CN110567420B - 一种管道水下埋深的精确测量方法 - Google Patents

一种管道水下埋深的精确测量方法 Download PDF

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Foshan Institute Of Environment And Energy
Guangdong Hydrogen Standard Technology Co ltd
Yunfu (foshan) Hydrogen Energy Standardization Innovation R&d Center
Foshan University
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Abstract

本发明公开了一种管道水下埋深的精确测量方法，包括测量A1点与A点之间的距离，记为DA；测量A点的三维坐标，记为(XA,YA,ZA)；根据A1点与A点之间的距离，以及A点的三维坐标，计算A1点的三维坐标，记为(XA1,YA1,ZA1)，其中ZA1＝ZA‑DA；基于A1点的三维坐标，计算待测管道各点的三维坐标；测量管道投影各点的水深距离；根据待测管道各点的三维坐标，以及管道投影各点的水深距离，得到待测管道各点的水下埋深距离。本发明通过对精确测量待测管道中位于水域以外某一点的三维坐标，再以该点的三维坐标作为基础，计算出待测管道中每一处的三维坐标，之后在对水域内待测管道每一处的水深进行测量，最后即可得出精确的待测管道各点的水下埋深距离。

Description

一种管道水下埋深的精确测量方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，更具体地说涉及一种管道水下埋深的测量方法。
背景技术
长输管道是国内外石油、天然气、成品油等介质运输的主要方式之一，其运量大，不受气候和地面等其他因素限制，成本低，安全、高效、节能、环保。长输管道距离长、穿越地形复杂，不可避免的存在较多河流、湖泊、沼泽穿越等水下管段，且跨海输送介质的管道存在海底管道。水下埋深对管道的安全运行有着重要的意义。管道内输送的石油、天然气等介质其密度往往远低于水，若管道直接暴露在水中，会导致该段管道承受较大的浮力，在水下与埋地段交界处产生较大的应力集中；暴露在水中的管段长度较长则可能产生浮管，威胁管道的安全运行，严重的将产生管道泄漏事故；此外，暴露在水中的管道还可能遭受船锚等外部机械设施的破坏，导致管道泄漏事故。因此水体穿越段管道必须保证有足够的水下埋深。管道运营企业往往定期检测管道的水下埋深，保证水体穿越段管道的运行安全。
目前的管道水下埋深检测往往采用潜水员携带雷迪等装置下潜至水底检测的方式，这种方式依赖潜水员的技术水平，受外部环境影响较大，对水体质量有较严格要求，很难做到全面检测，检测精度较低，且作业不恰当的情况下可能危害潜水员的生命安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种管道水下埋深的精确测量方法。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种管道水下埋深的精确测量方法，将水下管道定义为待测管道，将待测管道的其中一端的端点定义为A1点，将A1点垂直方向上与水面的交点定义为A点，将待测管道垂直方向上在水面上的投影定义为管道投影，A1点是设置在水域以外，所述测量方法包括以下步骤：
步骤100，测量A1点与A点之间的距离，记为DA；
步骤200，测量A点的三维坐标，记为(XA,YA,ZA)；
步骤300，根据A1点与A点之间的距离，以及A点的三维坐标，计算A1点的三维坐标，记为(XA1,YA1,ZA1)，其中ZA1＝ZA-DA；
步骤400，基于A1点的三维坐标，计算待测管道各点的三维坐标；
步骤500，测量管道投影各点的水深距离；
步骤600，根据待测管道各点的三维坐标，以及管道投影各点的水深距离，得到待测管道各点的水下埋深距离。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤400包括以下步骤：
步骤410，在待测管道中设置三轴加速度计以及陀螺仪；
步骤420，驱动三轴加速度计以及陀螺仪沿着待测管道移动；
步骤430，记录待测管道各点所检测到的三轴加速度以及三轴角速度；
步骤440，基于A1点的三维坐标，以及待测管道各点的三轴加速度以及三轴角速度，计算待测管道各点的三维坐标。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤440包括以下步骤：
步骤441，将待测管道各点的三轴加速度以及三轴角速度，从惯性坐标系下的测量值转换成导航坐标系下的测量值；
步骤442，求解以下方程组：
Figure BDA0002171591030000031
其中Ve n表示速度，fb表示三轴加速度计所测量的三轴比力，
Figure BDA0002171591030000032
表示方向余弦矩阵，用于将比力的测量值转换到导航坐标系中，
Figure BDA0002171591030000033
表示导航坐标系中地球自转角速度，
Figure BDA0002171591030000034
表示相对与地球的导航参考自转角速度，
Figure BDA0002171591030000035
表示重力加速度，q表示姿态，为四元数，
Figure BDA0002171591030000036
表示载体相对于惯性坐标系的转动角速度，L表示纬度，l表示经度，VN表示北向速度，RN表示导航坐标系下地球的半径，VE表示东向速度，RE表示导航坐标系下地球的半径，h表示高程，VD表示垂向速度，而
Figure BDA0002171591030000037
Ω表示地球自转角速度，
Figure BDA0002171591030000038
为陀螺仪的三轴角速度，
Figure BDA0002171591030000039
表示由
Figure BDA00021715910300000310
构成的斜对称矩阵；
对以上所列出的方程组以及关系式进行求解，得出待测管道各点的三维坐标。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤100中利用雷迪测量A1点与A点之间的距离。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤200中利用基于载波相位差分法测量A点的三维坐标。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤500中利用声纳测量管道投影各点的水深距离。
本发明的有益效果是：本发明通过精确测量待测管道中位于水域以外某一点的三维坐标，再以该点的三维坐标作为基础，计算出待测管道中每一处的三维坐标，之后在对水域内待测管道每一处的水深进行测量，最后即可得出精确的待测管道各点的水下埋深距离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明的测量方法流程示意图；
图2是本发明的测量示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本申请的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本申请保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。最后需要说明的是，如文中术语“中心、上、下、左、右、竖直、水平、内、外”等指示的方位或位置关系则为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术方案和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。
参照图1～图2，本申请公开了一种管道水下埋深的精确测量方法，其第一实施例，首先将水下管道定义为待测管道100，将待测管道100的其中一端的端点定义为A1点，将A1点垂直方向上与水面的交点定义为A点，将待测管道100垂直方向上在水面上的投影定义为管道投影，A1点是设置在水域200以外，所述测量方法包括以下步骤：
步骤100，测量A1点与A点之间的距离，记为DA；
步骤200，测量A点的三维坐标，记为(XA,YA,ZA)；
步骤300，根据A1点与A点之间的距离，以及A点的三维坐标，计算A1点的三维坐标，记为(XA1,YA1,ZA1)，其中ZA1＝ZA-DA；
步骤400，基于A1点的三维坐标，计算待测管道100各点的三维坐标；
步骤500，测量管道投影各点的水深距离；
步骤600，根据待测管道100各点的三维坐标，以及管道投影各点的水深距离，得到待测管道100各点的水下埋深距离。
具体地，本实施例通过精确测量待测管道100中位于水域200以外某一点的三维坐标，再以该点的三维坐标作为基础，计算出待测管道100中每一处的三维坐标，之后在对水域200内待测管道100每一处的水深进行测量，最后即可得出精确的待测管道100各点的水下埋深距离。
进一步作为优选的实施方式，本实施例中，步骤400包括以下步骤：
步骤410，在待测管道100中设置三轴加速度计以及陀螺仪；
步骤420，驱动三轴加速度计以及陀螺仪沿着待测管道100移动；
步骤430，记录待测管道100各点所检测到的三轴加速度以及三轴角速度；
步骤440，基于A1点的三维坐标，以及待测管道100各点的三轴加速度以及三轴角速度，计算待测管道100各点的三维坐标。
进一步作为优选的实施方式，本实施例中，步骤440包括以下步骤：
步骤441，将待测管道100各点的三轴加速度以及三轴角速度，从惯性坐标系下的测量值转换成导航坐标系下的测量值；
步骤442，求解以下方程组：
Figure BDA0002171591030000071
其中
Figure BDA0002171591030000072
表示速度，fb表示三轴加速度计所测量的三轴比力，
Figure BDA0002171591030000073
表示方向余弦矩阵，用于将比力的测量值转换到导航坐标系中，
Figure BDA0002171591030000074
表示导航坐标系中地球自转角速度，
Figure BDA0002171591030000075
表示相对与地球的导航参考自转角速度，
Figure BDA0002171591030000076
表示重力加速度，q表示姿态，为四元数，
Figure BDA0002171591030000077
表示载体相对于惯性坐标系的转动角速度，L表示纬度，l表示经度，VN表示北向速度，RN表示导航坐标系下地球的半径，VE表示东向速度，RE表示导航坐标系下地球的半径，h表示高程，VD表示垂向速度，而
Figure BDA0002171591030000078
Ω表示地球自转角速度，
Figure BDA0002171591030000079
为陀螺仪的三轴角速度，
Figure BDA00021715910300000710
表示由
Figure BDA00021715910300000711
构成的斜对称矩阵；
对以上所列出的方程组以及关系式进行求解，得出待测管道100各点的三维坐标。
进一步作为优选的实施方式，本实施例中，步骤100中利用雷迪测量A1点与A点之间的距离。
进一步作为优选的实施方式，本实施例中，步骤200中利用基于载波相位差分法测量A点的三维坐标。
进一步作为优选的实施方式，本实施例中，步骤500中利用声纳测量管道投影各点的水深距离。
以上对本申请的较佳实施方式进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种管道水下埋深的精确测量方法，其特征在于，将水下管道定义为待测管道，将待测管道的其中一端的端点定义为A1点，将A1点垂直方向上与水面的交点定义为A点，将待测管道垂直方向上在水面上的投影定义为管道投影，A1点是设置在水域以外，所述测量方法包括以下步骤：
步骤100，测量A1点与A点之间的距离，记为DA；
步骤200，测量A点的三维坐标，记为(XA,YA,ZA)；
步骤300，根据A1点与A点之间的距离，以及A点的三维坐标，计算A1点的三维坐标，记为(XA1,YA1,ZA1)，其中ZA1＝ZA-DA；
步骤400，基于A1点的三维坐标，计算待测管道各点的三维坐标；
步骤500，测量管道投影各点的水深距离；
步骤600，根据待测管道各点的三维坐标，以及管道投影各点的水深距离，得到待测管道各点的水下埋深距离；
步骤400包括以下步骤：
步骤410，在待测管道中设置三轴加速度计以及陀螺仪；
步骤420，驱动三轴加速度计以及陀螺仪沿着待测管道移动；
步骤430，记录待测管道各点所检测到的三轴加速度以及三轴角速度；
步骤440，基于A1点的三维坐标，以及待测管道各点的三轴加速度以及三轴角速度，计算待测管道各点的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的一种管道水下埋深的精确测量方法，其特征在于，步骤440包括以下步骤：
步骤441，将待测管道各点的三轴加速度以及三轴角速度，从惯性坐标系下的测量值转换成导航坐标系下的测量值；
步骤442，求解以下方程组：
Figure FDA0002719008850000021
其中
Figure FDA0002719008850000022
表示速度，fb表示三轴加速度计所测量的三轴比力，
Figure FDA0002719008850000023
表示方向余弦矩阵，用于将比力的测量值转换到导航坐标系中，
Figure FDA0002719008850000024
表示导航坐标系中地球自转角速度，
Figure FDA0002719008850000025
表示相对与地球的导航参考自转角速度，
Figure FDA0002719008850000026
表示重力加速度，q表示姿态，为四元数，
Figure FDA0002719008850000027
表示载体相对于惯性坐标系的转动角速度，L表示纬度，l表示经度，VN表示北向速度，RN表示导航坐标系下地球的半径，VE表示东向速度，RE表示导航坐标系下地球的半径，h表示高程，VD表示垂向速度，而
Figure FDA0002719008850000028
Ω表示地球自转角速度，
Figure FDA0002719008850000029
Figure FDA00027190088500000210
为陀螺仪的三轴角速度，
Figure FDA00027190088500000211
Figure FDA00027190088500000212
表示由
Figure FDA00027190088500000213
构成的斜对称矩阵；
对以上所列出的方程组以及关系式进行求解，得出待测管道各点的三维坐标。
3.根据权利要求1所述的一种管道水下埋深的精确测量方法，其特征在于：步骤100中利用雷迪测量A1点与A点之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种管道水下埋深的精确测量方法，其特征在于：步骤200中利用基于载波相位差分法测量A点的三维坐标。
5.根据权利要求1所述的一种管道水下埋深的精确测量方法，其特征在于，步骤500中利用声纳测量管道投影各点的水深距离。
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