饒虹，黃清強(qiáng)，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(jìn)入箱涵，長期累積會(huì)導(dǎo)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(jìn)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(duì)箱涵進(jìn)行封堵和截流后，作業(yè)人員進(jìn)入箱涵中，在有限空間的環(huán)境中采用抽砂泵、淤泥運(yùn)輸裝置等設(shè)備設(shè)施進(jìn)行清淤，將淤泥攪動(dòng)抽吸至地面三級(jí)沉淀池，經(jīng)過地面三級(jí)沉淀池振動(dòng)過濾，再由運(yùn)輸車輛運(yùn)送至指定地點(diǎn)集中處置。

1.2 傳統(tǒng)人工清淤缺點(diǎn)

（1）封堵截流對(duì)周邊環(huán)境的不良影響。（2）時(shí)間限制。（3）作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)大。（4）效率低下，損失大。

2 清淤機(jī)器人發(fā)展

2.1 清淤機(jī)器人簡介

機(jī)器人的總體尺寸可設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境需要，大部分清淤機(jī)器人的控制系統(tǒng)由控制箱、電箱和下位機(jī)控制箱三部分組成?？刂葡渲饕蓛蓚€(gè)液晶顯示屏、3組開關(guān)、4個(gè)搖桿和一個(gè)鍵鼠一體的鍵盤組成。控制箱主要控制機(jī)器人所有動(dòng)作的執(zhí)行，能控制機(jī)器人的動(dòng)作為前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、燈光設(shè)備開關(guān)、視頻開關(guān)。電箱主要控制大功率設(shè)備的使用，主要設(shè)備渣漿泵、水槍泵、動(dòng)力站、卷纜機(jī)和卷管機(jī)等。下位機(jī)控制箱主要使接收控制箱的指令，對(duì)機(jī)器人相對(duì)應(yīng)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行操作，使機(jī)器人完成操作員發(fā)出的指令。

2.2 清淤機(jī)器人優(yōu)勢

（1）安全可靠。實(shí)現(xiàn)了“人不下井、路不開挖、水不斷流、泥不落地”四大特點(diǎn)。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(zhǔn)。清淤機(jī)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(yuǎn)，視頻傳輸方面采用工業(yè)級(jí)傳輸線纜和交換機(jī)，理論上實(shí)時(shí)視頻傳輸可達(dá)1000m，能使操作人員更精準(zhǔn)地判斷水下環(huán)境。大多數(shù)機(jī)器人內(nèi)部會(huì)將不同模塊區(qū)分開，能夠?qū)崿F(xiàn)合理的散熱。根據(jù)機(jī)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(gè)避障聲納組成，分別安裝在機(jī)器人的四周，在水下可以感知機(jī)器人與障礙物的距離，能實(shí)時(shí)感知自身的姿態(tài)和周邊障礙物的位置，實(shí)時(shí)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(jī)器能夠噴射出具有足夠壓強(qiáng)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(shí)時(shí)展示機(jī)器人的姿態(tài)，防止機(jī)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(jī)器人清淤不封堵，減少封堵工序；清淤效率達(dá)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(shí)，機(jī)器可以24h不停運(yùn)轉(zhuǎn)，大大縮短了清淤工期。

（4）不截流，低污染。機(jī)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(dǎo)致污水外溢污染周邊河涌的不良影響；作業(yè)期間可實(shí)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(qiáng)。清淤機(jī)器人可以處理一些特殊工況的難題，如對(duì)一些排水管道經(jīng)過城中村、步行街等難以開挖的地方，機(jī)器人可以在不影響上層建筑和交通活動(dòng)時(shí)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(jī)器人攪吸泵吸口處安裝了進(jìn)口格柵，能有效防止大體積的磚石瓦礫進(jìn)入，損傷泵體和葉輪，同時(shí)，軸端匹配了粉碎葉輪，樹枝等雜物在泵進(jìn)口處即會(huì)粉碎，所以無須擔(dān)心機(jī)器人損壞等問題。現(xiàn)場機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(duì)環(huán)境設(shè)施了解更深入。

2.3 機(jī)器人清淤主要流程

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

圖2 機(jī)器人清淤工藝流程圖

2.4 機(jī)器人作業(yè)效率

清淤機(jī)器人的泥泵具有很強(qiáng)的抽吸能力，部分可達(dá)到每小時(shí)100m3的泥水混合物，機(jī)器人執(zhí)行自動(dòng)化作業(yè)時(shí)，收放線器可根據(jù)機(jī)器人的行走距離自動(dòng)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(shí)現(xiàn)高效的泥水分離，其由振動(dòng)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(jī)器人存在問題

（1）外形尺寸偏大。目前，機(jī)器人外觀尺寸設(shè)計(jì)基本在3500mm×1300mm×1500mm左右，外觀尺寸比人工清淤設(shè)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(jī)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?yàn)榭刂齐娎|長度限制而需要在行進(jìn)過程中對(duì)箱涵進(jìn)行多處開口，提高作業(yè)成本。

（3）維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。由于水下能見度很低，機(jī)器人獨(dú)立作業(yè)存在不確定性，作業(yè)出現(xiàn)問題時(shí)脫離危險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)。

2.6 清淤機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

（1）國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀。廣州市城市排水有限公司根據(jù)機(jī)器人的發(fā)展，對(duì)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(jī)器人（見圖3）進(jìn)行清淤試驗(yàn)，在短短的2天時(shí)間內(nèi)，完成了200m長度的淺渠的清淤，清淤量達(dá)到100m3，整個(gè)過程安全性高，不用截流、不用人工操作，收到了完美的實(shí)踐效果，為我過箱涵清淤機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

圖3 清淤機(jī)器人

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

3 結(jié)語

我國出臺(tái)的環(huán)保政策以及“一帶一路”的支持，讓機(jī)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(jī)器人的研究，清淤機(jī)器人已經(jīng)從最開始的人工手動(dòng)操作逐步發(fā)展為具有自動(dòng)學(xué)習(xí)能力、自動(dòng)避障、異常上報(bào)等功能的智能機(jī)器人。機(jī)器人的移動(dòng)速度越來越快，清淤能力越來越強(qiáng)，雖然目前機(jī)器人還不能夠完全替代工人進(jìn)行作業(yè)，但隨著我國科技水平的不斷提高，未來清淤機(jī)器人的研發(fā)一定會(huì)有一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，在箱涵清淤中一定會(huì)發(fā)揮巨大作用。