王國強(qiáng)， 郭志強(qiáng) （.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(shè)施，伴隨著城市的發(fā)展而發(fā)展，其中不乏一些年代久遠(yuǎn)、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(shè)時(shí)期比較久遠(yuǎn)，采用的布管技術(shù)和管路材料比較落后、也包括對一些給水管網(wǎng)運(yùn)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(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)隱患，其中不乏冒、滴、堵、漏等現(xiàn)象。

據(jù)水務(wù)部門近些年的不完全統(tǒng)計(jì)，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(shí)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(dá)到 50 a 以上的老管道，由于建造時(shí)期的材料、工藝以及技術(shù)限制，且這些老管道錯(cuò)綜復(fù)雜，排摸相當(dāng)困難，往往造成沒人管、沒人護(hù)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(yán)重的提升了城市的供水成本，造成了水資源的浪費(fèi)。

1 應(yīng)用背景

項(xiàng)目概況：西干線服務(wù)范圍包括石洞口片區(qū)蘊(yùn)藻浜以北地區(qū)及蘊(yùn)藻浜以南、共和新路以西地區(qū)，服務(wù)面積192.93 km2，服務(wù)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(yùn)行安全隱患。近年來周邊片區(qū)的納管增多且錯(cuò)亂無序，無法準(zhǔn)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(jìn)行檢測排摸、更新改造、污水樣提取送檢。為更好的運(yùn)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(jī)器人

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

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

（2）蠕動(dòng)移動(dòng)式，其原理設(shè)計(jì)是模仿昆蟲移動(dòng)。在行走時(shí)，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(dòng)絲杠左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，使螺母在絲杠上左右移動(dòng)。

（3）履帶移動(dòng)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(jìn)行移動(dòng)。

（4）足腿移動(dòng)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(dòng)，也可在各種斷面形式的管道里移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)較為方便靈活，但控制復(fù)雜造價(jià)貴。

（5）滾輪移動(dòng)式，其結(jié)構(gòu)由幾個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小輪組成，通過小輪滾動(dòng)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(xiàng)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(dān)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(jī)器人無法適應(yīng)于本次項(xiàng)目。

3 Gator-s1 全地形機(jī)器人

新西干線主干線及支線管道檢測項(xiàng)目中采用了全新形式的管道檢測機(jī)器人—Gator-s1 全地形機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)充放氣并折疊，減小了其運(yùn)輸中的空間便于攜帶。在兩個(gè)螺旋卷筒間由連接盤通過轉(zhuǎn)軸進(jìn)行聯(lián)接并傳動(dòng)，連接盤也是各類檢測設(shè)備的搭載界面。該結(jié)構(gòu)有效解決了現(xiàn)有檢測機(jī)器人在管網(wǎng)中運(yùn)動(dòng)的問題，其不僅能良好地適應(yīng)干管、濕管、也能夠在淤泥乃至堆積的污穢物上運(yùn)動(dòng)[3]。

兩個(gè)螺旋推進(jìn)器的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同,從而分配兩個(gè)螺旋推進(jìn)器的螺旋葉片轉(zhuǎn)向,使得車架的行進(jìn)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(jìn)：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(dāng)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(shí)，產(chǎn)生左轉(zhuǎn)效果；當(dāng)在硬質(zhì)地的路面上，左右輪同向向右旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(dāng)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(shí)，產(chǎn)生右轉(zhuǎn)效果；當(dāng)在硬質(zhì)地的路面上，左右輪同向向左旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(jìn)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(jìn)行反射回系統(tǒng)的聲納接收器上，在計(jì)算機(jī)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(xì)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(shí)，為了應(yīng)對本次項(xiàng)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(lǐng)域身經(jīng)百戰(zhàn)的高效快檢設(shè)備。該設(shè)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(dá) 80 m。通過長度可達(dá) 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(qiáng)大的數(shù)字視頻平臺，配有超亮度 LED 系統(tǒng)配置自動(dòng)對焦，10 倍光學(xué)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(bǔ)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(jìn)功能為一身，SP-100 能快速、方便地查找出管道故障點(diǎn)。

4 現(xiàn)場檢測

在選定 Gator-s1 全地形機(jī)器人作為本次管道檢測的設(shè)備后，進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行檢測工作。現(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(jìn)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(hù)提供決策依據(jù)，有效的免除潛水員人工進(jìn)入管道檢測而所需的高額費(fèi)用和高風(fēng)險(xiǎn)。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(jìn)檢測，并和 SP-100 管道潛望鏡所采集到的圖像進(jìn)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(xiàng)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(zhǔn)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(dāng)?shù)男迯?fù)方式提高了管道疏通工作效率。尤其是對于管道結(jié)構(gòu)修復(fù)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(fù)方案具有技術(shù)指導(dǎo)意義。

5 結(jié) 語

在新西干線主干線及支線管道檢測項(xiàng)目中，通過使用新型的管道檢測機(jī)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(jìn)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(fù)提供了數(shù)據(jù)支撐，提高了管道修復(fù)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(jìn)入檢測，而 Gator-s1 這一類的管道檢測機(jī)器人能夠代替工作人員進(jìn)入，保證了現(xiàn)場人員的安全，并得到更為準(zhǔn)確 的檢測數(shù)據(jù)，提高了管道檢測的自動(dòng)化程度，提高管道修復(fù)工作的經(jīng)濟(jì)效益。