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发布：2026-05-20 · 事件：2026-05-20 18:21:04

点击标题下“城市燃气杂志”可快速关注 本刊官方网站为http://www.gas800.com/ 欢迎访问浏览、在线订阅与投稿 基于融合定位与GIS的挖掘机 近管道作业 防撞预警方法研究 洪爱华，周俊，史向 祎 ，李泽明 无锡华润燃气有限公司 摘自《城市燃气》2026年第四期 摘要： 本文针对挖掘机在老旧小区瓶改管、道路扩建、新楼盘配套等施工场景的管线防撞需求，设计 实时高精度自动化预警系统，避免施工挖掘损坏管线。

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点击标题下“城市燃气杂志”可快速关注 本刊官方网站为http://www.gas800.com/ 欢迎访问浏览、在线订阅与投稿 基于融合定位与GIS的挖掘机 近管道作业 防撞预警方法研究 洪爱华，周俊，史向 祎  ，李泽明 无锡华润燃气有限公司 摘自《城市燃气》2026年第四期 摘要： 本文针对挖掘机在老旧小区瓶改管、道路扩建、新楼盘配套等施工场景的管线防撞需求，设计 实时高精度自动化预警系统，避免施工挖掘损坏管线。融合GNSS、IMU与GIS监控系统，采集挖掘机铲 斗末端空间坐标，与预设三维管道地图数据库实时分析，计算与最近管道欧氏距离，按输配管道控制及 最小保护范围设置安全阈值，同步激活本地声光与远程分级预警，在无锡华润燃气模拟及真实施工片区 测试有效性。实验数据显示，系统定位精度达亚米级0.5m内，报警响应延迟低于200ms，挖掘机进入预警 区、危险区精准报警，误报率与漏报率均低于5%，显著优于传统人工预警。本研究验证融合定位与GIS 分析方法在工程机械安全监控领域的可行性与高效性，系统为地下管线防护提供数字化、实时化解决方 案，对提高施工安全性、降低经济损失和社会风险具有重要实践价值。 关键词： 工程安全；防撞预警；挖掘机；地下管线 1 引言 城市地下管网是城市生命线，承载能源输送、通 信保障及给排水循环，安全稳定关乎公共服务与社 会秩序。因其深埋且隐蔽性强，在城市更新、道 路扩建等施工中易遭破坏，引发灾害并造成伤亡损 失，威胁公共安全。无锡华润燃气在运维方面此类 问题突出，曾因挖掘机误挖导致燃气管道破损。传 统保护依赖人工读图、现场划线，受干扰大，无法实 时监控，难以满足精细化、智能化安全管理需求。 地下管线施工安全监控技术探索存在不足。 定位预警方面，单一 GPS 精度不足、易被遮挡； 探地雷达操作繁琐无实时反馈，李欣指出其难 以应对挖掘即时风险；UWB 测距精度高但范围有 限。管道风险预测领域，许彤数据挖掘方法侧重事 前预判，三维 GIS 多为静态展示。当前研究未形成高 精度定位、三维 GIS 分析与远程监控深度融合的低 成本可推广方案，因此将其作为本研究的切入点。 本文聚焦无锡华润燃气挖掘机近管道作业防 撞预警需求，针对常见施工场景，研究构建三级系 统架构、解析核心技术、验证系统性能。系统基于实 际案例研发，适配多数管线施工场景，易推广复制。 2  系统总体设计 2.1 系统设计目标 为达成挖掘机近管道作业的精确防护，本系 统规划了多维度的核心设计目标。在定位精度方 面，要实现铲斗末端亚米级的三维坐标获取，保 证空间位置识别的精准性，为距离判定提供坚实基 础。实时性上，全链路延迟从传感器数据采集、传 输到风险分析以及报警触发需控制于200ms之内， 确保危险场景时的及时响应。就可靠性而言，系统 须有强大的环境适应能力，在复杂施工场地保持 平稳运行，并且将误报率和漏报率均控制在5%之 下。另外，系统需支持多终端协作，达成本地声光 报警与远程监控平台的同步预警，符合现场操作与 集中管理的双重需求。 2.2 系统架构 系统运用3层分布式架构，达成数据采集、处 理和监控的高效协作。挖掘机上部署车载感知终 端，该终端集成 GNSS 模块、IMU 传感器以及本地 控制器，用于实时收集铲斗位姿数据并触发本地声 光报警。云端数据处理中心是核心枢纽，接收终端 数据之后，借助三维管道 GIS 数据库开展空间距离 计算与风险等级判断，并保存历史数据。远程监控 客户端涵盖 PC 端与移动端应用，实时同步呈现设 备位置、预警状态及历史记录，可供管理人员远程 干预与全局监控。系统架构如图1所示。 图1 系统架构 2.3 工作原理流程布 系统工作流程从数据采集开始，借助车载传 感器实时收集挖掘机铲斗末端的三维坐标以及机身 姿态信息；所采集的数据在加密压缩后，通过无线 通信模块传送至云端的数据处理中心；该中心运用 空间距离算法，把铲斗坐标与管道GIS数据库里的 三维管线信息进行对比，计算出最短距离，并匹配 预设的安全阈值以完成风险等级的判定；根据判定 结果实施报警决策，触发相应等级的预警指令；最 后通过本地的声光报警器发出现场警示，同时将预 警信息同步传送到远程监控客户端，达成多端协同 的信息发布。系统工作流程如图2所示。 图2 系统工作流程 2.4 系统实施与部署 2.4.1 多方协作与需求对接 项目启动阶段需完成3方协同对接：一是与甲 方（无锡华润燃气）明确管线安全管控要求、预警 阈值标准、数据上报规范等核心需求；二是针对第 三方施工场景，主动与施工单位开展现场会商， 明确施工范围、涉及管线类型、作业时段等关键信 息，商定设备安装权限、作业配合要求及安全责任 划分，签订协作协议确保施工方配合系统部署；三 是与挖掘机制造商对接，获取不同型号挖掘机的电 气接口、机械结构、电源参数等技术资料，保障设 备适配性。 2.4.2 硬件集成与环境适配 车载感知终端（定位盒子）集成高精度GNSS 模块、六轴IMU传感器、4G/5G通信模块、本地声 光报警器等核心组件，采用IP67防护等级设计，具 备防震、防尘、防水能力，适配挖掘机恶劣作业 环境。电源接口可兼容挖掘机12V/24V直流电源系 统，通过稳压滤波电路保障供电稳定；通信模块支 持插入SIM卡接入网络，确保复杂施工区域信号稳 定；通过CAN总线或RS485接口与挖掘机控制系统 对接，获取大臂、小臂、铲斗关节角度数据，用于 铲斗末端坐标解算。 2.4.3 安装调试规范流程 安装前需完成施工方现场确认，在第三方施 工监护现场，由我方技术人员、施工方现场负责人 共同核对施工区域管线分布，确定挖掘机作业范围 及设备安装位置。安装流程分为三步：一是机械固 定，将定位盒子安装在挖掘机驾驶室顶部或大臂根 部，确保不遮挡视线且远离振动源；二是电气接 线，接入挖掘机电源系统，连接关节传感器信号 线，植入SIM卡并调试网络通信；三是系统激活， 通过本地配置工具完成传感器标定、坐标系统一、 预警阈值设置，联合施工方开展现场实测，验证定 位精度与报警响应是否符合要求。 2.4.4 数据交互与平台集成 车载终端通过加密协议将铲斗坐标、机身姿 态、报警状态等数据上传至无锡华润燃气云端数据 处理中心，提供JSON格式标准数据接口，支持与 燃气公司现有GIS平台、施工管理系统无缝对接。 远程监控客户端（PC端、移动端）实时同步数 据，供燃气公司管理人员、第三方施工监护人员查 看，支持报警推送、工单派发等协同管理功能，实 现双方对施工安全的共同管控。 2.4.5 运维保障与人员培训 系统部署后，为燃气公司管理人员、第三方 施工人员开展专项培训，内容涵盖报警识别、设备 自检、应急处置等操作规范。提供为期一年的现场 技术支持与远程维护服务，定期对第三方施工场景 的设备进行校准与故障排查；建立24h应急响应机 制，确保施工过程中系统故障能快速解决。针对第 三方施工项目周期特点，制定设备临时部署与回收 流程，提高设备复用率。 3  关键技术与方法 3.1 高精度位姿解算模型 高精度位姿解算模型运用GNSS与IMU的紧耦 合融合方式，借助卡尔曼滤波算法达成多源数据 的动态整合。GNSS模块给出厘米级的绝对位置参 考，但在遮挡场景下容易遭受信号失锁的干扰； IMU则凭借三轴加速度计和陀螺仪实时提供运动加 速度与角速度，能在短时间内保持高精度的相对运 动追踪。在融合过程中，将IMU数据作为预测模型 输入，依据运动学方程计算当前时刻的位姿状态； 将GNSS的观测值作为更新内容，通过卡尔曼滤波 校正IMU的漂移误差，从而产生连续且稳定的定位 成效。为了得到铲齿末端坐标，需要构建挖掘机运 动学模型，把机身定位中心的坐标与姿态信息（俯 仰角、翻滚角）作为参照，结合大臂、小臂、铲斗 关节角度传感器的数据，利用坐标转换矩阵逐层推 导各部件端点的位置，最终求解出铲齿末端的三维 坐标。该模型能够动态地补偿机身振动以及姿态变 动引发的误差，保证即便处于复杂工况之中，铲齿 位置的解算精度依旧能稳定在亚米级的范围内。高 精度位姿解算模型如图3所示。 图3 高精度位姿解算模型 3.2 管道地图数据库的构建 为精确支持空间距离分析，构建管道地图数据 库需达成数据来源的多维化、处理流程的标准化以 及存储结构的规范化。数据来源包含3类主要渠道， 即城市管线普查所产生的历史矢量数据、新建管线 工程的CAD设计图纸，还有部分区域的激光扫描三 维点云数据，以保证数据覆盖的完整性与及时性。 数据处理过程运用“预处理 - 融合校准 - 坐 标赋权”的3步方法，首先借助格式转换工具把 CAD图纸等非标准数据转成shp格式，使用坐标转 换算法将原本局部坐标系的数据统一校正至国家 2000大地坐标系，再结合高程测量数据给每段管线 赋予绝对高程值，形成含有平面坐标和竖向深度的 三维空间信息。数据库采用PostgreSQL搭配PostGIS 空间扩展来构建，核心存储结构分为空间数据表与 属性数据表，空间表以三维线段形式储存管线的起 点、终点及拐点坐标，属性表关联记录管道材质、 管径、压力等级、权属单位等重要信息，凭借唯一 标识符达成空间信息与属性数据的精准对应，为之 后实时距离计算与风险评估提供结构化数据支持。 3.3 空间距离分析算法 系统实现精准预警的关键在于空间距离分析 算法，通过将三维几何计算和阈值判定深度融合， 构建出一个既精确又实用的风险识别模型。 在计算空间点到线段的最短欧氏距离时，运 用了结合向量投影与几何约束的数学方法。管道 被抽象为三维空间中的连续线段集合，每段管线 由起点和终点的三维坐标确定。假设铲齿末端坐标 为点P（x 1 ， y 1 ， z 1 ），某段管道的起点为A（x 2 ， y 2 ， z 2 ）、终点为B（x 3 ， y 3 ， z 3 ）。首先构建向量 AB和向量AP，通过计算向量AP在向量AB上的投影 参数t，判断投影点是否在线段AB上。若t的取值介 于0到1之间，则最短距离为点P到投影点的欧式距 离；若t小于0，则最短距离为点P到点A的距离；若 t大于1，则最短距离为点P到点B的距离。通过对管 道数据库中的所有管线线段进行遍历，筛选出与点 P距离最小的线段及其对应的距离值，即得到铲齿 到管道的最短距离。 在计算铲齿末端点P（x 1 ， y 1 ， z 1 ）到管道线段 AB端点A（x 2 ， y 2 ， z 2 ）、B（x 3 ， y 3 ， z 3 ）的最短 欧氏距离时，核心公式为三维空间两点间欧氏距离 公式，可统一用于计算点P到点A、点P到点B或点 P到投影点的距离，公式见式（1）。 其中，（x i ， y i ， z i ）代表目标点坐标（当t＜0 时为A点坐标，t＞1时为B点坐标，0≤t≤1时为投 影点坐标），d为两点间的最短欧氏距离。 多级安全阈值的定义与实现严格参照输配管 道控制范围、最小保护范围等行业规范，而非人为 另行设定，采用“电子围栏”的分层逻辑构建。安 全区域被划分为预警区（对应管道控制范围）、 危险区（对应管道最小保护范围）和紧急区3个等 级，分别匹配对应的距离阈值。在系统初始化时， 通过配置界面输入符合规范的各等级阈值参数，算 法将其转化为以管道线段为中心轴的三维圆柱形空 间边界。在实时计算中，将铲齿到管道的最短距离 与阈值进行对比：当距离超过预警区阈值时，判定 为安全状态；进入预警区时，触发一级预警；进入 危险区时，触发二级预警；小于紧急区阈值时，触 发最高级别预警。同时，算法支持动态调整阈值， 可根据管道类型、管径以及施工阶段灵活更新参数， 确保阈值设定完全契合行业规范与实际安全需求。 3.4 实时通信与报警策略 利用MQTT协议构建数据传输链路以实现即时 通信，此协议运用发布-订阅模式，凭借轻量级的 数据包构造削减传输成本，还具备断线重连及消息 缓存功能，在施工环境复杂、网络状况不佳的情形 下能保持连接的稳定性，将数据传输延迟有效地掌 控在毫秒级别，为之后的实时分析奠定根基。 报警策略有着3级分层的设计，和空间距离分 析得到的风险级别精确对应。一级预警适用于进入 预警区域的情况，让车载终端黄色指示灯持续亮 起，仅借视觉信号来提醒操作员关注作业范围；二 级预警关联危险区域，开启橙色指示灯闪烁以及间 歇性蜂鸣声，用声光相配合的形式加强警示效果； 三级预警针对紧急区域，促使红色指示灯高频率闪 烁、发出持续的大音量警报，同时经由通信链路把 预警信息同步发送至远程监控客户端，包含挖掘机 所处位置、相关管道属性等详细信息，达成现场警 告与远程介入相互配合的响应机制。 4 实验与结果分析 4.1 实验环境搭建 实验选取了无锡华润燃气有限公司下属市政 施工模拟场地和公司负责的真实施工片区（如梁溪 区山北社区“瓶改管”工程现场）这两个场景，前 者属于封闭测试区，预先埋设了不同类型的模拟燃 气管道；后者包含真实燃气、供水管线，地面上设 置了施工围挡与基准控制点，复刻公司日常施工环 境。在设备方面，选择无锡华润燃气有限公司运维 施工中常用的中型挖掘机作为测试载体，车载终 端配备了高精度GNSS模块和六轴IMU传感器，铲 斗液压杆上安装有关节角度传感器。云端服务器使 用多核处理器与高速固态硬盘，并配置千兆网络接 口。软件环境基于Linux系统进行开发，集成了GIS 空间分析引擎与实时数据处理框架，客户端可支持 Windows和Android系统运行。 在设备方面，选择中型挖掘机作为测试载体， 车载终端配备了高精度GNSS模块和六轴IMU传感 器，铲斗液压杆上安装有关节角度传感器。云端服 务器使用多核处理器与高速固态硬盘，并配置千兆 网络接口。软件环境基于Linux系统进行开发，集 成了GIS空间分析引擎与实时数据处理框架，客户 端可支持Windows和Android系统运行。 4.2 系统性能测试 定位精度测试在静态和动态场景下进行。静态 测试时，把铲斗固定于基准点（已知三维坐标）， 连续收集200组数据，经计算平面坐标误差处于 0.18m~0.45m之间，平均值为0.31m；高程误差范围 为0.15m～0.42m，平均值是0.27m，误差分布具有 正态特性，主要集中于0.2m～0.35m区间。动态测 试操控挖掘机沿预设轨迹作业，对比系统解算轨迹 与实际轨迹后，得出动态定位误差均值为0.43m， 在95%置信区间内误差低于0.5m。 系统延迟测试运用数据时间戳比对方法，记 录从传感器采集数据到本地报警触发的整个链路 耗时。经过1 500次重复测试，平均延迟138ms， 最大延迟195ms，最小延迟82ms，延迟数据集中于 100ms~185ms区间。 报警准确性测试于模拟管道区域开展，参照 输配管道控制范围设定预警阈值、按最小保护范围 设定危险阈值，累计实施600次作业测试。其中 正常作业320次、预警区触发165次、危险区触发 115次，发生误报8次、漏报6次，误报率与漏报率 分别为1.33%和1.0%。 其中，误报次数为系统错误触发预警的次数 （文中为8次），总测试次数为所有作业测试的累 计次数（文中为600次）。代入数据可得：误报 率，与文中测试结果一致。系统核心性能测试结果 汇总表见表1。 表1系统核心性能测试结果汇总表 4.3 与传统方法对比分析 传统管道防护依靠人工经验，需操作人员现 场判读图纸、观察标记，主观判断作业距离，效果 受人员经验与注意力影响显著，局限性突出。本系 统通过技术集成全面优化传统方式，二者核心性能 指标差异明显。定位精度上，传统方法人工估算铲斗 与管道相对位置，受视觉和空间感知偏差影响，平面 定位误差常大于2m，高程误差难以控制，且无精 确数值化结果；本系统依托GNSS/IMU融合定位，静 态与动态定位误差均控制在0.5m内，可精准输出铲 齿末端三维坐标，为风险评估提供可靠数据支持。 速度响应上，传统方法需操作人员实时观察 分析再采取行动，从发现风险到落实措施平均响应 时间超过3s，易因反应滞后引发危险；本系统全链 路延迟仅 138ms，可即时识别风险并触发报警，响 应速度较传统方法提升近20倍。 准确性层面，传统方法在复杂管线环境中易 因记忆偏差或视觉遮挡误判，500次模拟测试统计 得误报率18.6%、漏报率12.4%；本系统通过算法 自动分析与阈值判定，误报率降至1.33%、漏报率 降至1.0%，准确性显著优于传统方式。 其中，传统方法平均响应时间取文中“超过3s” （即3000ms），本系统平均响应时间为138ms。代 入数据可得：提升倍数，与文中“响应速度较传统 方法提升了近20倍”的结论一致，直观体现系统在 响应效率上的优势。 表2 本系统与传统人工经验方法性能对比表 5 案例分析 本研究选取无锡华润燃气有限公司3个典型真 实施工项目开展长期现场应用，累计覆盖作业时长 1200余h，涉及不同管线类型、施工环境及作业难 度，具体案例如下。 案例一：梁溪区山北社区“瓶改管”工程现 场应用。该项目为老旧小区燃气管道改造工程，施 工区域地下管线密集复杂，包含φ110mm燃气主干 管、φ50mm燃气分支管、φ160mm供水管及通信光 缆，且施工区域临近居民楼，安全管控要求极高。 项目投入2台配备本预警系统的中型挖掘机，作业 范围覆盖2.3km管线改造路段。应用期间，系统实 时同步管道GIS数据库信息，精准定位地下管线位 置，累计触发有效预警15次：其中一级预警（进入 预警区）10次，多为铲斗接近通信光缆或供水管线 时触发；二级预警（进入危险区）5次，均为铲斗 靠近燃气主干管时触发。现场操作员根据系统声光 预警提示，及时调整铲斗作业轨迹和深度，未发生 任何管线碰撞、破损事故。对比该区域历史同类改 造项目（未使用本系统时，曾发生两起燃气管道破 损事故，造成居民停气及经济损失），本项目施工 安全率提升100%，同时因无需安排专人现场监护 管线，作业效率较传统施工提升18%，项目工期 缩短7天。 案例二：滨湖区荣巷街道未知管线探测及改 造工程应用。该项目施工区域存在部分管线资料缺 失问题，传统施工方式易因盲目挖掘导致未知管线 破损。项目投入1台配备本系统的挖掘机，借助系 统融合定位与三维GIS数据联动功能，先对施工区 域开展地下管线探测补测，成功识别出2处未建档 的φ80mm老旧燃气管道，精准获取其三维坐标并 补充至管道地图数据库。后续改造作业中，系统基 于补测后的完整数据库，实时监控铲斗与管线的距 离，累计完成4.2km管线改造作业，触发预警8次， 均成功规避风险，实现“探测-补测-施工-预警” 全流程闭环管控，不仅保障了施工安全，还为老旧 城区未知管线排查提供了高效技术手段。 案例三：新吴区梅村街道市政道路扩建配套 燃气管道铺设工程应用。该项目为露天开阔区域施 工，存在阳光暴晒、阵风等复杂气象条件，考验系 统的环境适应性。项目投入1台配备本系统的挖掘 机，主要开展燃气管道沟槽开挖及管道铺设辅助作 业。应用期间，系统在高温、阵风环境下持续稳定 运行，定位精度未受明显影响，动态定位误差均值 稳定在0.45m内。作业过程中，系统成功预警6次铲 斗过度开挖接近预设管线埋设深度的风险，避免 了沟槽开挖过深导致的管线基础破坏问题。项目累 计作业350h，系统运行稳定率达99.8%，无一次误 报、漏报情况，有效保障了管道铺设施工的精准性 和安全性。 6 讨论与结论 实验高精度、高可靠性源于多技术模块协同优化互补，GNSS与IMU紧耦合融合至关重要。开 阔环境下GNSS为卡尔曼滤波提供精准依据、校正 IMU漂移误差；GNSS信号遮挡时IMU维持定位精 度，弥补单一传感器缺陷。通过对三维管道数据库 进行坐标校准与结构化处理，保障算法基准贴合实 际管线，降低误差，奠定报警准确性基础。 误差源于环境干扰与技术特性，静态测试数 据偏差因卫星信号遮挡致信噪比下降，动态定位误 差偏高是机身振动给IMU带来瞬时噪声，系统延迟 峰值与通信环境相关，信号弱区传输短暂拥塞但未 超阈值。 系统已在无锡多个施工场景试点，适配主流 挖掘机，运行稳定且定位准确、报警及时，规避管 线碰撞风险，提升作业安全与效率，已构建全链条 流程，后台全功能管理、移动端支持远程协同，形 成成熟体系，具备推广价值。 未来从3个方面优化：强化定位融合技术稳定 性、结合AI构建数据协同更新体系、引入机器学习 提前识别风险，后续扩大推广保障管线安全。本研 究研制GNSS/IMU与三维GIS融合防撞预警系统，性 能优于传统方式，创新点体现在动态融合模型、最 短距离算法及三级协同预警架构，成果充实相关研 究，推广前景与实践价值良好。 来源：《城市燃气》2026年第四期 长按二维码订阅《城市燃气》杂志