钻探系统的导向装置及应用该装置的钻杆路线规划方法与流程

本发明涉及非开挖技术领域，尤其是一种钻探系统的导向装置及应用该装置的钻杆路线规划方法。

背景技术：

随着城市建设的大规模发展，需要在城市中铺设截污管或能源(液化气、天然气等)供应管，较常用的方法是开挖槽来埋管埋线，这会造成环境污染，引起交通堵塞，并且存在施工安全隐患。

在非开挖技术出现之前，如果需要铺设地下管道，通常需要动用挖掘机在路面挖出一条有一定深度的壕沟来，铺设管道后再把壕沟回填。这种施工方法，不但费时、费力，还会对路面设施及交通造成危害。在某些环境下，如遇到河流、建筑物等时，开挖壕沟是不可能的。

因此，目前也已开发使用了非开挖技术，即一种利用岩土钻掘手段，在路面不挖沟、不破坏大面积地表层的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术。使用非开挖技术具有周期短、成本低、污染少、安全性能好等优点，而且不会影响正常的交通秩序。

非开挖技术应用较广的为水平导向前进法，其是利用非开挖导向仪引导装有钻头的钻杆进行定向前进来实现。这其中有一项关键的技术，就是钻头定位。挖掘过程中，施工人员必须知道钻头在地下的位置，然后才能决定钻头应当推进的方向，不然，挖掘过程将出现不可预测的后果。非开挖导向仪能够提供钻头实时的工况-深度、倾角以及钟点方向，让地面的操作人员实时掌握钻孔轨迹以便对后续的操作进行及时的修正，以保证按既定的路线轨迹精确定向，完成非开挖铺管。可见，确定钻头的精准位置是保证施工安全和质量不可或缺的关键。

为确定钻头的位置，采用的方法通常是地下电磁碳棒和地面gps综合估算。一般说来，由于钻头的长度是给定的，钻头前进方向的位置(纵向位置)是可以通过钻头的倾角来比较精确地计算得出。但是，钻头两侧的位置(横向位置)是靠gps提供的。即使使用通用的gps矫正，其精度也只能达到米级。也就是说，钻头实际所在的位置离它应在的位置会有1米左右的偏差。地下铺设的管道通常可以承受一定范围内的弯曲，但过度弯曲则会带来不可想象的安全隐患。因此，每钻杆一米左右的误差，不但对现场施工没有任何实际意义，亦不能保证铺设后管道的使用安全，甚至会造成很大的事故隐患。另外，地下有许多障碍物，或现有的管线，施工不慎就会造成重大的事故。

因此，精准定位是非开挖技术的关键技术，而现有技术的定位精度无法满足需求，有待进一步改进。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种钻探系统的导向装置，能够大幅提高定位精度。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种应用上述导向装置对钻探系统的钻杆路线进行规划的方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种钻探系统的导向装置，包括碳棒和导向仪，所述导向仪包括能够接收碳棒所处位置信息的地下定位器和地面定位器，其特征在于：所述地面定位器包括第一gps接收器、差分数据接收器和gps矫正计算模块，第一gps接收器差分数据接收器的输出端还与gps矫正计算模块的输入端连接；所述导向装置还包括固定基点矫正器，所述固定基点矫正器包括第二gps接收器、差分计算模块、能够向导向仪的差分数据接收器发送信号的差分数据发射器和基点位置输入模块，所述第二gps接收器和基点位置输入模块的输出端均连接到差分计算模块的输入端，所述差分计算模块的输出端连接差分数据发射器的输入端。

为便于对路线进行规划，所述导向仪的地面定位器还包括能够根据当前碳棒所处的位置和规划的钻杆路线计算当前钻杆操作参数的钻杆推进参数计算模块。

为便于路线规划和矫正，所述导向仪的地面定位器还包括钻探路线计划及验证模块、网络通讯接口和便于输入钻杆路线规划的人机界面/显示模块，所述钻探路线计划及验证模块的输入端通过网络通讯接口与外部的网络连接，所述网络连接到云端服务器。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种应用如上所述的钻探系统的导向装置对钻探系统的钻杆路线进行规划的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)开始，建立作业项目，确立工程要求参数；

2)确定起始点，确定终点；

3)根据步骤1)和2)的施工计划的地面路线，利用导向仪的第一gps接收器对平面路线的关键点进行gps位置信息采集，利用固定基点校正器对采集到的gps通过gps矫正计算模块进行矫正，完成采集后，导向平面轨迹和地面起伏信息形成三维的导向地面轨迹；

4)在导向仪显示的导向地面轨迹上，对每个关键点的地下导向深度进行确定，导向仪(3)根据关键点的深度和产品安装要求产生地下导向轨迹；

5)导向仪通过云端服务器的地下设施信息网络对地下导向轨迹进行核查，通过钻探路线计划及验证模块验证是否会有施工危险，确保导向轨迹安全并符合作业工程要求后，导向仪根据导向轨迹，产生钻杆接钻杆的操作方案，路线规划结束；如果地下障碍物验证未通过或作业工程要求验证未通过，则增删/修改关键点参数后回到步骤3)。

优选的，在上述步骤4)中，地下导向轨迹为钻杆的倾角清单形式。

优选的，在步骤4)中，钻杆的倾角清单形成包括如下步骤：

1)结合每一关键点的深度转换所有地面关键点成gps坐标；

2)将gps坐标转换成地心坐标；

3)从第一个关键点到最后倒数第三个关键点做下列计算：

3.1)取当前的关键点和后续两个关键点，求过这三点的圆；

3.2)将这个圆进行坐标转换到圆自身平面；

3.3)根据三角几何原理计算每一关键点的倾角并保存，同时计算当前的关键点和下一关键点之间的圆弧长度并保存，如果当前的关键点是倒数第三点，则计算倒数两个关键点之间的圆弧长度；

4)再从第一个关键点到最后一个关键点做下列计算，如上一步对一个关键点产生多个倾角，取平均值为该关键点的倾角并保存；

5)计算所有保存的圆弧长度的总和，得到导向路径总长度；

6)根据使用的钻杆长度确定钻杆的总杆数；

7)计算每一钻杆的倾角，该倾角为每两个相邻的关键点倾角变化除以两个关键点之间使用的钻杆数+当前关键点的倾角；

8)列出钻杆倾角清单，结束。

优选的，圆转换的方法为，在步骤3.2)中，三个关键点的gps坐标分别为：(la1，lo1，a1)，(la2，lo2，a2)，(la3，lo3，a3)，进行如下操作：

1)将三个关键点设定在同一高度，得到gps坐标分别为：(la1，lo1，a1)，(la2，lo2，a1)，(la3，lo3，a1)；

2)用步骤1)的gps坐标计算三个关键点中每个关键点离第一个关键点的距离，得到距离分别为d1，d2，d3，d1＝0；

3)以各个关键点离第一个关键点的距离为x坐标，以各个关键点的gps高度为y，得到三个关键点的二维坐标：(d1，a1)，(d2，a2)，(d3，a3)；

4)设圆心o坐标为(a,b)，得到下列方程组：

(d1-a)²+(a1-b)²＝r²

(d2-a)²+(a2-b)²＝r²

(d3-a)²+(a3-b)²＝r²

计算r，a，b，便完全确定这个圆。

在步骤3.3)中，确定圆之后，计算经过其中一个关键点的切线水平倾角的公式是：k＝-(a-x)/(b-y)，该关键点的坐标为(x,y)，倾角的公式是：p＝arctank，圆弧长度的公式是；l＝πr(p1-p2)/180，p1和p2分别为形成圆的三个关键点中倒数两个关键点的倾角。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过使用现场固定基点矫正方法来提高定位精度，将传统的定位精度提高了一个数量级，基于精准定位信息的智能导向计算，为钻探及导向控制提供实时决策支持；基于大数据云服务，进行钻探线路的规划，精准且能避免与地下设施的冲突，确保安全性。

附图说明

图1为本发明实施例所使用的钻探系统整体布局示意图；

图2是本发明实施例所使用的导向仪和固定基点矫正器的一种结构的框图；

图3是本发明实施例的生成钻探路线规划流程示意图；

图4是本发明实施例的钻探路线规划平面图；

图5为本发明实施例的钻探路线地下剖视图；

图6为本发明实施例的倾角计算数学原理示意图；

图7为本发明实施例的倾角计算流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

参见图1，显示了一种非开挖的钻探系统，钻探系统包括钻进装置和导向装置，其中，钻进装置包括位于地面的钻机1和在地面下钻进的钻头2，导向装置包括导向仪3、设置在钻头2上的碳棒4、以及固定基点矫正器5，导向仪3为精准定位智能导向仪，与固定基点矫正器5都分别能接收卫星6的gps信号，固定基点矫正器5能传递信号到导向仪3。导向仪3还能通过网络7接收云端服务器8的信号。本发明利用固定基点矫正器5，通过现场的固定基点校正方法来提高定位精度，将传统的定位精度提高了一个数量级。

参见图2，导向仪3包括地下定位器31和地面定位器32，下文对于地下定位器31和地面定位器32的描述中，“连接”均为电连接。其中地下定位器31包括如下模块：碳棒磁场信号接收器311和地下碳棒定位信号处理模块312，碳棒磁场信号接收器331能够接收碳棒4发出的磁场信号，碳棒磁场信号接收器311的输出端和地下碳棒定位信号处理模块312的输入端连接，通过地下碳棒定位信号处理模块312处理碳棒磁场信号，并发送到地面定位器32。

地面定位器32包括第一gps接收器321、差分数据接收器322、钻杆推进参数发送器323、导向仪控制模块324、gps矫正计算模块325、钻杆推进参数计算模块326、钻探路线计划及验证模块327、网络通讯接口328和人机界面/显示模块329。第一gps接收器321能够接收卫星6的gps信号，此外，第一gps接收器321和差分数据接收器322的输出端还与gps矫正计算模块325的输入端连接，以便得出精确地面位置。钻杆推进参数发送器323的输入端、gps矫正计算模块325的输出端、钻杆推进参数计算模块326的输入端和输出端、钻探路线计划及验证模块327的输出端、人机界面/显示模块329的输入端和输出端均与导向仪控制模块324连接。钻探路线计划及验证模块327的输入端通过网络通讯接口328与网络7连接。

钻杆推进参数计算模块326根据当前钻头所处的位置和规划的路线产生当前钻杆的操作参数；钻探路线计划及验证模块327帮助施工者开挖前规划钻探线路；人机界面/显示模块329供操作人员完成导向仪各类操作及控制。

固定基点矫正器5包括第二gps接收器51、差分计算模块52、差分数据发射器53和基点位置输入模块54。第二gps接收器51能够接收卫星6的gps信号，其和基点位置输入模块54的输出端均连接到差分计算模块52的输入端，第二gps接收器51和基点位置输入模块54输入的基点位置作为两个输入变量传递到差分计算模块52，差分计算模块52的输出端连接差分数据发射器53的输入端。导向仪3的差分数据接收器322和固定基点矫正器5的差分数据发射器53之间无线通信。

由此，固定基点矫正器5能够通过自身基点位置和gps位置产生矫正信息通过差分数据发射器53发送到导向仪3的差分数据接收器322。导向仪3的gps矫正计算模块325由差分数据接收器322接收到的矫正信息对第一gps接收器321的gps信号记性矫正计算，并发送到导向仪控制模块324。固定基点矫正器5的基点为绝对gps位置，可以使用通用的测量技术获得。一旦基点的gps位置确定后，其他位置的gps位置也就确定了，而且比使用通用gps矫正得来的位置更为精确。基于精准位置信息，施工人员(参见图1中的操作钻机1的钻机手和操作导向仪3的导向手)便可精确地控制钻头2的推进。

基于此，导向仪3可设置按使用者的要求产生钻探路线图，并通过云端服务器8所保存的信息进行验证，借助从云端服务器8接收到的地理、地质等大数据信息来验证有无地下障碍物并选择最佳施工方案。钻杆推进参数发送器323则可将计算得到的当前操作参数发送到钻机手使用。导向仪3可按导向手的要求将当前钻杆的位置及相关的作业数据记录到云端服务器8的数据库供后续工作使用。

再参见图1，施工之前，施工人员按施工要求先确定整个施工的起点101和终点102，然后在尽可能开阔而又靠近起始两点的位置之间选定放置作为基点的固定基点矫正器5，并固定在稳定的支架上55。整个施工过程中，这个固定基点矫正器5尽量避免迁移。为获取精准gps位置坐标，固定基点矫正器5需要输入或自动获取基点的gps位置。

确定基点gps位置，有三种方案可用：1)让基点的gps自动收敛：收敛需要一定的时间，可在施工前几天提前开启固定基点矫正器5的第二gps接收器51，并将几天收集的坐标作平均计算，以此作为基点的固定坐标；2)用其他通用测量的方法获得基点的固定坐标，并将固定坐标输入与固定基点矫正器5中；3)若想缩短第1种方案所需的收敛时间，基点的gps亦可采用网上的矫正服务(需要有网络可用)，以加速获取基点的gps坐标。设定基点的gps坐标后，导向仪3便有了地面精准定位功能。

若施工铺设的管道比较长，为确保矫正的精度，需要移动固定基点矫正器5到离钻头2较近的位置，每次移动后固定基点矫正器5后，必须按上述方法重新确定基点的gps位置。

如果已经规划好了钻探规划路线l1，可将钻探规划路线l1规划通过人机界面/显示模块329输入导向仪3中，亦可从后台云端服务器8获取(如果已有)。如果设计路线的起点坐标和施工起点的坐标不一致，可使用差分原理将二者转换(平移)。每开始新钻杆之前，导向手会寻找钻头2，也就是碳棒4所在的地下位置，并收集包括深度、倾角和其他相关的作业参数(钻头2的温度、压力等)，并把所收集的数据记录到云端服务器8。

如果还没有钻探规划路线l1，施工人员可用导向仪3内的钻探路线计划及验证模块327来设计规划施工路线。参见图3和图4，具体的，包括如下步骤：

1)开始，建立作业项目，确立工程要求参数，该参数主要为钻杆单位长度内的倾角变化；

2)确定起始点101，确定终点102；

3)导向手根据步骤1)和2)的施工计划的地面路线，利用导向仪3的第一gps接收器321对平面路线的一些关键点，利用固定基点校正器5对采集到的gps通过gps矫正计算模块325进行矫正，如起点101和终点102按序从起始点101开始对关键点进行gps位置信息采集，关键点为钻探路径必须经过之处，比如，一个社区的煤气管道必须连接到主管道，主管道所处的最近位置就应当是个关键点；完成采集后，导向平面轨迹和地面起伏信息形成三维的导向地面轨迹；

4)导向手在导向仪3显示的导向地面轨迹上，对每个关键点的地下导向深度进行确定，导向仪根据关键点的深度和产品安装要求(产品的安装要求集中体现在弯曲度变化，单位长度各方位的弯曲变化不得大于某个值，如每米长度的倾角变化不得大于某个值)，产生地下导向轨迹，数学上精确的轨迹可由关键点通过曲线回归方法得着，但在工程都是以每杆倾角变化的形式表达，可以通过倾角的计算方法来得到倾角清单，得到倾角清单的具体方法将在下文详述；

5)与此同时，导向仪3通过云端服务器8的地下设施信息网络钻探路线计划及验证模块327对地下导向轨迹进行核查，验证是否会有施工危险，确保导向轨迹安全(地下障碍物验证通过)并符合作业工程要求(如规划路线中的最大曲率)后，导向仪3根据导向轨迹，产生钻杆接钻杆的操作方案，路线规划结束；如果地下障碍物验证未通过或作业工程要求验证未通过，则增删/修改关键点参数后回到步骤3)；其中地下障碍物验证是指地理、地形、地下设施验证。

在上述步骤4)中，导向手使用导向仪3的人机界面/显示模块329启动钻探路线计划及验证模块327进行钻探路线设计。通过确定起点101、终点102和关键点(105并通过展示路线图的平面和剖面来完成路线规划和验证。平面指地平面，也称俯视图，或鸟瞰图，剖面图可以说是侧视图，用于帮助施工者对地下施工视觉化，直至得到一个满意的钻探规划路线l1。

根据地下及地面位置信息，导向仪3内的钻杆推进参数计算模块326通过比较钻探规划路线l1和钻探实际路线l2，以此计算出下一杆推进操作的参数(倾角)，并通过钻杆推进参数发送器323提供给钻机手。钻机手接到推进参数后，便可以按所述的参数推进钻杆，亦可加进自己的经验对参数做适当的调整。

参见图6和图7，推进参数的倾角计算方法，其计算原理是三点可画出一个通过三点的圆，三个点在这个圆的切线和水平面的夹角便是钻杆经这点的倾角。图中示意基于施工线路大多数是一个直线。如果施工路线是曲线，三个点所确定的圆平面可能和地平面不垂直，则需要把所得的倾角向和水平面垂直的平面投射，然后便得到施工所需的倾角。

具体的，包括如下步骤：

1)开始，结合每一关键点103的深度转换所有对应地面关键点103成gps坐标；

2)将gps坐标转换成地心坐标；

3)从第一个关键点103到最后倒数第三个关键点103做下列计算：

3.1)取当前的关键点103和其后续两个关键点(共三点)，求过这三点的圆；

3.2)将这个圆进行坐标转换到圆自身平面；如图6中所示，为任意连续的三个关键点103，该三个关键点103决定的圆的圆心为o；

3.3)根据三角几何原理计算每一关键点103的倾角p并保存，确定圆心o后，通过圆心o和上述三个关键点103中的任意一个关键点103可计算α角度(使用通用的解析结合方法)，由此得到钻杆的倾角p知道两角(其一为直角)和一边(圆的半径)便可加算出钻杆的倾角p；图6中所示为中间关键点103的倾角p；同时计算当前的关键点103和下一关键点103之间的圆弧长度l并保存，如果当前的关键点103是倒数第三点，则计算倒数两个关键点103之间的弧长；

4)再从第一个关键点103到最后一个关键点103做下列计算，如上一步对一个关键点103产生多个倾角，取平均值为该关键点103的倾角p并保存；

5)计算所有保存的圆弧长度l的总和，即得到导向路径总长度；

6)根据用户使用的钻杆长度确定总杆数；

7)计算每一杆的倾角，每两个相邻的关键点103倾角变化除以两个关键点103之间使用的钻杆数+当前关键点103的倾角；

8)列出钻杆倾角清单，结束。

在上述步骤3.2)中，假设三个关键点103的gps坐标分别为(wgs84标准格式)：(la1，lo1，a1)，(la2，lo2，a2)，(la3，lo3，a3)，进行如下操作：

1)将三个关键点103设定在同一高度(这里以第一关键点103的高度a1为准)，(la1，lo1，a1)，(la2，lo2，a1)，(la3，lo3，a1)；

2)用第一步的gps坐标计算每个关键点103离第一关键点103的距离(参考公开的gps计算方法)，且设是d1，d2，d3，其中d1为第一关键点103离自身的距离，应当为零；

3)以各个关键点103离第一关键点103的距离为x坐标，以各个关键点103的gps高度为y，便有下面的二维坐标：(d1，a1)，(d2，a2)，(d3，a3)；

4)设圆心o坐标为(a,b)，可得下列方程组：

(d1-a)²+(a1-b)²＝r²

(d2-a)²+(a2-b)²＝r²

(d3-a)²+(a3-b)²＝r²

计算r，a,b，便可完全确定这个圆。

确定圆之后，计算经过其中一个关键点(x,y)的切线水平倾角(角系数)的公式是：k＝-(a-x)/(b-y)。倾角的公式是：p＝arctank。两点之间弧长计算公式(取却对值)：l＝πr(p1-p2)/180，p1和p2分别为形成圆的三个关键点103中倒数两个关键点103的倾角。

上述方法计算的是钻杆在垂直方向的倾角变化，用同样的方法也可以算的钻杆在水平方面的倾角变化，所不同的是水平倾角的变化需要使用投射到地面的二维坐标。参见墨卡托投影法。

还有另外一种参数(倾角)计算方案，那就是把已经记录的钻点作为关键点103，结合其他尚未完成的关键点103重新结算规划路线。