陳 鑫，宋偉健，李 叢，孫海龍，杜程遠(yuǎn)

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130021；2.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450000；3.吉林省煤炭地質(zhì)調(diào)查總院，吉林長(zhǎng)春 130031；4.河南省資源環(huán)境調(diào)查五院，河南鄭州 450000）

人工智能作為計(jì)算機(jī)科學(xué)突破性的學(xué)科分支起源于20世紀(jì)70年代，21世紀(jì)初勘查工程師利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃來(lái)模擬人類行為，以滿足人工機(jī)械智能化的工作需求。隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，信息化技術(shù)和人工智能技術(shù)得到了快速發(fā)展，本文針對(duì)廣東省東莞市某鎮(zhèn)片區(qū)水污染綜合治理工程的質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估，采用LB-11EH型號(hào)高清管道CCTV機(jī)器人對(duì)新敷設(shè)的地下排水雨污管道的施工質(zhì)量進(jìn)行物探檢測(cè)評(píng)估[1]。

1 基本原理

LB-11EH管道CCTV機(jī)器人主要由自走爬行器、筆記本電腦、控制搖柄、旋轉(zhuǎn)變焦鏡頭、電纜盤、計(jì)數(shù)器等組成，控制搖柄和筆記本電腦可通過(guò)無(wú)線連接自走爬行器完成管道內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集，其中360°旋轉(zhuǎn)變焦鏡頭可通過(guò)調(diào)節(jié)分辨率提高采集像素，并根據(jù)實(shí)際檢測(cè)任務(wù)要求，適當(dāng)調(diào)整相關(guān)采集參數(shù)。

LB-11EH管道CCTV機(jī)器人由左右獨(dú)立直流電機(jī)（馬達(dá)）驅(qū)動(dòng)，適用于250～1 500 mm地下管道，可在管道內(nèi)壁原地轉(zhuǎn)彎，并可靈活繞開管內(nèi)障礙物；防水等級(jí)為IP68，最大水下深度可達(dá)10.00 m或1.0 bar；內(nèi)置精度為±1%的傾斜傳感器，通過(guò)集成一體化彩色廣角后視鏡頭實(shí)現(xiàn)坡度測(cè)量；集成高亮LED照明燈鏡頭配置了氣壓電動(dòng)升降架，可用于爬行器回收期間觀察倒車及線纜回收情況，光照亮度可調(diào)，具有聚光及泛光功能。針對(duì)以往CCTV機(jī)器人無(wú)法自主制動(dòng)的缺點(diǎn)，LB-11EH管道CCTV機(jī)器人配置了電動(dòng)離合，可使機(jī)器人在斜坡上駐停，掉電可自動(dòng)解除；同時(shí)具備爬坡技術(shù)和合理的重心設(shè)計(jì)，能有效防止翻車，當(dāng)鏡頭升降臺(tái)降至最低時(shí)，爬行器的最大抗傾斜能力可達(dá)到40°。該CCTV管道機(jī)器人具有兩種規(guī)格的爬行輪組：內(nèi)徑95 mm，外徑160 mm，適用于500～1 500 mm的管道；內(nèi)徑45 mm，外徑135 mm，適用于直徑375～600 mm的管道。

LB-11EH管道CCTV機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)變焦鏡頭采用高清晰度彩色攝像頭，可通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)焦，可遙控120倍變焦（10倍光學(xué)變焦和12倍數(shù)碼變焦）；鏡頭可軸向360°、垂向180°旋轉(zhuǎn)，具備一鍵自動(dòng)歸正和防霧功能；內(nèi)置壓力感應(yīng)器，處于加壓或低壓狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警；LB-11EH管道CCTV機(jī)器人有一組鏡頭光源，兩組輔助光源，光照強(qiáng)度可調(diào)；成像芯片為彩色1/4 CCD，其分辨率可達(dá)到44萬(wàn)像素，光敏感度小于0.1 lx；PAL制式下水平解像度大于450線，色彩高于525線；前、后視畫面可瞬時(shí)切換，切換后畫面顯示等待時(shí)間應(yīng)少于0.5 s[2]。

LB-11EH管道CCTV機(jī)器人配套電纜盤具有自動(dòng)排線功能，標(biāo)配線纜長(zhǎng)150.00 m，搭配精準(zhǔn)電纜線計(jì)數(shù)器，能夠精準(zhǔn)定位CCTV機(jī)器人的具體位置。

1.1 管段損傷參數(shù)

管段損傷參數(shù)是計(jì)算缺陷破損程度的重要參數(shù)，S是地下管線存在的每一處缺陷的算術(shù)平均值，Smax是其中的最高分值。管段損傷參數(shù)計(jì)算公式：

式中：n——結(jié)構(gòu)性缺陷數(shù)量；n1——垂向凈距大于1.50 m的缺陷數(shù)量；n2——垂向凈距大于1.00 m且不大于1.50 m的缺陷數(shù)量；Pi1——垂向凈距大于1.50 m的缺陷分值；Pi2——垂向凈距大于1.00 m且不大于1.50 m的缺陷分值；α——結(jié)構(gòu)性缺陷影響因子，與缺陷間距有關(guān)，當(dāng)缺陷的垂向凈距大于1.00 m且不大于1.50 m時(shí)，α=1.1。

1.2 結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)

地下管線的結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)F的確定，是通過(guò)比較每一標(biāo)段樁號(hào)管線的損傷參數(shù)，從中選取較大值獲得。依據(jù)開關(guān)效應(yīng)原理，當(dāng)存在管段全線不通或阻塞時(shí)，管段的損傷程度等級(jí)應(yīng)該由該樁號(hào)管線中最嚴(yán)重程度的缺陷決定。管段結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)計(jì)算公式：

1.3 結(jié)構(gòu)性缺陷密度

當(dāng)存在結(jié)構(gòu)性缺陷時(shí)，管段結(jié)構(gòu)性缺陷密度SM計(jì)算公式：

式中：L——管段長(zhǎng)度，m；Li1——垂向凈距大于1.50 m的結(jié)構(gòu)性缺陷長(zhǎng)度，m；Li2——垂向凈距大于1.00 m且不大于1.50 m的結(jié)構(gòu)性缺陷長(zhǎng)度，m。

SM是基于管段缺陷平均值S所對(duì)應(yīng)的缺陷總長(zhǎng)度占管段長(zhǎng)度的比值。該缺陷總長(zhǎng)度是計(jì)算值，并不是管段的實(shí)際缺陷長(zhǎng)度。缺陷密度值越大，表示該管段的缺陷數(shù)量越多。

1.4 管段修復(fù)指數(shù)與養(yǎng)護(hù)指數(shù)

修復(fù)指數(shù)RI、養(yǎng)護(hù)指數(shù)MI指當(dāng)結(jié)構(gòu)存在本體缺陷或功能性損傷時(shí)，在判斷其缺陷等級(jí)后，結(jié)合該管段部位的重要程度和周圍各類管線的位置因素，確定管段修復(fù)與養(yǎng)護(hù)緊迫性的參數(shù)。管道只要存在缺陷，就需要進(jìn)行可控時(shí)間范圍內(nèi)的修復(fù)與養(yǎng)護(hù)施工。但是，在出現(xiàn)修復(fù)或養(yǎng)護(hù)能力有限、進(jìn)行修復(fù)或養(yǎng)護(hù)的工作人員任務(wù)繁多等突發(fā)情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)缺陷的嚴(yán)重程度、缺陷對(duì)周圍環(huán)境的影響程度、缺陷的輕重緩急程度，及時(shí)制定管道修復(fù)或養(yǎng)護(hù)施工計(jì)劃。修復(fù)或養(yǎng)護(hù)指數(shù)是制定施工計(jì)劃的重要參考依據(jù)，RI，MI按下式計(jì)算：

式中：K——地區(qū)重要性參數(shù)；E——管道重要性參數(shù)；T——土質(zhì)影響參數(shù)；G——功能性缺陷參數(shù)；*——卷積計(jì)算符號(hào)。

2 數(shù)據(jù)采集

按照正確方式連接CCTV機(jī)器人設(shè)備，通過(guò)無(wú)線操控手柄控制井下的CCTV機(jī)器人行進(jìn)路線，進(jìn)行管線內(nèi)的采集數(shù)據(jù)，采集處理流程見圖1，圖1中d表示管徑。

圖1 LB-11EH管道CCTV機(jī)器人工作流程圖

3 數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)

依據(jù)CJJ 181-2012《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》[3]的相關(guān)規(guī)定，對(duì)管道缺陷評(píng)估方法進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：當(dāng)缺陷長(zhǎng)度不大于1.00 m時(shí)，長(zhǎng)度應(yīng)按1.00 m計(jì)算；當(dāng)垂向范圍1.00 m以內(nèi)同時(shí)存在兩個(gè)甚至更多管線缺陷時(shí)，分值應(yīng)當(dāng)?shù)佑?jì)算，缺陷分值最大不超過(guò)10分。

1）管道結(jié)構(gòu)性缺陷分類包括破裂（PL）、變形（BX）、腐蝕（FS）、錯(cuò)口（CK）、起伏（QF）、脫節(jié)（TJ）、接口材料脫落（TL）、支管暗接（AJ）、異物穿入（CR）、滲漏（SL）等。具體缺陷評(píng)價(jià)如下。

管道的圍巖壓力超過(guò)管段自有承受力，管線產(chǎn)生了裂隙等現(xiàn)象時(shí)應(yīng)評(píng)價(jià)為破裂，其形式為環(huán)向、垂向和復(fù)合；管道受向內(nèi)徑方向壓力，管線產(chǎn)生了形態(tài)變化時(shí)應(yīng)評(píng)價(jià)為變形；管道的內(nèi)側(cè)管壁由于污水排放物的侵蝕，管線產(chǎn)生了剝落或流失，并伴有凹凸面甚至露出管段鋼筋時(shí)應(yīng)評(píng)價(jià)為腐蝕；兩個(gè)管段在接口處發(fā)生橫向扭曲，管線未位于正確位置時(shí)應(yīng)評(píng)價(jià)為錯(cuò)口；接口處發(fā)生偏移，管道垂向位置發(fā)生變化，管線產(chǎn)生了低洼積水現(xiàn)象時(shí)應(yīng)評(píng)價(jià)為起伏；兩個(gè)管段受各向壓力影響，管線在接口處產(chǎn)生了松動(dòng)脫離現(xiàn)象時(shí)應(yīng)評(píng)價(jià)為脫節(jié)；管段內(nèi)發(fā)現(xiàn)瀝青料、混凝土料、橡膠圈等類似管線接口材料時(shí)應(yīng)評(píng)價(jià)為接口材料脫落；支管管段直接接入主管而未通過(guò)檢查井時(shí)應(yīng)評(píng)價(jià)為支管暗接；管道系統(tǒng)內(nèi)全部設(shè)施以外所有物體穿透管壁進(jìn)入管線內(nèi)時(shí)應(yīng)評(píng)價(jià)為異物穿入；管線外任何流動(dòng)性液體深入或流入管段內(nèi)時(shí)應(yīng)評(píng)價(jià)為滲漏。

2）功能性缺陷分類包括沉積（CJ）、結(jié)垢（JG）、障礙物（ZW）、殘墻和壩根（CQ）、樹根（SG）、浮渣（FZ）等。具體缺陷評(píng)價(jià)如下。

雜質(zhì)在管道底部沉淀淤積評(píng)價(jià)為沉積；管道內(nèi)壁上的附著物評(píng)價(jià)為結(jié)垢；管道內(nèi)影響過(guò)流的阻擋物評(píng)價(jià)為障礙物；管道閉水試驗(yàn)時(shí)砌筑臨時(shí)磚墻，試驗(yàn)后未拆除或拆除不徹底的遺留物評(píng)價(jià)為殘墻和壩根；單根樹根或是樹根群自然生長(zhǎng)進(jìn)入管道評(píng)價(jià)為樹根；管道內(nèi)水面上的漂浮物評(píng)價(jià)為浮渣，該缺陷需記入檢測(cè)記錄表，不參與計(jì)算。

4 數(shù)據(jù)成果分析

4.1 管道檢測(cè)

此次工程實(shí)例的檢測(cè)區(qū)域?yàn)閺V東省東莞市某鎮(zhèn)片區(qū)水污染綜合治理工程的西南村祥和街-丹桂路路段，該區(qū)域管道為管徑300 mm的HDPE雙壁波紋污水管道，檢查井井號(hào)分別為CAW-5，CAW-6，CAW-7，CAW-8，CAW-8-1，CAW-8-2，CAW-8-3，CAW-8-4，CAW-9，WF-6，采用LB-11EH管道CCTV機(jī)器人進(jìn)行井下檢測(cè)，共計(jì)檢測(cè)管9段道，長(zhǎng)132.56 m。

4.2 管道缺陷檢測(cè)成果

此次物探檢測(cè)評(píng)估9段管道，存在功能性缺陷管道4段，結(jié)構(gòu)性缺陷管道1段，結(jié)構(gòu)性缺陷與功能性缺陷并存現(xiàn)象為4段管道；存在缺陷31處，其中結(jié)構(gòu)性缺陷18處，功能性缺陷13處，見表1。

表1 管道缺陷檢測(cè)成果表

此次物探檢測(cè)管道結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷的評(píng)級(jí)成果見表2。

表2 管道結(jié)構(gòu)性缺陷與功能性缺陷評(píng)級(jí)成果表

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)數(shù)字智慧城市建設(shè)中管道質(zhì)量檢測(cè)和維護(hù)的難題，LB-11EH管道CCTV機(jī)器人解決了管道檢測(cè)中存在的工程量大、準(zhǔn)確率低和人員作業(yè)危險(xiǎn)等技術(shù)難題，同時(shí)可以更好地適用于較復(fù)雜的地形，輕易且順利地實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)行走式采集數(shù)據(jù)的繁復(fù)工作，很大程度提高了管道檢測(cè)的效率和人工檢測(cè)的安全性。通過(guò)以上工程實(shí)例證明，應(yīng)用LB-11EH管道CCTV機(jī)器人能夠達(dá)到此次項(xiàng)目地下管道質(zhì)量評(píng)估檢測(cè)的目的。