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摘要：本文介绍了惯性陀螺仪定位技术的原理，适用范围等，通过对传统非开挖地下管线定位技术的分析，指出传统定位技术的不足。结合在燃气管道水平定向钻施工中的应用实例，凸显惯性陀螺仪定位技术在非开挖管线定位中的精度优势，为今后地下深埋的燃气管线精准定位识别提升到了一个全新的探测高度。
关键词：惯性陀螺仪;非开挖;地下管线
一、前言
随着城市建设的飞速发展，燃气、排水、电力、化工、通讯等行业常常需要穿越铁路、公路、河流等障碍物敷设管道，基于对城市市容环境的考虑，在城市建成区利用水平定向钻非开挖施工技术敷设管线的情况也越来越多，而常规的管线探测仪等由于自身的局限性（探测深度浅、易受电磁干扰、场地地形可通达的条件差等）无法获得较准确的管线位置信息，导致后期第三方交叉施工时破坏事故频发，极易酿成人员伤亡事故且破坏后修复成本高。因此地下管线定位数据的精准度就显得尤为重要。
二、传统地下管线定位技术
现今常规探测埋地燃气管线位置的技术有：电磁法、电磁波法（探地雷达）、地震波法和红外线辐射法等等。一般探測的非开挖钢制燃气管线主要采用电磁法;探测非开挖聚乙烯燃气管道主要采用敷设金属示踪线结合电磁法的方式，电磁波法（探地雷达）探测聚乙烯管道的较为少见。
（一） 电磁法探测金属示踪线
在利用电磁法探测金属示踪线时，其原理是：通过对金属示踪线加上一定强度的电流信号或者电磁信号，使之产生电电场或磁场，通过接收机在地面测量金属示踪线电流产生的磁场信号强度来确定金属示踪线的空间位置，进而确定埋地PE燃气管道的空间位置，见图1。
这种探测方法优点是探测速度快、简单易操作、对于埋深较浅的管线探测误差小;缺点是在复杂电磁干扰的区域或埋深较大探测误差较大。
（二） 探地雷达
探地雷达是以地下各种介质的介电常数差异为物理条件，通过向地下发射高频电磁波探测地下介质分布的无损探测仪器。其原理是：通过在地面移动的发射天线向地下发射高频电磁波，当电磁波遇到不用介质的电性界面时，就会发生反射、投射及折射，反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，精确记录下反射回波的时间、相位、振波、波长等参数，再通过信号处理系统处理后，获得地下剖面的CT扫描图像，最后通过雷达图像的识别，可以得到地下管线的分布位置和状态。探地雷达的优点是对地下土壤层扫描成像，直观的反应地层物质差异，探测结果准确、直观。缺点是探测的灵敏度与深度密切相关，深度越大灵敏度越低;受土壤环境影响较大且管径越小的管道探测难度越大。
（三） 小结
以上介绍的探测方法均为目前城市非开挖燃气管道常用的定位技术，但均会受到电磁、管道材质、埋设深度、土壤环境等等因素影响，探测结果的精度往往事与愿违。由此，寻找一种不受地质条件制约且具备高精度测量结果的测量仪器或者方法是具有十分重要的工程应用价值与现实意义。
三、 惯性陀螺仪定位技术
管道陀螺仪-GXY-200管道三维姿态测量仪，该测量仪器主要由MEMS（微机械）陀螺、测量主体、信号分析处理软件三部分组成。其原理是三轴陀螺仪和三轴加速度计分别测量定位仪的相对惯性空间的3个转角速度和3个线加速度沿定位仪坐标系的分量（见图2），经过坐标转换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，并运算出定位仪的位置、速度、航向和水平姿态;其次采用GPS等手段获得管道起点和终点的地理坐标;根据起终地理坐标将惯性定位仪获取的坐标信息转换到地理坐标系中，从而得到管道的三维地理信息。
惯性陀螺仪定位技术优点具体体现在如下3个方面：
1） 惯性陀螺仪导航测量能够比较准确地测量出定向钻施工敷设的埋地燃气管道位置（X、Y、Z坐标），测量结果不受环境因素与管道埋深影响，准确度较高（一般1-2小时内就能完成测量工作，水平误差≯0.25%L，垂直误差≯0.1%L）;
2） 只要知道被测管道两端点的坐标，通过测量仪在管道内的行走即可得到整条管道的轨迹坐标数据，坐标点的密度可以在一个点/0.1m任意设定的数据之上任意设置;
3） 由于管道坐标数据永久不变，任地表基桩如何变化，都能够通过该坐标快速定位查找管道位置 当管道附近进行第三方施工时，由于能确定该管道的实际位置，可以有效避免第三方施工破坏。
缺点：惯性陀螺仪定位技术只能对正在施工的管道进行测量，但在运行的管道无法进行测量。
适用范围：适应各种材质、口径管道测量。
四、应用实例
本文介绍的案例是2018年11月份桂林港华委托了南京地龙测绘有限公司对机场路（世纪立交至两江机场）定向钻穿越桂柳高速燃气工程的管道进行的三维定位，该项目管材选用PE管，规格为De250，管道总长约为214m。测量坐标系统采用：北京54坐标系统，1985国家高程基准。
（一）测量步骤：
1）测量环境要求：被测管道内全空无阻碍，两端管口敞开。测量前穿好拉线（现场使用直径6mm钢丝绳）。
2）根据管道口径，调节伸缩支架，使伸缩支架滚轮与管道管壁贴合，在拉力作用下，支架滚轮能良好转动。
3）支架调整完毕后，启动惯性陀螺仪电源开关，当电源指示灯红灯闪烁、绿灯长明时），将测量仪放入管道，静止1min后，拉动设备。
4）在管道另一端拉动测量仪均匀通过管道，进行测量。为保证测量准确，牵引速度保持1.5m/s左右。
5）设备运行至管道末端管口处静止1min，关闭测量仪电源，连接电脑、导出数据。
（二） 测量成果
（1）测量坐标成果表（10米取一点）：
说明：
1）、管道测量数据为管道中心的坐标。
2）、测量坐标成果表中0与22两个测点序号为单独列出的管道端口中心起点、终点坐标，1～21测点序号为每隔10米测取一个数据。
（2）俯视图：
（3）纵断面图
（三） 数据分析
本次测量该市区机场路（世纪立交至两江机场）燃气PE管道，现场共测得2组数据。导入电脑计算得到测量最大弥散量为：平面范围为0.55m高程范围为0.06m;管道测得的俯视图及纵断面图，真实的反应了管道的起伏变化，特殊点（管道的最深点、拐点等）。
五、 结论
通过实际工程案例介绍了惯性陀螺仪在城市燃气非开挖管道的应用，发现惯性陀螺仪的定位精度远高于传统的管线探测仪器，其结果精度高、可靠性极强、不受外部环境影响等特点，为以后管道运行及监管形成可靠的技术资料，减少第三方破坏事故的发生。该技术可在城市燃气地下管线测量中值得广泛推广。
参考文献：
[1] 章海生，王春起黄智.超常埋深燃气管道位置探测技术光[J]. 煤气与热力2009，29（10）：B08-B10.
[2] 朱驰峰.城市燃气地下管线探测方案研究[J]. 上海煤气，2004（1）：4-8.
[3] 苏瑾.惯性陀螺仪定位测量技术在给水管道非开挖中的应用[J].上海水务，2012，28（2）：20-25.
[4] 宋炜昕，易云兵.埋地PE燃气管道金属示踪线的探测[J].煤气与动力，2012，32（8）：A27-A30.
[5] 蔡亮学，何利民，吕宇玲.水平定向钻穿越方案设计方法研究[J].石油工程建设，2010.
关键词：惯性陀螺仪;非开挖;地下管线
一、前言
随着城市建设的飞速发展，燃气、排水、电力、化工、通讯等行业常常需要穿越铁路、公路、河流等障碍物敷设管道，基于对城市市容环境的考虑，在城市建成区利用水平定向钻非开挖施工技术敷设管线的情况也越来越多，而常规的管线探测仪等由于自身的局限性（探测深度浅、易受电磁干扰、场地地形可通达的条件差等）无法获得较准确的管线位置信息，导致后期第三方交叉施工时破坏事故频发，极易酿成人员伤亡事故且破坏后修复成本高。因此地下管线定位数据的精准度就显得尤为重要。
二、传统地下管线定位技术
现今常规探测埋地燃气管线位置的技术有：电磁法、电磁波法（探地雷达）、地震波法和红外线辐射法等等。一般探測的非开挖钢制燃气管线主要采用电磁法;探测非开挖聚乙烯燃气管道主要采用敷设金属示踪线结合电磁法的方式，电磁波法（探地雷达）探测聚乙烯管道的较为少见。
（一） 电磁法探测金属示踪线
在利用电磁法探测金属示踪线时，其原理是：通过对金属示踪线加上一定强度的电流信号或者电磁信号，使之产生电电场或磁场，通过接收机在地面测量金属示踪线电流产生的磁场信号强度来确定金属示踪线的空间位置，进而确定埋地PE燃气管道的空间位置，见图1。
这种探测方法优点是探测速度快、简单易操作、对于埋深较浅的管线探测误差小;缺点是在复杂电磁干扰的区域或埋深较大探测误差较大。
（二） 探地雷达
探地雷达是以地下各种介质的介电常数差异为物理条件，通过向地下发射高频电磁波探测地下介质分布的无损探测仪器。其原理是：通过在地面移动的发射天线向地下发射高频电磁波，当电磁波遇到不用介质的电性界面时，就会发生反射、投射及折射，反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，精确记录下反射回波的时间、相位、振波、波长等参数，再通过信号处理系统处理后，获得地下剖面的CT扫描图像，最后通过雷达图像的识别，可以得到地下管线的分布位置和状态。探地雷达的优点是对地下土壤层扫描成像，直观的反应地层物质差异，探测结果准确、直观。缺点是探测的灵敏度与深度密切相关，深度越大灵敏度越低;受土壤环境影响较大且管径越小的管道探测难度越大。
（三） 小结
以上介绍的探测方法均为目前城市非开挖燃气管道常用的定位技术，但均会受到电磁、管道材质、埋设深度、土壤环境等等因素影响，探测结果的精度往往事与愿违。由此，寻找一种不受地质条件制约且具备高精度测量结果的测量仪器或者方法是具有十分重要的工程应用价值与现实意义。
三、 惯性陀螺仪定位技术
管道陀螺仪-GXY-200管道三维姿态测量仪，该测量仪器主要由MEMS（微机械）陀螺、测量主体、信号分析处理软件三部分组成。其原理是三轴陀螺仪和三轴加速度计分别测量定位仪的相对惯性空间的3个转角速度和3个线加速度沿定位仪坐标系的分量（见图2），经过坐标转换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，并运算出定位仪的位置、速度、航向和水平姿态;其次采用GPS等手段获得管道起点和终点的地理坐标;根据起终地理坐标将惯性定位仪获取的坐标信息转换到地理坐标系中，从而得到管道的三维地理信息。
惯性陀螺仪定位技术优点具体体现在如下3个方面：
1） 惯性陀螺仪导航测量能够比较准确地测量出定向钻施工敷设的埋地燃气管道位置（X、Y、Z坐标），测量结果不受环境因素与管道埋深影响，准确度较高（一般1-2小时内就能完成测量工作，水平误差≯0.25%L，垂直误差≯0.1%L）;
2） 只要知道被测管道两端点的坐标，通过测量仪在管道内的行走即可得到整条管道的轨迹坐标数据，坐标点的密度可以在一个点/0.1m任意设定的数据之上任意设置;
3） 由于管道坐标数据永久不变，任地表基桩如何变化，都能够通过该坐标快速定位查找管道位置 当管道附近进行第三方施工时，由于能确定该管道的实际位置，可以有效避免第三方施工破坏。
缺点：惯性陀螺仪定位技术只能对正在施工的管道进行测量，但在运行的管道无法进行测量。
适用范围：适应各种材质、口径管道测量。
四、应用实例
本文介绍的案例是2018年11月份桂林港华委托了南京地龙测绘有限公司对机场路（世纪立交至两江机场）定向钻穿越桂柳高速燃气工程的管道进行的三维定位，该项目管材选用PE管，规格为De250，管道总长约为214m。测量坐标系统采用：北京54坐标系统，1985国家高程基准。
（一）测量步骤：
1）测量环境要求：被测管道内全空无阻碍，两端管口敞开。测量前穿好拉线（现场使用直径6mm钢丝绳）。
2）根据管道口径，调节伸缩支架，使伸缩支架滚轮与管道管壁贴合，在拉力作用下，支架滚轮能良好转动。
3）支架调整完毕后，启动惯性陀螺仪电源开关，当电源指示灯红灯闪烁、绿灯长明时），将测量仪放入管道，静止1min后，拉动设备。
4）在管道另一端拉动测量仪均匀通过管道，进行测量。为保证测量准确，牵引速度保持1.5m/s左右。
5）设备运行至管道末端管口处静止1min，关闭测量仪电源，连接电脑、导出数据。
（二） 测量成果
（1）测量坐标成果表（10米取一点）：
说明：
1）、管道测量数据为管道中心的坐标。
2）、测量坐标成果表中0与22两个测点序号为单独列出的管道端口中心起点、终点坐标，1～21测点序号为每隔10米测取一个数据。
（2）俯视图：
（3）纵断面图
（三） 数据分析
本次测量该市区机场路（世纪立交至两江机场）燃气PE管道，现场共测得2组数据。导入电脑计算得到测量最大弥散量为：平面范围为0.55m高程范围为0.06m;管道测得的俯视图及纵断面图，真实的反应了管道的起伏变化，特殊点（管道的最深点、拐点等）。
五、 结论
通过实际工程案例介绍了惯性陀螺仪在城市燃气非开挖管道的应用，发现惯性陀螺仪的定位精度远高于传统的管线探测仪器，其结果精度高、可靠性极强、不受外部环境影响等特点，为以后管道运行及监管形成可靠的技术资料，减少第三方破坏事故的发生。该技术可在城市燃气地下管线测量中值得广泛推广。
参考文献：
[1] 章海生，王春起黄智.超常埋深燃气管道位置探测技术光[J]. 煤气与热力2009，29（10）：B08-B10.
[2] 朱驰峰.城市燃气地下管线探测方案研究[J]. 上海煤气，2004（1）：4-8.
[3] 苏瑾.惯性陀螺仪定位测量技术在给水管道非开挖中的应用[J].上海水务，2012，28（2）：20-25.
[4] 宋炜昕，易云兵.埋地PE燃气管道金属示踪线的探测[J].煤气与动力，2012，32（8）：A27-A30.
[5] 蔡亮学，何利民，吕宇玲.水平定向钻穿越方案设计方法研究[J].石油工程建设，2010.