水下管道清淤疏浚機器人研究綜述

郭昆鵬,趙銀江,湯家源,尹新彥

（1.中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213；2.北京理工大學珠海學院,廣東 珠海 519088）

近年環境惡化以及持續強降雨是導致城市內澇的一個方面,因此迫切需要增加城市排水管道容量；另外城市居民生活水平提高,城市工業園區發展迅速,生活及工業廢液排放量增大,多年來管道內的淤泥聚集以及泥沙沉降使得主要排水干道的排水能力明顯下降,是導致城市排水管道堵塞的一個重要方面[1]。但是從根本上講是因為城市排水管道排污能力有限。為了解決快速的城市發展與滯后的基礎建設之間的矛盾,我們國家已經開始啟動排水管道整改項目的試點。為了解決這一問題,根本舉措是改造城市排水管道,但是我國城市人均占有排水管道長度0.55米,遠低于發達國家人均4米的水平,采取這種措施需要大量資金以及建設周期冗長,難于即刻緩解大量城市雨季看海的窘態。因此排水管道的清理工作對緩解目前狀態非常重要[2]。

目前我國管道及暗涵清理工作依舊以人工清理為主要的清理方式,即人工下井穿纜或疏通。而城市排水管道和暗涵大多數位于人口以及建筑物密集區域,傳統人工清理作業占地面積大,容易造成污泥灑落地面,污染環境,臭味飄散,給周邊居民生活帶來不便,同時影響市容風貌；再者傳統人工清淤效率低下,而且城市排水管道和涵道的內部環境相當惡劣,氣味難聞,可能存在大量甲烷等有毒氣體,嚴重影響一線作業人員的生命安全。水下管道清淤機器人的研究具有重要的意義,所以水下管道清淤機器人的研究工作已經開始受到研究機構及部分高校的重視[3]。

1 城市排水管道清淤機器人研究現狀及分析

管道清淤疏浚機器人工作環境比較惡劣,按其作業方式可分為遙控清淤機器人和自主清淤機器人。其中自主清淤機器人智能化程度高,作業精準度高,作業費用低等優點,代表了未來管道清淤機器人的發展方向。

1.1 清淤機器人作業通信方式

目前的大多數清淤機器人是遙控作業的,其通信方式一般分為無線通信和有纜通信兩種方式。無線通信方式有ZigBee,無線通信模塊等方式。

在文獻[4]的控制系統采用了3個S7-200 PLC,機器人內部的兩個PLC之間利用電纜通過專用的通信協議PPI實現通信,通過主-從協議實現內部控制。地面控制柜中的PLC與機器人內部PLC之間通過無線通信模塊TWH9236/TWH9238經過編碼和譯碼擴展后進行無線控制通訊。這種無線通訊方式能夠解決機器人PLC之間的數據傳遞,完成地面操作人員與機器人之間的信息交互。這種通訊方式沒有讓地面操作人員獲取管道內的環境數據。

由于城市地下管道內部環境惡劣,管壁對信號具有一定的屏蔽效果,在文獻[5]中設計了一種ZigBee網絡星型拓撲結構,在井口放置一個路由器節點,確保無線數據傳輸穩定,這種通信網絡由于信道容量比較低,所以只能傳輸控制指令等數據。其監控視頻信號由于傳輸數據量大,視頻信號傳輸穩定性難以保障因此選用了無線視頻信號收發器來實現視頻傳輸功能。

在文獻[6]中采用DTD433MA通訊模塊,該模塊支持RS-485通信方式,實現通訊模塊與PLC信號對接。上位機采用WINCC組態軟件,DTD433MA通訊模塊通過MODBUS協議與組態軟件進行數據交互。MODBUS協議通信過程可以通過ASCII、TCP、RTU三種方式進行,這里采用RTU協議進行視頻信號傳輸。清淤機器人控制系統的無線通訊系統采用DTD433MA無線收發模塊,模塊通過RS232/RS485接口與PLC和上位機傳輸通信數據,通信協議采用MODBUS協議。PLC通過接收上位機的操作碼和操作數指令控制相應元件動作,其中操作碼代表需要動作的對象（步進電機、直流電機或者電動缸）,操作數代表被控制對象的動作方式。當PLC接收到數據后先將指令轉存至內存指定區域,然后截取操作碼部分確定被控制對象,再讀取操作數確定動作方式。

對比以上兩種通訊方式,在城市排水管道中,由于涵道淤泥聚集,清淤機器人在狹窄的排水管道內部作業時,如果采用有纜作業,機器人就需要拖帶動力電纜和信號電纜進行作業,一般兩個工作豎井之間的管道長度為60~100米左右,因此需要清淤機器人完成30~50米以上管道內的行走。隨著機器人行走距離的增加,電纜也隨之變長,此時電纜與涵道管壁產生很大的摩擦力,會影響清淤機器人的正常工作,嚴重影響清淤作業效率。相比之下,采用無線通信的清淤機器人一般工作時所需的能量由自攜式蓄電池提供,省去了沉重的線纜,簡化了系統的結構,提高了機器人的作業行程及運動靈活性。

1.2 清淤機器人作業方式

在暗涵清淤工程中,人工清淤的難度大,效率低,存在一定的人身安全危險隱患。在清淤的過程中還容易造成二次污染,難于滿足現代工程中要求的安全文明施工的要求。引入清淤機器人后在很大程度上解決了這個問題。與人工清淤作業方式不同,當前機器人清淤的作業方式一般分為絞吸式[7]、耙吸式[8]、泵吸式、鏟挖式等。

在文獻[9]中,管道清淤機器人采用耙吸式清淤作業,在清淤機器人行進過程中,通過前耙吸螺旋槳,把淤泥匯集到集污罩中,耙吸作業單元的正反螺旋把淤泥輸送到泥漿泵進口,經格柵過濾掉大塊磚石瓦礫后,吸入的樹枝等雜物被粉碎刀齒絞碎,然后進入淤泥輸送系統。這種方式通過管道疏通污泥到地面處理工作站,全程淤泥不落地,滿足安全文明施工的要求。

鏟挖式作業與人工清理方式比較相像,在文獻[7]中采用鏟斗式清理,清淤斗每次完成清理10kg淤泥的任務,同時需要舉升翻轉機將裝有淤泥的清淤斗舉起,翻轉。這種清理作業方式需要管道具有一定的高度空間,比較適合于具備有提升裝置的開放式清淤環境。鏟挖式作業在進行地下管道內的淤泥清理時往往不具備空間上的優勢和將淤泥運送出管道的優勢,往往需要將水排放干凈,難以在深水下作業。

1.3 機器人在管道內運動方式

管道清淤疏浚機器人在作業時,需要克服管道內淤泥對機體運動的阻礙,如果有纜工作的話,還要拖動通訊、動力源線纜在管井中運動,因此清淤機器人的運動機構對實現管道清淤根據清淤機器人的行走方式不同分為蠕動式、足式、輪式、履帶式等。

（1）蠕動式管道清淤機器人

蠕動式管道清淤機器人是像蛇一樣利用蠕動的方式行進的器人,文獻[10]中主要是通過機器人肢體的摩擦左右扭動來行走,機器人先是收縮前半部分身體,而后利用腹部的摩擦力帶動后半部分身體前進,最后再展開已經收縮的前半部分身體,從而實現了蠕動前進的目的。蠕動式管道清淤機器人的運動空間較小,能夠在管道直徑比較小的管道內行走,但這種行走方式為間歇性直線運動,移動速度緩慢,且結構比較復雜,實現難度高。這種行進方式的牽引力較低,在進行負載作業時比較困難,如果是有纜清淤機器人的話,會讓行進效果再打折扣,甚至難以實現實際清淤需求。采用這種行進機構的機器人多應用于管道檢測與探測等。

（2）輪式管道清淤機器人

一般而言,輪式管道清淤機器人采用對稱分布式的行走機構,采用車輪緊貼壓緊在管道內壁表面,以便能夠對管道內壁產生較大壓力,采用輪式結構的管道機器人具有爬坡能力強的優點,可以在傾斜的排水管道中行走,甚至可以在管道豎井里行走。文獻[10]中設計實現了一個四足對稱結構的輪式機器人,每個機械足由伸臂、展臂、電機、車輪構成。展臂上固定車輪,通過伸臂實現展臂與機器主體底盤的連接。展臂與伸臂實現了驅動裝置與機械主體的連接；機器人的兩側車輪分別正反轉,可以讓機器人整體繞著底盤中軸做圓周運動,從而實現轉向。輪式驅動因在直管中具有拖動力大、效率高、運動平穩和結構簡單等特點而成為管道機器人的常見驅動方式[4,6,11]。不足之處是,一般適應于小型管道清淤,不適合大型管道或者涵洞（橫截面為矩形）類型的排水管道。

（3）履帶式管道清淤機器人

另一種常見的管道機器人行走方式為履帶式[3]。履帶式管道機器人包括履帶行走部分、控制器、車載傳感器和通訊系統,其履帶裝有轉向裝置,能夠靈活前后移動以及左右轉向。履帶式管道清淤機器人的履帶與管道的基礎面積大,具有較好的附著性,越障能力強,在淤泥較多的管道內也能正常行走,但受身體的質量、行走速度的限制,履帶式管道清淤機器人主要應用于大中型排水管道。

2 清淤疏浚機器人發展趨勢

水下管道清淤疏浚機器人的設計和研究,國內外目前尚未取得較大的進展。我國的水下清淤疏浚機器人已經走在世界發展的前列,但仍存在能耗高,功效低,功能單一的問題,縱觀目前水下管道清淤疏浚機器人的狀況以及市場需求,該類型機器人的發展存在以下幾個特點：

（1）產品將更具有多樣性。在不同的應用場景下,不一樣的管道內的淤泥類型都不一樣,因此需要將該類型產品在設計上更專業,對不同的場景設計不一樣的機器人。

（2）智能化程度越來越高。當前的清淤疏浚機器人在使用過程中,人工參與的程度還是比較高的。在將來的發展中,清淤機器人將越來越智能,機器人上裝載的傳感器數量會越來越多,隨著5G技術的發展以及北斗系統的進一步民用化,清淤機器人甚至可以自動識別和記錄路徑,既可以手動控制也可以自動控制完成既定的任務。另外大數據和云服務技術越來越成熟,也可以通過物聯網技術向云端傳輸各種場景下的數據,不光可以實現近距離下的遙控器遙控,又可以通過互聯網進行遠程監控。

3 結束語

現有排水管道清淤機器人的技術還不是很成熟,當前排水管道清淤機器人都是遙控型機器人,都不具備自主行走的能力。在清淤過程中,工作人員需時刻關注機器人的狀態,容易疲勞。隨著管道清淤機器人智能化技術的不斷發展,智能排水管道清淤機器人一定能夠應用于實際。而智能管道清淤機器人的核心是智能控制算法,因此,其關鍵技術就是要選取合適的智能控制算法。智能管道清淤機器人具有自主行走能力[12],可降低工作人員的勞動強度,提高清淤效率和質量。