CN116794698B - 一种管道位置的实时测量系统、方法和相关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管道位置的实时测量系统、方法和相关装置。所述系统包括：管道标签定位装置和管道标签测量装置；管道标签定位装置包括：固定设置于待测管道上方的电子标签和第一固定装置；管道标签测量装置包括：测量处理主机、射频探测线圈、卫星定位天线、测量终端和第二固定装置；射频探测线圈用于对电子标签的位置进行探测；卫星定位天线用于获取计算自身相位中心的卫星定位信号；测量处理主机用于将实时读取的电子标签信息和卫星定位信息处理并融合，在融合信息的基础上计算，确定电子标签所在的位置，进而确定出待测管道的位置。本发明可实现实时监测地下油气管道的位移和沉降，操作简单方便高效，极大地提高了地下油气管道安全维护效率。
Description
技术领域
本发明涉及智能定位技术领域，特别涉及一种管道位置的实时测量系统、方法和相关装置。
背景技术
当前石油天然气的运输管道处于安全的考虑，通常会埋藏于地下一定深度的位置，由于所处环境的地质水文变化、地面工程施工、自然灾害等等各种人为和非人为的因素的影响，经过一段时间后，这些管道可能发生沉降、移位，严重时可能由此导致输油输气管道发生漏气漏液的工程事故。
并且，地下情况复杂，传统手段无法及时地准确地判断地下管线当前的位置、数量、类型、移位及沉降等重要信息，以确定管道是否发生了可能产生事故的沉降和移位，保证管道的安全、及时对事故进行预警，成为了当前石油天然气运输管道领域的重要课题。迫切需要一种可以高效、准确判断管道位移和沉降等数据的智慧管理的方法。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种管道位置的实时测量系统、方法和相关装置。
第一方面，本发明实施例提供一种管道位置的实时测量系统，包括：管道标签定位装置和管道标签测量装置；
所述管道标签定位装置包括：用于埋藏地下且固定设置于待测管道上方的电子标签和用于将所述电子标签固定于所述管道上方的第一固定装置；
所述管道标签测量装置包括：测量处理主机、射频探测线圈、卫星定位天线、测量终端、用于固定射频探测线圈和卫星定位天线的第二固定装置；所述卫星定位天线设置于所述射频探测线圈的上方，且所述卫星定位天线的相位中心与所述射频探测线圈的中心在水平方向上重合；所述射频探测线圈和所述卫星定位天线分别与所述测量处理主机电连接；
所述射频探测线圈用于对所述电子标签的位置进行探测；所述卫星定位天线获取用于计算自身相位中心的卫星定位信号；所述测量处理主机用于将射频探测线圈实时探测到的电子标签信息，以及卫星定位天线实时获取到的相位中心的定位信息进行处理并融合，在融合信息的基础上进行计算，确定所述电子标签所在的位置，并基于所述电子标签所在的位置，确定出所述待测管道的位置。
在一个实施例中，所述射频探测线圈具体用于探测所述电子标签的位置，读取电子标签的标识信息和信号强度信息；
所述测量处理主机，具体用于将卫星定位天线接收到的定位载波信号进行处理，得到所述卫星定位天线所在位置所述相位中心的实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）；将射频探测线圈获取的电子标签的标识信息、信号强度信息、当前探测时间点t以及所述相位中心实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）进行处理并融合为探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag）；其中X’，Y’为水平坐标，H’为垂直坐标；RFIDTag表示当前探测到的电子标签的标识信息；TagSensorFlag表示当前时间点探测到的位置是否位于所述电子标签辐射空间内；根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法建立椭球型模型，采用实时水平估计算法和实时垂直估计算法，对电子标签所在位置的三维坐标进行估计。
在一个实施例中，上述管道位置的实时测量系统，所述测量终端与测量处理主机通讯连接，用于实时读取所述测量处理主机输出的所述待测管道的位置信息，并通过界面展示。
在一个实施例中，上述管道位置的实时测量系统，所述测量终端还用于实时读取所述测量处理主机输出的探测元数据并解析，并根据解析出来的所述探测元数据，展示所述测量装置中的射频探测线圈和卫星定位天线在水平面和垂直面上的移动轨迹。
在一个实施例中，所述测量终端还用于根据解析出来的所述探测元数据，实时展示电子标签在水平面上辐射空间的边界；以及实时展示电子标签的辐射空间在垂直方向上的边界。
第二方面，本发明实施例提供一种利用如前述管道位置的实时测量系统进行管道位置测量的方法，该方法应用于测量处理主机，所述方法包括：
获取射频探测线圈探测到的电子标签信息以及卫星定位天线自身相位中心的定位信息，进行处理并融合得到融合信息；
在所述融合信息的基础上进行计算，确定电子标签所在的位置信息；
基于电子标签的位置信息，以及电子标签与所述待测管道之间的垂直方向上的距离，计算出所述待测管道的位置信息。
在一个实施例中，获取射频探测线圈探测到的电子标签信息；以及卫星定位天线自身相位中心的定位信息，进行处理并融合，得到融合信息，包括：
将卫星定位天线接收到的定位载波信号进行处理，得到所述卫星定位天线所在位置所述相位中心的实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）；
将射频探测线圈获取的电子标签的标识信息、信号强度信息、当前探测时间点t以及所述相位中心实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）融合为探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag）；其中X’，Y’为水平坐标，H’为垂直坐标；RFIDTag表示当前探测到的电子标签的标识信息； TagSensorFlag表示当前时间点探测到位置是否位于所述电子标签辐射空间内；
根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法建立椭球型模型，采用实时水平估计算法和实时垂直估计算法，对电子标签所在位置的三维坐标进行估计。
在一个实施例中，将射频探测线圈获取的电子标签的标识信息和信号强度信息、当前探测时间点t以及所述相位中心实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）融合为探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag），具体包括：
对射频探测线圈获取的电子标签的标识信息、信号强度信息、当前探测时间点t以及所述相位中心实时的三维坐标信息进行融合，并按照下述方式确定所述TagSensorFlag的值：
若当前探测时间点t，三维坐标（X’，Y’，H’） 不存在，则所述TagSensorFlag表示当前探测位置为无效数据点；
若当前探测时间点t，三维坐标（X’，Y’，H’） 存在，且信号强度信息的值存在，则所述TagSensorFlag表示当前探测位置为电子标签辐射空间内的数据点；
如果当前探测时间点t，三维坐标（X’，Y’，H’） 存在，且信号强度信息的值不存在，则所述TagSensorFlag表示当前探测位置为探测范围外的数据点。
在一个实施例中，根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法建立椭球型模型，采用实时水平估计算法和实时垂直估计算法，对电子标签所在位置的三维坐标进行估计，具体包括：
根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法，确定所述电子标签辐射范围的椭球型模型的边界；
确定所述椭球型模型在水平方向上二维横截面的多个边界点；
确定所述椭球型模型在垂直方向上二维纵截面的多个边界点；
根据所述二维横截面的多个边界点和所述二维纵截面的多个边界点，计算电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据；
所述基于电子标签的位置信息，以及电子标签与所述待测管道之间的垂直方向上的距离，计算确定出所述待测管道的位置信息，具体包括：
将所述电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据中的垂直坐标数据，减去在垂直方向上所述电子标签所在位置的估计点到所述待测管道测量点之间的距离，得到所述待测管道的垂直坐标数据；
将所述电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据中的水平坐标，作为所述待测管道的水平数据。
在一个实施例中，所述电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据包括水平坐标以及垂直坐标；
所述电子标签所在位置的估计点的水平坐标，通过计算所述椭球型模型在水平方向上二维横截面的多个边界点围成的四边形的中心点的坐标得到；
所述电子标签所在位置的估计点的垂直坐标，通过计算所述椭球型模型在垂直方向上二维纵截面的多个边界点围成的椭圆形最下端顶点的垂直坐标得到。
第三方面，本发明实施例提供一种测量处理主机，包括：
获取模块，用于获取射频探测线圈探测到的电子标签信息；以及卫星定位天线自身相位中心的定位信息；
融合模块，用于处理并融合射频探测线圈探测到的电子标签信息以及卫星定位天线自身相位中心的定位信息，得到融合信息；
位置计算模块，用于在所述融合信息的基础上进行计算，确定所述电子标签所在的位置信息；基于电子标签的位置信息，以及电子标签与所述待测管道之间的垂直方向上的距离，计算确定出所述待测管道的位置信息。
第四方面，本发明实施例提供一种测量处理主机，包括：处理器、存储器及存储于存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如前述的管道位置测量的方法。
第五方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的管道位置测量的方法。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的管道位置的实时测量系统、方法和相关装置，利用测量装置通过实时操作射频探测线圈，可精准地获得电子标签信息，同时可以获取卫星定位天线相位中心的定位信息；将电子标签信息和卫星定位天线的相位中心的定位信息经测量处理主机进行数据处理并融合，在融合信息的基础上进行计算，确定所述电子标签所在的位置，并基于所述电子标签所在的位置，确定出所述待测管道的位置，以实现通过与管道测点电子标签位置初始的三维坐标进行对比，可精准地判断当前测点是否实时发生水平位移和垂直沉降，操作简单方便高效，极大地提高了地下油气管道安全维护效率，实现对油气输送管道定期监测，排除地下油气管道的安全隐患，确定安全，避免发生安全事故。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中管道标签定位装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中管道标签测量装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中电子标签和第一固定装置的结构连接关系的例子的示意图；
图4为本发明实施例中北斗卫星定位天线和射频探测线圈的相对位置示意图；
图5为本发明实施例中“椭球型”的可探测空间的示意图；
图6为本发明实施例中理想的水平探测范围的示意图；
图7为本发明实施例中“米字型”测量路线图；
图8为本发明实施例中“回形针”型测量路线图；
图9为本发明实施例中椭球型的可探测空间中的可探测范围和信号衰减区域的示意图；
图10为本发明实施例中垂直方向进行探测的示例图；
图11为本发明实施例中管道位置测量的方法的流程图；
图12为本发明实施例中待测管道、电子标签和电子标签的“椭球型”的可探测空间的总体示意图；
图13为本发明实施例中实时水平估计算法的示意图；
图14为本发明实施例中实时垂直估计算法的示意图；
图15为本发明实施例中测量处理主机的内部结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供了一种管道位置的实时测量系统，参照图1和图2所示，包括：管道标签定位装置和管道标签测量装置；其中：
参照图1所示，管道标签定位装置包括：用于埋藏地下且固定设置于待测管道上方的电子标签和用于将所述电子标签固定于所述管道上方的第一固定装置；
参照图2所示，管道标签测量装置包括：测量处理主机、射频探测线圈、卫星定位天线和用于固定射频探测线圈和卫星定位天线的第二固定装置；所述卫星定位天线设置于所述射频探测线圈的上方，且所述卫星定位天线的相位中心与所述射频探测线圈的中心在水平方向上重合；所述射频探测线圈和所述卫星定位天线与所述测量处理主机电连接；
射频探测线圈用于对所述电子标签的位置进行探测；卫星定位天线用于获取用以计算自身相位中心的卫星定位信号；测量处理主机用于将射频探测线圈实时探测到的电子标签信息，以及卫星定位天线相位中心的定位信息进行处理并融合，在融合信息的基础上进行计算，确定所述电子标签所在的位置，并基于所述电子标签所在的位置，确定出所述待测管道的位置。
管道电子标签定位装置包括电子标签和配套的第一固定装置。
一种电子标签和第一固定装置的结构连接关系的例子可参见图3。图3中，电子标签为柱状，其下方通过安装支架固定于待测管道上。上述安装支架即第一固定装置的一个实施例。
电子标签通过上述配套的第一固定装置与管道壁紧密连接，当管道有位移或沉降时，能够通过电子标签进行感知。
电子标签可以通过利用低频无线电磁通讯方式，发送电子标签信息。电子标签信息包括标签的标识信息（RFIDTag）、信号强度信息（RSSI）以及其他必要的电子信息。
进一步地，上述射频探测线圈具体用于探测所述电子标签的位置，读取电子标签的标识信息和信号强度信息；
相应地，上述测量处理主机，具体用于将卫星定位天线接收到的定位载波信号进行处理，得到所述卫星定位天线所在位置所述相位中心的实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）；将射频探测线圈获取的电子标签的标识信息和信号强度信息、当前探测时间点t以及所述相位中心实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）融合为探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag）；其中RFIDTag表示当前探测到的电子标签标识；TagSensorFlag表示当前时间点探测到位置是否位于所述电子标签辐射空间内；根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法建立椭球型模型，采用实时水平估计算法和实时垂直估计算法，对电子标签所在位置的三维坐标进行估计。
在一个实施例中，上述管道位置的实时测量系统，参照图2所示，还包括：测量终端；
测量终端与测量处理主机通讯连接，用于实时读取所述测量处理主机输出的所述待测管道的位置信息，并通过界面展示。
通过界面展示测量处理主机输出的待测管道的位置信息，并在界面中与该待测管道初始的位置信息进行比较，可使得管道管理人员、安全巡检人员直观地观察待测管道是否发生明显的水平移位或者垂直的沉降，以达到管道安全预警的目的。
并且，测量处理主机还可以根据实时读取所述测量处理主机输出的所述待测管道的位置信息，在待测管道与其初始位置发生明显的水平移位或者垂直的沉降的情况下，向测量终端输出预警信号，测量终端根据预警信号，进行一种或多种形式的预警，包括但不限于例如发出语音、振动、输出文字提示、发光等方式的预警。
在一个实施例中，测量终端还用于实时读取所述测量处理主机输出的探测元数据并解析，并根据解析出来的所述探测元数据，展示所述测量装置中的射频探测线圈和卫星定位天线在水平面和垂直面上的移动轨迹。
在一个实施例中，测量终端还用于根据解析出来的所述探测元数据，实时展示电子标签在水平面上辐射空间的边界；以及实时展示展示电子标签的辐射空间在垂直方向上的边界。
展示射频探测线圈和卫星定位天线在水平面和垂直面上的移动轨迹，可以帮助测量人员了解当前轨迹情况，并在测量终端的指导下，使用射频探测线圈和卫星定位天线更有效地完成电子标签辐射空间的探测。
参照图4所示，上述卫星定位天线例如可采用北斗卫星定位天线，射频探测线圈与北斗卫星定位天线通过第二固定装置连接，并且射频探测线圈的圆心与北斗卫星定位天线相位中心，在水平方向上重合，在垂直方向上处于同一条垂直线上。
射频探测线圈通过射频无线电磁通讯方式，在探测范围内可以读取电子标签信息。电子标签信息包括电子标签的标识信息和信号强度信息以及其他电子信息。射频探测线圈在电子标签上方进行密切测量，可以形成一个以电子标签为节点的“椭球型”的可探测空间，该可探测空间的形状可参照图5所示。该“椭球型”的可探测空间可视为电子标签的辐射空间范围。
管道标签测量装置的作用在于对该“椭球型”的可探测空间进行探测，确定该“椭球型”的可探测空间的边界，并基于该可探测空间的边界，确定电子标签所在位置的三维坐标，进而确定与电子标签存在固定连接关系的待测管道的三维坐标信息。
北斗卫星定位天线实时接收该天线覆盖范围内卫星的定位导航载波信号，把接收到的定位导航载波信号发送给测量处理主机，通过测量处理主机专门的卫星定位与导航专门部件实时处理，得到当前北斗卫星定位天线所在位置的精确实时三维相位中心的坐标信息（X’，Y’，H’）。
例如：测量处理主机的主要功能包括：
（1.1）、实时读取利用高效的实时探测方法得到的射频探测线圈的电子标签信息，电子标签信息包括电子标签的标识信息和信号强度信息以及其他电子信息。
（1.2）、实时接收利用高效的实时探测方法得到的北斗卫星定位天线所覆盖的卫星的定位导航载波信号，通过专门的卫星定位与导航专门部件处理得到北斗卫星定位天线的精确实时三维相位中心坐标信息（X’，Y’，H’）。
（1.3）、将射频探测线圈的电子标签信息和北斗卫星定位天线的精确实时三维相位中心坐标信息利用数据预处理融合算法进行实时数据融合，形成基于北斗与RFID技术的探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag），用于表示当前管道测点的多维特征。探测元数据中的t代表当前测量时间点，（X’，Y’，H’）代表北斗卫星定位天线的精确实时三维相位中心坐标，其中，RFIDTag表示当前探测到的电子标签标识；，TagSensorFlag代表当前探测时间点探测的位置是否在“椭球型”范围内。
（1.4）、根据数据预处理融合算法计算得到的探测元数据，采用定时多维滤波算法建立椭球型模型，采用实时水平估计算法、实时垂直估计算法，对电子标签位置进行精确估计，给出一个指定管道测点的探测结果（X，Y，H）。
（1.5）、将实时传输测量过程中产成的探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag）及探测结果（X，Y，H）给测量终端，测量终端通过图形、声音等方式告知测量工作人员相关情况。
相应地，测量终端主要功能包括：
（2.1）、实时读取来自测量处理主机的探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag）及最终的管道的三维坐标信息即探测结果（X，Y，H）。
（2.2）、解析来自测量处理主机的探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag），实时展示测量装置在水平方向上的移动轨迹。通过解析大量探测元数据，呈现电子标签在水平方向上可以被探测到的“椭圆型”探测边界。
（2.3）、解析来自测量处理主机的探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag），实时展示测量装置在垂直方向上的移动轨迹。通过解析大量探测元数据，呈现电子标签在垂直方向上可以被探测到的“椭球型模型”的高度。
（2.4）、语音指导工作人员在测量过程中的正确操作规范。
上述测量终端（2.2）和（2.3）的功能，可以辅助探测人员在测量过程中实现快速的实时探测，包括实时的水平探测和实时的垂直探测；以便尽可能压缩测量时间，且保证测量结果，并且操作简单方便易行。
对于实时水平探测，例如可采用下述方式实现：
利用测量装置在一个水平面上根据指定测量精度要求采用网格化测量，可以在以电子标签为中心点的圆形范围内能够读取到电子标签信息，在圆形范围外读取不到电子标签信息，并且存在一个很窄的过渡区从读取信号强度较高逐渐衰减为无信号，形成一个圆的边界，一个理想的水平探测范围的示意图可参照图6所示，在图6中，中间深灰色区域代表电子标签信号强度可探测范围内，深灰色外部的浅灰色环状区域代表信号强度衰减区域，除深灰色区域和浅灰色区域，其余区域代表无电子标签的信号。
在野外实际测量工作中，为使测量时间尽量短，操作简单方便易行，测量结果精确正确，可采用多种优化的实时水平探测法，包括实时水平“米字型”探测方法和实时水平“回形针”探测方法。
1）水平“米字型”探测方法；
携带测量设备从管道定位点附近位置开始，参照以图7 “米字型”测量路线图在计划探测区域中对管道测点的四个方向进行测量，确定圆形探测边界。
2）实时水平“回形针”探测方法；
携带测量设备从管道定位点附近位置开始，参照以图8“回形针”形测量路线图在计划探测区域中画出“回形针”曲线，进行二次不同方向的水平扫描，一个方向扫描结束后，确定圆形水平探测边界，旋转90°进行第二次扫描，确定圆形垂直探测边界。
图8所示了两种“回形针”测量路线图，两个方向相互垂直，即旋转90°后行进的测量路线。
对于实时垂直探测，可采用下述方式实现：
使用射频探测线圈在指定电子标签上方进行大量多次垂直上下密切测量，可以得到一个确定高度的椭球型模型，椭球内为有效探测范围，存在一个灰色过渡区域，电子标签的信号强度较高逐渐衰减为无信号，除椭球内和灰色区域，其余为无效探测范围。并如图9所示。
为了在野外实际工作中，测量时间尽量短，操作简单方便易行，测量结果精确正确，可采用优化的实时垂直探测方法，垂直方向基于估计参考点的上下高度测量法。
根据水平测量得到的估计参考点的位置（下图椭球水平横截面的中心点为实时水平探测得到的中心点，作为估计参考点），工作人员可携带测量设备在该位置两侧探测范围内找两个相对该估计参考点对称的水平位置点，在估计参考点和两个对称的水平位置点由地面垂直向上举高，直到探测范围以外，再将测量设备垂直向下移动回到地面位置；一共进行若干次（例如三次）垂直方向基于估计参考点的上下高度测量，求多次的测量结果的平均值可探测得到该点高度信息。得到的垂直方向的纵截面的边界以及估计参考点、对称的位置点在垂直方向上的边界的探测如图10所示，深灰色代表电子标签信号强度可探测范围内，浅灰色为信号强度衰减区域，浅灰色的之外为无信号的区域，可见，浅灰色的边缘即电子标签辐射范围的边界。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种利用前述管道位置的实时测量系统进行管道位置测量的方法，该方法应用于测量处理主机，该管道位置测量的方法,参照图11所示，包括下述步骤：
S11、获取射频探测线圈探测到的电子标签的信号信息；以及卫星定位天线自身相位中心的定位信号信息，并进行融合；
S12、基于融合后的信息，确定所述电子标签所在的位置信息；
S13、基于电子标签的位置信息，以及电子标签与所述待测管道之间的垂直方向上的距离，计算确定出所述待测管道的位置信息。
在一个实施例中，上述步骤S11中，获取射频探测线圈探测到的电子标签的信号信息；以及卫星定位天线自身相位中心的定位信号信息，并进行融合，通过下述方式实现：
将卫星定位天线接收到的定位载波信号进行处理，得到卫星定位天线所在位置相位中心的实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）；
将射频探测线圈获取的电子标签的标识信息和信号强度信息、当前探测时间点t以及相位中心实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）融合为探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag）；RFIDTag表示当前探测到的电子标签标识；标识位TagSensorFlag表示当前时间点探测到位置是否位于所述电子标签辐射空间内；
根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法建立椭球型模型，采用实时水平估计算法和实时垂直估计算法，对电子标签所在位置的三维坐标进行估计。
融合数据的过程例如：
对射频探测线圈的电子标签信息和北斗卫星定位天线的精确实时三维相位中心坐标信息进行实时数据融合，可生成大量探测元数据，探测元数据可采用下述数组的形式：（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag）。
建立探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag）多元组空列表，然使用融合的结果不断更新该多元组。
例如，可根据实时的（X’，Y’，H’）和信号强度信息的值，确定TagSensorFlag：
若当前探测时间点t，（X’，Y’，H’） 不存在，则所述TagSensorFlag表示当前探测位置为无效数据点；
若当前探测时间点t，（X’，Y’，H’） 存在，且信号强度信息的值存在，则所述TagSensorFlag表示当前探测位置为电子标签辐射空间内的数据点；
如果当前探测时间点t，（X’，Y’，H’） 存在，且信号强度信息的值不存在，则所述TagSensorFlag表示当前探测位置为探测范围外的数据点。
在一个实施例中，上述根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法建立椭球型模型，采用实时水平估计算法和实时垂直估计算法，对电子标签所在位置的三维坐标进行估计的步骤，具体可采用下述步骤实现：
1.1、根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法，确定电子标签辐射范围的椭球型模型的边界；
1.2、确定椭球型模型在水平方向上二维横截面的多个边界点；
1.3、确定所述椭球型模型在垂直方向上二维纵截面的多个边界点；
1.4、根据所述二维横截面的边界点和所述二维纵截面的边界点，计算电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据；
相应地，上述步骤S13中，可将电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据中的垂直坐标数据，减去在垂直方向上所述电子标签所在位置的估计点到所述待测管道测量点之间的距离，得到待测管道的垂直坐标数据；
将电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据中的水平数据，作为所述待测管道的水平数据。
进一步地，上述电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据包括水平坐标(x,y)以及垂直坐标(h)；其中：
电子标签所在位置的估计点的水平坐标，通过计算椭球型模型在水平方向上二维横截面的多个边界点围成的四边形的中心点的坐标得到；
电子标签所在位置的估计点的垂直坐标，通过计算所述椭球型模型在垂直方向上二维纵截面的多个边界点围成的椭圆形最下端顶点的垂直坐标得到。
参照图12所示，最下端为待测管道，其中测量点I的位置的坐标，代表待测管道所在位置的三维坐标。管道上方柱状的电子标签通过第一固定装置与该管道连接，H点即电子标签所在位置的估计点（测量点），可从图12中看出，电子标签的辐射范围是椭球形的围，电子标签所在位置的估计点H的水平坐标、管道测量点I的水平坐标，均与该椭球型横截面的中心的水平坐标相同。同时，通过探测到的贯穿该中心点的椭球型垂直方向的纵截面上的边界点E、F和G点的三维坐标，也可以计算出H点的在垂直方向上的坐标。从而完成电子标签所在位置的三维坐标的估计计算。
具体来说，根据高效的实时水平探测方法得到大量探测元数据由（）形成的
水平二维横截面，去除其中TagSensorFlag为无效数据点和探测范围外的数据点的探测元
数据，确定水平二维横截面边界点A（ a， a， a），B（ b， b， b），C（ c， c， c），D（ d， d， d），
如图12所示。其中B和D的连线在x轴方向，A和C的连线在y轴方向。
根据三次垂直方向基于估计参考点的上下高度测量法得到大量探测元数据由（）形成的垂直二维横截面，去除TagSensorFlag为无效数据点和探测范围外的数据
点，确定垂直二维横截面边界点E（ e， e， e），F（ f， f， f），G（ g， g， g），如图12所示。
根据测量得到的A，B，C，D，E，F，G数据点，可求得电子标签的估计点H的坐标（ h， h， h），已知配套的第一固定装置和电子标签的高度为d0，从而求得管道测量点I的坐标（ i， i， i），通过I（ i， i， i）与管道测量点的初始值（ 0， 0， 0）进行对比，可实时监测管道是
否发生了水平的位移或者垂直的沉降。
实时水平估计算法说明如下：
参照图13所示，已知水平二维横截面边界点A，B，C，D，形成四边形ABCD；
根据下述公式（1）和（2）可计算一个中心点的水平二维估计值（）；
（1）
（2）
上述xA、xC、yB和yD分别为A点的横坐标、C点的横坐标、B点的纵坐标和D点的纵坐标。
以该中心点为旋转中心，将四边形ABCD以该内部所有数据点顺时针旋转预设的角
度θ，再对旋转后的A’，B’，C’，D’，根据下述公式（3）和（4）求得第二个中心点的水平二维估
计值（）。
（3）
（4）
xA’、 xC’ 、 yB’和 yD’依次为A’的x轴的坐标，xC’依次为C’轴的坐标，yB’依次为B’的y轴的坐标，yD’依次为D’的y轴的坐标。
对比（）和（），如果两个估计值相差未超过指定精度要求，对两个点的
坐标求算数平均值即可得到管道测点I的实时精确水平测量估计值（ i， i）。
实时垂直估计算法说明如下：
参照图14所示，根据三次垂直方向基于估计参考点的上下高度测量法得到垂直二
维横截面，其中，大写字母为数据点，小写字母（除坐标轴外）为点之间的距离，为边之间
的夹角：
边界点E（ e， e， e），F（ f， f， f），G（ g， g， g）为探测得到的数据点，P点为F点
向h轴作垂线的交点，O点代表估计参考点，a代表E和F点之间的距离，b代表F和O点之间的距
离，c代表P和O点之间的距离，d代表E和P点之间的距离，e代表F和P点之间的距离，为边a
和边d之间的夹角。
已知点E（ e， e， e），F（ f， f， f），根据公式（5）求得e的值：
； （5）
已知点E（ e， e， e），F（ f， f， f），根据公式（6）求得d的值：
； （6）
在三角形FEP中，根据公式（7）和（8）求得a和的值：
； （7）
（8）
在三角形FEO中，可得公式（9）：
（9）
在三角形FPO中，可得公式（10）：
（10）
根据公式（9）和（10），可以求得c和b的值。
已知d和c，可求得模型的高度为，根据公式（11），可求得管道测量点I
的一个实时垂直估计测量值 i ’:
i ’= e-- 0 （11）
以上根据F测量点计算得到 i ’，同理按照G测量点计算得到第二个管道测点I的实
时垂直估计测量值 i ’’，两次垂直测量估计值 i ’ i ’’与初始 0对比，如果每次测量误差
精度在指定要求范围内，即可得到本次测量的管道测点的垂直实时精确测量估计值 i。
利用定时水平估计算法和定时垂直估计算法估计出的管道测点的三维坐标值（ i， i， i）与管道测点的初始三维坐标（ 0， 0 0）进行比较，可精准地反映出该管道测点
是否发生了横向位移和纵向沉降，并将结果通过界面告知监测人员，从而达到高效维护管
道安全的目的。
在具体实施时，使用测量装置对管道测点位移沉降实时精确测量具体过程如下：
（1）、根据测量装置测量终端提示找到管道测点，将测量装置置于管道测点的上方，等待测量装置系统稳定正常。
（2）、待测量装置系统稳定正常后，携带测量装置按照实时水平探测方法和实时垂直探测方法在管道测点指定范围内通过多次、有规则、反复测量，采集大量精确电子标签信息，同时接收卫星的定位导航载波信号，计算大量精确实时三维相位中心坐标信息，经过数据预处理融合算法，形成大量探测元数据。
（3）、采用实时多维滤波算法、实时水平估计算法、实时垂直估计算法，对电子标签位置进行定时精确估计，如果测量结果符合测量精度要求，最终给出本次测量结果并显示在测量终端中，告知测量工作人员相关信息，否则返回步骤（2）进行重新测量。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种测量处理主机，由于该装置解决问题的原理与前述管道位置测量的方法相似，因此该装置的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。
本发明实施例提供的一种测量处理主机，参照图15所示，包括：
获取模块1501，用于获取射频探测线圈探测到的电子标签信息；以及卫星定位天线自身相位中心的定位信息；
融合模块1502，用于处理并融合射频探测线圈探测到的电子标签信息以及卫星定位天线自身相位中心的定位信息，得到融合信息；
位置计算模块1503，用于在所述融合信息的基础上进行计算，确定电子标签所在的位置信息；基于电子标签的位置信息，以及电子标签与待测管道之间的垂直方向上的距离，计算确定出待测管道的位置信息。
本发明实施例提供的一种测量处理主机，包括：处理器、存储器及存储于存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现前述管道位置测量的方法。
本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述管道位置测量的方法。
本发明实施例提供的管道位置的实时测量系统、方法和相关装置，利用测量装置通过实时操作射频探测线圈，可精准地获得电子标签信息，同时可以获取卫星定位天线相位中心的定位信息；将电子标签信息和卫星定位天线的相位中心的定位信息经测量处理主机进行数据处理并融合，在融合信息的基础上进行计算，基于融合后的信息，确定所述电子标签所在的位置信息，并基于所述电子标签所在的位置信息，确定出所述待测管道的位置信息，以实现通过与管道测点电子标签位置初始的三维坐标进行对比，可精准地判断当前测点是否实时发生水平位移和垂直沉降，操作简单方便高效，极大地提高了地下油气管道安全维护效率，实现对油气输送管道定期监测，排除地下油气管道的安全隐患，确定安全，避免发生安全事故。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (11)
1.一种管道位置的实时测量系统，其特征在于，包括：管道标签定位装置和管道标签测量装置；
所述管道标签定位装置包括：用于埋藏地下且固定设置于待测管道上方的电子标签和用于将所述电子标签固定于所述管道上方的第一固定装置；
所述管道标签测量装置包括：测量处理主机、射频探测线圈、卫星定位天线、测量终端、用于固定射频探测线圈和卫星定位天线的第二固定装置；所述卫星定位天线设置于所述射频探测线圈的上方，且所述卫星定位天线的相位中心与所述射频探测线圈的中心在水平方向上重合；所述射频探测线圈和所述卫星定位天线分别与所述测量处理主机电连接；
所述射频探测线圈用于对所述电子标签的位置进行探测；所述卫星定位天线用于获取用以计算自身相位中心的卫星定位信号；所述测量处理主机用于将射频探测线圈实时探测到的电子标签信息，以及卫星定位天线实时获取到的相位中心的定位信息进行处理并融合，在融合信息的基础上进行计算，确定所述电子标签所在的位置，并基于所述电子标签所在的位置，确定出所述待测管道的位置；
所述射频探测线圈具体用于探测所述电子标签的位置，读取电子标签的标识信息和信号强度信息；
所述测量处理主机，具体用于将卫星定位天线接收到的定位载波信号进行处理，得到所述卫星定位天线所在位置所述相位中心实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）；将射频探测线圈获取的电子标签的标识信息、信号强度信息、当前探测时间点t以及所述相位中心实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）进行处理并融合为探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag）；其中X’，Y’为水平坐标，H’为垂直坐标；RFIDTag表示当前探测到的电子标签的标识信息；TagSensorFlag表示当前时间点探测到的位置是否位于所述电子标签辐射空间内；根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法建立椭球型模型，采用实时水平估计算法和实时垂直估计算法，对电子标签所在位置的三维坐标进行估计。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量终端与测量处理主机通讯连接，用于实时读取所述测量处理主机输出的所述待测管道的位置信息，并通过界面展示。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述测量终端还用于实时读取所述测量处理主机输出的所述探测元数据并解析，并根据解析出来的所述探测元数据，展示所述测量装置中射频探测线圈和卫星定位天线在水平面和垂直面上的移动轨迹。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述测量终端还用于根据解析出来的所述探测元数据，实时展示电子标签在水平面上辐射空间的边界；以及实时展示电子标签的辐射空间在垂直方向上的边界。
5.一种利用如权利要求1-4任一项所述的管道位置的实时测量系统进行管道位置测量的方法，其特征在于，该方法应用于测量处理主机，所述方法包括：
获取射频探测线圈探测到的电子标签信息以及卫星定位天线自身相位中心的定位信息，进行处理并融合得到融合信息；
在所述融合信息的基础上进行计算，确定电子标签的位置信息；
基于电子标签的位置信息，以及电子标签与待测管道之间的垂直方向上的距离，计算出所述待测管道的位置信息；
所述获取射频探测线圈探测到的电子标签信息；以及卫星定位天线自身相位中心的定位信息，进行处理并融合，得到融合信息，包括：
将卫星定位天线接收到的定位载波信号进行处理，得到所述卫星定位天线所在位置所述相位中心的实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）；
将射频探测线圈获取的电子标签的标识信息、信号强度信息、当前探测时间点t以及所述相位中心实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）融合为探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag）；其中X’，Y’为水平坐标，H’为垂直坐标；RFIDTag表示当前探测到的电子标签的标识信息； TagSensorFlag表示当前时间点探测到的位置是否位于所述电子标签辐射空间内；
根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法建立椭球型模型，采用实时水平估计算法和实时垂直估计算法，对电子标签所在位置的三维坐标进行估计。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将射频探测线圈获取的电子标签的标识信息、信号强度信息、当前探测时间点t以及所述相位中心实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）融合为探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag），具体包括：
对射频探测线圈获取的电子标签的标识信息、信号强度信息、当前探测时间点t以及所述相位中心实时的三维坐标信息进行融合，并按照下述方式确定所述TagSensorFlag的值：
若当前探测时间点t，三维坐标（X’，Y’，H’） 不存在，则所述TagSensorFlag表示当前探测位置为无效数据点；
若当前探测时间点t，三维坐标（X’，Y’，H’） 存在，且信号强度信息的值存在，则所述TagSensorFlag表示当前探测位置为电子标签辐射空间内的数据点；
如果当前探测时间点t，三维坐标（X’，Y’，H’） 存在，且信号强度信息的值不存在，则所述TagSensorFlag表示当前探测位置为探测范围外的数据点。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法建立椭球型模型，采用实时水平估计算法和实时垂直估计算法，对电子标签所在位置的三维坐标进行估计，具体包括：
根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法，确定所述电子标签辐射范围的椭球型模型的边界；
确定所述椭球型模型在水平方向上二维横截面的多个边界点；
确定所述椭球型模型在垂直方向上二维纵截面的多个边界点；
根据所述二维横截面的多个边界点和所述二维纵截面的多个边界点，计算电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据；
所述基于电子标签的位置信息，以及电子标签与所述待测管道之间的垂直方向上的距离，计算确定出所述待测管道的位置信息，具体包括：
将所述电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据中的垂直坐标数据，减去垂直方向上所述电子标签所在位置的估计点到所述待测管道测量点之间的距离，得到所述待测管道的垂直坐标数据；
将所述电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据中的水平坐标，作为所述待测管道的水平数据。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电子标签所在位置的估计点的三维坐标数据包括水平坐标以及垂直坐标；
所述电子标签所在位置的估计点的水平坐标，通过计算所述椭球型模型在水平方向上二维横截面的多个边界点围成的四边形的中心点的坐标得到；
所述电子标签所在位置的估计点的垂直坐标，通过计算所述椭球型模型在垂直方向上二维纵截面的多个边界点围成的椭圆形最下端顶点的垂直坐标得到。
9.一种测量处理主机，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取射频探测线圈探测到的电子标签信息；以及卫星定位天线自身相位中心的定位信息；
融合模块，用于处理并融合射频探测线圈探测到的电子标签信息以及卫星定位天线自身相位中心的定位信息，得到融合信息；所述处理并融合射频探测线圈探测到的电子标签信息以及卫星定位天线自身相位中心的定位信息，包括：将卫星定位天线接收到的定位载波信号进行处理，得到所述卫星定位天线所在位置所述相位中心的实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）；将射频探测线圈获取的电子标签的标识信息、信号强度信息、当前探测时间点t以及所述相位中心实时的三维坐标信息（X’，Y’，H’）融合为探测元数据（t，X’，Y’，H’，RFIDTag，TagSensorFlag）；其中X’，Y’为水平坐标，H’为垂直坐标；RFIDTag表示当前探测到的电子标签的标识信息； TagSensorFlag表示当前时间点探测到的位置是否位于所述电子标签辐射空间内；
位置计算模块，用于在所述融合信息的基础上进行计算，确定电子标签的位置信息；基于电子标签的位置信息，以及电子标签与待测管道之间的垂直方向上的距离，计算出所述待测管道的位置信息；所述在所述融合信息的基础上进行计算，确定所述电子标签所在的位置信息，包括：根据所述探测元数据，采用定时多维滤波算法建立椭球型模型，采用实时水平估计算法和实时垂直估计算法，对电子标签所在位置的三维坐标进行估计。
10.一种测量处理主机，其特征在于，包括：处理器、存储器及存储于存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现权利要求5-8任一项所述的利用如权利要求1-4任一项所述的管道位置的实时测量系统进行管道位置测量的方法。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求5-8任一项所述的利用如权利要求1-4任一项所述的管道位置的实时测量系统进行管道位置测量的方法。
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