周忠贛 高 芳

（1.江西核工業(yè)測(cè)繪院集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330038；2.永豐縣自然資源局，江西 吉安 331500）

0.引言

在現(xiàn)代化城市建設(shè)中，地下管線分布是核心，地線管線涵蓋了水、電、氣、通信等方方面面，需要采用信息化的測(cè)量方法，建立地下管線測(cè)量系統(tǒng)。采用遙感測(cè)繪和慣導(dǎo)控制的方法，建立地下管線測(cè)繪的信息化管理模型，通過(guò)同步測(cè)量和信息化監(jiān)測(cè)的方法，進(jìn)行地下管線測(cè)繪系統(tǒng)模型構(gòu)造，提高地下管線測(cè)繪和項(xiàng)目工程管理能力。相關(guān)的地下管線測(cè)繪工作研究在提高地下管線的檢修和維護(hù)能力方面具有重要意義[1]。

對(duì)地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是建立在對(duì)管線的紅外和CT掃描測(cè)繪基礎(chǔ)上，結(jié)合自動(dòng)化的電機(jī)傳輸控制，通過(guò)微機(jī)傳輸控制的方法，構(gòu)建地下管線測(cè)繪的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、電力傳感系統(tǒng)以及人機(jī)交互系統(tǒng)[2]，文獻(xiàn)[3]中提出基于MEMS陀螺儀的地下管線測(cè)繪系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)MEMS陀螺儀采集三軸角速度和三軸加速度，運(yùn)用管道測(cè)繪算法對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，實(shí)現(xiàn)管線測(cè)繪，但該系統(tǒng)的測(cè)繪定位能力不好。文獻(xiàn)[4]中構(gòu)建基于信息化管理的電力地下管線測(cè)繪模型，通過(guò)施工計(jì)劃、項(xiàng)目進(jìn)度控制、項(xiàng)目質(zhì)量管理，實(shí)現(xiàn)地下管線的自動(dòng)化測(cè)繪設(shè)計(jì)，但該方法對(duì)地下管線測(cè)繪的智能化水平不高。針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的弊端，本文提出基于REDUCT慣性定位的地下管線測(cè)繪系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架，然后進(jìn)行系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)，采用MMC子模塊設(shè)計(jì)方法，建立地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的信息交互模塊、人機(jī)控制模塊和信息處理模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，展示了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在提高地下管線測(cè)繪定位能力方面的優(yōu)越性能。

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和組件分析

1.1 測(cè)繪系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

研究REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)智能聲信號(hào)定位和管道的回聲定位設(shè)計(jì)方法，建立測(cè)繪系統(tǒng)的遙感和CT檢測(cè)模型，采用慣導(dǎo)定位和參數(shù)識(shí)別，進(jìn)行系統(tǒng)的信息處理模型設(shè)計(jì)，結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)，建立地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的高速信號(hào)參數(shù)識(shí)別和定位模型。設(shè)計(jì)的REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)包括信號(hào)采集模塊、聲回波檢測(cè)模塊、濾波模塊和慣性參數(shù)識(shí)別模塊，通過(guò)程序控制和參數(shù)識(shí)別的方法，構(gòu)建REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的集成信息處理器[5]，采用ARM作為核心控制單元，在FLASH中進(jìn)行REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的程序加載。采用局部總線技術(shù)，建立REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的專用模塊，采用TTL電平信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)，構(gòu)建REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的邏輯控制處理器。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

在參數(shù)設(shè)定中，設(shè)計(jì)的REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)采樣率為196kSa/s的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)的邏輯觸發(fā)定位的時(shí)頻參數(shù)達(dá)到7.5Msample/s（15Mbytes/s），結(jié)合REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)分析和功能模塊設(shè)計(jì)，采用PXI、VXI、LXI聯(lián)合總線測(cè)試的方法，建立地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的基陣定位模型。通過(guò)組件控制和模糊參數(shù)調(diào)節(jié)的方法，在高速DSP控制下進(jìn)行REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的組件開(kāi)發(fā)。REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪的動(dòng)態(tài)采集的范圍為-12dB～+20dB，采用32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器進(jìn)行地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的信號(hào)濾波檢測(cè)，采用Revit軟件進(jìn)行REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的信號(hào)傳輸控制[6]。

1.2 系統(tǒng)的功能組件分析

采用多功率調(diào)節(jié)方法，實(shí)現(xiàn)16位的REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)聲信號(hào)輸出控制，采用基于ANSIC內(nèi)核控制，進(jìn)行地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的時(shí)間驅(qū)動(dòng)控制和設(shè)計(jì)，得到地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的LabWindows/CVI模型。通過(guò)回調(diào)函數(shù)編程的方法，進(jìn)行輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，建立測(cè)繪系統(tǒng)的ANSIC 編譯、連接、調(diào)試模型，系統(tǒng)的組件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的組件構(gòu)成

根據(jù)圖2的系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的組件開(kāi)發(fā)和測(cè)試。結(jié)合嵌入式的ARM進(jìn)行REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的總線輸出控制設(shè)計(jì)，采用ADSP-BF537BBC-5A實(shí)現(xiàn)REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)控制總線傳輸和自適應(yīng)控制，建立REDUCT慣性定位模型。通過(guò)探測(cè)的聲信號(hào)傳輸帶寬為20位，構(gòu)建系統(tǒng)的時(shí)鐘控制總線。通過(guò)PLC總線傳輸和時(shí)鐘控制總線協(xié)議控制，采用RFID標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行REDUCT慣性定位和時(shí)鐘補(bǔ)償[7]。構(gòu)建CPU時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線測(cè)繪過(guò)程中的聯(lián)合總線控制，得到系統(tǒng)的總線傳輸結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的總線傳輸結(jié)構(gòu)模型

2.地下管線測(cè)繪系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 算法設(shè)計(jì)

在上述構(gòu)建了REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地下管線測(cè)繪陀螺儀測(cè)繪裝置調(diào)速優(yōu)化控制，建立地下管線測(cè)繪聯(lián)控參數(shù)模型，得到輸出函數(shù)fu（x）定義，如式（1）所示：

式（1）中，σ為一個(gè)較大的常數(shù)，表示慣性定位的啟停時(shí)間間隔；x為地下管線測(cè)繪的啟動(dòng)時(shí)間順序函數(shù)，通過(guò)對(duì)地下管線的膜厚等參數(shù)分析，得到摩擦力矩值在流場(chǎng)的控制迭代方程，如式（2）、式（3）所示：

式（2）、式（3）中，w為地下管線測(cè)繪的軸承啟停過(guò)程瞬態(tài)慣性權(quán)重；c1和c2為摩擦力矩值和慣性特征量；rand（）和Rand（）為兩個(gè)在[0,1]范圍里變化的隨機(jī)值；pid為全塑性接觸特征量；xid為推力啟停的瞬態(tài)分量。

基于REDUCT慣性定位的摩擦力矩值在流場(chǎng)的分布特性，構(gòu)建慣性測(cè)繪的控制目標(biāo)函數(shù)，如式（4）所示：

式（4）中，f0（X）為控制目標(biāo)函數(shù)；pi（X）為接觸特征量；ε為一個(gè)小的常數(shù)；wp、wv、wc分別為各誤差源對(duì)導(dǎo)航定位參數(shù)的慣性誤差；Vt（X）為慣性定位的北向速度誤差；C（X）為慣性定位的東向速度誤差；fu為頻率參數(shù)；Tem和T*em分別為組合導(dǎo)航的信息導(dǎo)入分量；ωmaxr為校正捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的最大差分值；ω*r為REDUCT慣性定位緯度誤差；Bsy和Bkneesy為REDUCT慣性定位的模糊演化參數(shù)和姿態(tài)誤差角。由此構(gòu)建了地下管線測(cè)繪的定位算法，通過(guò)REDUCT慣性定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線的實(shí)時(shí)狀態(tài)分析和定位檢測(cè)。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合ARM技術(shù)構(gòu)建REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的物理設(shè)備組件，建立REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪的硬件結(jié)構(gòu)模型，采用高速DSP進(jìn)行智能REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的功能模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)中斷復(fù)位程序進(jìn)行REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的輸出中斷控制，建立地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的基陣定位模型，采用多通道的地下聲通道信息采集和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄的方法，進(jìn)行REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)AD信息采集電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的傳感信息采集。在進(jìn)行地下管線測(cè)繪過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄的基礎(chǔ)上，結(jié)合觸發(fā)總線、模擬總線等測(cè)試儀器，進(jìn)行地下管線測(cè)繪過(guò)程中的REDUCT慣性定位。考慮到數(shù)據(jù)的高速與高實(shí)時(shí)性，通過(guò)REDUCT陀螺整體控制，結(jié)合32位嵌入式的交叉編譯技術(shù)，進(jìn)行REDUCT慣性定位地下管線測(cè)繪系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)流程圖

3.試驗(yàn)測(cè)試分析

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)地下管線測(cè)繪和定位中的性能，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試分析，采用加速Simulink的仿真REUDCT定位速度，管線測(cè)繪定位采用Gleeble3500熱力模擬試驗(yàn)機(jī)，管線材料為鐵素體、貝氏體及鐵素體與貝氏體的雙相體，屈服響應(yīng)的強(qiáng)度為80 dB，裂紋尖端張開(kāi)位移為0.06 mm。測(cè)繪系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，在四邊形單元（CAX8型單元）格中進(jìn)行管線測(cè)繪和定位，得到管線分布網(wǎng)格有限元圖，如圖5所示。

圖5 管線分布網(wǎng)格有限元圖

根據(jù)圖5的管線分布網(wǎng)格有限元分布，進(jìn)行管線測(cè)繪定位，得到的定位結(jié)果，如圖6所示。

圖6 管線測(cè)繪定位結(jié)果

由圖6可知：管線A、B的色階圖清晰地反映管線定位情況，利用色階對(duì)定位情況與管線位置進(jìn)行區(qū)分，管線分布的重點(diǎn)區(qū)域得到準(zhǔn)確辨識(shí)。由此可知：本文方法可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線測(cè)繪，定位參數(shù)解析準(zhǔn)確可靠，測(cè)試定位精度，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：本文方法的測(cè)繪定位精度高于傳統(tǒng)方法。

圖7 測(cè)繪定位精度對(duì)比測(cè)試

4.結(jié)束語(yǔ)

本文建立地下管線測(cè)繪的信息化管理模型，通過(guò)同步測(cè)量和信息化監(jiān)測(cè)的方法，進(jìn)行地下管線測(cè)繪系統(tǒng)模型構(gòu)造，提高地下管線測(cè)繪和項(xiàng)目工程管理能力。通過(guò)智能聲信號(hào)定位和管道的回聲定位設(shè)計(jì)方法，建立測(cè)繪系統(tǒng)的遙感和CT檢測(cè)模型，進(jìn)行地下管線測(cè)繪陀螺儀測(cè)繪裝置調(diào)速優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線的實(shí)時(shí)狀態(tài)分析和定位檢測(cè)。測(cè)試得出，本文方法進(jìn)行地下管線測(cè)繪的定位精度較高。