基于REDUCT惯性定位的地下管线测绘系统设计

周忠赣 高 芳

（1.江西核工业测绘院集团有限公司，江西 南昌 330038；2.永丰县自然资源局，江西 吉安 331500）

0.引言

在现代化城市建设中，地下管线分布是核心，地线管线涵盖了水、电、气、通信等方方面面，需要采用信息化的测量方法，建立地下管线测量系统。采用遥感测绘和惯导控制的方法，建立地下管线测绘的信息化管理模型，通过同步测量和信息化监测的方法，进行地下管线测绘系统模型构造，提高地下管线测绘和项目工程管理能力。相关的地下管线测绘工作研究在提高地下管线的检修和维护能力方面具有重要意义[1]。

对地下管线测绘系统的设计是建立在对管线的红外和CT扫描测绘基础上，结合自动化的电机传输控制，通过微机传输控制的方法，构建地下管线测绘的数据分析系统、电力传感系统以及人机交互系统[2]，文献[3]中提出基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统设计方法，通过MEMS陀螺仪采集三轴角速度和三轴加速度，运用管道测绘算法对读取的数据进行解算，实现管线测绘，但该系统的测绘定位能力不好。文献[4]中构建基于信息化管理的电力地下管线测绘模型，通过施工计划、项目进度控制、项目质量管理，实现地下管线的自动化测绘设计，但该方法对地下管线测绘的智能化水平不高。针对传统方法存在的弊端，本文提出基于REDUCT惯性定位的地下管线测绘系统设计方法，首先进行地下管线测绘系统的总体设计构架，然后进行系统的功能结构模块设计，采用MMC子模块设计方法，建立地下管线测绘系统的信息交互模块、人机控制模块和信息处理模块，实现系统的集成设计，最后进行系统测试，展示了本文设计系统在提高地下管线测绘定位能力方面的优越性能。

1.系统总体结构和组件分析

1.1 测绘系统的总体设计结构

研究REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的优化设计方法，通过智能声信号定位和管道的回声定位设计方法，建立测绘系统的遥感和CT检测模型，采用惯导定位和参数识别，进行系统的信息处理模型设计，结合无线通信技术，建立地下管线测绘系统的高速信号参数识别和定位模型。设计的REDUCT惯性定位地下管线测绘系统包括信号采集模块、声回波检测模块、滤波模块和惯性参数识别模块，通过程序控制和参数识别的方法，构建REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的集成信息处理器[5]，采用ARM作为核心控制单元，在FLASH中进行REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的程序加载。采用局部总线技术，建立REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的专用模块，采用TTL电平信号监测技术，构建REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的逻辑控制处理器。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统的总体结构

在参数设定中，设计的REDUCT惯性定位地下管线测绘系统采样率为196kSa/s的实时数据记录。系统的逻辑触发定位的时频参数达到7.5Msample/s（15Mbytes/s），结合REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的应用环境，进行REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的技术指标分析和功能模块设计，采用PXI、VXI、LXI联合总线测试的方法，建立地下管线测绘系统的基阵定位模型。通过组件控制和模糊参数调节的方法，在高速DSP控制下进行REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的组件开发。REDUCT惯性定位地下管线测绘的动态采集的范围为-12dB～+20dB，采用32位定时器/计数器进行地下管线测绘系统的信号滤波检测，采用Revit软件进行REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的信号传输控制[6]。

1.2 系统的功能组件分析

采用多功率调节方法，实现16位的REDUCT惯性定位地下管线测绘系统声信号输出控制，采用基于ANSIC内核控制，进行地下管线测绘系统的时间驱动控制和设计，得到地下管线测绘系统的LabWindows/CVI模型。通过回调函数编程的方法，进行输出稳定性调节，建立测绘系统的ANSIC 编译、连接、调试模型，系统的组件构成如图2所示。

图2 系统的组件构成

根据图2的系统组件结构，进行REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的组件开发和测试。结合嵌入式的ARM进行REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的总线输出控制设计，采用ADSP-BF537BBC-5A实现REDUCT惯性定位地下管线测绘系统控制总线传输和自适应控制，建立REDUCT惯性定位模型。通过探测的声信号传输带宽为20位，构建系统的时钟控制总线。通过PLC总线传输和时钟控制总线协议控制，采用RFID标签识别技术，进行REDUCT惯性定位和时钟补偿[7]。构建CPU时钟，实现对地下管线测绘过程中的联合总线控制，得到系统的总线传输结构模型，如图3所示。

图3 系统的总线传输结构模型

2.地下管线测绘系统集成设计实现

2.1 算法设计

在上述构建了REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的总体结构模型的基础上，进行地下管线测绘陀螺仪测绘装置调速优化控制，建立地下管线测绘联控参数模型，得到输出函数fu（x）定义，如式（1）所示：

式（1）中，σ为一个较大的常数，表示惯性定位的启停时间间隔；x为地下管线测绘的启动时间顺序函数，通过对地下管线的膜厚等参数分析，得到摩擦力矩值在流场的控制迭代方程，如式（2）、式（3）所示：

式（2）、式（3）中，w为地下管线测绘的轴承启停过程瞬态惯性权重；c1和c2为摩擦力矩值和惯性特征量；rand（）和Rand（）为两个在[0,1]范围里变化的随机值；pid为全塑性接触特征量；xid为推力启停的瞬态分量。

基于REDUCT惯性定位的摩擦力矩值在流场的分布特性，构建惯性测绘的控制目标函数，如式（4）所示：

式（4）中，f0（X）为控制目标函数；pi（X）为接触特征量；ε为一个小的常数；wp、wv、wc分别为各误差源对导航定位参数的惯性误差；Vt（X）为惯性定位的北向速度误差；C（X）为惯性定位的东向速度误差；fu为频率参数；Tem和T*em分别为组合导航的信息导入分量；ωmaxr为校正捷联惯导系统的最大差分值；ω*r为REDUCT惯性定位纬度误差；Bsy和Bkneesy为REDUCT惯性定位的模糊演化参数和姿态误差角。由此构建了地下管线测绘的定位算法，通过REDUCT惯性定位，实现对地下管线的实时状态分析和定位检测。

2.2 系统的硬件设计

结合ARM技术构建REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的物理设备组件，建立REDUCT惯性定位地下管线测绘的硬件结构模型，采用高速DSP进行智能REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的功能模块化设计，通过中断复位程序进行REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的输出中断控制，建立地下管线测绘系统的基阵定位模型，采用多通道的地下声通道信息采集和数据实时记录的方法，进行REDUCT惯性定位地下管线测绘的实时数据采集，设计AD信息采集电路，实现对REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的传感信息采集。在进行地下管线测绘过程中现场数据分析和数据实时记录的基础上，结合触发总线、模拟总线等测试仪器，进行地下管线测绘过程中的REDUCT惯性定位。考虑到数据的高速与高实时性，通过REDUCT陀螺整体控制，结合32位嵌入式的交叉编译技术，进行REDUCT惯性定位地下管线测绘系统的硬件模块设计，实现系统集成设计。系统硬件实现流程图如图4所示。

图4 系统硬件实现流程图

3.试验测试分析

通过试验验证本文方法在实现地下管线测绘和定位中的性能，进行试验测试分析，采用加速Simulink的仿真REUDCT定位速度，管线测绘定位采用Gleeble3500热力模拟试验机，管线材料为铁素体、贝氏体及铁素体与贝氏体的双相体，屈服响应的强度为80 dB，裂纹尖端张开位移为0.06 mm。测绘系统的相关参数设置，如表1所示。

表1 参数设计

根据上述参数设定，在四边形单元（CAX8型单元）格中进行管线测绘和定位，得到管线分布网格有限元图，如图5所示。

图5 管线分布网格有限元图

根据图5的管线分布网格有限元分布，进行管线测绘定位，得到的定位结果，如图6所示。

图6 管线测绘定位结果

由图6可知：管线A、B的色阶图清晰地反映管线定位情况，利用色阶对定位情况与管线位置进行区分，管线分布的重点区域得到准确辨识。由此可知：本文方法可有效实现对地下管线测绘，定位参数解析准确可靠，测试定位精度，对比结果如图7所示。由图7可知：本文方法的测绘定位精度高于传统方法。

图7 测绘定位精度对比测试

4.结束语

本文建立地下管线测绘的信息化管理模型，通过同步测量和信息化监测的方法，进行地下管线测绘系统模型构造，提高地下管线测绘和项目工程管理能力。通过智能声信号定位和管道的回声定位设计方法，建立测绘系统的遥感和CT检测模型，进行地下管线测绘陀螺仪测绘装置调速优化控制，实现对地下管线的实时状态分析和定位检测。测试得出，本文方法进行地下管线测绘的定位精度较高。