王新妍

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司 天津 300308)

1 引言

地下管線被稱(chēng)為是城市的“血管”和“神經(jīng)”，根據(jù)管道運(yùn)行壓力的大小可以將市政管道分為重力管道、壓力管道和無(wú)壓管道三類(lèi)。城市地下管線作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是城市安全穩(wěn)定運(yùn)行、可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和保障。

據(jù)《2016年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，截至2016年底，全國(guó)用水普及率98.42%，給水管道總長(zhǎng)9.68×105km，管道密度13.63 km/km2，投資693.5億元；污水處理率93.44%，排水管道總長(zhǎng)7.49×105km，管道密度10.36 km/km2，投資1 493.8億元。近10年，雖然我國(guó)城市給排水量每年都在增加，但是市政管道的改造卻沒(méi)有能夠同步進(jìn)行，早期鋪設(shè)的管道一是由于材質(zhì)相對(duì)比較劣質(zhì)，二是由于埋設(shè)年限比較久遠(yuǎn)，因此，市政管網(wǎng)不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種各樣的管道缺陷。

本文以福州市連坂片區(qū)排水管網(wǎng)改擴(kuò)建工程前期排水管道健康排查為研究背景，首先分析傳統(tǒng)檢測(cè)方法和現(xiàn)代排水管道檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)；其次，主要對(duì)城市管道檢測(cè)方法中的CCTV、聲吶檢測(cè)技術(shù)及激光檢測(cè)技術(shù)發(fā)展與研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并分析其發(fā)展趨勢(shì)。

2 管道缺陷分類(lèi)

管道缺陷可以分為兩大類(lèi)(見(jiàn)圖1)，即結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷[1]。功能性缺陷是指管道過(guò)水?dāng)嗝姘l(fā)生變化，影響排水功能的缺陷(見(jiàn)圖2)；結(jié)構(gòu)性缺陷是指管道結(jié)構(gòu)受到損傷，從而影響管道結(jié)構(gòu)、剛度和使用壽命的缺陷(見(jiàn)圖3)。

圖1 管道缺陷分類(lèi)

圖2 功能性缺陷實(shí)例

圖3 結(jié)構(gòu)性缺陷實(shí)例

3 管道檢測(cè)方法

3.1 傳統(tǒng)檢測(cè)方法

傳統(tǒng)檢測(cè)方法主要有潛水檢查法、反光鏡法、量泥斗檢測(cè)法和觀察法等，見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)檢測(cè)方法

傳統(tǒng)的排水管網(wǎng)檢測(cè)方法不僅具有一定的盲目性，而且成本也高，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況也存在一定的差異，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的目的。

3.2 現(xiàn)代排水管道檢測(cè)方法

現(xiàn)代排水管道檢測(cè)方法有潛望鏡檢測(cè)(Quick View Inspection，QV)、閉路電視檢測(cè)(Close Circuit Television Inspection， CCTV)、聲納檢測(cè)(So-nar Inspection)、電法測(cè)漏檢測(cè)(Electric method leak measure Inspection)和激光檢測(cè)(Laser Inspection)等。表2為現(xiàn)代排水管道檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 現(xiàn)代檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)

3.2.1 CCTV檢測(cè)方法及發(fā)展研究現(xiàn)狀

CCTV(Closed Circuit television)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括CCD攝像機(jī)、光源、爬行器、控制器和電纜卷盤(pán)等。CCD攝像機(jī)和光源裝載在爬行器上，控制器可控制爬行器在管道中行走，攝像機(jī)采集的管道24位真彩圖像可通過(guò)電纜傳到操作器上。CCTV檢測(cè)具體流程見(jiàn)圖4(D代表管道內(nèi)徑)。

20世紀(jì)50年代，CCTV管道檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)，近年來(lái) CCTV管道檢測(cè)技術(shù)已逐漸趨于成熟，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究大多集中在CCTV圖像預(yù)處理技術(shù)及管道缺陷類(lèi)型智能識(shí)別方面。

圖4 CCTV檢測(cè)流程

Yang、Su等利用SVM算法對(duì)提取的管道缺陷特征進(jìn)行訓(xùn)練，但訓(xùn)練好的識(shí)別模型對(duì)管道缺陷識(shí)別正確率只有60%。王鵬等對(duì)比了SVM，RBN，BPN三種方法的管道缺陷識(shí)別效果，得出SVM訓(xùn)練的分類(lèi)器訓(xùn)練效果最好的結(jié)論。Iraky等利用形態(tài)學(xué)來(lái)分割管道裂痕，并通過(guò)模糊邏輯估算裂痕的嚴(yán)重等級(jí)，但該方法只能識(shí)別裂痕。Mahmoud R.Halfawy等通過(guò)閾值分割等方法分割出管道缺陷整體區(qū)域特征，并通過(guò)RBF SVM訓(xùn)練分類(lèi)器，但只能對(duì)樹(shù)根侵入進(jìn)行識(shí)別。李波鋒采用低通濾波求差法去除背景提取功能性缺陷，再融合三維激光掃描技術(shù)獲取了管道輪廓圖像，利用極坐標(biāo)比較法可以判斷結(jié)構(gòu)性缺陷的種類(lèi)。何嘉林提出了結(jié)合Ostu及Kmeans的方法分離缺陷區(qū)域，并選用隨機(jī)森林分類(lèi)器對(duì)管道缺陷進(jìn)行識(shí)別[2-5]。

目前，管道缺陷的智能識(shí)別技術(shù)在排水管道檢測(cè)中還未得到推廣，因此，急需將其引入到管道缺陷檢測(cè)中，以加快其智能化的發(fā)展。

3.2.2 聲吶檢測(cè)方法及發(fā)展研究現(xiàn)狀

當(dāng)排水管道充滿(mǎn)水時(shí)，管內(nèi)的能見(jiàn)度很低，無(wú)法采用CCTV檢測(cè)，此時(shí)，可采用聲吶管道檢測(cè)儀對(duì)充滿(mǎn)水的管道狀況進(jìn)行檢測(cè)。聲吶檢測(cè)分為主動(dòng)聲吶和被動(dòng)聲吶，主動(dòng)聲吶在探測(cè)能力上比被動(dòng)聲吶好，因此，在排水管道檢測(cè)方面，一般運(yùn)用的是主動(dòng)聲吶。聲吶檢測(cè)中超聲波必須要以水為介質(zhì)，所以，只能對(duì)水面以下的管道進(jìn)行檢測(cè)。聲吶系統(tǒng)檢測(cè)原理：探頭旋轉(zhuǎn)并向外發(fā)射信號(hào)，然后由接收器接收經(jīng)管壁返回的信號(hào)，最后，利用計(jì)算機(jī)將其處理成管道的橫斷面圖。水下聲學(xué)成像系統(tǒng)主要包括側(cè)掃、前視、實(shí)時(shí)三維成像聲吶等。

國(guó)外學(xué)者在上世紀(jì)就開(kāi)始對(duì)聲吶技術(shù)進(jìn)行研究，第一臺(tái)聲吶儀在1906年由英國(guó)海軍研究員發(fā)明，主要用于海底阻礙物的偵探。隨著聲吶技術(shù)逐漸發(fā)展，學(xué)者王雷等利用BEMD和GMRF改進(jìn)模糊C均值聚類(lèi)算法，提出一種新的模糊聚類(lèi)算法。王麗娜提出了一種側(cè)掃聲吶目標(biāo)特征提取方法，設(shè)計(jì)了側(cè)掃聲納圖像的霍夫變換目標(biāo)特征提取方法。朱兆彤等針對(duì)逆合成孔徑聲吶對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，提出一種基于多亮點(diǎn)拓?fù)涫噶刻卣鞯腎SAS水下目標(biāo)識(shí)別方法，并采用K-means聚類(lèi)的方法克服目標(biāo)亮點(diǎn)缺失的問(wèn)題。王濤等采用K-means聚類(lèi)算法與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)相結(jié)合對(duì)海底目標(biāo)輪廓進(jìn)行自動(dòng)提取[6-9]。

現(xiàn)在對(duì)聲吶相關(guān)技術(shù)的要求不再僅僅只是局限于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，而是要對(duì)目標(biāo)準(zhǔn)確定位和識(shí)別，并且，聲吶檢測(cè)技術(shù)研究的最終目的是對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)判讀與智能識(shí)別，而其中圖像分割又是目標(biāo)識(shí)別的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

3.2.3 激光檢測(cè)方法與發(fā)展研究現(xiàn)狀

激光檢測(cè)的工作原理是利用激光發(fā)射器，在管道中發(fā)射出垂直于管道的激光圓環(huán)，通過(guò)CCTV檢測(cè)系統(tǒng)采集管道各個(gè)距離值的圓環(huán)，獲得完整管道激光圓環(huán)檢測(cè)的視頻數(shù)據(jù)，再利用激光處理軟件完成對(duì)不同距離下各個(gè)激光圓環(huán)的提取，得出數(shù)據(jù)結(jié)果，形成三維模型模擬管道內(nèi)壁詳細(xì)情況，從而對(duì)檢測(cè)管道進(jìn)行分析評(píng)估。其工作原理如圖5所示。

圖5 激光檢測(cè)工作原理

在激光檢測(cè)方面，學(xué)者孟娜根據(jù)激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，給出了噪聲點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理及其數(shù)學(xué)描述，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，把噪聲點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)。閔玲偉把CCTV檢測(cè)系統(tǒng)和激光測(cè)距的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，以提高管道檢測(cè)能力。許孟君利用MATLAB對(duì)圖像采集單元采集的激光環(huán)圖像進(jìn)行處理，獲得管道的集合形變信息。劉洋使用canny邊緣算法對(duì)激光環(huán)圖像的邊緣形狀進(jìn)行提取，提高了管道形變檢測(cè)的精確性。李甜甜利用三維線激光研究路面車(chē)轍特征，利用大量的室內(nèi)試驗(yàn)激光數(shù)據(jù)提出了車(chē)轍激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪及傾斜校正法，并構(gòu)建了車(chē)轍多維度特征參數(shù)提取軟件[10-12]。

激光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)管道的材質(zhì)沒(méi)有要求，金屬與非金屬均可檢測(cè)。與CCTV管道檢測(cè)技術(shù)相比，激光檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)CCTV不易分辨的管道變形進(jìn)行量化分析。

3.2.4 電法測(cè)漏檢測(cè)

電法測(cè)漏儀主要包括主機(jī)、電纜盤(pán)和探頭三部分。檢測(cè)原理：非金屬管道內(nèi)壁對(duì)電流表現(xiàn)為高阻抗特性，管道內(nèi)的水和大地表現(xiàn)為低阻抗。利用兩個(gè)電極與大地之間構(gòu)成的回路，當(dāng)檢測(cè)探頭在管道內(nèi)勻速前進(jìn)時(shí)，在管壁完好狀態(tài)下，兩接地電極之間的電流很小；若管壁破損時(shí)，由于水和大地為低阻抗介質(zhì)，則會(huì)導(dǎo)致兩電極之間電流增加，以此來(lái)判斷管道泄漏的位置(見(jiàn)圖6)。電法測(cè)漏儀檢測(cè)要求管內(nèi)被檢測(cè)的部分必須充滿(mǎn)水，被檢測(cè)管道材質(zhì)應(yīng)為非金屬或者包有絕緣材料的金屬管道，但其檢測(cè)結(jié)果僅可作為管道檢測(cè)的初步判別依據(jù)。

圖6 電法測(cè)漏儀工作原理

4 福州連坂片區(qū)管道檢測(cè)及分析

本文以福州市連坂片區(qū)排水管網(wǎng)改擴(kuò)建工程為研究背景，通過(guò)對(duì)連坂片區(qū)吳嶼路A、吳嶼路B和中騰路排水管道綜合比較分析，考慮該地區(qū)排水管道的具體操作空間、管道內(nèi)部環(huán)境等條件，該工程主要采用CCTV排水管道檢測(cè)方法。經(jīng)檢測(cè)已探明的管道缺陷類(lèi)型有沉積、結(jié)垢、樹(shù)根、變形、錯(cuò)口、腐蝕、破裂、滲漏、脫節(jié)、起伏和材料脫落。其中連坂片區(qū)吳嶼路A、吳嶼路B和中騰路排水管道檢測(cè)結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 連坂片區(qū)吳嶼路A管道檢測(cè)結(jié)果

圖8 連坂片區(qū)吳嶼路B管道檢測(cè)結(jié)果

圖9 連坂片區(qū)中騰路管道檢測(cè)結(jié)果

其中吳嶼路A檢測(cè)了53段管道，共1 418.5 m吳嶼路B檢測(cè)了4段管道，共103.2 m；中騰路檢測(cè)了14段管道，共313.2 m。從圖中可以看出連坂片區(qū)吳嶼路A區(qū)管道有樹(shù)根侵入多達(dá)76處，3個(gè)區(qū)域中的破裂、變形、滲漏等結(jié)構(gòu)性缺陷分布較為廣泛，已經(jīng)影響了管道的結(jié)構(gòu)、剛度和使用壽命。

5 結(jié)論

本文結(jié)合福州連坂片區(qū)排水管網(wǎng)改擴(kuò)建工程前期排水管道檢測(cè)具體應(yīng)用成果得出如下主要結(jié)論：

(1)城市排水管道檢測(cè)分為傳統(tǒng)檢測(cè)法和現(xiàn)代排水管道檢測(cè)法，傳統(tǒng)檢測(cè)成本高、精度低?，F(xiàn)代排水管道檢測(cè)方法主要有潛望鏡檢測(cè)、CCTV檢測(cè)、聲吶檢測(cè)、激光檢測(cè)和電法檢測(cè)等。

(2)管道檢測(cè)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，采用CCTV管道檢測(cè)時(shí)要求管道內(nèi)水位深度不大于管道直徑的30%，淤泥深度不大于管道直徑的20%。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在CCTV管道檢測(cè)方面的研究大多集中在管道圖像的識(shí)別分割以及缺陷的智能識(shí)別方面。

(3)聲吶檢測(cè)中超聲波必須要以水為介質(zhì)，故聲吶檢測(cè)只能檢測(cè)水面以下的管道狀況。聲吶檢測(cè)對(duì)目標(biāo)的更加精準(zhǔn)定位和智能識(shí)別一直是學(xué)者們研究的方向。

(4)激光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)管道的材質(zhì)沒(méi)有要求，金屬與非金屬均可檢測(cè)，可對(duì)CCTV不易分辨的管道變形進(jìn)行量化分析。電法檢測(cè)一般用于非金屬管道或包有絕緣材料的金屬管道，要求管內(nèi)被檢測(cè)的部分必須充滿(mǎn)水。

(5)根據(jù)福州市連坂片區(qū)吳嶼路A、B和中騰路排水管網(wǎng)檢測(cè)結(jié)果可知，管道檢測(cè)可直觀、準(zhǔn)確查明管道缺陷類(lèi)型及位置分布，并為管道采用何種修復(fù)方法提供可靠依據(jù)。