王洪斌，吳乃紅，孫文慧

（水利部機電研究所，天津 301900）

1 引言

涵洞和管道作為重要的交通和供水設(shè)施，承擔(dān)著重要的運輸任務(wù)。但是，在使用過程中，由于多種因素的影響，涵洞和管道內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)損壞、腐蝕等問題，給安全運輸和供水帶來隱患。因此，對涵洞和管道內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全檢測變得非常重要。

傳統(tǒng)的涵洞和管道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)檢測方法主要是人工巡檢，這種方法效率低、成本高、易出錯。為此，本文提出一種水下金屬結(jié)構(gòu)自動探測系統(tǒng)，通過水下機器人、高清攝像頭、聲吶探測設(shè)備和管道檢測軟件的組合，實現(xiàn)涵洞內(nèi)部及管道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的安全檢測。

水下金屬結(jié)構(gòu)探測是近年來廣泛關(guān)注的研究領(lǐng)域，主要用于海洋工程、水下管道、涵洞等領(lǐng)域的安全檢測。該方案采用高清攝像頭和水下機器人相結(jié)合，能夠在水下環(huán)境中實時監(jiān)測和探測金屬結(jié)構(gòu)的狀況，大大降低了檢測人員的危險環(huán)境，保證了人身安全。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，能夠有效地應(yīng)用于水下金屬結(jié)構(gòu)的探測領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 水下機器人

水下機器人是本系統(tǒng)的核心組成部分，它能夠在涵洞和管道內(nèi)部進(jìn)行自主巡航和探測。水下機器人采用全自主式控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)路徑自主巡航，同時根據(jù)探測情況進(jìn)行實時調(diào)整。水下機器人是本系統(tǒng)的核心部件，它主要由機體、推進(jìn)器、控制系統(tǒng)、傳感器、通信系統(tǒng)等組成。機體采用防水、抗壓、耐腐蝕的材料制成，具有較高的機械強度和耐久性。推進(jìn)器采用多種形式，如螺旋槳、噴水推進(jìn)器等，可以實現(xiàn)機器人的前進(jìn)、后退、左右、上下等各向運動?？刂葡到y(tǒng)采用遙控和自主控制兩種方式，可以實現(xiàn)對機器人的遠(yuǎn)程控制和自主導(dǎo)航。水下機器人的外殼采用高強度材料制成，具有優(yōu)異的防水性能和抗壓力性能[1]。

圖1 水下機器人及控制

2.2 高清攝像頭

高清攝像頭是水下機器人的重要配件，它可以拍攝高清晰度的涵洞及管道內(nèi)部圖像，實現(xiàn)對金屬結(jié)構(gòu)的可視化檢測。本系統(tǒng)采用CMOS 圖像傳感器，具有較高的分辨率和靈敏度，能夠在較暗的環(huán)境下進(jìn)行拍攝。同時，經(jīng)過圖像處理和識別算法，可以自動識別金屬結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對金屬結(jié)構(gòu)的快速檢測。高清攝像頭是用于獲取管道內(nèi)部圖像信息的設(shè)備。該設(shè)備采用全高清模式，能夠獲取清晰的圖像信息，對管道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的損傷、腐蝕等問題進(jìn)行觀察和檢測。

2.3 聲吶探測設(shè)備及技術(shù)研究

聲吶探測[2]設(shè)備是水下機器人的另一重要配件，它可以通過聲波的反射和回聲，實現(xiàn)對涵洞及管道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的探測和定位。聲吶探測設(shè)備采用多波束技術(shù)和掃描技術(shù)，可以實現(xiàn)對金屬結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確定位和距離測量。同時，結(jié)合高清攝像頭的圖像處理技術(shù)，可以實現(xiàn)對金屬結(jié)構(gòu)的三維重建和形態(tài)分析。

聲吶探測設(shè)備通過發(fā)射聲波信號對管道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，并將探測結(jié)果傳輸給管道檢測軟件進(jìn)行分析和處理。聲吶探測設(shè)備具有高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，能夠有效提高檢測效率和準(zhǔn)確度。

聲吶探測在水下金屬結(jié)構(gòu)探測中具有廣泛的應(yīng)用價值。首先，聲吶探測可以實現(xiàn)對水下金屬結(jié)構(gòu)的定位和測量。通過測量聲波的傳播時間和路徑，可以確定水下金屬結(jié)構(gòu)的位置和形狀。其次，聲吶探測可以實現(xiàn)對水下金屬結(jié)構(gòu)的識別和分類。通過分析聲波信號的頻譜、幅度和相位等特征，可以判斷水下金屬結(jié)構(gòu)的材料和類型。此外，聲吶探測還可以實現(xiàn)對水下金屬結(jié)構(gòu)的實時成像。通過將聲波信號轉(zhuǎn)換為圖像，可以直觀地觀察水下金屬結(jié)構(gòu)的分布和形態(tài)。

聲吶探測技術(shù)在水下金屬結(jié)構(gòu)探測中仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)。由于聲波在水中的傳播受到多種因素的影響，如水下環(huán)境的復(fù)雜性和水下金屬結(jié)構(gòu)的多樣性，導(dǎo)致聲波信號的傳播路徑和特性難以準(zhǔn)確預(yù)測和模擬。再有，聲吶探測技術(shù)在實際應(yīng)用中需要考慮能量損耗、噪聲干擾和多路徑效應(yīng)等問題，以提高探測的精度和可靠性。最后，聲吶探測技術(shù)在水下金屬結(jié)構(gòu)探測中的實時成像技術(shù)還需要進(jìn)一步發(fā)展，以滿足對水下金屬結(jié)構(gòu)的高分辨率成像需求。

聲吶探測技術(shù)作為水下金屬結(jié)構(gòu)探測的重要手段，已經(jīng)取得了顯著的發(fā)展。未來聲吶繼續(xù)研究可以從以下幾個方面展開。首先，可以進(jìn)一步研究聲波在水中的傳播特性和聲吶系統(tǒng)的性能優(yōu)化，以提高聲吶探測技術(shù)對水下金屬結(jié)構(gòu)的探測效果。其次，可以開展聲吶探測信號處理算法的研究，以提高對水下金屬結(jié)構(gòu)的識別和分類精度。最后，可以研究新型的聲吶探測技術(shù)，如多波束聲吶和多頻聲吶，以實現(xiàn)對水下金屬結(jié)構(gòu)的高分辨率成像?？傮w來看，聲波傳播特性、信號處理算法和新型聲吶探測技術(shù)等方面展開研究是未來的發(fā)展方向，可以進(jìn)一步提高聲吶探測技術(shù)在水下金屬結(jié)構(gòu)探測中的應(yīng)用效果和精度。

2.4 涵洞及管道檢測系統(tǒng)軟件

涵洞及管道檢測系統(tǒng)[3]軟件是本套系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它是數(shù)據(jù)處理和分析的核心工具。管道檢測軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖像識別、報警處理等功能模塊。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從水下機器人傳回的傳感器數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)中提取有用信息；數(shù)據(jù)處理模塊通過算法處理和分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷時的自動識別和定位；圖像識別模塊通過圖像處理和識別算法，實現(xiàn)對金屬結(jié)構(gòu)的自動分析；報警處理模塊負(fù)責(zé)對金屬結(jié)構(gòu)的危險程度進(jìn)行判斷和處理，及時報警并采取相應(yīng)的措施。

涵洞及管道檢測系統(tǒng)軟件是用于對聲吶探測設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理的軟件。該軟件能夠自動識別管道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的類型和狀態(tài)，并進(jìn)行分析和評估。同時，該軟件還能夠生成相應(yīng)的檢測報告，為后續(xù)維護(hù)和管理提供參考。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)在實驗過程中，準(zhǔn)確、快速地檢測出了涵洞內(nèi)和管道內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)，取得了較好的應(yīng)用效果。在實驗中，本系統(tǒng)實現(xiàn)了對涵洞及管道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的自動探測和識別，同時實現(xiàn)了對金屬結(jié)構(gòu)的三維重建和形態(tài)分析，為涵洞及管道的安全檢測提供了有效的技術(shù)手段。具有較高的實用價值和推廣前景。在實際應(yīng)用中，可以通過對水下機器人進(jìn)行控制，使用高清攝像頭獲取管道內(nèi)部圖像信息，同時使用聲吶探測設(shè)備探測管道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)，并將數(shù)據(jù)傳輸給管道檢測軟件進(jìn)行分析和處理。該系統(tǒng)具有高效、準(zhǔn)確、可靠，還具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，能夠有效保障涵洞內(nèi)部及管道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的安全。

通過對實際涵洞和管道進(jìn)行試驗驗證，結(jié)果表明本系統(tǒng)應(yīng)用的水下金屬結(jié)構(gòu)探測方法可以實現(xiàn)對涵洞和管道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的高精度檢測和成像。實驗結(jié)果顯示，該方法具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。同時降低了人員在水下的操作難度和水下操作人員人身安全危險系數(shù)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計并開發(fā)了一種水下金屬結(jié)構(gòu)自動探測系統(tǒng)，主要包括水下機器人、高清攝像頭、聲吶探測設(shè)備以及管道檢測軟件等部分，具有高效、準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、快速地檢測出涵洞內(nèi)部和管道內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)，具有很高的實用價值和推廣前景。

在實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)可以保障涵洞內(nèi)部及管道內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的安全，提高交通和供水設(shè)施的可靠性和安全性。未來，我們將進(jìn)一步完善和優(yōu)化本系統(tǒng)，實現(xiàn)更高效、更精確的涵洞及管道安全檢測。