淺談機器人在箱涵清淤中的研究和應用

饒虹，黃清強，葉云

（廣州市城市排水有限公司，廣東 廣州 510700）

1 傳統(tǒng)箱涵清淤

1.1 箱涵清淤簡介

在城市地下管網(wǎng)中，箱涵用于收集雨水及部分污水，周邊環(huán)境中的居民區(qū)、建筑工地、工廠等產(chǎn)生的生活垃圾、泥砂、建筑廢料等隨著雨水及污水進入箱涵，長期累積會導致箱涵堵塞、增加填料及爆氣的溶解氧，降低流速及水質(zhì)等等問題，所以，箱涵每1～2年需要進行清淤作業(yè)。目前，傳統(tǒng)的箱涵清淤主要采用人工清淤作業(yè)，在對箱涵進行封堵和截流后，作業(yè)人員進入箱涵中，在有限空間的環(huán)境中采用抽砂泵、淤泥運輸裝置等設備設施進行清淤，將淤泥攪動抽吸至地面三級沉淀池，經(jīng)過地面三級沉淀池振動過濾，再由運輸車輛運送至指定地點集中處置。

1.2 傳統(tǒng)人工清淤缺點

（1）封堵截流對周邊環(huán)境的不良影響。（2）時間限制。（3）作業(yè)人員風險大。（4）效率低下，損失大。

2 清淤機器人發(fā)展

2.1 清淤機器人簡介

機器人的總體尺寸可設計根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境需要，大部分清淤機器人的控制系統(tǒng)由控制箱、電箱和下位機控制箱三部分組成。控制箱主要由兩個液晶顯示屏、3組開關、4個搖桿和一個鍵鼠一體的鍵盤組成?？刂葡渲饕刂茩C器人所有動作的執(zhí)行，能控制機器人的動作為前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、燈光設備開關、視頻開關。電箱主要控制大功率設備的使用，主要設備渣漿泵、水槍泵、動力站、卷纜機和卷管機等。下位機控制箱主要使接收控制箱的指令，對機器人相對應的液壓系統(tǒng)進行操作，使機器人完成操作員發(fā)出的指令。

2.2 清淤機器人優(yōu)勢

（1）安全可靠。實現(xiàn)了“人不下井、路不開挖、水不斷流、泥不落地”四大特點。不僅清淤效率有了質(zhì)的飛躍，更有效地解決了人工清淤帶來的安全問題。

（2）高科技使清淤更加精準。清淤機器人配備視覺聲吶可能在水下成像，視頻攝像頭采用海康500萬像素的視頻模組，比人眼看到的距離遠，視頻傳輸方面采用工業(yè)級傳輸線纜和交換機，理論上實時視頻傳輸可達1000m，能使操作人員更精準地判斷水下環(huán)境。大多數(shù)機器人內(nèi)部會將不同模塊區(qū)分開，能夠?qū)崿F(xiàn)合理的散熱。根據(jù)機身傳感系統(tǒng)中的姿態(tài)傳感器和避障聲納系統(tǒng)，避障聲納系統(tǒng)由4個避障聲納組成，分別安裝在機器人的四周，在水下可以感知機器人與障礙物的距離，能實時感知自身的姿態(tài)和周邊障礙物的位置，實時提醒操作員保持安全距離，為操作人員提供作業(yè)依據(jù)（見圖1）。配備高壓水泵槍，使機器能夠噴射出具有足夠壓強的水流，將泥沙分散到水中，避免沉積無法清理。采用姿態(tài)三維系統(tǒng)，配合3D傳感器采用三維建模形式實時展示機器人的姿態(tài)，防止機器人左右不平衡產(chǎn)生側(cè)翻的后果。

圖1 避障聲納顯示圖

（3）效率高，作業(yè)工期短。機器人清淤不封堵，減少封堵工序；清淤效率達到10m3/h（抽泥水混合為100m3/h），相較傳統(tǒng)人工清淤，清淤效率提高約2倍，釋放人工成本約60%，同時，機器可以24h不停運轉(zhuǎn)，大大縮短了清淤工期。

（4）不截流，低污染。機器人清淤帶水作業(yè)，作業(yè)期間不影響箱涵正常輸送，清淤期間不需要封堵、截流，避免截流導致污水外溢污染周邊河涌的不良影響；作業(yè)期間可實現(xiàn)污泥不落地，保持周邊環(huán)境的整潔。

（5）特殊環(huán)境處理能力加強。清淤機器人可以處理一些特殊工況的難題，如對一些排水管道經(jīng)過城中村、步行街等難以開挖的地方，機器人可以在不影響上層建筑和交通活動時解決清淤問題。在惡劣水體環(huán)境中也具備很大的優(yōu)勢，由于機器人攪吸泵吸口處安裝了進口格柵，能有效防止大體積的磚石瓦礫進入，損傷泵體和葉輪，同時，軸端匹配了粉碎葉輪，樹枝等雜物在泵進口處即會粉碎，所以無須擔心機器人損壞等問題?，F(xiàn)場機器人可以實現(xiàn)遠程操控，還可以通過地面的電視監(jiān)控畫面，看到地面下的漆黑管道情況，對環(huán)境設施了解更深入。

2.3 機器人清淤主要流程

清淤機器人在箱涵開口處進入箱涵內(nèi)，在箱涵內(nèi)行走處理淤泥，清淤時，機器人將裝載、推土鏟、帶鉸刀的大功率抽沙泵、錄像設備、定位設備（超聲波定位測距儀），進入渠箱。機器人操縱員通過地面上的操縱面板，控制機器人的朝向和位置，使前鏟及抽淤管口始終對準淤泥，對底層淤泥進行抽吸（見圖2）。

圖2 機器人清淤工藝流程圖

2.4 機器人作業(yè)效率

清淤機器人的泥泵具有很強的抽吸能力，部分可達到每小時100m3的泥水混合物，機器人執(zhí)行自動化作業(yè)時，收放線器可根據(jù)機器人的行走距離自動調(diào)節(jié)收放線，大大簡化了人工操作。地面泥水分離站可實現(xiàn)高效的泥水分離，其由振動旋流分離、濃縮等處理工藝作業(yè)，最終獲得含水率最低80%的固體物。

2.5 機器人存在問題

（1）外形尺寸偏大。目前，機器人外觀尺寸設計基本在3500mm×1300mm×1500mm左右，外觀尺寸比人工清淤設備大，吊裝到渠箱工作，需要有符合尺寸的吊裝口或者重新開口。

（2）電纜長度限制。目前，大部分清淤機器人清淤需要控制電纜，造成單次作業(yè)距離受限；也可能因為控制電纜長度限制而需要在行進過程中對箱涵進行多處開口，提高作業(yè)成本。

（3）維護風險。由于水下能見度很低，機器人獨立作業(yè)存在不確定性，作業(yè)出現(xiàn)問題時脫離危險能力不足，依然需要專業(yè)潛水員協(xié)助其作業(yè)，不能做到完全避免風險。

2.6 清淤機器人發(fā)展現(xiàn)狀

（1）國內(nèi)實際應用現(xiàn)狀。廣州市城市排水有限公司根據(jù)機器人的發(fā)展，對位于廣州市白云區(qū)石井河的淺渠（寬×高：8m×3m），采用了水下清淤機器人（見圖3）進行清淤試驗，在短短的2天時間內(nèi)，完成了200m長度的淺渠的清淤，清淤量達到100m3，整個過程安全性高，不用截流、不用人工操作，收到了完美的實踐效果，為我過箱涵清淤機器人的實際應用奠定了良好基礎。

圖3 清淤機器人

（2）國際視野。我國部分清淤機器人已經(jīng)開始向日本等國家進行銷售，隨著中國環(huán)保政策的實施，箱涵清污等問題備受關注，目前研究以初具成果，出口相關產(chǎn)品無疑可以讓世界都看到中國科研的風采。

3 結(jié)語

我國出臺的環(huán)保政策以及“一帶一路”的支持，讓機器人的發(fā)展向前邁了一大步，目前我國已投入大量人力物力開展清淤機器人的研究，清淤機器人已經(jīng)從最開始的人工手動操作逐步發(fā)展為具有自動學習能力、自動避障、異常上報等功能的智能機器人。機器人的移動速度越來越快，清淤能力越來越強，雖然目前機器人還不能夠完全替代工人進行作業(yè)，但隨著我國科技水平的不斷提高，未來清淤機器人的研發(fā)一定會有一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，在箱涵清淤中一定會發(fā)揮巨大作用。