螺旋推進式管道檢測機器人的應用

王國強， 郭志強 （.上海市城市排水有限公司管線管理分公司，上海 003；.上海懿誠市政工程有限公司，上海 0044）

地下給排水管網(wǎng)作為城市極其重要的公共設施，伴隨著城市的發(fā)展而發(fā)展，其中不乏一些年代久遠、歷史悠久管路管線。飛速發(fā)展的現(xiàn)代化城市中，難免會出現(xiàn)生活污水、工業(yè)廢水的泄露，對城市的土壤及其水資源發(fā)生污染。其中，老舊管道作為隱蔽工程埋深于地下深處，一旦發(fā)生堵、漏、乃至結(jié)構(gòu)損壞、坍塌，管中的污水會日積月累的滲入深層土壤乃至地下水。而且這些老舊管道由于建設時期比較久遠，采用的布管技術和管路材料比較落后、也包括對一些給水管網(wǎng)運維力度不足、加之周圍環(huán)境變化對管道周邊受力造成影響使得管道變形破裂損壞，其中也不乏一些超過設計使用年限的管道。上述這些老舊破管道造成城區(qū)中的給排水管網(wǎng)很大的風險隱患，其中不乏冒、滴、堵、漏等現(xiàn)象。

據(jù)水務部門近些年的不完全統(tǒng)計，大城市中尤其是在老城區(qū)中 10%～30% 的自來水漏失是由于水管網(wǎng)漏損與爆漏現(xiàn)象時有發(fā)生。而水管網(wǎng)漏損與爆漏現(xiàn)象中的 90% 的那些服役年齡均已達到 50 a 以上的老管道，由于建造時期的材料、工藝以及技術限制，且這些老管道錯綜復雜，排摸相當困難，往往造成沒人管、沒人護的困境。而一旦發(fā)生冒、滴、堵、漏的現(xiàn)象還會殃及到周邊的老管道，嚴重的提升了城市的供水成本，造成了水資源的浪費。

1 應用背景

項目概況：西干線服務范圍包括石洞口片區(qū)蘊藻浜以北地區(qū)及蘊藻浜以南、共和新路以西地區(qū)，服務面積192.93 km2，服務人口 178.55 萬人[1]。新西干線已投入使用多年，由于原管線位置上的地貌發(fā)生較大改變高程發(fā)生變化、規(guī)劃道路施工、周邊房地產(chǎn)的興建對部分窨井造成一定損害、甚至被覆蓋，窨井蓋座損壞等情況，形成了潛在的運行安全隱患。近年來周邊片區(qū)的納管增多且錯亂無序，無法準確獲取各片區(qū)排水量數(shù)據(jù)及水質(zhì)情況數(shù)據(jù)?；谝陨显蛐鑼π挛鞲删€全線干管(支管)的窨井及管道進行檢測排摸、更新改造、污水樣提取送檢。為更好的運行好新西干線提供硬件上的更新和數(shù)據(jù)上的支持。

2 國內(nèi)外管道檢測機器人

管道檢測機器人最重要的部分是行走機構(gòu)，特意對現(xiàn)今國內(nèi)外常規(guī)的管道機器人的專利以及論文進行相關檢索并進行分類研究，得出主要有以下幾種。

（1）活塞移動式，運用活塞在汽缸內(nèi)（類似與油缸伸縮的方式）的移動從而相對運動。其結(jié)構(gòu)的外徑略大于等于管道內(nèi)徑，當其經(jīng)過的流體形成壓力差可以克服阻力而運動。

（2）蠕動移動式，其原理設計是模仿昆蟲移動。在行走時，分別使左右支撐足上面與管壁接觸下面通過管壁接觸滾輪使蠕動絲杠左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，使螺母在絲杠上左右移動。

（3）履帶移動式，顧名思義履帶式類似坦克或者裝甲車一類，利用履帶增加與地面的接觸面提高了該結(jié)構(gòu)在管道中的越障能力，但不適用于有蓄水的管路中進行移動。

（4）足腿移動式，通過一些伸縮桿結(jié)構(gòu)使得足腿壓在管壁上，足腿上附有橡膠材料能夠增大摩擦力固定在管壁上，從而支撐主體。采用多腿的結(jié)構(gòu)形式，能夠使該結(jié)構(gòu)在各類曲線形管道中移動，也可在各種斷面形式的管道里移動，其運動較為方便靈活，但控制復雜造價貴。

（5）滾輪移動式，其結(jié)構(gòu)由幾個由電機驅(qū)動的小輪組成，通過小輪滾動及一些壓力桿控制，該形式能夠跨越一些小障礙，但由于輪徑相對較小，其越障能力也有限[2]。

由于本次項目中所需要檢測的是老化的給排水管網(wǎng)，其中部分管網(wǎng)承擔了日常城市給排水需求，不能切斷給排水，并且管道中可能存在淤泥污穢物堆積，很明顯地，國內(nèi)外的常規(guī)管道機器人無法適應于本次項目。

3 Gator-s1 全地形機器人

新西干線主干線及支線管道檢測項目中采用了全新形式的管道檢測機器人—Gator-s1 全地形機器人。（以下簡稱Gator-s1）其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 Gator-s1 結(jié)構(gòu)圖

其中 Gator-s1 采用螺旋式推進結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的主要特征是由一對具有彈性的橡膠材料制成的螺旋卷筒構(gòu)成，螺旋卷筒可像氣球般實現(xiàn)充放氣并折疊，減小了其運輸中的空間便于攜帶。在兩個螺旋卷筒間由連接盤通過轉(zhuǎn)軸進行聯(lián)接并傳動，連接盤也是各類檢測設備的搭載界面。該結(jié)構(gòu)有效解決了現(xiàn)有檢測機器人在管網(wǎng)中運動的問題，其不僅能良好地適應干管、濕管、也能夠在淤泥乃至堆積的污穢物上運動[3]。

兩個螺旋推進器的電機轉(zhuǎn)動方向不同,從而分配兩個螺旋推進器的螺旋葉片轉(zhuǎn)向,使得車架的行進方式不同。其操作性能較好，在淤泥和污穢物上不容易被絆住。

前進：左右輪旋輪向外側(cè)反向旋轉(zhuǎn)；后退：左右輪旋輪向內(nèi)側(cè)反向旋轉(zhuǎn)；左轉(zhuǎn)/右側(cè)移：當在比較軟質(zhì)地的淤泥、水、或者沙石上，左右輪同向向右旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生左轉(zhuǎn)效果；當在硬質(zhì)地的路面上，左右輪同向向右旋轉(zhuǎn)時，輪旋齒失去作用，整體變成向右側(cè)移效果；右轉(zhuǎn)/左側(cè)移：當在比較軟質(zhì)地的淤泥、水、或者沙石上，左右輪同向向左旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生右轉(zhuǎn)效果；當在硬質(zhì)地的路面上，左右輪同向向左旋轉(zhuǎn)時，輪旋齒失去作用，整體變成向左側(cè)移效果[4]如圖 2 所示。

圖2 Gator-s1 的行進方式

Gator-s1 在檢測裝備上搭載了 831 A 管道聲納檢測系統(tǒng)，是通過發(fā)射一定角度和數(shù)量的聲納波，聲納波在管道內(nèi)壁或者各類障礙進行反射回系統(tǒng)的聲納接收器上，在計算機中模擬出反射界的狀態(tài)并形成圖像。聲納檢測能檢測處細小的管道變形、沉降。由于聲納波的不同介質(zhì)中能夠傳播，非常適用于滿管、半管、管涌等方面的管道環(huán)境。

同時，為了應對本次項目，特別配備了 SP-100 管道潛望鏡。這是一款在市政管網(wǎng)檢測領域身經(jīng)百戰(zhàn)的高效快檢設備。該設備配備高功率的探照燈可控制的高清晰度彩色變焦攝像頭，可清晰檢測管徑 150～1500 mm 的排水管道，檢測縱深可達 80 m。通過長度可達 5.4 m 的伸縮桿調(diào)節(jié)攝像頭位置，完整檢查管道內(nèi)部狀況。SP-100 系統(tǒng)采用強大的數(shù)字視頻平臺，配有超亮度 LED 系統(tǒng)配置自動對焦，10 倍光學變焦高清晰度攝像頭。攝像頭采用最新的圖像芯片，具有高分辨率的圖像采集。且搭配高亮度 LED 補光燈，增加了圖像的采集亮度。平臺配備多自由度調(diào)節(jié)的底座，能夠 360° 轉(zhuǎn)向，上下 120° 轉(zhuǎn)向。集上述的先進功能為一身，SP-100 能快速、方便地查找出管道故障點。

4 現(xiàn)場檢測

在選定 Gator-s1 全地形機器人作為本次管道檢測的設備后，進入現(xiàn)場進行檢測工作?，F(xiàn)在只需打開井蓋之后，放入 Gator-s1 及通訊纜線后，在地面上就可以通過遙控平板電腦進行控制。

通過平板電腦的畫面，直觀的描述管道、渠溝的狀態(tài)，為維修養(yǎng)護提供決策依據(jù)，有效的免除潛水員人工進入管道檢測而所需的高額費用和高風險。831 A 數(shù)字管道聲納檢測儀通過聲納掃面，對管道結(jié)構(gòu)進檢測，并和 SP-100 管道潛望鏡所采集到的圖像進行對比，直觀地描述管道的狀態(tài)。

在干線及支線管道檢測項目中，通過 Gator-s1 檢測到管道中出現(xiàn)一定的積淤、堵管乃至管道結(jié)構(gòu)發(fā)生破損的情況，影響到了城市給排水能力。通過 831 A 數(shù)字管道聲納檢測儀以及 SP-100 管道潛望鏡，精準地檢測出管道中出現(xiàn)的狀況以及位置，并分析采集到的數(shù)據(jù)，可以判斷管道現(xiàn)場情況，選擇更為恰當?shù)男迯头绞教岣吡斯艿朗柰üぷ餍?。尤其是對于管道結(jié)構(gòu)修復工作，采集到的聲納數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，能判斷出管道結(jié)構(gòu)損壞的程度，對于修復方案具有技術指導意義。

5 結(jié) 語

在新西干線主干線及支線管道檢測項目中，通過使用新型的管道檢測機器人 Gator-s1 檢測管網(wǎng)的老化程度。Gator-s1 所采用的螺旋式推進結(jié)構(gòu)能夠克服管網(wǎng)中苛刻的檢測環(huán)境，并且配備了 831A 數(shù)字管道聲納檢測儀以及 SP-100管道潛望鏡，傳輸回大量的聲納數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，為管道修復提供了數(shù)據(jù)支撐，提高了管道修復的效率。

現(xiàn)今城市中存在著大量類似新西干線主干線及支線的老舊管網(wǎng)，在隨后的排查工作中，這些管網(wǎng)的環(huán)境惡劣，不適合工作人員進入檢測，而 Gator-s1 這一類的管道檢測機器人能夠代替工作人員進入，保證了現(xiàn)場人員的安全，并得到更為準確 的檢測數(shù)據(jù)，提高了管道檢測的自動化程度，提高管道修復工作的經(jīng)濟效益。