РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ И ТЕСТИРОВАНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЕФЕКТОСКОПОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕ- И ГАЗОПРОВОДОВ
Н.Б. Вавилова, А.А. Голован, А.В. Козлов, И.В. Никитин, А.А. Панёв, Н.А. Парусников
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Лаборатория управления и навигации, Москва, Россия, e-mail: aagolovan@yandex.ru.
И.А. Соловых, С.В. Никифоров, А.М. Лавырев, С.В. Морозов, А.В. Афанасьев
ОАО «Оргэнергогаз» «Саратоворгдиагностика», Саратов, Россия.
И.В. Весновский, А.В. Конон, А.А. Лаптиев, Д.В. Турусиков 
АО «Бейкер Хьюз Технологии и Трубопроводный Сервис», Луховицы, Россия.
Аннотация
Ключевые слова: внутритрубные снаряды, дефектоскоп, фильтр Калмана
Приводится методика и алгоритмы решения задачи навигации внутритрубного диагностического снаряда. Основу навигационной системы которого составляет бескарданная инерциальная навигационная система (БИНС), а в качестве корректирующей информации используются данные о  координатах реперных точек и данные одометра. Рассмотрены вопросы подготовки и проведения экспериментов, правила экспресс-диагностики, позволяющее существенно повысить скорость и качество проведения экспериментов. Приведены результаты обработки экспериментов.
Введение
Проблема пространственной привязки дефектов нефте- и газопровода (далее, трубопровода) возникает в процесс выполнения регламентных работ. Для проведения диагностики трубопроводов используются внутритрубные диагностические снаряды (дефектоскопы). Успешные решения в построении внутритрубных дефектоскопов достигаются минимизацией составляющих их частей, увеличением вычислительной производительности и снижением энергопотребления. Неотъемлемыми требованиями являются комплектность приборов, их унификация. 
Инерциальный модуль (ИМ) в современных требованиях является обязательной частью внутритрубного дефектоскопа. Данные инерциальной навигационной системы, установленной на борту снаряда, перемещающегося по трубопроводу, используется для расчета географического положения снаряда. Точки с известным положением позволяют корректировать инерциальную навигационную систему, например, с помощью фильтра Калмана, что обеспечивает наибольшую возможную точность при определении 3-х мерного пространственного положения особенностей и дефектов трубопровода. 
В мировой практике наиболее широко применяются инерциальные модули тактического назначения, рассчитанные на многие военные применения. Помимо того, что они обеспечивают основное требование по точности инспекционных работ 1 м ошибки на 2000 м пройденного пути (1:2000), они имеют чрезмерно широкий диапазон основных технических параметров, что сопровождается габаритами, повышенным потреблением и юридическими ограничениями в региональном применении, оформление экспортных лицензий для работ в третьих странах, стоимостью. 
Стремление уменьшить габариты и массу, ограничить потребление мощности инерциальных модулей, снизить их стоимость, но при этом расширить регионы инспекций и соответствовать основному требованию работ 1:2000, заставляет разработчиков обратить внимание на использование инерциальных датчиков среднего класса точности.
Состав инерциального блока
Для построения нового ИМ были исследованы миниатюрные оптоволоконный датчики угловых скоростей (ДУС) среднего класса: дрейф нуля 3 – 30 град/час, точность масштабного коэффициента 0.1 – 1 %, диапазон измеряемой угловой скорости до 500 град/с. Малые габариты позволили создать различный механический дизайн, в зависимости от типа несущего ИМ дефектоскопа. 
Первое подтверждение правильности движения в выбранном направлении было получено при тестировании ИМ на автомобиле [1]. 
Применение ДУСов среднего класса точности привнесло определенные изменения и в технологию проведения диагностических работ. В частности, необходимым условием стало наличие длительного интервала неподвижности перед началом диагностического прогона, когда ИМ выходит на рабочий режим. Обязательное определение начального азимута движения и ограничения по оптимальной скорости движения дефектоскопов до 4 м/с.
Основу навигационной системы дефектоскопа составляют:
•	Блок инерциальных датчиков. В качестве варианта для газопровода был выбран БЧЭ-500 разработки ООО «Научно-производственной компании «Оптолинк». БЧЭ-500 построен на базе трехосного волоконно-оптического Гироскопа ТИУС-500 и трех акселерометров типа АТ-1104.
•	Два одометра с минимальным разрешением пройденного пути ~ 3-5 мм.
•	Система регистрации и синхронизации информационных потоков.
•	Система привязки координат внешних реперных точек – маркеров.
Компанией «Бейкер Хьюз», специалистами филиала ОАО «Оргэнергогаз» «Саратоворгдиагностика»  совместно с Лабораторией управления и навигации МГУ им. М.В. Ломоносова была разработана методика подготовки и проведения навигационных экспериментов, методика экспресс-диагностики экспериментальных данных. Она включает в себя:
•	Методику калибровки БЧЭ на грубом одноосном стенде с целью проверки соответствия его точностных характеристик паспортным характеристикам.
•	Методику верификации временной привязки координат маркеров к траектории движения дефектоскопа.
•	Методику верификации точностных характеристик БЧЭ на этапе начальной выставки навигационной системы.
С целью решения трехмерной задачи топографической привязки дефектоскопа было разработано программное обеспечение для режима постобработки. Это ПО была адаптировано для дефектоскопов с ИМ среднего класса точности, движущимися в магистральных трубопроводах. Координаты маркерных пунктов и измерения одометров, интерпретируемых как скоростная информация, используются для коррекции навигационного счисления БИНС. Кроме того, разработана уникальная методика калибровки для конкретного типа ИМ на одностепенном грубом стенде. Решение задачи навигации дефектоскопа свелось к: 
•	Реализации алгоритмов начальной выставки бескарданной инерциальной навигационной системы (БИНС), построенной на основе БЧЭ-500.
•	Реализации трехмерных алгоритмов навигационного счисления БИНС[1].
•	Реализации алгоритмов кинематического одометрического счисления.
•	Реализации алгоритмов коррекции БИНС в варианте введения обратных корректирующих связей. В качестве корректирующей информации использовались:
- Географические координаты маркеров.
- Позиционная информация, доставляемая алгоритмом кинематического одометрического счисления.
•	Реализации алгоритмов сглаживания. Использован приём, когда сглаженная оценка определяется путем склейки интегрированных навигационных решений в прямом и обратном времени.
Коррекционная модель задачи учитывала следующие факторы:
•	Инструментальные погрешности датчиков угловой скорости (ДУС) и акселерометров.
•	Погрешности масштабных коэффициентов одометров.
•	Углы несоосности продольной оси БИНС и «измерительных» осей одометров.
•	Смещение одометров относительно приведенного центра блока акселерометров БИНС.
Алгоритм коррекции
Задача навигации решается как задача коррекции БИНС в так называемом варианте введения обратных связей[2] в навигационное счисление, при этом базируясь на известных линейных моделях уравнений ошибок БИНС. В качестве корректирующих измерений используется позиционная информация (координаты маркеров), а также данные двух одометров, установленных на снаряде. Используемые алгоритмы подробно разобраны в [3,4]. Отдельно остановимся на учёте измерений одометра, представляющих для данной задачи значительную важность.

Рис.1. Оценка масштабного коэффициента одометра.            Рис 2. Оценка угла несоосности.
Схема раздела:
Идеальная модель одометра
Реальная модель одометра
Обратная связь на основе одометрических измерений
Схемы интеграции:
 - одометр + инс
- инс + одометр
Результаты испытаний
Для подтверждения технических характеристик инерциальных модулей дефектоскопов, а также возможностей программного обеспечения и алгоритмов были проведены полевые эксперименты.
Первый натурный эксперимент (для газопровода) был проведен в июне 2014 г. на магистральном трубопроводе (МГ) "СОЮЗ" на участке Палласовского линейного производственного управления МГ (633-747 км), Газпром Трансгаз Волгоград. Длина инспектируемого участка была примерно 114 км. Диаметр газовой трубы 1420 мм. Средняя скорость дефектоскопа составляла величину около 3 м/с.
На газопроводе с помощью GPS приёмников было снято 60 реперных точек + 1 для определения начального азимута (заданного курса). Расстояние между маркерами варьировалось от 2 км (наиболее распространенное расстояние) до 7 км.
В режиме остановки инерциальные датчики дефектоскопа опрашивались по таймеру с частотой примерно 100Гц, в режиме движение опрашивались по признаку приращения одометрического пути больше чем на 5 мм.
Перед пропуском дефектоскоп стоял включенным в камере запуска около 40 минут, что было использовано для решения задачи начальной выставки БИНС. 
Выяснилось, что на этом интервале времени наблюдалось вибрационное воздействие на дефектоскоп, связанное с запуском газа или нефти в камеру. Наличие интервала вибрационного воздействия учитывалось при решении задачи начальной выставки.
Оценка точности интегрированных навигационных решений определялась следующими способами:
•	Путём сравнения с координатами проверочных маркеров.
•	Путём исключения координат маркеров из обработки и последующей проверки точности определения этих же координат навигационным алгоритмом.
•	Сравнение с картой Google Earth, на которой можно видеть рельефный профиль трубопровода и отображенный профиль трассы дефектоскопа.
Предварительные результаты обработки показали, что:
•	На участках, где расстояние между маркерами составляет величину порядка 2 км, точность топографического привязки траектории движения дефектоскопа составляет примерно 1-2 м. 
•	На участках, где расстояние между маркерами составляет величину порядка 6 км, точность ухудшается до 15 м.
При подготовке ко второму эксперименту (для нефтяного трубопровода) было отснято 44 маркерных пункта. Скорость дефектоскопа в прогоне составила 0.8 – 1 м/с, дистанция ~ 16000 м.
Для оценки точностных характеристик нового ИМ за маркерные пункты были выбраны краны на трубопроводе, т.к. их положение известно, и они могут быть использованы в качестве источника информации о точном пространственном положении, которое пригодно для нахождения инерциального навигационного решения. Время прохождение дефектоскопом задвижек определялось с высокой точностью непосредственно на инспекционных данных. В результате для расчета использовалось 8 маркерных пунктов, которые разбили дистанцию прогона на пять участков различной длины, от 1800 до 4700 м.
В качестве контрольных точек были взяты все известные маркерные пункты, исключая камеры запуска и приема. В маркерных пунктах, где отсутствовала информация о времени прохождения дефектоскопа, можно было оценить только поперечное смещение траектории движения от положения трубопровода.
Из полученных результатов видно, что при расстоянии между маркерами до 3000 метров, практически, все ошибки в контрольных точках не превышают 1 метра. 
Приводится оценка точности диагностических работ при расстоянии между маркерами 2000 метров. В соответствии со Стандартом по квалификации систем внутритрубной инспекции API-1163 при общем числе контрольных измерений 11 количество измерений, которые должны укладываться в допустимые пределы при достоверности 80% и доверительном интервале 95%, чтобы обеспечить соответствие Техническим характеристикам 1:2000 должно составлять 6.
В выбранном диапазоне удаления от маркеров количество ошибок, не превышающих 1 метра, составляет 8 из 11, т.е. результаты внутри трубной инспекции будут соответствовать поставленным целям.
На основе исторических данных было показано, что использование периодической повторной калибровки инерциальных датчиков позволило повысить точность и стабильность навигационных определений.
При проведении инспекционные работ в индустриальных и портовых зонах, где рельеф пролегания трубопровода осложняется многочисленными П-образными вертикальными переходами над автомобильными дорогами, была выявлена чувствительность алгоритма обработки к таким вертикальным профилям. На основе проведенных исследований была произведена доработка программного обеспечения, позволившая решить задачу повышения точности навигационных определений.
Данное направление ещё не исчерпало всех возможностей для увеличения точности инспекционных работ, чему будет помогать дальнейшее развитие алгоритма обработки.
Выводы
1. Приводится методика и алгоритмы решения задачи навигации внутритрубного диагностического снаряда. Основу навигационной системы которого составляет бескарданная инерциальная навигационная система, а в качестве корректирующей информации используются данные о  координатах реперных точек и данные одометра. 
2. Подробно разобрана важная задача учёта одометрических измерений, основанная не кинематическом подходе.
2. Рассмотрены вопросы подготовки и проведения экспериментов, правила экспресс-диагностики, позволяющее существенно повысить скорость и качество проведения экспериментов. 
3. Приведены результаты обработки экспериментов.
4. В соответствии с «Программой развития филиала «Саратоворгдиагностика» ОАО «Оргэнергогаз» на период 2012-2014 года в области модернизации и создания средств внутритрубной дефектоскопии, был разработан макетный образец навигационной системы внутритрубного диагностического снаряда (дефектоскопа) магистральных трубопроводов.
5. Компания «Бейкер Хьюз»  успешно ввела новые поколения диагностических снарядов на рынок и в их составе новый ИМ на базе ДУС среднего класса точности. Многочисленные внутритрубные инспекции показали, что интервал между маркерами, который обеспечивает удержание ошибок инерциальной навигации на приемлемо низком уровне 1:2000, при необходимости, может достигать 4000 м, что в настоящее время обеспечивается только системами тактического назначения.
6. Разработанная Лабораторией управления и навигации МГУ методика комплексной обработки информации макетного образца навигационной системы дефектоскопа не была жестко привязана к точностным характеристикам конкретного БЧЭ, характеристикам одометров, числу маркеров, расстояниям между маркерами, длительности интервала начальной выставки и т.п. Это означает, что она применима для других навигационных систем дефектоскопов, построенных на блоках инерциальных датчиков той или иной точности, одометрах.
Литература
1.	А.А. Голован, Н.А. Парусников. Математические основы навигационных систем. Часть I. Математические модели инерциальной навигации. – М: Издательство Московского университета, 2010.
2.	Н.Б. Вавилова, А.А. Голован, А.А. Панёв, А.В. Конон, А.А. Лаптиев. Разработка и тестирование алгоритмов навигации внутритрубных диагностических снарядов / XVII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным системам. - СПб: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. 
3.	Н.Б. Вавилова, А.А. Голован, Н.А. Парусников. К вопросу об информационно эквивалентных функциональных схемах в корректируемых ИНС / Механика твердого тела, N3, 2008.

4.	А.А. Панёв. Задача навигации мобильных диагностических комплексов в режиме постобработки: дис. канд. физ.-мат. наук: МГУ, Москва, 2011.