管道三维姿态测量系统
面向移动管道工程的3D空间姿态估计技术研究
面向移动管道工程的3D空间姿态估计技术研究随着移动管道工程的不断发展，需要进行准确的姿态估计和位置定位。
传统的姿态估计方法通常采用传感器测量数据和运动模型结合的方式，但是这种方法受到环境因素和传感器精度等限制，存在一定的误差。
因此，近年来发展了基于视觉的3D空间姿态估计新技术，能够提高姿态估计的准确性和可靠性。
一、3D空间姿态估计技术原理基于视觉的3D空间姿态估计技术，是通过摄像机采集场景图像，利用计算机视觉算法对图像进行处理和分析，从而得出物体在三维空间中的姿态参数。
其原理主要基于三维重建技术和运动估计技术：1. 三维重建技术：利用多个不同的视角拍摄物体，通过多视图几何等算法建立物体的三维模型，然后根据拍摄图像的物体位置和角度计算出物体在三维空间中的姿态。
2. 运动估计技术：通过分析物体的运动轨迹和速度，估计物体在三维空间中的运动状态，从而得到物体的空间姿态。
二、3D空间姿态估计技术应用于移动管道工程的意义在移动管道工程中，3D空间姿态估计技术可以为管道检测、管道维护等工作提供帮助。
通过安装摄像机或其他视觉传感器，对管道进行监测和定位。
例如，在管道检测中，可以通过三维重建技术对管道进行重建，然后通过姿态估计技术得出管道的角度和位置，从而进行管道缺陷的检测和维护。
三、3D空间姿态估计技术研究现状目前，国内外已经有很多学者对3D空间姿态估计技术进行了深入研究。
以下介绍几种主要的姿态估计方法：1. 特征点法：首先对图像进行特征点提取，然后使用RANSAC算法对这些特征点进行筛选和匹配，最终得出物体在三维空间中的姿态。
2. 线特征法：利用线段和边界的几何特征进行建模，通过线段距离等算法来检测和匹配管道轮廓，从而得出管道的姿态和位置。
3. 深度学习法：利用深度卷积神经网络对图像进行特征提取和分析，从而实现姿态估计任务。
四、3D空间姿态估计技术面临的问题虽然3D空间姿态估计技术有着广阔的应用前景，但是也存在诸多问题和挑战。
沉管法隧道管段三维姿态实时监测探讨
沉管法隧道管段三维姿态实时监测探讨【摘要】沉管管段三维姿态实时监测作为一项新的沉管辅助技术，提高了沉管管段的在浮运、沉放期间的安全性、准确性。
为工程指挥人员提供了高效、直观的决策依据。
本文结合工程实例，就沉管管段三维姿态实时监测的积极意义及具体应用进行了介绍、探讨。
【关键词】沉管法隧道；三维姿态；实时监测1、引言1894年，世界上第一条沉管法隧道——美国波士顿的雪莉排水管隧洞成功完成施工，至今，世界上已经修建了一百多座沉管隧道，沉管法隧道也有百年多的历史了。
沉管法作为一种先进的隧道施工方法发展至今，已有了其成熟的施工工艺。
近年来，沉管法隧道在珠三角地区更是有了广泛的应用和长足的发展。
随着科技的飞速发展，沉管法隧道技术也是与时俱进，管段三维姿态实时监测也是近年来新兴的一项沉管法辅助技术，作为管段拖运及沉放安装过程中重要的辅助措施，其实施的好坏也直接关系到整个过程的安全。
本文以广州市洲头咀隧道为例，介绍沉管法隧道管段三维姿态监测的意义、主要内容及方法。
2、工程简介广州市洲头咀隧道工程是连接海珠区与荔湾区芳村之间的一条重要通道。
隧道全长3253.034m，其中江中沉管段起点里程k1+426.000，终点里程k1+766.000，全长共340m。
沉管分四节管段，管段采用轴线干坞法进行预制，干坞设于西端岸上段靠河侧，呈纵向长条形布置。
管段安装采用水力压接法，最终接头采用水下接头，管段间采用柔性接头，接头间采用钢索连接。
3、沉管管段实时监测的意义沉管管段一般采用干坞作为预制场地，预制完成后引水入坞，将管段浮起，然后通过牵引，将管段浮运至指定位置。
沉管管段的体积、质量都非常巨大（如洲头咀e1沉管重量约为25500吨），需要事先设计并开挖好沉管浮运航道，整个浮运过程必须进行监控，确保管段按照既定航道运动，保证管段的安全。
3.1 传统监测方法基本原理传统监测主要采用全站仪进行，在管段轴线上设置两个测量塔，以此测定管段的轴线。
管道三维姿态测量系统
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前言----设备的必要性
传统的竣工测量手段？
现有的竣工测量方式主要采用探地雷达、管线探测仪、导向棒等方式，但是这些探测方式会 受到磁、金属、管道材质、埋设深度等因素的影响，测量结果精度往往不能保证，所以通过以上 收到的到的竣工图纸，精度往往不能保证。
技术特点
6、多种数据格式输出
强大的后处理软件，支持ECXEL数据文档、txt数据文档、 CAD支持文件能多种数据格式，便于客户各种后处理。
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技术特点
7、定制化报表功能
可根据客户需求定制各种数据、图形样表，根据客户软件 键入信息，自动生成报表样式、封面及内容，预留签字、签名 位置，直接打印、签字生效。
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前言----设备的必要性
如何能得到高精度的竣工图纸？
由此可见传统的方式都有自己的缺陷，主要受制于探测环境和埋设深度，那么有 没有什么新技术能够不受环境、材质等因素影响，得到准确的管道竣工图纸呢？
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前言----设备的必要性
为什么竣工图纸的精度很低？
非开挖施工由于大多采用顶管技术施工，顶管过程按照设计线路进行，但由于受制于管道路线 周围地质环境的影响，往往顶管得到的线路和设计路径有一定的偏差，有时这样的偏差会达到几 米，也就是说，这样的施工管道，你能准确的知道管道的起点在哪里，管道的终点在哪里，但是 起点和终点之间的地下，管道是怎么走了，很难确定，需要进行竣工测量。
管道内的三维地理坐标检测
管道内的三维地理坐标检测杨洋;吴新杰;杨理践;李宾【摘要】研究了利用管道清管器(PIG)搭载惯性测量单元(IMU)实现管道三维地理坐标测量的方法.该方法以捷联惯导系统(SINS)定位为主,并辅以校正信息的Kalman滤波估计算法来解决SINS计算的发散问题.首先,将测量装置搭载在PIG 上,PIG在管道中运动的同时记录惯性信号.然后,经离线计算得到管道的三维地理坐标,并利用IMU的姿态倾角和里程轮速度对SINS计算的误差进行校正.最后,建立了9维状态量Kalman滤波模型方程,并利用扩展Kalman滤波算法进行求解.实验结果显示,该系统对于30 m管道的测量精度为0.28 m;表明通过加入校正算法,可以实现内检测条件下对管道三维地理坐标的精确测量.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2014(022)010【总页数】7页(P2740-2746)【关键词】管道内检测;三维地理坐标;捷联惯导;里程轮;姿态倾角;Kalman滤波【作者】杨洋;吴新杰;杨理践;李宾【作者单位】辽宁大学物理学院,辽宁沈阳110036;辽宁大学物理学院,辽宁沈阳110036;沈阳工业大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110870;辽宁大学物理学院,辽宁沈阳110036【正文语种】中文【中图分类】TP231 引言管道输送是石油、天然气长距离输送的主要手段［1］，管道内检测是目前常用的管道检测方式，它可以实现对管道输送的在线检测，预报变形引起的应力集中、卡堵、管壁缺陷等各种管道异常情况［2］，对于管道的安全运行和管道铺设地区的环境保护具有重要作用。
管道内检测利用管道清管器（PIG）进行检测，PIG借助管道内传输的介质在管道中运动，可以定期对管道内聚积的砂、泥和石蜡进行清洗，防止管道卡堵［3］。
将测量装置搭载在PIG上，就可以在清管的同时对管道进行定期的检测［4］。
管道内检测时需要定位出缺陷的具体位置；通过对海底管道弯曲程度的定位检测，利用管道三维地理坐标找出管道上承受最大应力的危险区间［5］，这些都需要内检测能够提供管道三维地理坐标的精确信息，但是传统内检测法采用里程轮测量，只能得到PIG在管道中移动的距离［6］，所以需研究一种新的测量方法。
管道三维可视化管理系统
管道维修与保养管理功能
维修计划管理
制定管道的定期维修和保养计划，确保管道的安全运行。
维修记录与追踪
记录管道的维修历史和保养情况，方便追踪和管理。
资源调配与优化
根据管道的维修需求和资源情况，合理调配人力、物力等资源，提 高维修效率和质量。
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管道三维可视化管理系统应用
油气管道应用
管道完整性管理
通过三维可视化技术，对油气管道进行完整性评估，包括 管道本体、防腐层、阴极保护等方面的检测和分析，提高 管道安全运行水平。
多线程与并行计算
利用多线程和并行计算技术， 提高三维渲染的效率和性能。
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系统优势与前景展望
系统优势分析
真实感与沉浸感
通过三维可视化技术，管道系统能够以高度真实的方式呈 现，使用户获得身临其境的体验。
交互性与操作性
系统支持用户与三维模型进行交互，如旋转、缩放、平移 等，便于用户从不同角度观察和分析管道系统。
降低运维成本
管道系统的运维需要耗费大量的人力和物力资源。通过三维可视化管理 系统，可以实现远程监控和自动化运维，降低运维成本。
03
保障管道安全
管道系统涉及到工业生产和民生的各个方面，其安全性至关重要。三维
可视化管理系统可以实时监测管道系统的状态，及时发现潜在的安全隐
患，保障管道安全。
系统概述
三维可视化技术
漏损监测与定位
通过三维可视化技术，实时监测给排水管道的漏 损情况，并准确定位漏损点，减少水资源浪费和 降低维修成本。
水质监测与管理
利用三维可视化技术，对给排水管道的水质进行 实时监测和管理，确保供水质量和排水达标。
工业管道应用
工艺流程模拟
通过三维可视化技术，对工业管道的工艺流程进行模拟和优化，提 高生产效率和产品质量。
管线工程测量中的三维坐标测量
管线工程测量中的三维坐标测量近年来，随着城市建设的不断推进，管线工程扮演着重要的角色。
然而，在管线工程中，三维坐标测量作为一项基础性工作，经常被忽视或低估其重要性。
本文将探讨管线工程测量中的三维坐标测量，并强调其在工程设计、施工和维护过程中的重要性。
一、三维坐标测量的概念和方法三维坐标测量是一种确定目标物体在三维空间中位置的方法。
在管线工程测量中，三维坐标测量常常用于确定地下管线的精确位置和几何形状。
通过使用先进的测量仪器和设备，如全站仪、激光扫描仪和GPS系统，工程师和测量技术人员可以实现对地下管线的精确测量和定位。
在三维坐标测量中，通常会采用以下几种方法：点测法、线测法和面测法。
点测法适用于需要确定单个点的位置，如管道起止点的坐标。
线测法适用于需要确定管线几何形状的情况，通过测量管线上多个点的坐标来确定其轴线的位置。
面测法则适用于需要确定管线所在空间面的情况，如确定地下管线的立体位置和运行路径等。
二、三维坐标测量在管线工程中的作用三维坐标测量在管线工程中起着关键的作用。
首先，它为工程设计提供了准确的数据基础。
通过测量管线的三维坐标，设计师可以更好地理解管线的几何形状和空间布局，从而在设计阶段避免潜在的设计错误和冲突。
其次，三维坐标测量也为施工过程提供了必要的依据。
通过准确测量管线的坐标，施工人员可以按照设计要求进行精确的布置和安装，降低施工风险和成本。
最后，三维坐标测量在管线维护和管理中发挥了重要的作用。
通过定期测量管线的位置和形状，可以及时发现和解决管线腐蚀、变形和破裂等问题，确保管线的正常运行和维护。
三、三维坐标测量在管线工程中的挑战和解决方案然而，三维坐标测量在管线工程中也面临一些挑战。
首先，地下管线通常由多种材料组成，如钢、铸铁和塑料等，其特点和材质的不同会导致测量结果的误差。
为解决这一问题，工程师可以选择适用于不同材料的测量方法和仪器，如激光扫描仪对于塑料管线的测量效果更好。
其次，地下环境的复杂性和不可预测性也增加了测量的难度。
管道三维姿态测量仪在非开挖电缆顶管测量中的应用
曾文锋王伟田磊（深圳供电规划设计院有限公司,广东深圳518000）摘要本文主要介绍利用管道三维姿态测量仪DT-GXY-200，测量非开挖顶管敷设电缆管道三维坐标位置的方法，分析测量精度并结合具体工程案例对非开挖顶管敷设电缆管道三维坐标测量的应用研究，为非开挖顶管施工竣工验收测量探索行之有效的测量方法。
关键词非开挖顶管；管道三维姿态测量仪；竣工测量中图分类号P208文献标识码A文章编号2095-7319（2020）01-0075-06管道三维姿态测量仪在非开挖电缆顶管测量中的应用0.引言随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程的进一步加快，我国的地下管线的敷设量也在逐年增加[1,2]。
城市交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的背景下，电缆管道敷设施工常采用非开挖顶管技术，而非开挖顶管敷设的电缆管道通常埋深较深，传统的测量方法不能满足竣工验收测量的需要，无法获得电缆管道准确的三维坐标，导致后期运维困难，在后续施工中安全隐患多，导致管道施工事故的发生[3,4]。
目前，非开挖顶管准确的三维坐标测量还没有可靠性强的方法，为此我们采用管道三维姿态测量仪应用于非开挖顶管的三维坐标测量，结合实验验证和具体的工程案例探讨该方法的可靠性及有效性。
1.管道三维姿态测量仪的基本原理及工作流程1.1管道三维姿态测量仪的基本原理对于非开挖顶管的测量多采用管线探测仪或导向仪，探地雷达等，由于城市地下管线近间距并行管线较多，电磁信号常常耦合到非目标管线上去，使定位发生误差。
这些方法受电磁场、管线材质、埋设深度等较多因素的影响，无法在复杂的地下管线中实现精准定位，非开挖顶管测量的精度往往无法保证。
因此，非开挖电缆顶管的三维坐标测量，采集连续准确的三维空间位置和形状，已经是行业内技术研究的难题之一。
管道三维姿态测量仪是基于惯导原理的惯性陀螺仪，无论是金属管线或非金属管线、超深管线探测中都可以应用，对于管线的埋设深度目前已知的都可以探测，精度达到厘米级甚至到毫米级。
长输管道三维测绘技术及应用
长输管道三维测绘技术及应用发表时间：2020-11-13T06:01:00.729Z 来源：《中国科技人才》2020年第20期作者：何丽[导读] 在我国油气输送领域中，从西气东输工程到家家户户的能够使用上天然气燃气的整个过程之中，长输管道设备及其相关技术在其中扮演了极其重要的角色。
长输管道的数字化智能化管理是我现阶段不断努力发展的方向，以三维测绘技术为代表的数字化管理技术，通过对管道内外部进行精确测量，对各个管道部分准确定位，对问题部位及时处理。
何丽南京市锅炉压力容器检验研究院 210098摘要：在我国油气输送领域中，从西气东输工程到家家户户的能够使用上天然气燃气的整个过程之中，长输管道设备及其相关技术在其中扮演了极其重要的角色。
长输管道的数字化智能化管理是我现阶段不断努力发展的方向，以三维测绘技术为代表的数字化管理技术，通过对管道内外部进行精确测量，对各个管道部分准确定位，对问题部位及时处理。
极大的保证了油气传输的安全性和可控性。
本文以长输管道三维测量技术作为研究对象，从基本原理，使用方式，误差分析等角度出发，同新时期下的互联网技术进行结合探究。
关键词：长输管道；三维测绘技术；核心器件；新型应用引言：长输管道三维测绘技术的相关原理是利用了惯性测量，使用相关的仪器在力的牵引下，对各种物理量进行测量后绘制出运动轨迹。
后期需要相关操作人员进行数据分析和管道实况对比，得到管道的三维姿态。
通过三维测绘技术对管道进行数据建模，对管道中的缺漏进行时刻控制。
在运输安全，运行管理，施工维护等方面具有重要意义。
想要打破传统管理下的低效的限制，需要相关企业引进相关技术，利用三维测绘技术对于长输管道整体的系统把控，实现油气领域企业的稳定发展。
一、三维测绘技术概述在长输管道的测量阶段主要分为惯性测量单位和后期数据处理两个方面，如图一所示。
在惯性测量阶段，将需要测量设备放置在检测器的内部，通过惯性测量得到相关数据。
被测量物体的加速度和线速度等核心数据需要加速度测量计和陀螺仪。
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传统的竣工测量手段？
现有的竣工测量方式主要采用探地雷达、管线探测仪、导向棒等方式， 但是这些探测方式会受到磁、金属、管道材质、埋设深度等因素的影响，测 量结果精度往往不能保证，所以通过以上收到的到的竣工图纸，精度往往不 能保证。
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主要用于管道的位置测量，尤其适合非开挖行业顶管施工的竣工测量 。系统设备主要基于惯性导航技术研发生产，便捷的外业操作配合先 进的数据后处理系统，能够精确得到被测管道的空间三维姿态信息。 设备测量不受外界环境及管道材质等因素干扰，理论出厂校准精度可 达500m内15cm偏差。 主要应用： 电力、通信、供气、供水等行业非开挖、开挖施工的管道竣工测量 电力、通信、供气、供水等行业已有管道中预留管道的位置探测
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成果报表
软件处理系统能够输出定制模板的WORD图形文件、wor d数据文件、CAD图形文件、excel文件、txt格式文件等。
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技术特点
1、支持不同管材、不 同口径管道测量
设备采用惯性导航原理， 对测量管道材质没有限制， 不管是金属管、塑胶管还是 其他材质，都能进行准确测 量，设备支架可以定制，可 以方便适应各种口径管道测 量。
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管道三维姿态测量仪
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管道三维姿态测量仪
原理简介：
设备内搭载惯导+里程计组合导航测量元器件，设备沿管道从起 点至终点运行过程中，里程计模块会随时将设备运行里程传输给内 部处理模块，与惯导系统数据融合、处理。通过惯导和里程计的组 合导航技术，可以解算设备的空间运行轨迹。由此，设备从管道起 点运行到管道终点，设备的全程运行轨迹即是管道的空间姿态。由 此可以得到管道的空间位置数据
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前言----设备的必要性
如何能得到高精度的竣工图纸？
由此可见传统的方式都有自己的缺陷，主要受制于探测环境和埋设深度 ，那么有没有什么新技术能够不受环境、材质等因素影响，得到准确的管道 竣工图纸呢？
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管道三维姿态测量仪
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管道三维姿态测量仪
南方管道三维姿态测量系统（GXY-20）
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技术特点
4、绝对坐标引入
系统可以按一定距离 计算管道的坐标数据， 可以通过管道首尾绝对 坐标，计算管道沿线的 坐标数据，尤其可以引 入管道的GPS全球坐标 系坐标，位置永久确定 ，任地表、基桩如何变 化，能够快速定位查找 管道位置。
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技术特点
5、多管道可视化 查看
系统按照工程分组 ，输入、处理查看同一 区域内多条管道的相互 信息，尤其适合同一顶 管工程中同时多条管道 的测量。可以直观查看 管道间的相互位置分步 走向。
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技术特点
6、多种数据格式输出
强大的后处理软件，支持ECXEL数据文档、txt数据文档、C AD支持文件能多种数据格式，便于客户各种后处理。
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设备操作
（2）测量：
设备连接拉线-开机-放入管道；3min初始化后，在末端 均匀拉动设备通过管道至终点，关机，即完成测量过程。
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设备操作
（3）数据后处理：
测量过程完毕，将设备与软件连接，导出测量数据，进 行后处理输出报表。
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管道三维姿态测量仪
与传统设备对比：
对比可见，与传统的检测方法相比，陀螺类设备具有更为明显的优 点，不受材质、埋设深度等的限制，适用于各种开挖和非开挖环境需要 。
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设备操作
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设备操作
（1）现场准备：
通过全站仪、RTK或其他方式获取管道起点和终点的相 对位置信息(平距、高差)，利用通管器或其他设备在管道内 穿过一根拉线。
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技术特点
2、严密防水、防尘 设计
主体采用船舱式设计 ，有效分离各个模块，保 证各模块安全运行，采用 高密螺纹、橡胶圈、防水 接头等设计，确保设备整 体防水、防尘性能。整体 设计满足IP68标准。
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技术特点
3、测量精度高
系统采用先进的惯性 导航技术，不受管道材质 和周围环境的干扰，并不 受埋设深度限制，结合先 进的数据处理算法，设备 出厂标定精度达到水平50 0m，15cm. 可容忍： 水平方向20cm+0.15*d%. 深度方向20cm+0.1*d%. D=L-100m
前言----设备的必要性
为什么会有如此多的开挖事故？
其主要原因在于，施工单位在施工时不能准确知道施工现场地下的管道 位置分布。一部分原因在于地下管线的资料不全，还有相当一部分是在于施 工完毕后相关主管单位能拿到的地下管道竣工图纸的精度很低，按图施工， 结果导致事故的不断发生。
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技术特点
7、定制化报表功能
可根据客户需求定制各种数据、图形样表，根据客户软件 键入信息，自动生成报表样式、封面及内容，预留签字、签名 位置，直接打印、签字生效。
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精品课件！
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前言----设备的必要性
为什么竣工图纸的精度很低？
非开挖施工由于大多采用顶管技术施工，顶管过程按照设计线路进行，但由于受 制于管道路线周围地质环境的影响，往往顶管得到的线路和设计路径有一定的偏差， 有时这样的偏差会达到几米，也就是说，这样的施工管道，你能准确的知道管道的起 点在哪里，管道的终点在哪里，但是起点和终点之间的地下，管道是怎么走了，很难 确定，需要进行竣工测量。