMU坐標偏移的準確性。通過對驗證結果的分析發(fā)現，地面定標點相對于管道水平偏移量決定了IMU坐標水平偏差量。從圖6和圖7中可以看出，開挖驗證點、彎頭、環(huán)焊縫的IMU坐標數據相對于管道的水平偏差與其附近的定標點的水平偏差趨勢一致，且當與其相近的定標點水平偏差較大時，驗證點的水平偏差也較大。因此，可以說明定標點水平偏差直接影響著IMU成果水平偏差的大??；定標點間距越小，誤差積累越小，檢測里程誤差也就越小，IMU成果精度越高；內檢測里程誤差的大小直接影響IMU成果誤差的軸向偏差大小。

總結與建議

依據IMU成果數據驗證結果，分析其誤差影響因素發(fā)現，現有的IMU技術在管道中心線定位應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，單一數據質量控制不能保證IMU成果數據的精度。為實現對管道的精準定位，還需對IMU檢測流程、數據處理、驗證與校正方面進行深度分析與優(yōu)化。一方面控制好IMU成果數據生成的各個環(huán)節(jié)的數據質量；另一方面改進相應的技術思路，提升IMU在內檢測環(huán)境中的適應性。由于IMU檢測成本較高，如不能有效的對數據進行識別和修正，那么會造成資源的浪費。

作為管道完整性管理的重要組成部分，管道數字化將有效的提升管道數據的應用水平，實現管道可視化管理，同時能夠在維修維護和缺陷管理中節(jié)省不必要的開支，為管道安全運行提供可靠的技術支持。

（作者單位：1.中國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有限公司）