智能管涵检测机器人在城市高水位排水暗渠（箱涵）中的应用

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 赵光竹

为贯彻落实《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》和《城镇污水处理提质增效三年行动方案》，近年来，国内多个城市陆续对河道流域排水系统进行全面排查，梳理存在的问题，制定有针对性、系统性实施方案，从根本上解决水环境综合治理的难点，以实现排水系统管网提质增效与河道长治久清的目标。

本研究通过对多个城市的排水系统治理及水质提升工程调查发现：业内仍普遍采用封堵、降水再暗涵排查的排查手段，无法有效解决对高水位管涵的排查。而智能管涵检测系统能够有效解决高水位工况的管涵检测问题，无需封堵降水、人员入涵，通过系统搭载的多功能模块，可实现对暗涵内部的高清影像记录、排口及缺陷的测量定位、水面以下的排口分布及淤积量化探测、暗涵断面、缺陷的数据测量等参数的有效采集，并提供一站式智能高效暗涵排查解决方案。

本文对城市高水位排水暗渠（箱涵）调查的主要内容进行介绍，对现行《城镇排水管道检测与评估技术规程》（CJJ181-2012）中的检测方法进行拓展，通过一种智能管涵检测机器人的技术方法，对高水位排水暗渠（箱涵）线路摸排、本体特征、排水口、检查井等附属设施的坐标、尺寸、现状特征及隐患发育情况进行综合检测，获取排水暗渠（箱涵）的基础资料，以期为后续设计、施工提供基础勘察成果。

城市排水暗渠（箱涵）

城市排水暗渠（箱涵）是城市防汛排水保障体系的重要基础设施，是城市排水系统中人工建设的断面形状为矩形或梯形的地下排水设施，承担着确保城市污水有序收集、运输和治理，维护城市日常运行的重要作用。由于城市快速化建设过程中存在部分规划不合理、错混乱接等问题，容易造成排水暗涵雨污合流；暗渠（箱涵）内部长期在硫化氢等有毒有害气体及污水长期腐蚀下，存在较多如钢筋锈蚀、混凝土脱落、接缝渗水等结构与功能性缺陷，给人民群众生命财产安全留下潜在安全隐患。因此，对排水暗渠（箱涵）内的排水口、结构及功能性缺陷进行检测调查尤为重要。

排水暗涵调查内容

排水暗涵调查工作内容主要为全面调查暗涵内部本体特征、排水口、隐患及检查井等附属设施的路径、坐标、尺寸、现状特征发育情况等综合信息。其主要调查要素包含以下四个方面：一是暗涵空间位置分布、本体尺寸、涵室数量（单涵、双涵、三涵）、涵内水深及淤积情况；二是暗涵排水口坐标、高程、管径、材质、排口类型、排口水深，以及是否有附属设施（如拍门）等；三是暗涵起止端及检查井位置平面坐标、高程信息；四是暗涵内部结构性缺陷（如破裂、变形、腐蚀、错口、起伏、脱节、接口材料脱落、异物穿入、渗漏等）、功能性缺陷（如沉积、结垢、障碍物、残墙坝根、树根、浮渣等）。

智能管涵检测机器人

智能管涵检测机器人是对管网（暗涵）高水位进行综合检测的一种技术手段，适用于水深0.3m及以上、径向尺寸0.6m—7m的城市排水暗渠（箱涵）（图1）。

机器人特制的碳纤维双体舰艇式流线型船型载体，能够极大地减少设备在排水暗渠（箱涵）中的航行阻力；采用风力推进的空气负压双动力系统，可以有效避免排水暗渠（箱涵）中漂浮及悬浮污染物对机器人造成的缠绕、淤堵现象，使机器人能够在水中自由航行。机身搭载高清闭路电视系统（CCTV）、水下声呐探测系统、激光雷达测量系统和定位向导模块四大系统。在检测过程中，检测人员可以通过地面控制站对检测船进行实时操纵，实现对暗涵和排口的基本尺寸、缺陷、定位、淤积、污染源等信息的综合采集（图2）。

图1 智能管涵检测机器人

图2 碳纤维双体舰艇式流线型船型载体

图3 检测模块（CCTV、激光雷达系统、水下声呐、定位测量）

智能管涵检测机器人调查方法

机器人四大功能模块，能够保障一站式综合检测，完成排水暗渠（箱涵）全要素排查。针对暗渠（箱涵）内部水面以上可视部分，通过高清闭路电视（CCTV）检测系统对暗渠内部的现状特征、排水口及附属设施分布信息进行排查，并形成暗渠内部工程视频影像资料，可用于后处理阶段结构及功能性缺陷的判读评估。

通过水下声呐检测模块同步完成水面以下暗渠（箱涵）的要素排查，根据检测暗渠（箱涵）的具体工况及排查侧重点，可选择性搭载剖面声呐扫描模块和多波速声呐扫描模块，完成水下不可视部分的暗渠特征、淤积、排水口分布信息的采集。通过高精度激光雷达测量模块，实时测量暗涵断面、排水口及现状特征的尺寸。

同时，在机器人检测过程中，通过机器人载体内置的定位探头，实时发送固有频率的电子信号，通过地面向导仪对信号进行捕获，从而实现对暗渠（箱涵）内部检测的现状特征、排水口、缺陷等进行准确定位，并结合激光雷达测距信息，计算出各分布特征的准确高程坐标（图3）。

智能管涵检测机器人调查实施思路

1.工前准备

在开展现场踏勘工作前，初步收集待调查暗渠（箱涵）的走向、内截面尺寸、预估长度、大致走向、起止位置、涵内水深及其变化情况、涵内淤泥厚度、箱涵孔数、检查井位置等信息。

依据经批准的实施方案，在现场作业开展前，进行安全教育培训、安全技术交底，明确作业任务、作业程序、作业分工、作业中可能存在的危险因素及应采取的防护措施等。

2.定位坐标系建立

为保障调查成果坐标系的一致性，在正式开展调查工作前，对暗渠（箱涵）涵体、检查井、其他明显点等相关特征点的空间位置采用RTK定位技术或全站仪进行测量，并作为调查成果的空间坐标框架。

3.暗涵调查实施

图4 调查作业示意图

检测前根据检测区域特点，在下井检查井周围合理布置好相应安全措施。确定检测工况，做好设备联机调试，设备入涵前启动调试各航行操纵指令。具体操作流程如下：将检测设备通过起吊缆绳吊入涵内，确定检测方向；启动闭路电视系统，设定起始位置编码器数值；在闭路电视系统界面输入工程信息（工程名称、地点、委托单位、检测单位、检测人员、检测日期、启始井和终止井编号、水流方向、管材、管径等）；启动录制，同时启动水下声呐扫描模块，根据暗渠（箱涵）尺寸设定并调整增益、脉冲数值；启动激光雷达模块，测量下井点位置暗涵基本结构尺寸并保存测量信息，保持激光扫描界面为开启状态；通过定位向导仪确认探头发射信号是否正常，释放浮力线缆、操纵地面控制站开展检测作业；记录暗涵结构特征，测定断面尺寸，查找排口、缺陷、污染源等暗涵特征；检测设备行驶至排口、缺陷断面等现状特征时，操纵地面控制站进行保持，测定各调查要素；同步从闭路视频系统界面读取计米器数值，检测人员通过地面向导接收装置实施对地探测，确定排口、特征点等要素的准确定位；检测分段式进行，根据检查井桩位分布特征进行依次检测，单次检测最大距离可达到300m，检测信息采集完成后设备退出，检测结束。

4.水质水量检测

在调查过程中，针对测时流水排口，从闭路视频系统截取不小于10s的排口VCR，并针对测时流水排口测定水深及水量。若排口流出水体为明显黑臭水体，则采用水体快速检测试纸进行测定COD-Cr和NH3-N指标；若水体黑臭性质不明晰时，采用水样容器采集水样，送水质检测机构进行COD-Cr和NH3-N指标检测。

5.数据资料的处理与分析

外业检测结束后，对系统搭载的各采集模块进行数据转换；对闭路视频系统进行判读、整理，并激光雷达模块获取暗涵结构、排口、高程差等要素尺寸信息进行整合。同时，通过定位模块及RTK采集坐标对暗渠（箱涵）的分布线路、排口、缺陷等调查要素的坐标信息进行转换成图，最终建立暗涵调查数据库、平面图、纵横断面图、检查井及附属设施、排口成果汇总表以及技术总结报告等调查成果（图4）。

结论

本研究通过对智能管涵检测机器人在城市高水位排水暗渠（箱涵）中的应用分析，为同类型高水位排水暗渠（箱涵）检测提供了解决方案。智能管涵检测机器人以实施高水位暗渠（箱涵）全要素排查为目的，通过智能管涵检测系统搭载的多功能技术应用，实现对暗涵内部的高清影像记录、排口及缺陷的测量定位、水面以下的排口分布及淤积量化探测、暗涵断面及缺陷的数据测量等参数进行高效采集，从而实现一站式暗渠（箱涵）全要素调查。智能管涵检测机器人在检测实施过程中，无需检测人员下涵，也无需封堵、倒排，有利于提高检测效率，减少对排水系统的影响，充分保障人员安全。