智能管涵檢測機器人在城市高水位排水暗渠（箱涵）中的應(yīng)用

中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司 趙光竹

為貫徹落實《城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)實施方案》和《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案》，近年來，國內(nèi)多個城市陸續(xù)對河道流域排水系統(tǒng)進行全面排查，梳理存在的問題，制定有針對性、系統(tǒng)性實施方案，從根本上解決水環(huán)境綜合治理的難點，以實現(xiàn)排水系統(tǒng)管網(wǎng)提質(zhì)增效與河道長治久清的目標(biāo)。

本研究通過對多個城市的排水系統(tǒng)治理及水質(zhì)提升工程調(diào)查發(fā)現(xiàn)：業(yè)內(nèi)仍普遍采用封堵、降水再暗涵排查的排查手段，無法有效解決對高水位管涵的排查。而智能管涵檢測系統(tǒng)能夠有效解決高水位工況的管涵檢測問題，無需封堵降水、人員入涵，通過系統(tǒng)搭載的多功能模塊，可實現(xiàn)對暗涵內(nèi)部的高清影像記錄、排口及缺陷的測量定位、水面以下的排口分布及淤積量化探測、暗涵斷面、缺陷的數(shù)據(jù)測量等參數(shù)的有效采集，并提供一站式智能高效暗涵排查解決方案。

本文對城市高水位排水暗渠（箱涵）調(diào)查的主要內(nèi)容進行介紹，對現(xiàn)行《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》（CJJ181-2012）中的檢測方法進行拓展，通過一種智能管涵檢測機器人的技術(shù)方法，對高水位排水暗渠（箱涵）線路摸排、本體特征、排水口、檢查井等附屬設(shè)施的坐標(biāo)、尺寸、現(xiàn)狀特征及隱患發(fā)育情況進行綜合檢測，獲取排水暗渠（箱涵）的基礎(chǔ)資料，以期為后續(xù)設(shè)計、施工提供基礎(chǔ)勘察成果。

城市排水暗渠（箱涵）

城市排水暗渠（箱涵）是城市防汛排水保障體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是城市排水系統(tǒng)中人工建設(shè)的斷面形狀為矩形或梯形的地下排水設(shè)施，承擔(dān)著確保城市污水有序收集、運輸和治理，維護城市日常運行的重要作用。由于城市快速化建設(shè)過程中存在部分規(guī)劃不合理、錯混亂接等問題，容易造成排水暗涵雨污合流；暗渠（箱涵）內(nèi)部長期在硫化氫等有毒有害氣體及污水長期腐蝕下，存在較多如鋼筋銹蝕、混凝土脫落、接縫滲水等結(jié)構(gòu)與功能性缺陷，給人民群眾生命財產(chǎn)安全留下潛在安全隱患。因此，對排水暗渠（箱涵）內(nèi)的排水口、結(jié)構(gòu)及功能性缺陷進行檢測調(diào)查尤為重要。

排水暗涵調(diào)查內(nèi)容

排水暗涵調(diào)查工作內(nèi)容主要為全面調(diào)查暗涵內(nèi)部本體特征、排水口、隱患及檢查井等附屬設(shè)施的路徑、坐標(biāo)、尺寸、現(xiàn)狀特征發(fā)育情況等綜合信息。其主要調(diào)查要素包含以下四個方面：一是暗涵空間位置分布、本體尺寸、涵室數(shù)量（單涵、雙涵、三涵）、涵內(nèi)水深及淤積情況；二是暗涵排水口坐標(biāo)、高程、管徑、材質(zhì)、排口類型、排口水深，以及是否有附屬設(shè)施（如拍門）等；三是暗涵起止端及檢查井位置平面坐標(biāo)、高程信息；四是暗涵內(nèi)部結(jié)構(gòu)性缺陷（如破裂、變形、腐蝕、錯口、起伏、脫節(jié)、接口材料脫落、異物穿入、滲漏等）、功能性缺陷（如沉積、結(jié)垢、障礙物、殘墻壩根、樹根、浮渣等）。

智能管涵檢測機器人

智能管涵檢測機器人是對管網(wǎng)（暗涵）高水位進行綜合檢測的一種技術(shù)手段，適用于水深0.3m及以上、徑向尺寸0.6m—7m的城市排水暗渠（箱涵）（圖1）。

機器人特制的碳纖維雙體艦艇式流線型船型載體，能夠極大地減少設(shè)備在排水暗渠（箱涵）中的航行阻力；采用風(fēng)力推進的空氣負壓雙動力系統(tǒng)，可以有效避免排水暗渠（箱涵）中漂浮及懸浮污染物對機器人造成的纏繞、淤堵現(xiàn)象，使機器人能夠在水中自由航行。機身搭載高清閉路電視系統(tǒng)（CCTV）、水下聲吶探測系統(tǒng)、激光雷達測量系統(tǒng)和定位向?qū)K四大系統(tǒng)。在檢測過程中，檢測人員可以通過地面控制站對檢測船進行實時操縱，實現(xiàn)對暗涵和排口的基本尺寸、缺陷、定位、淤積、污染源等信息的綜合采集（圖2）。

圖1 智能管涵檢測機器人

圖2 碳纖維雙體艦艇式流線型船型載體

圖3 檢測模塊（CCTV、激光雷達系統(tǒng)、水下聲吶、定位測量）

智能管涵檢測機器人調(diào)查方法

機器人四大功能模塊，能夠保障一站式綜合檢測，完成排水暗渠（箱涵）全要素排查。針對暗渠（箱涵）內(nèi)部水面以上可視部分，通過高清閉路電視（CCTV）檢測系統(tǒng)對暗渠內(nèi)部的現(xiàn)狀特征、排水口及附屬設(shè)施分布信息進行排查，并形成暗渠內(nèi)部工程視頻影像資料，可用于后處理階段結(jié)構(gòu)及功能性缺陷的判讀評估。

通過水下聲吶檢測模塊同步完成水面以下暗渠（箱涵）的要素排查，根據(jù)檢測暗渠（箱涵）的具體工況及排查側(cè)重點，可選擇性搭載剖面聲吶掃描模塊和多波速聲吶掃描模塊，完成水下不可視部分的暗渠特征、淤積、排水口分布信息的采集。通過高精度激光雷達測量模塊，實時測量暗涵斷面、排水口及現(xiàn)狀特征的尺寸。

同時，在機器人檢測過程中，通過機器人載體內(nèi)置的定位探頭，實時發(fā)送固有頻率的電子信號，通過地面向?qū)x對信號進行捕獲，從而實現(xiàn)對暗渠（箱涵）內(nèi)部檢測的現(xiàn)狀特征、排水口、缺陷等進行準(zhǔn)確定位，并結(jié)合激光雷達測距信息，計算出各分布特征的準(zhǔn)確高程坐標(biāo)（圖3）。

智能管涵檢測機器人調(diào)查實施思路

1.工前準(zhǔn)備

在開展現(xiàn)場踏勘工作前，初步收集待調(diào)查暗渠（箱涵）的走向、內(nèi)截面尺寸、預(yù)估長度、大致走向、起止位置、涵內(nèi)水深及其變化情況、涵內(nèi)淤泥厚度、箱涵孔數(shù)、檢查井位置等信息。

依據(jù)經(jīng)批準(zhǔn)的實施方案，在現(xiàn)場作業(yè)開展前，進行安全教育培訓(xùn)、安全技術(shù)交底，明確作業(yè)任務(wù)、作業(yè)程序、作業(yè)分工、作業(yè)中可能存在的危險因素及應(yīng)采取的防護措施等。

2.定位坐標(biāo)系建立

為保障調(diào)查成果坐標(biāo)系的一致性，在正式開展調(diào)查工作前，對暗渠（箱涵）涵體、檢查井、其他明顯點等相關(guān)特征點的空間位置采用RTK定位技術(shù)或全站儀進行測量，并作為調(diào)查成果的空間坐標(biāo)框架。

3.暗涵調(diào)查實施

圖4 調(diào)查作業(yè)示意圖

檢測前根據(jù)檢測區(qū)域特點，在下井檢查井周圍合理布置好相應(yīng)安全措施。確定檢測工況，做好設(shè)備聯(lián)機調(diào)試，設(shè)備入涵前啟動調(diào)試各航行操縱指令。具體操作流程如下：將檢測設(shè)備通過起吊纜繩吊入涵內(nèi)，確定檢測方向；啟動閉路電視系統(tǒng)，設(shè)定起始位置編碼器數(shù)值；在閉路電視系統(tǒng)界面輸入工程信息（工程名稱、地點、委托單位、檢測單位、檢測人員、檢測日期、啟始井和終止井編號、水流方向、管材、管徑等）；啟動錄制，同時啟動水下聲吶掃描模塊，根據(jù)暗渠（箱涵）尺寸設(shè)定并調(diào)整增益、脈沖數(shù)值；啟動激光雷達模塊，測量下井點位置暗涵基本結(jié)構(gòu)尺寸并保存測量信息，保持激光掃描界面為開啟狀態(tài)；通過定位向?qū)x確認探頭發(fā)射信號是否正常，釋放浮力線纜、操縱地面控制站開展檢測作業(yè)；記錄暗涵結(jié)構(gòu)特征，測定斷面尺寸，查找排口、缺陷、污染源等暗涵特征；檢測設(shè)備行駛至排口、缺陷斷面等現(xiàn)狀特征時，操縱地面控制站進行保持，測定各調(diào)查要素；同步從閉路視頻系統(tǒng)界面讀取計米器數(shù)值，檢測人員通過地面向?qū)Ы邮昭b置實施對地探測，確定排口、特征點等要素的準(zhǔn)確定位；檢測分段式進行，根據(jù)檢查井樁位分布特征進行依次檢測，單次檢測最大距離可達到300m，檢測信息采集完成后設(shè)備退出，檢測結(jié)束。

4.水質(zhì)水量檢測

在調(diào)查過程中，針對測時流水排口，從閉路視頻系統(tǒng)截取不小于10s的排口VCR，并針對測時流水排口測定水深及水量。若排口流出水體為明顯黑臭水體，則采用水體快速檢測試紙進行測定COD-Cr和NH3-N指標(biāo)；若水體黑臭性質(zhì)不明晰時，采用水樣容器采集水樣，送水質(zhì)檢測機構(gòu)進行COD-Cr和NH3-N指標(biāo)檢測。

5.數(shù)據(jù)資料的處理與分析

外業(yè)檢測結(jié)束后，對系統(tǒng)搭載的各采集模塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；對閉路視頻系統(tǒng)進行判讀、整理，并激光雷達模塊獲取暗涵結(jié)構(gòu)、排口、高程差等要素尺寸信息進行整合。同時，通過定位模塊及RTK采集坐標(biāo)對暗渠（箱涵）的分布線路、排口、缺陷等調(diào)查要素的坐標(biāo)信息進行轉(zhuǎn)換成圖，最終建立暗涵調(diào)查數(shù)據(jù)庫、平面圖、縱橫斷面圖、檢查井及附屬設(shè)施、排口成果匯總表以及技術(shù)總結(jié)報告等調(diào)查成果（圖4）。

結(jié)論

本研究通過對智能管涵檢測機器人在城市高水位排水暗渠（箱涵）中的應(yīng)用分析，為同類型高水位排水暗渠（箱涵）檢測提供了解決方案。智能管涵檢測機器人以實施高水位暗渠（箱涵）全要素排查為目的，通過智能管涵檢測系統(tǒng)搭載的多功能技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)對暗涵內(nèi)部的高清影像記錄、排口及缺陷的測量定位、水面以下的排口分布及淤積量化探測、暗涵斷面及缺陷的數(shù)據(jù)測量等參數(shù)進行高效采集，從而實現(xiàn)一站式暗渠（箱涵）全要素調(diào)查。智能管涵檢測機器人在檢測實施過程中，無需檢測人員下涵，也無需封堵、倒排，有利于提高檢測效率，減少對排水系統(tǒng)的影響，充分保障人員安全。