機(jī)器人在城市排水管網(wǎng)改建中的應(yīng)用

付賽歐 侯明方 臺(tái)喜榮 楊唯藝 何 凱

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

?

機(jī)器人在城市排水管網(wǎng)改建中的應(yīng)用

付賽歐 侯明方 臺(tái)喜榮 楊唯藝 何 凱

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

介紹了老城區(qū)排水管網(wǎng)的組成，結(jié)合老城區(qū)排水管網(wǎng)的現(xiàn)狀及改建中存在的問題，闡述了機(jī)器人技術(shù)在管網(wǎng)改建中的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)城市的持續(xù)、健康發(fā)展。

排水管網(wǎng)，機(jī)器人，管道探測(cè)儀，老城區(qū)

近年來，城市規(guī)模迅速增大，較之過去，一些城市人口數(shù)量增加了數(shù)倍甚至數(shù)十倍，包括市政設(shè)施項(xiàng)目在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要求日益提高，新的城市不斷建成并日漸發(fā)展，建設(shè)范圍也逐步擴(kuò)大。與此同時(shí)，許多城市發(fā)展受到基礎(chǔ)設(shè)施不全和基礎(chǔ)設(shè)施不能滿足新時(shí)期發(fā)展需要的制約，要充分發(fā)揮一地發(fā)展?jié)摿?，帶?dòng)本地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，就必須針對(duì)具體情況進(jìn)行整治。

在這些制約性條件中，老城區(qū)管網(wǎng)的健全程度和管網(wǎng)與城市發(fā)展的適應(yīng)程度則占據(jù)舉足輕重的地位。部分城市給水和排水管網(wǎng)，尤其是排水管網(wǎng)，還很不健全或者不能滿足發(fā)展的需要。因此很多城市立足于近遠(yuǎn)期規(guī)劃，正在進(jìn)行排水管網(wǎng)的改建和新建工作。本文擬就老城區(qū)管網(wǎng)改建中遇到的問題結(jié)合機(jī)器人進(jìn)行處理做一概述。

1 老城區(qū)排水管網(wǎng)的組成

排水管網(wǎng)，包括雨水管網(wǎng)和污水管網(wǎng)，是交錯(cuò)縱橫的，修建在較深的地下樹狀網(wǎng)絡(luò)，由于修建時(shí)間差異和后期改建的影響，地下排水管道系統(tǒng)交錯(cuò)復(fù)雜。當(dāng)前，我國(guó)現(xiàn)存的排水體制有合流制和分流制等。

1.1 合流制排水系統(tǒng)

合流制是指雨水和污水管網(wǎng)共用一套管網(wǎng)系統(tǒng)的排水體制，它又包括直接合流制和截留合流制。其中，直接合流制將收集到的雨水和污水不經(jīng)處理，直接排放至表面水體。截留合流制是指在污水排放到表面水體前設(shè)置截留干管，晴天和陰天管網(wǎng)中僅有污水，流經(jīng)干管，經(jīng)過處理后排放；降雨量小時(shí)，雨水和污水同時(shí)流進(jìn)污水處理廠，處理后排放，而降雨量大時(shí)，只處理部分雨水和污水，超出管道負(fù)荷的部分通過溢流管外排。直接合流制只有部分還未改建的地區(qū)還存在，而且逐漸將會(huì)被改建為截留合流制或完全分流制。因?yàn)檫@種管網(wǎng)雖然造價(jià)低，但是對(duì)環(huán)境影響很大，特別是某些工業(yè)如冶金、造紙等行業(yè)的廢水，完全不適合直接外排。

而截留式合流制充分利用現(xiàn)有的管網(wǎng)系統(tǒng)，避免了重新敷設(shè)管道等的二次建設(shè)費(fèi)用，對(duì)現(xiàn)有城區(qū)的居民正常生活影響降到最低，還解決了初期雨水的收集和處理問題，在一定程度上來說，不失為對(duì)直接合流制的有效的改建方法，對(duì)環(huán)境的污染也有效降低。

1.2 分流制排水系統(tǒng)

分流制是指雨水和污水敷設(shè)各自的管網(wǎng)系統(tǒng)，分兩套管網(wǎng)運(yùn)行的排水體制?，F(xiàn)在新建的排水系統(tǒng)幾乎都是這種形式，因?yàn)闊o論天氣如何，污水廠都能正常運(yùn)行，降低了污水廠的負(fù)荷，但是無疑兩套管網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)增加建設(shè)成本。

2 老城區(qū)管網(wǎng)現(xiàn)狀

隨著城市規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，老舊的管網(wǎng)排水能力勢(shì)必要與之協(xié)調(diào)，而伴隨著管網(wǎng)規(guī)模提高的則是增大的施工難度。如今各城市改建，更加暴露出我國(guó)排水管網(wǎng)存在的問題。

2.1 排水行業(yè)管理體制有待健全

現(xiàn)存老城區(qū)的管網(wǎng)大多是20世紀(jì)中期或者中后期修建的，大部分采用的是直接合流制，即雨水和生活污水等各種污水未經(jīng)處理直接進(jìn)入表面水體，并且到目前還未受到地形或者經(jīng)濟(jì)條件的制約。同時(shí)缺乏竣工資料或者竣工資料不可靠等，當(dāng)初的設(shè)計(jì)和規(guī)劃不合理，無法滿足現(xiàn)實(shí)需要。

2.2 管路老化，年久失修

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，基礎(chǔ)設(shè)施未能及時(shí)跟進(jìn)，或者有些管網(wǎng)設(shè)計(jì)年限本身較短，管路淤積等問題，造成很多城市管網(wǎng)的排水系統(tǒng)需要經(jīng)常的疏通等問題嚴(yán)重。

2.3 管道混接嚴(yán)重

在部分地區(qū)，由于市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后于小區(qū)排水管道的建設(shè)，小區(qū)的污水管道接入雨水管道的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，排水管道和市政管道混接和亂接現(xiàn)象也并不鮮見。

3 管道改建中存在的問題

排水管網(wǎng)改造不像道路改造那么直觀，各方面問題交織。前已述及，一方面，由于排水管網(wǎng)敷設(shè)于地下，還有埋深限制，且在老城區(qū)內(nèi)街道一般狹窄，路面交通量較大，通信、電力與給排水管網(wǎng)交錯(cuò)復(fù)雜，因此施工難度大；另一方面一般來說，老城區(qū)缺乏可靠的竣工資料，因此錯(cuò)挖的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。而這無疑對(duì)城區(qū)居民的正常生活造成極大的不利影響。為降低管網(wǎng)改建中的此類損失，管道機(jī)器人的運(yùn)用是一個(gè)切合實(shí)際的切入點(diǎn)。特別是近些年，管道機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)取得一定成果。

4 機(jī)器人的發(fā)展及其運(yùn)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代,歷史上第一個(gè)由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)設(shè)計(jì)地下機(jī)器人問世了。其名為“Terregator”，有6個(gè)輪子。利用聲納技術(shù)和鐳射技術(shù)導(dǎo)航地下礦井[2]。在排水管道機(jī)器人的發(fā)展歷程中，礦井探測(cè)等機(jī)器人的一些技術(shù)也得到效仿，如Groundhog和Cave-Crawler機(jī)器人等[3]。

而后，隨著科技工作者們的孜孜進(jìn)取，形態(tài)和功能各異的機(jī)器人陸續(xù)出現(xiàn)。如今，常見的機(jī)器人有以下幾類。

4.1 管道探測(cè)儀

目前，管道探測(cè)儀已經(jīng)能夠做到：區(qū)分不同管材，準(zhǔn)確地確定管線的走向、位置、路徑、埋深，可以用在對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(包括管道在內(nèi))和存在缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)安保和民用工程等質(zhì)量檢測(cè)等諸多領(lǐng)域。

基于城市排水管道可能出現(xiàn)的問題，在發(fā)達(dá)國(guó)家中，對(duì)城市地下水排水管道的檢測(cè)和普查平均5年進(jìn)行一次。北上廣等大城市認(rèn)識(shí)到排水管道檢測(cè)的重要性，引進(jìn)了內(nèi)窺檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)，已經(jīng)開始系統(tǒng)的普查和檢測(cè)[1]。不可否認(rèn)，管道探測(cè)儀的發(fā)展和運(yùn)用，極大的解放了不必要的人力耗費(fèi)。

4.2 管道機(jī)器人

對(duì)新建排水管道或者管網(wǎng)進(jìn)行快速視頻勘驗(yàn)、普查和評(píng)估，結(jié)合各種軟件可以做到更加精細(xì)、可量化(測(cè)量管徑、裂縫寬度等)的分析和判讀，能夠檢測(cè)管道是否破裂、腐蝕以及金屬管道的焊縫質(zhì)量等情況。采用如模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種圖像處理技術(shù)，將采集到的資料做進(jìn)一步的處理，便能更好的識(shí)別管道運(yùn)行狀況，可以輔助人工進(jìn)行管道損傷程度的判斷，降低出錯(cuò)的幾率；數(shù)字羅盤采集機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏控制，能夠使得機(jī)器人更加人性化、智能化，操作也更加便捷，且具動(dòng)力性能強(qiáng)勁，驅(qū)動(dòng)以及越障能力亦強(qiáng)，即使在十分惡劣的污水管道條件下，也能夠正常運(yùn)作。目前常見的出現(xiàn)在排水管道中的機(jī)器人爬行器有以下幾種：

1)蠕動(dòng)式管道機(jī)器人。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人如MAKRO機(jī)器人，運(yùn)功的驅(qū)動(dòng)來自于前后支撐部分的伸縮，動(dòng)力來源是各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元之間的電機(jī)提供的電能。因此，驅(qū)動(dòng)力有限導(dǎo)致行走緩慢，所以通常難以勝任要求速度較快的管道檢測(cè)任務(wù)，較低的檢測(cè)效率是其在排水管網(wǎng)檢測(cè)中很少出現(xiàn)的主要原因。適應(yīng)管徑為300 mm～600 mm，且不能用于豎直管道。

2)腿式管道機(jī)器人。人類或者動(dòng)物的腿式行走帶給主體行動(dòng)方面極大的便利，機(jī)器人如能夠?qū)崿F(xiàn)如人類或者動(dòng)物的腿式穩(wěn)定、靈活的行走方式，理論上來說，將能夠勝任任何形式或者條件的管道檢查或者清理任務(wù)，將會(huì)是現(xiàn)行各種形式的機(jī)器人中最有開發(fā)潛力和運(yùn)用前景的管道爬行器?？涩F(xiàn)實(shí)是，即便實(shí)現(xiàn)腿式行走，但是人類和動(dòng)物行走的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征確實(shí)是機(jī)械難以模仿的，當(dāng)然機(jī)器人的控制單元和結(jié)構(gòu)將會(huì)異常復(fù)雜，對(duì)傳感器的要求也高于其他形式的機(jī)器人，研究成本高，制造起來也會(huì)困難重重，另外如德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究人員開發(fā)的MORITZ機(jī)器人，牽引能力有限，不適合長(zhǎng)距離作業(yè)。

3)輪式管道機(jī)器人。輪式機(jī)器人按行走機(jī)構(gòu)差異，可將其分為支撐輪式和車廂式兩類：

支撐輪式機(jī)器人行走時(shí)緊貼在管道表面，機(jī)器人中心與管道中心重合，對(duì)管道內(nèi)壁壓力大，行走能力強(qiáng)，能夠在一定范圍內(nèi)適應(yīng)管道坡度的變化帶來的阻力，穩(wěn)定性良好，如MRINSPECTⅡ，一般具有變徑結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)不同的管徑。

車形式機(jī)器人在管道底部運(yùn)行，靠自身重量壓在管底提高的摩擦力來支持自身前進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如同汽車一樣，運(yùn)行平穩(wěn)連續(xù)，與支撐式管道機(jī)器人和腿式管道機(jī)器人相比，無需過于多的控制單元和結(jié)構(gòu)，對(duì)傳感器的要求也低于腿式管道機(jī)器人，運(yùn)行靈活，缺點(diǎn)是不能在過大傾角的排水管道中行走?，F(xiàn)行的輪式管道機(jī)器人以車型式為主，主要有四輪和六輪管道機(jī)器人，分為可變速和不可變速形式。此類管道機(jī)器人適應(yīng)性較強(qiáng)，運(yùn)用較廣泛。

5 技術(shù)展望

現(xiàn)有的機(jī)器人種類繁多，技術(shù)越來越趨向于成熟，基于不同的目的，有功能各異的產(chǎn)品基本能夠滿足現(xiàn)實(shí)需求。國(guó)內(nèi)城市給排水行業(yè)的起步較晚，我國(guó)的管網(wǎng)建設(shè)，特別是排水管道的建設(shè)還遠(yuǎn)沒有到完善的地步，同時(shí)，相較于一些發(fā)達(dá)國(guó)家龐大的排水系統(tǒng)，我國(guó)的排水管網(wǎng)，管徑較小，堵塞時(shí)有發(fā)生的現(xiàn)狀需要較長(zhǎng)時(shí)間才能逐步改善，城市排水設(shè)施的改造的社會(huì)需求將有望驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)，機(jī)器人的運(yùn)用將能夠形成促進(jìn)城市排水管網(wǎng)改造順利進(jìn)行。保持城市排水系統(tǒng)的通暢，并逐步建立起較為完善、可靠的管網(wǎng)管理系統(tǒng)的過程中，機(jī)器人開發(fā)及其應(yīng)用將會(huì)有越來越大的市場(chǎng)，更加可靠、功能更為強(qiáng)大、更為經(jīng)濟(jì)的機(jī)器人在未來對(duì)城市排水管網(wǎng)改造以及清理中扮演的角色將難以替代。

6 結(jié)語

新的機(jī)器人隨著科技和社會(huì)的進(jìn)步，會(huì)越來越多的被開發(fā)和應(yīng)用，給給排水行業(yè)等各行業(yè)帶來巨大變化，現(xiàn)階段難以跨越的局限性，也將會(huì)隨著各種新興技術(shù)的發(fā)展和使用，也會(huì)使功能更加強(qiáng)大的機(jī)器人能夠被廣泛使用，以減輕手工作業(yè)的強(qiáng)度，提高工作的精度，同時(shí)縮短工作周期。

[1] 李衛(wèi)海,林碧華,廖海山.城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].廣州建筑,2009(1):33-37.

[2] 柏 蔚,李懷正,陳衛(wèi)兵,等.機(jī)器人在排水管道中的研究和應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2012,37(9):45-50.

[3] Omohundro Z M.Robot configuration for subterranean modeling[J].Dissertations & Theses-Gradworks,2009(15)：65-67.

The application of robot in urban drainage pipe network reconstruction

Fu Sai’ou Hou Mingfang Tai Xirong Yang Weiyi He Kai

(UrbanConstructionSchool,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430065,China)

This paper introduced the composition of old urban drainage pipe network, combining with the present situation of old urban drainage pipe network and the existing problems in reconstruction process, elaborated the application of robot technology in pipe network reconstruction, contribute to the realization of urban sustainable and healthy development.

drainage pipe network, robot, pipeline detector, old city

1009-6825(2017)13-0126-02

2017-03-01

付賽歐(1995- )，男，在讀本科生

TU992

A