管中窺漏

秦鈺陽

屠德展團隊的實驗室位于浙江大學玉泉校區第十教學樓，在這間被實驗器材和幾臺電腦堆得有些擁擠的房間里，幾個銀白色金屬球靜靜地立在桌子上。這幾個直徑僅十厘米、其貌不揚的球形機器人就是曾連續兩屆獲得日內瓦國際發明展最高榮譽、第十五屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽特等獎以及第四屆浙江省“互聯網+”大學生創新創業大賽金獎等榮譽的作品——城市供水管網泄漏檢測機器人系統。

破解管內泄漏檢測技術難題

城市地下管網是城市運轉和社會各行業發展的重要基礎設施。而管道漏損問題一直是業內難題，如何在漏損后快速定位排查漏損位置減少損失，是一個極具挑戰性的工作。然而，目前仍多采用人工聽音檢測法，要求聽漏工挨個排查泄漏點，費時費力。而固定傳感器的方式，需要在管道表面鋪設大量傳感器，造價昂貴。尤其是對于小泄漏的檢出，泄漏特征微弱，管外檢測方法受到一定的限制。盡管國外已有相關管內檢測機器人系統，但是價格高昂，而且受防水抗壓等級約束，應用場景相對單一。

浙江大學控制科學與工程專業2016級碩士研究生屠德展自入學以來，在侯迪波教授指導下，致力于城市供水管網漏損檢測系統研究。經過不懈努力，屠德展帶領其團隊設計的一種全新形態的管道機器人系統，讓傳統的管外人工聽診誤判漏判的問題得到有效解決，為中國城市供水管網漏損檢測沖出了一條技術創新之路。

屠德展團隊研發的第一代管內泄漏檢測裝備，為一個外徑僅10厘米的球形檢測裝置，內部集成了多傳感器系統、信號調理模塊、慣導模塊、微處理器、通信模塊、存儲模塊、電源等。就是這么小小的一個圓球，可以完成從管內泄漏信號的采集、存儲、傳輸和定位這一全過程。而第二代管內泄漏檢測機器人原型系統，加強了內部處理器性能，并添加了可變形機械臂，不僅可以在運動過程中在線識別泄漏點，還能固定在管道內壁對小泄漏進行初步的修復。

與管道外部相比，管道內部的環境條件更加復雜，如何在漏損后快速定位排查漏損位置減少損失，是一項極具挑戰性的工作，也是屠德展團隊發明的管道檢測機器人的技術難點所在。

目前國內外相關領域對管內泄漏點的近場聲場特性了解較少，水流聲、氣泡聲、閥門開關聲、環境聲等各種混合聲音都會影響檢測效果。屠德展團隊嘗試了很多種傳感器及其不同組合的檢測效果，創新性地提出了多傳感器數據融合方法，用自主研發的機器學習分類識別系統提取分析管道內不同聲音特征，獲得了更加準確的管道泄漏檢測效果。此外為了更好顯示泄漏點在復雜地形環境下的位置，屠德展在短時間內自學知識，開發了一種管道三維建模與定位系統，該系統通過機器人內部搭載的慣性導航裝置和管道外壁輔助定位標簽進行組合定位，以三維立體圖像形象地展現地下管線的埋深、形狀及走向。

屠德展說：“我們已經和多家水務公司達成合作意愿，甚至有海底管道方面的公司也來洽談合作，現在的海底管道輸送，一旦發生泄漏，只能找潛水員在水下一段一段摸排過去，成本很高，又非常危險。”

得益于母校和導師，項目從零到一

作為浙江大學控制科學與工程專業碩士研究生，屠德展總結，“自動化控制是一個多學科交叉的專業，管道檢測機器人研發涉及到的一些技術大多在專業課程范圍內，比如說算法層面的分析、集成電路的開發、傳感器的應用等，專業學習對我自己的發明創造幫助很大。”屠德展說。制造機器人涉及面極廣，從外部的機械、硬件到內部的數據處理、多樣化定位系統，再到最后呈現的數據可視化，多學科專業知識相互交織，缺一不可。

進入到浙江大學智能環境感知與控制實驗室后，屠德展師從侯迪波教授，開始了管道機器人裝備的研究工作。具體研究方向涉及檢測技術與自動化裝置、物聯網技術、機器學習方法等領域。在導師的指導下，屠德展和他的團隊結合自身專業特長，在2016年提出了一種用于供水管網漏損的管內檢測方法，也就是現在的管內泄漏檢測機器人的雛形。“當時設想是開發一種攜帶傳感器的管內檢測裝置，能在封閉帶壓的供水管道內部采集數據，進而分析是否存在泄漏事件。當時第一個原型系統非常簡單，采用3D打印的外殼，內部傳感器相對單一，硬件電路的集成度也比較低，但該設備采集的數據卻非常可靠。進行多次實驗后，我們驗證了該技術路線的可行性。就這樣，在導師的指導下，我們逐步完善了技術方案，該項目也一步一個腳印開展下去。”屠德展對實驗室的支持充滿感激，因為在項目從零到一的過程中，導師不僅提供了理論方面的指導，還支持學生搭建起復雜的實驗系統，理論聯系實踐，讓團隊同學有了更多的成長。

除了專業學習和導師指導，浙江大學濃厚的創新創業氛圍和相關政策的支持也讓屠德展獲益良多。

在學校的支持下，屠德展團隊參加了“挑戰杯”、“互聯網+”等多項重要賽事并獲得佳績，“在參賽過程中，我們潛移默化地提升了科技論文寫作、學術報告等能力，充分達到了以賽促學的效果。另外，學校也非常鼓勵我們完成科技成果轉化的最后一公里，從商業計劃書的輔導到資本對接，項目孵化路上的各個方面都會提供指導。”屠德展說。