螺旋推进式管道检测机器人的应用

王国强， 郭志强 （.上海市城市排水有限公司管线管理分公司，上海 003；.上海懿诚市政工程有限公司，上海 0044）

地下给排水管网作为城市极其重要的公共设施，伴随着城市的发展而发展，其中不乏一些年代久远、历史悠久管路管线。飞速发展的现代化城市中，难免会出现生活污水、工业废水的泄露，对城市的土壤及其水资源发生污染。其中，老旧管道作为隐蔽工程埋深于地下深处，一旦发生堵、漏、乃至结构损坏、坍塌，管中的污水会日积月累的渗入深层土壤乃至地下水。而且这些老旧管道由于建设时期比较久远，采用的布管技术和管路材料比较落后、也包括对一些给水管网运维力度不足、加之周围环境变化对管道周边受力造成影响使得管道变形破裂损坏，其中也不乏一些超过设计使用年限的管道。上述这些老旧破管道造成城区中的给排水管网很大的风险隐患，其中不乏冒、滴、堵、漏等现象。

据水务部门近些年的不完全统计，大城市中尤其是在老城区中 10%～30% 的自来水漏失是由于水管网漏损与爆漏现象时有发生。而水管网漏损与爆漏现象中的 90% 的那些服役年龄均已达到 50 a 以上的老管道，由于建造时期的材料、工艺以及技术限制，且这些老管道错综复杂，排摸相当困难，往往造成没人管、没人护的困境。而一旦发生冒、滴、堵、漏的现象还会殃及到周边的老管道，严重的提升了城市的供水成本，造成了水资源的浪费。

1 应用背景

项目概况：西干线服务范围包括石洞口片区蕴藻浜以北地区及蕴藻浜以南、共和新路以西地区，服务面积192.93 km2，服务人口 178.55 万人[1]。新西干线已投入使用多年，由于原管线位置上的地貌发生较大改变高程发生变化、规划道路施工、周边房地产的兴建对部分窨井造成一定损害、甚至被覆盖，窨井盖座损坏等情况，形成了潜在的运行安全隐患。近年来周边片区的纳管增多且错乱无序，无法准确获取各片区排水量数据及水质情况数据。基于以上原因需对新西干线全线干管(支管)的窨井及管道进行检测排摸、更新改造、污水样提取送检。为更好的运行好新西干线提供硬件上的更新和数据上的支持。

2 国内外管道检测机器人

管道检测机器人最重要的部分是行走机构，特意对现今国内外常规的管道机器人的专利以及论文进行相关检索并进行分类研究，得出主要有以下几种。

（1）活塞移动式，运用活塞在汽缸内（类似与油缸伸缩的方式）的移动从而相对运动。其结构的外径略大于等于管道内径，当其经过的流体形成压力差可以克服阻力而运动。

（2）蠕动移动式，其原理设计是模仿昆虫移动。在行走时，分别使左右支撑足上面与管壁接触下面通过管壁接触滚轮使蠕动丝杠左转和右转，使螺母在丝杠上左右移动。

（3）履带移动式，顾名思义履带式类似坦克或者装甲车一类，利用履带增加与地面的接触面提高了该结构在管道中的越障能力，但不适用于有蓄水的管路中进行移动。

（4）足腿移动式，通过一些伸缩杆结构使得足腿压在管壁上，足腿上附有橡胶材料能够增大摩擦力固定在管壁上，从而支撑主体。采用多腿的结构形式，能够使该结构在各类曲线形管道中移动，也可在各种断面形式的管道里移动，其运动较为方便灵活，但控制复杂造价贵。

（5）滚轮移动式，其结构由几个由电机驱动的小轮组成，通过小轮滚动及一些压力杆控制，该形式能够跨越一些小障碍，但由于轮径相对较小，其越障能力也有限[2]。

由于本次项目中所需要检测的是老化的给排水管网，其中部分管网承担了日常城市给排水需求，不能切断给排水，并且管道中可能存在淤泥污秽物堆积，很明显地，国内外的常规管道机器人无法适应于本次项目。

3 Gator-s1 全地形机器人

新西干线主干线及支线管道检测项目中采用了全新形式的管道检测机器人—Gator-s1 全地形机器人。（以下简称Gator-s1）其结构如图 1 所示。

图1 Gator-s1 结构图

其中 Gator-s1 采用螺旋式推进结构，其结构的主要特征是由一对具有弹性的橡胶材料制成的螺旋卷筒构成，螺旋卷筒可像气球般实现充放气并折叠，减小了其运输中的空间便于携带。在两个螺旋卷筒间由连接盘通过转轴进行联接并传动，连接盘也是各类检测设备的搭载界面。该结构有效解决了现有检测机器人在管网中运动的问题，其不仅能良好地适应干管、湿管、也能够在淤泥乃至堆积的污秽物上运动[3]。

两个螺旋推进器的电机转动方向不同,从而分配两个螺旋推进器的螺旋叶片转向,使得车架的行进方式不同。其操作性能较好，在淤泥和污秽物上不容易被绊住。

前进：左右轮旋轮向外侧反向旋转；后退：左右轮旋轮向内侧反向旋转；左转/右侧移：当在比较软质地的淤泥、水、或者沙石上，左右轮同向向右旋转时，产生左转效果；当在硬质地的路面上，左右轮同向向右旋转时，轮旋齿失去作用，整体变成向右侧移效果；右转/左侧移：当在比较软质地的淤泥、水、或者沙石上，左右轮同向向左旋转时，产生右转效果；当在硬质地的路面上，左右轮同向向左旋转时，轮旋齿失去作用，整体变成向左侧移效果[4]如图 2 所示。

图2 Gator-s1 的行进方式

Gator-s1 在检测装备上搭载了 831 A 管道声纳检测系统，是通过发射一定角度和数量的声纳波，声纳波在管道内壁或者各类障碍进行反射回系统的声纳接收器上，在计算机中模拟出反射界的状态并形成图像。声纳检测能检测处细小的管道变形、沉降。由于声纳波的不同介质中能够传播，非常适用于满管、半管、管涌等方面的管道环境。

同时，为了应对本次项目，特别配备了 SP-100 管道潜望镜。这是一款在市政管网检测领域身经百战的高效快检设备。该设备配备高功率的探照灯可控制的高清晰度彩色变焦摄像头，可清晰检测管径 150～1500 mm 的排水管道，检测纵深可达 80 m。通过长度可达 5.4 m 的伸缩杆调节摄像头位置，完整检查管道内部状况。SP-100 系统采用强大的数字视频平台，配有超亮度 LED 系统配置自动对焦，10 倍光学变焦高清晰度摄像头。摄像头采用最新的图像芯片，具有高分辨率的图像采集。且搭配高亮度 LED 补光灯，增加了图像的采集亮度。平台配备多自由度调节的底座，能够 360° 转向，上下 120° 转向。集上述的先进功能为一身，SP-100 能快速、方便地查找出管道故障点。

4 现场检测

在选定 Gator-s1 全地形机器人作为本次管道检测的设备后，进入现场进行检测工作。现在只需打开井盖之后，放入 Gator-s1 及通讯缆线后，在地面上就可以通过遥控平板电脑进行控制。

通过平板电脑的画面，直观的描述管道、渠沟的状态，为维修养护提供决策依据，有效的免除潜水员人工进入管道检测而所需的高额费用和高风险。831 A 数字管道声纳检测仪通过声纳扫面，对管道结构进检测，并和 SP-100 管道潜望镜所采集到的图像进行对比，直观地描述管道的状态。

在干线及支线管道检测项目中，通过 Gator-s1 检测到管道中出现一定的积淤、堵管乃至管道结构发生破损的情况，影响到了城市给排水能力。通过 831 A 数字管道声纳检测仪以及 SP-100 管道潜望镜，精准地检测出管道中出现的状况以及位置，并分析采集到的数据，可以判断管道现场情况，选择更为恰当的修复方式提高了管道疏通工作效率。尤其是对于管道结构修复工作，采集到的声纳数据和图像数据，能判断出管道结构损坏的程度，对于修复方案具有技术指导意义。

5 结 语

在新西干线主干线及支线管道检测项目中，通过使用新型的管道检测机器人 Gator-s1 检测管网的老化程度。Gator-s1 所采用的螺旋式推进结构能够克服管网中苛刻的检测环境，并且配备了 831A 数字管道声纳检测仪以及 SP-100管道潜望镜，传输回大量的声纳数据和图像数据，为管道修复提供了数据支撑，提高了管道修复的效率。

现今城市中存在着大量类似新西干线主干线及支线的老旧管网，在随后的排查工作中，这些管网的环境恶劣，不适合工作人员进入检测，而 Gator-s1 这一类的管道检测机器人能够代替工作人员进入，保证了现场人员的安全，并得到更为准确 的检测数据，提高了管道检测的自动化程度，提高管道修复工作的经济效益。