管中窺漏

秦鈺陽(yáng)

屠德展團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室位于浙江大學(xué)玉泉校區(qū)第十教學(xué)樓，在這間被實(shí)驗(yàn)器材和幾臺(tái)電腦堆得有些擁擠的房間里，幾個(gè)銀白色金屬球靜靜地立在桌子上。這幾個(gè)直徑僅十厘米、其貌不揚(yáng)的球形機(jī)器人就是曾連續(xù)兩屆獲得日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展最高榮譽(yù)、第十五屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)以及第四屆浙江省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎(jiǎng)等榮譽(yù)的作品——城市供水管網(wǎng)泄漏檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)。

破解管內(nèi)泄漏檢測(cè)技術(shù)難題

城市地下管網(wǎng)是城市運(yùn)轉(zhuǎn)和社會(huì)各行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。而管道漏損問(wèn)題一直是業(yè)內(nèi)難題，如何在漏損后快速定位排查漏損位置減少損失，是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的工作。然而，目前仍多采用人工聽(tīng)音檢測(cè)法，要求聽(tīng)漏工挨個(gè)排查泄漏點(diǎn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而固定傳感器的方式，需要在管道表面鋪設(shè)大量傳感器，造價(jià)昂貴。尤其是對(duì)于小泄漏的檢出，泄漏特征微弱，管外檢測(cè)方法受到一定的限制。盡管?chē)?guó)外已有相關(guān)管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，但是價(jià)格高昂，而且受防水抗壓等級(jí)約束，應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)單一。

浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)2016級(jí)碩士研究生屠德展自入學(xué)以來(lái)，在侯迪波教授指導(dǎo)下，致力于城市供水管網(wǎng)漏損檢測(cè)系統(tǒng)研究。經(jīng)過(guò)不懈努力，屠德展帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一種全新形態(tài)的管道機(jī)器人系統(tǒng)，讓傳統(tǒng)的管外人工聽(tīng)診誤判漏判的問(wèn)題得到有效解決，為中國(guó)城市供水管網(wǎng)漏損檢測(cè)沖出了一條技術(shù)創(chuàng)新之路。

屠德展團(tuán)隊(duì)研發(fā)的第一代管內(nèi)泄漏檢測(cè)裝備，為一個(gè)外徑僅10厘米的球形檢測(cè)裝置，內(nèi)部集成了多傳感器系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理模塊、慣導(dǎo)模塊、微處理器、通信模塊、存儲(chǔ)模塊、電源等。就是這么小小的一個(gè)圓球，可以完成從管內(nèi)泄漏信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、傳輸和定位這一全過(guò)程。而第二代管內(nèi)泄漏檢測(cè)機(jī)器人原型系統(tǒng)，加強(qiáng)了內(nèi)部處理器性能，并添加了可變形機(jī)械臂，不僅可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在線識(shí)別泄漏點(diǎn)，還能固定在管道內(nèi)壁對(duì)小泄漏進(jìn)行初步的修復(fù)。

與管道外部相比，管道內(nèi)部的環(huán)境條件更加復(fù)雜，如何在漏損后快速定位排查漏損位置減少損失，是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作，也是屠德展團(tuán)隊(duì)發(fā)明的管道檢測(cè)機(jī)器人的技術(shù)難點(diǎn)所在。

目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)軆?nèi)泄漏點(diǎn)的近場(chǎng)聲場(chǎng)特性了解較少，水流聲、氣泡聲、閥門(mén)開(kāi)關(guān)聲、環(huán)境聲等各種混合聲音都會(huì)影響檢測(cè)效果。屠德展團(tuán)隊(duì)嘗試了很多種傳感器及其不同組合的檢測(cè)效果，創(chuàng)新性地提出了多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，用自主研發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)識(shí)別系統(tǒng)提取分析管道內(nèi)不同聲音特征，獲得了更加準(zhǔn)確的管道泄漏檢測(cè)效果。此外為了更好顯示泄漏點(diǎn)在復(fù)雜地形環(huán)境下的位置，屠德展在短時(shí)間內(nèi)自學(xué)知識(shí)，開(kāi)發(fā)了一種管道三維建模與定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)機(jī)器人內(nèi)部搭載的慣性導(dǎo)航裝置和管道外壁輔助定位標(biāo)簽進(jìn)行組合定位，以三維立體圖像形象地展現(xiàn)地下管線的埋深、形狀及走向。

屠德展說(shuō)：“我們已經(jīng)和多家水務(wù)公司達(dá)成合作意愿，甚至有海底管道方面的公司也來(lái)洽談合作，現(xiàn)在的海底管道輸送，一旦發(fā)生泄漏，只能找潛水員在水下一段一段摸排過(guò)去，成本很高，又非常危險(xiǎn)。”

得益于母校和導(dǎo)師，項(xiàng)目從零到一

作為浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)碩士研究生，屠德展總結(jié)，“自動(dòng)化控制是一個(gè)多學(xué)科交叉的專(zhuān)業(yè)，管道檢測(cè)機(jī)器人研發(fā)涉及到的一些技術(shù)大多在專(zhuān)業(yè)課程范圍內(nèi)，比如說(shuō)算法層面的分析、集成電路的開(kāi)發(fā)、傳感器的應(yīng)用等，專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)對(duì)我自己的發(fā)明創(chuàng)造幫助很大。”屠德展說(shuō)。制造機(jī)器人涉及面極廣，從外部的機(jī)械、硬件到內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理、多樣化定位系統(tǒng)，再到最后呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)可視化，多學(xué)科專(zhuān)業(yè)知識(shí)相互交織，缺一不可。

進(jìn)入到浙江大學(xué)智能環(huán)境感知與控制實(shí)驗(yàn)室后，屠德展師從侯迪波教授，開(kāi)始了管道機(jī)器人裝備的研究工作。具體研究方向涉及檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)方法等領(lǐng)域。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，屠德展和他的團(tuán)隊(duì)結(jié)合自身專(zhuān)業(yè)特長(zhǎng)，在2016年提出了一種用于供水管網(wǎng)漏損的管內(nèi)檢測(cè)方法，也就是現(xiàn)在的管內(nèi)泄漏檢測(cè)機(jī)器人的雛形?！爱?dāng)時(shí)設(shè)想是開(kāi)發(fā)一種攜帶傳感器的管內(nèi)檢測(cè)裝置，能在封閉帶壓的供水管道內(nèi)部采集數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析是否存在泄漏事件。當(dāng)時(shí)第一個(gè)原型系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，采用3D打印的外殼，內(nèi)部傳感器相對(duì)單一，硬件電路的集成度也比較低，但該設(shè)備采集的數(shù)據(jù)卻非?？煽?。進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后，我們驗(yàn)證了該技術(shù)路線的可行性。就這樣，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，我們逐步完善了技術(shù)方案，該項(xiàng)目也一步一個(gè)腳印開(kāi)展下去?！蓖赖抡箤?duì)實(shí)驗(yàn)室的支持充滿感激，因?yàn)樵陧?xiàng)目從零到一的過(guò)程中，導(dǎo)師不僅提供了理論方面的指導(dǎo)，還支持學(xué)生搭建起復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，理論聯(lián)系實(shí)踐，讓團(tuán)隊(duì)同學(xué)有了更多的成長(zhǎng)。

除了專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)和導(dǎo)師指導(dǎo)，浙江大學(xué)濃厚的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)氛圍和相關(guān)政策的支持也讓屠德展獲益良多。

在學(xué)校的支持下，屠德展團(tuán)隊(duì)參加了“挑戰(zhàn)杯”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等多項(xiàng)重要賽事并獲得佳績(jī)，“在參賽過(guò)程中，我們潛移默化地提升了科技論文寫(xiě)作、學(xué)術(shù)報(bào)告等能力，充分達(dá)到了以賽促學(xué)的效果。另外，學(xué)校也非常鼓勵(lì)我們完成科技成果轉(zhuǎn)化的最后一公里，從商業(yè)計(jì)劃書(shū)的輔導(dǎo)到資本對(duì)接，項(xiàng)目孵化路上的各個(gè)方面都會(huì)提供指導(dǎo)?！蓖赖抡拐f(shuō)。