一种海底管道三维地理坐标测量方法与流程

本发明涉及管道检测
技术领域：
，尤其涉及一种基于球形内检测器的海底管道三维地理坐标测量方法。
背景技术：
：随着全球油气资源消费的持续增长和陆地油气资源的日渐枯竭，海洋油气开发已经愈来愈受到全世界的重视，未来我国乃至世界海底输油气管道的数量会以惊人的速度增长。海底输油气管道在国民经济中起着非常重要作用的同时，又经常发生触目惊心的管道泄漏事故，造成巨大的经济损失和严重的环境污染，甚至引发生态灾难，且随着海底管道数量的增加有愈演愈烈之势。定期对海底管道各种缺陷和原位状态进行全管线检测，及早采取维修、预防措施，可避免海底管道泄漏事故发生并延长其使用年限。因此各种检测技术包括：管道防腐层检测、管道腐蚀检测、管道泄漏检测、管道位置定位检测与监测应运而生。其中，管道位置检测是实现管道其他很多检测技术得以实现的前提。首先，内检测法是目前应用较多的海底管道缺陷检测方法。海底管道缺陷内检测只有在知道了海底管道地理坐标的前提下才有意义。否则，即便检测到了海底管道缺陷也无法对其进行维修。其次，海底管道在运输油气的过程中，存在高温热膨胀和内外压力差，会使海底管道有伸长的趋势。在大尺度范围内，海底管道会变得很柔软。当受到海底洋流或潮汐的冲刷作用时，海底管道会发生漂移并偏离最初的地理位置，导致其地理坐标信息丢失，使得对海底管道定位、维护、维修变得困难。因此，海底管道地理坐标测量具有重要意义。目前针对海底地理坐标测量，国内外通常是利用水下机器人(RemoteOperatedVehicle，ROV)、(AutonomousUnderwaterVehicle，AUV)携带多波束测深仪、旁扫声呐、浅地层剖面仪、水下摄像机、海洋磁力仪等，完成水下及海底泥面以下管道埋藏状况以及路由区域海底地质状况调查。其中，多波束测深仪和旁扫声呐通过探测水深和海底地貌来确定海底管道纵向和横向位置；浅地层剖面仪可以获得高、低频两种浅地层剖面资料，实现对埋藏管道的埋深、上覆沉积物的类型及厚度的调查。多波束测深仪不能显示完全掩埋管道的状态，需要浅地层剖面仪的配合。水下摄像机检测海底管道直观性强，但是能见度很低。海洋磁力仪可用于检测管道是否存在，但不能探测海底管道的空间位置状态。这些方法都有各自不足，需要综合利用，联合分析。这导致检测任务复杂、成本高，检测间隔长的问题。而且对于深水海管，工程物探法检测难度非常大。此外，有人尝试将捷联惯导技术应用于海底管道地理坐标测量，但未获得成功。主要原因是惯性导航须基于球形或柱形内检测器和地面标记器实现，而埋入泥下的双层海底管道沿途没有设置标志点，难以获取管道沿途的GPS信息，惯性导航定位误差会随着时间的积累迅速增大导致定位发散，不能长时间独立工作。综上所述，急需一种全管线、短周期、低成本、实施便捷的海底管道三维地理坐标测量方法。技术实现要素：本发明提供了一种海底管道三维地理坐标测量方法，本发明实现了在没有任何辅助定位方法(如GPS、地面标记器)的前提下，利用球形内检测器进行全管线、短周期、低成本、便捷的海底管道三维地理坐标测量，详见下文描述：一种海底管道三维地理坐标测量方法，所述测量方法包括以下步骤：将三分量磁传感器和加速度传感器固定在球形内检测器里的任意位置，将球形内检测器投管巡检，测量管道内磁场和加速度，巡检完毕，将球形内检测器记录的磁场信号下载到上位机，进行数据处理；计算球形内检测器里程；构建转换矩阵；对磁场做坐标变换；求解第j个数据子集所对应的管道的3D走向；计算管道3D地理坐标，利用管道端点3D地理坐标对初步计算的管道3D地理坐标进行校准。其中，所述计算球形内检测器里程的步骤具体为：对第j个数据子集做傅里叶变换得到中间变量数据子集，搜索中间变量数据子集的最大值得到最大值的索引，获取数据子集对应的球形内检测器滚动的平均频率；设球形内检测器的外径，获取数据子集对应的球形内检测器前进的平均速率；获取球形内检测器在第j个数据子集期间的里程；设管道总长度为S0，获取修正以后球形内检测器在第j个数据子集期间的里程。其中，所述构建转换矩阵的步骤具体为：分别对数据子集进行中值滤波，得到滤波后的信号子集；通过滤波后的信号子集获取中间变量数据子集；计算中间变量数据子集的幅值，构建矩阵集合。其中，所述对磁场做坐标变换的步骤具体为：将B2x(k)、B2y(k)、B2z(k)分割成一系列数据子集；利用R12j对一系列数据子集作如下运算，得到Gxj,Gyj,Gzj；计算Gxj,Gyj,Gzj的均值，得到的三个新分量构成的中间变量向量。其中，所述计算管道3D地理坐标，利用管道端点3D地理坐标校准初步计算的管道3D地理坐标的步骤具体为：计算单位旋转轴；计算旋转角；计算旋转矩阵；计算缩放系数；校准。本发明提供的技术方案的有益效果是：1、本方法不需要GPS和地面标记器，特别适用于海底管道；2、本方法所采用的内检测器是外径小于管道内径的球形结构，因此不易发生卡堵，能克服管道变形并轻松通过管道上的阀门等装置；3、本方法所采用的所用的磁传感器和加速度传感器是MEMS器件，具有低成本、微功耗、体积小、使用灵活等优点；4、本方法利用现有的清管器收发设备，可以方便、快速的发射与接收所采用的球形内检测器；该方法不仅可应用于海底管道，也可应用于陆地管道与城市供水管道的轨迹重构，适应性强、应用面广；5、在没有GPS和地面标记器的情况下，经过实验验证本方法已经能够利用球形内检测器绘制出一条30km长的成品油管道轨迹，验证了本方法的可行性。附图说明图1为一种海底管道三维地理坐标测量方法的流程图；图2为原始加速度信号数据子集Sxj、Syj、Szj的示意图；图3为去除直流分量并滤波之后的加速度信号数据子集Vxj、Vyj、Vzj的示意图；图4为四种配置的R12j正交误差ER12j的示例图；图5为坐标变换前后的磁场的示意图；(a)为变换前的示意图；(b)为变换后的示意图。图6为计算得到的管道轨迹：(a)计算、未校准的管道轨迹；(b)校准后的管道轨迹。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。实施例1本发明实施例提出了一种海底管道三维地理坐标测量方法，参见图1，该方法包括以下步骤：101：将三分量磁传感器和加速度传感器固定在球形内检测器里的任意位置，将球形内检测器投管巡检，测量管道内磁场和加速度，巡检完毕，将球形内检测器记录的磁场信号下载到上位机，进行数据处理；计算球形内检测器里程；102：构建转换矩阵；对磁场做坐标变换；103：求解第j个数据子集所对应的管道的3D走向；104：计算管道3D地理坐标，利用管道端点3D地理坐标对初步计算的管道3D地理坐标进行校准。其中，步骤101中的计算球形内检测器里程的步骤具体为：对第j个数据子集做傅里叶变换得到中间变量数据子集，搜索中间变量数据子集的最大值得到最大值的索引，获取数据子集对应的球形内检测器滚动的平均频率；设球形内检测器的外径，获取数据子集对应的球形内检测器前进的平均速率；获取球形内检测器在第j个数据子集期间的里程；设管道总长度为S0，获取修正以后球形内检测器在第j个数据子集期间的里程。其中，步骤102中的构建转换矩阵的步骤具体为：分别对数据子集进行中值滤波，得到滤波后的信号子集；通过滤波后的信号子集获取中间变量数据子集；计算中间变量数据子集的幅值，构建矩阵集合。其中，对磁场做坐标变换的步骤具体为：将B2x(k)、B2y(k)、B2z(k)分割成一系列数据子集；利用R12j对一系列数据子集作如下运算，得到Gxj,Gyj,Gzj；计算Gxj,Gyj,Gzj的均值，得到的三个新分量构成的中间变量向量。其中，所述计算管道3D地理坐标，通过管道3D地理坐标校准管道3D地理坐标的步骤具体为：计算单位旋转轴；计算旋转角；计算旋转矩阵；计算缩放系数；校准。综上所述，本发明实施例在没有任何辅助定位方法(如GPS、地面标记器)的前提下，利用球形内检测器进行全管线、短周期、低成本、便捷的海底管道三维地理坐标测量，满足了实际应用中的多种需要。实施例2下面结合具体的附图、计算公式对实施例1中的方案进行详细的介绍，详见下文描述：201：数据收集部分；即将三分量磁传感器和三分量加速度传感器固定在球形内检测器里的任意位置，获取管道中的磁场信号和球形内检测器的加速度信号，并将磁场信号和加速度信号传输至上位机；该步骤的详细操作为：将三分量磁传感器和加速度传感器固定在球形内检测器里的任意位置，将球形内检测器投管巡检，测量管道内磁场和加速度，巡检完毕，将球形内检测器记录的磁场信号下载到上位机，进行数据处理。其中，本发明实施例对三分量磁传感器和三分量加速度传感器的型号不做限制，只要求磁传感器的三个轴分别和加速度传感器三个轴分别平行，例如：三分量磁传感器和三分量加速度可以封装在一个芯片内，也可以分别封装在两个芯片内。设磁传感器的三个轴的信号分别为B2(k)＝{(B2x(k),B2y(k),B2z(k))|k＝1,2,3,…}，与这三个轴分别平行的加速度分量信号则记为a2(k)＝{(a2x(k),a2y(k),a2z(k))|k＝1,2,3,…}，k为离散采样点序号。202：计算球形内检测器里程；(1)选用幅值较大的一个a2(k)分量，本次试验中选取a2x(k)分量。将a2x(k)分割成一系列数据子集，设每个数据子集点数为N0。其中，N0的选择要满足：数据子集大约包含8-20个周期信号。本次示例的实验中，采样率fs＝50Hz，球形内检测器的滚动频率大约为2Hz，N0取260。设当次实验获得的数据总的采样点数为N，则数据子集的个数N1＝N/N0向下取整。(2)设第j个数据子集表示为Sxj＝{a2xj(i)|i＝1,2,…,N0},1≤j≤N1，a2xj(i)为第j个x分量加速度数据子集的元素。对第j个数据子集Sxj做傅里叶变换得到中间变量数据子集Qxj＝{q2xj(i)|i＝1,2,…,N0},1≤j≤N1，q2xj(i)为中间变量数据子集Qxj的元素。搜索中间变量数据子集Qxj的最大值得到最大值的索引ij，数据子集Sxj对应的球形内检测器滚动的平均频率为：fj=ijN0fs]]>(3)设球形内检测器的外径为D，则数据子集Sxj对应的球形内检测器前进的平均速率为：vj＝πDfj(4)球形内检测器在第j个数据子集期间的里程可表示为：sj＝vj·N0/fs(5)设管道总长度为s0，则修正以后球形内检测器在第j个数据子集期间的里程为：s1j=sjs0Σj=1N1sj]]>203：构建转换矩阵；利用加速度信号的第j个数据子集构建的转换矩阵的形式如下式所示：R12j={r12j(i)=uxj(i)uyj(i)uzj(i)x22jy22jz22jvxj(i)vyj(i)vzj(i)|i=1,2,...,N0}]]>下面的第(1)-(3)步，计算r12j(i)的第三行，第(4)步计算r12j(i)的第一行，第(5)-(7)步计算第二行。(1)参见图2，将a2x(k)、a2y(k)、a2z(k)分割成一系列数据子集，设每个数据子集点数为N0，本次试验中取N0＝260，设第j个数据子集表示为Sxj＝{a2xj(i)|i＝1,2,…,N0},Syj＝{a2yj(i)|i＝1,2,…,N0},Szj＝{a2zj(i)|i＝1,2,…,N0},1≤j≤N1，a2yj(i)为第j个y分量加速度数据子集的元素；a2zj(i)为第j个z分量加速度数据子集的元素。(2)分别对Sxj、Syj、Szj进行中值滤波，中值滤波的秩为1；再进行均值滤波，均值滤波的阶数为4；得到滤波后的信号子集Wxj、Wyj、Wzj。其中，秩和阶数的取值根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。当秩为1，阶数为4时，本次试验取得较好的效果。(3)参见图3，设1个重力加速度对应的加速度传感器的输出数值为g0，则将Wxj、Wyj、Wzj分别除以g0、然后减去各自的平均值，得到中间变量数据子集Vxj＝{vxj(i)|i＝1,2,…,N0},Vyj＝{vyj(i)|i＝1,2,…,N0},Vzj＝{vzj(i)|i＝1,2,…,N0},1≤j≤N1，vxj(i)为中间变量数据子集Vxj的元素；vyj(i)为中间变量数据子集Vyj的元素；vzj(i)为中间变量数据子集Vzj的元素。(4)计算球形内检测器的滚动周期的四分之三PAj＝0.75*fj/fs，设PAj的整数部分为PA1j，对Vxj做如下线性插值运算得到中间变量数据子集Uxj：Uxj＝Vxj(i+PAj)＝{uxj(i)＝vxj(i+PA1j)+(PAj-PA1j)(vxj(i+1+PA1j)-vxj(i+PA1j))i＝1,2,…,N0}其中，vxj是中间变量数据子集Vxj的元素，uxj(i)是中间变量数据子集Uxj的元素。对Vyj、Vzj做类似的线性插值运算分别得到Uyj、Uzj。(5)计算Uxj、Uyj、Uzj的幅值，分别记为Axj、Ayj、Azj，计算：|x22j|=1-Axj2,|y22j|=1-Ayj2,|z22j|=1-Azj2]]>其中，x22j为球形内检测器的旋转轴的x分量；y22j为球形内检测器的旋转轴的y分量；z22j为球形内检测器的旋转轴的z分量。取四种组合：[x22jy22jz22j]＝[β1|x22j|β2|y22j|β3|z22j|]其中,(β1β2β3)∈{(111),(-111),(1-11),(-1-11)}其中，β1、β2、β3为球形内检测器的旋转轴的x、y、z分量的符号。(6)构建如下转换矩阵集合：R12j={r12j(i)=uxj(i)uyj(i)uzj(i)x22jy22jz22jvxj(i)vyj(i)vzj(i)|i=1,2,...,N0}]]>其中，vyj(i)为中间变量数据子集Vyj的元素；vzj(i)为中间变量数据子集Vzj的元素；uyj(i)为中间变量数据子集Uyj的元素；uzj(i)为中间变量数据子集Uzj的元素。因为第二行有四种符号取值，因此R12j有四种配置。(7)计算四种情况R12j的正交误差ER12j：ER12j＝{er12j(i)＝||r12j(i)T·r12j(i)-diag(1,1,1)||2|i＝1,2,…,N0}其中，diag(1,1,1)表示对角线上的元素全为1、其余元素全为0的3×3的矩阵，er12j(i)为正交误差ER12j的元素；r12j(i)为转换矩阵R12j的元素；r12j(i)T为r12j(i)的转置；||·||2表示弗罗贝尼乌斯范数，例如：||A3×3||2=Σi=13Σj=13|aij|2]]>选取误差较小的一组符号组合：如图4所示当(β1,β2,β3)＝(-1,1,1)时R12j的正交误差ER12j远小于其他三种情况，排除R12j的另外三种情况，R12j唯一确定。204：对磁场做坐标变换；(1)将B2x(k)、B2y(k)、B2z(k)分割成一系列数据子集，每个数据子集点数为N0，本次试验中取N0＝260，设第j个坐标变换前的磁场数据子集表示为Exj＝{e2xj(i)|i＝1,2,…,N0},Eyj＝{e2yj(i)|i＝1,2,…,N0},Ezj＝{e2zj(i)|i＝1,2,…,N0},1≤j≤N1，e2xj(i)为坐标变换前的磁场数据子集Exj的元素；e2yj(i)为坐标变换前的磁场数据子集Eyj的元素；e2zj(i)为坐标变换前的磁场数据子集Ezj的元素。(2)参见图5，利用R12j对Exj,Eyj,Ezj作如下运算，得到坐标变换后的磁场数据子集Gxj,Gyj,Gzj，设Gxj＝{gxj(i)|i＝1,2,…,N0},Gyj＝{gyj(i)|i＝1,2,…,N0},Gzj＝{gzj(i)|i＝1,2,…,N0},1≤j≤N1，且满足gxj(i)gyj(i)gzj(i)=uxj(i)uyj(i)uzj(i)x22jy22jz22jvxj(i)vyj(i)vzj(i)exj(i)eyj(i)ezj(i)]]>其中，gxj(i)为Gxj的元素；gyj(i)为Gyj的元素；gzj(i)为Gzj的元素；exj(i)为Exj的元素；eyj(i)为Eyj的元素；ezj(i)为Ezj的元素。(3)计算Gxj,Gyj,Gzj的均值，得到的三个新分量构成的中间变量向量B1j：B1j=[1N0Σi=1N0gxj(i)1N0Σi=1N0gyj(i)1N0Σi=1N0gzj(i)]]]>205：求解第j个数据子集所对应的管道的3D走向；求解下列方程组，其中B1j已经由步骤204(3)计算得到，(λa,λr,λr)＝(0.977,0.072,0.072)，B0是当地地磁场在东北天坐标系的东北天三分量，本次试验中B0＝(-1.57,37.82,-24.48)μT，其中，μT为B0的单位。θj和分别是管道与水平面的夹角、以及管道在水平面的投影与正东的夹角，是未知的、待求解的。解此非线性方程组可得管道走向θj和其中，T表示矩阵的转置。206：计算管道3D地理坐标；pcj=Σj′=1jTj′sj′+p0]]>其中j＝1，2，3，…，p0是管道的起始坐标，pcj是在第j个数据子集末点所对应的时刻，球形内检测器经过的管道上的一点的地理坐标；Tj'为第j个数据子集所对应的管段的3D走向的单位向量；sinθj'为Tj’的三个分量；sj'为第j个数据子集所对应的球形内检测器的里程。207：校准管道3D地理坐标：(1)计算单位旋转轴n=pa×pc||pa×pc||]]>其中，pa和pc分别是管道末端点的实际的和计算的地理坐标。(2)计算旋转角γ=-cos-1pa·pc||pa||||pc||]]>其中，pa和pc分别是管道末端点的实际的和计算的地理坐标。(3)计算旋转矩阵其中，其中，n1,n2,n3为单位旋转轴n的三个分量。(4)计算缩放系数η=||pa||||pc||]]>(5)校准pcj＝ηRacpcj综上所述，本发明实施例在没有任何辅助定位方法(如GPS、地面标记器)的前提下，利用球形内检测器进行全管线、短周期、低成本、便捷的海底管道三维地理坐标测量，满足了实际应用中的多种需要。实施例3下面结合图6对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：1)把三分量磁传感器和三分量加速度传感器安装在球形内检测器中，开启球形内检测器的电源，电子系统开始数据采集和存储磁场信号和加速度信号，将球形内检测器密封、紧固好。2)从油气管道始端的发球筒将球形内检测器发射到油气管道内，球形内检测器在管道内的流体的推动下，滚动前进，同时记录磁场信号和加速度信号。3)当球形内检测器到达油气管道末端时，从收球筒内取出球形内检测器，用干布擦拭干净球形内检测器。4)打开球形内检测器，用数据线连接球形内检测器和上位机电脑，下载数据到上位机。5)利用前述算法对磁场数据和加速度数据进行数据处理。图6显示了计算得到的管道轨迹：(a)计算、未校准的管道轨迹；(b)校准后的管道轨迹。通过图6(a)可以看出，计算、未校准的管道轨迹在水平面上投影，并与管道公司提供的管道路线图进行对比，形状近乎相同，但是存在单一方向的严重偏差，这种偏差随着里程的增加而增大。如图6(b)所示，实施校准后，即对计算得到的管线上每一点的地理坐标进行旋转与缩放，使计算出管线轨迹的终点与实际管线的终点相重合，则整个管线的计算的轨迹几乎和实际管线的轨迹完全重合，偏差几乎消失。本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3