张家港市城市测量队
摘要：牵引管施工技术作为一种成熟的地下管线施工技术,因其施工方便,对地面交通影响小等特点近年来频频应用在地下管线施工中，如何准确的采集牵引施工的管线的平面位置和高程数据是传统测绘工作的难点。据此，介绍了一种新型的测量牵引管空间位置的仪器——惯性导向（陀螺）仪，本文简要介绍陀螺仪的原理，硬件组成，软件组成，结合实际测试数据，阐述了其在地下管线数据采集中的应用，并与全站仪实测数据和管线钻探仪的施工导向数据相比较，结果表明，该方法能够满足地下管线数据采集的要求，具有简便,高效，可靠的特点，是传统地下管线数据采集方法的有力补充。
关键词：陀螺仪;牵引管;测试;比较
0引言
随着国务院办公厅《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》的下发，各城市都相继开展了地下管线的普查及后继管理工作。众所周知，现势性强的地下管网信息资料为领导决策、城乡规划、城乡建设提供详实依据，必须对地下管线信息系统中的管线数据实施动态更新才能确保管线数据的现势性。因此规划主管部门在加强管线规划管理同时要加强管线竣工测量数据采集的管理。
1传统的地下管线定位的方法和局限性
目前，传统的地下管线物探的主要方法是电磁法，电磁波法，磁法，地震波法等，最常用的是电磁法，代表性仪器是地下管线探测仪，其原理是发射机发射电磁波，管线接收到发射机的电磁波后向远处传播，接收机根据接收到的远处的电磁波的信号强弱来定位。此种方法有多种局限性1、仅适用于金属管线，非金属管线此种方法行不通2、此种方法难以跨越大的地形障碍，过河、过路、过建筑物的管线将没办法探测，3、管线埋设得越深，地面接收到管线辐射的电磁波越弱，探测的精度越低。埋深超10米的管线用此种方法行不通。4、受周边电磁波干扰大，管线埋设复杂的地段对管线的位置和埋深很容易造成误判。
2陀螺仪的原理
旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力作用时是不会改变的，根据此原理制成的仪器就叫做陀螺仪，现代陀螺仪是一种能够精确测定物体方位的仪器，是一种惯性导航仪器。主要运用在国防工业，军事装备，科学研究等领域。地下管线三维精确定位技术是陀螺仪的又一成功运用，目前国内有多家单位已经研发成功并投入了使用。国外，由比利时锐特公司生产的陀螺仪，仪器型号DR-HDD-4.2，是目前国际上比较先进的陀螺仪。
3. DR-HDD-4.2陀螺仪简述
陀螺仪的核心就是方位测量器（OMU），它是利用陀螺仪的原理，包含除了计程仪（一般放在方位测量器之外）之外的所有传感器。如图1所示。
3.2软件组成
配备与仪器相匹配的数据传输软件和数据处理软件，这些软件程序将方位测量器测量的数据从方位测量器传输到计算机，然后将方位测量器所经路径和已知的出入口点坐标相联系，最后在所选的坐标系统中形成一个准确的三维曲线。
3.3采样方式
3.3.1陀螺仪在管道内部运行时，方位测量器的30多个传感器在管道内部采集数据，测量采样频率100赫兹，即每秒100个采样点。
3.3.2对每个采样点，软件计算X方向（距离Distance），Y方向（水平角Heading），Z方向（俯仰角Pitch）和侧滚位置Roll的变化。
3.3.3每个样本点成为一个向量，依次相连，构成行进路径。重建路径和已知出入口点坐标相结合便可获得所选坐标系内的最后结果。
4.应用案例
为了检验陀螺仪所测数据与全站仪所测数据的正确性，我们选取了张家港市某道路上放置的一条未施工的燃气PE管来进行测试。内径130mm，外径160mm，长约60米，未覆土。我们人为的给管子制造了一点弯曲，以让我们的模拟更接近实际。由于测试路面开阔，周边无高大的建筑物的遮挡，我们直接采用GPS-RTK采集数据，利用江苏CORS系统每隔一段距离均匀实测管顶平面坐标和高程，平面坐标系统是张家港地方坐标系，高程系统1985国家高程基准（下同），实测数据如示意图1所示；再用陀螺仪管道测绘系统对该管线进行测绘，让仪器在管道内部匀速拖运一个来回，采用往返测量取平均值方法，测试数据如示意图2所示。最后把陀螺仪所测数据与RTK实测数据进行比较，结果如示意图3所示。
从上三示意图中可以看出，在陀螺定位仪与GPS实测数据测试的比较中，陀螺定位仪数据光滑稳定，很好地反应了管线的原貌；与GPS实测数据相比两者平面最大偏差为±7cm，平均偏差不到±3cm；高程最大偏差为±5cm，平均偏差不到±3cm。相比数据几乎重合，说明陀螺定位仪测量提供的数据相对精度高、稳定可靠。
为了验证陀螺定位仪和地下穿越管道的导向数据的比较，我们选择了一条已经穿越完成的管道来测试，在某小区门口刚穿越完一条燃气PE管，直线距离约108米，内径130mm，外径160mm，最大埋深5m左右。管子的两端均留在了地面上。管线牵引施工单位预先帮我们在管子内部穿好了牵引线，我们同样让陀螺仪在管道内部运行一个来回，采用往返测量取平均值的方法。根据导出的数据制作了长度深度视图。施工方提供了施工中的导向记录，同样根据导向记录数据制作了断面图，如下图所示：
从上两示意图中可以看出管线走向近似相同，陀螺定位仪数据光滑稳定，能很好地反应了地下管线的原貌，且受周边施工、复杂管线等外界因素影响极小。陀螺定位仪管线测量只需管线两端预留测量口即可进行测量，大大提高了测量精度和工作效率。
经过实验得出使用陀螺定位仪测绘地下非开挖管线效果良好，测绘精度远远高于规范要求，保证测绘成果可靠，它可以应用于多种管道系统，具有如下优点：
1、不受地形条件的限制，能够跨越大的河流，湖泊，建筑等，不受深度的限制，不受电磁干扰。
2、由于软件可以配置不同距离的采样间距，采样距离短，精度高，更加贴合了管线实际的位置。
3、在轮组的可用尺寸区间内，可以适用于任何管道，不受管道材质的限制。
4、仪器采集的数据由专用的软件与之匹配，数据处理速度快，精度高，可与GIS系统无缝衔接。
同时，陀螺仪使用过程中需要注意以下三点：
1、仪器仅仅适用于非封闭的管道，运行中的封闭管线没办法使用该仪器来测量，例如：自来水、燃气等。很多无竣工测量资料的、年代久远的、已运行的、非金属管仍然没办法知晓其位置，无法填补此技术空缺。
2、短距离的地下牵引管后期可以借助穿线器给其穿线，长距离的牵引管对后期穿线是一个考验，需要在牵引管施工过程中预穿牵引线，这项工作必须要施工单位的配合才能完成，前期工作量大。
3、仪器的轮组的可用尺寸范围为80mm-800mm,管径过大过小都无办法运用该仪器测量。比如，大管径的区域供水管，小管径的通讯类多孔硅芯管，只能满足常规尺寸的管线测量需要。
5结论
陀螺仪三维精确定位技术是传统管线定位手段的一个强有力的补充，随着各城市相继开展管线竣工测量工作，陀螺仪必将很快运用到管线竣工测量中，为管线规划和管理提供更准确的依据。届时，城市的地下管线信息将更完善，更准确。城市管网将更加健康有序地运行。
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论文作者:马飞
论文发表刊物:《基层建设》2016年31期
论文发表时间:2017/1/17
标签：管线论文; 陀螺仪论文; 地下论文; 测量论文; 数据论文; 陀螺论文; 仪器论文; 《基层建设》2016年31期论文;