對牽引式排水管道清淤機器人的研究

吳立新

（淮北市園林管理局，安徽 淮北 235000）

隨著人工智能的發展，人們開始將人工智能運用在清淤工作上，完成人類清淤的任務，減少人類在清污過程中傷害的同時，提升清淤的效率。筆者引入牽引式排水管道清淤機器人，充分運用現代先進技術，構建智能化的清淤設備，解決人工清淤的眾多難題，并進行相應的管道檢測，及時發現并維修管道中的問題，提升排污水的效率，為增強城市的服務能力添磚加瓦。

一、牽引式排水管道清淤機器人的研究背景

“雨后看海”成為網絡中熱議的現象。這種現象的背后顯示出我國地下管網建設的不健全，這也造成了嚴重的安全隱患，人們字雨后墜入排水井蓋下水道的現象屢見不鮮。針對這種狀況，各級政府十分關注城市排數系統的建設，并向此環節進行投資，完善國家的地下管道建設。通過調查，發現我國將近有80%的排水管道中有沉積物，其中60%以上的排水管道沉積物厚度是管道直徑的40%，這也嚴重影響了城市排水功能。由此可見，當前清淤工作成為排水建設的重中之重。筆者注重將一種新型的牽引式排水管道清淤機器人引入日常的清淤工作中，為提升城市的服務能力帶來新的可能。

二、清淤機器人的關鍵技術

我國排水管道直徑大小不一，最小的為300mm，最大的為2000mm。與地面垂直的排水管道直徑為680mm。由于排水管道的直徑大小不同，對清淤機器人的尺寸、行走方式等等提出較高的要求。與此同時，在設置清淤機器人的內部結構時，相關設計者可以采用組合式結構，即將清淤裝置與清淤機器人車體進行分離，在保證機器人獲得足夠動力的同時，利于機器人的安裝。此外，設計者需要考慮清淤機器人的內部電機尺寸以及電機所能提供的電流。更為重要的是，設計者可以關注清淤機器人的控制系統，要結合管道的客觀狀況進行相應的指令的設計以及行走速度的控制等等。為了增強清淤工作的平順性，設計者應該設計相應的輔助設備，比如監控設備，提升清淤效率。密封性也是清淤機器人設計的關鍵性技術。假如污水滲入機器人的內部，不僅會造成控制電路的短路，甚至會加重清淤工作量。為此，設計者需對清淤機器人的關鍵部件進行密封，比如，對一些活動關節，設計者可以采用動靜結合的密封方式。此外，筆者注重構建出兩種牽引形式：形式一，自主式牽引形式。形式二，被動式牽引形式。

三、本文清淤機器人研究的主要結構

設計者注重從水下機器人的清淤結構、機器人的主體以及機器人操作系統三個方面入手，進行此部分內容的介紹。

在水下機器人的清淤結構方面，筆者將其設計成四大部分。第一部分，前鏟主體。前鏟體有兩個功用。功用一，起到固定清淤結構的作用。功用二，提高吸附沉積物量的功用。這個部分是一個不規則的容器。第二部分，水槍。此水槍的高度可調節，將淤泥沖散到水中，減少淤泥阻塞排水管的作用。第三部分，攔污柵。攔污柵的作用是將一些直徑過大的物體過濾在外邊。值得注意的是在攔污柵的下端有一個尖角形狀的舞臺，其可以吸起板結沉積物，并在水槍的輔助作用下，將沉積物打散，并吸出。第四部分，吸污口。此部件的功能是將溺水混合物吸出。

在機器人主體結構部分，筆者結合實際工作需要，以及個人掌握的技術，從設計出九大部分。第一部分，機體主體。機器主體是有結構框架與底盤焊接而成。結構框架主要是為機器人中的相關部分提供必要的支撐。底盤主要是為機器人提供行走動力，該底盤采用液壓馬達，最大可以進行40 度的爬坡，行進速度在每分鐘4 米到6 米之間。第二部分，渣漿泵。此泵的作用是提供攪碎污物的動力。它的功率是18.5 千瓦，揚程是20 米，并帶有鉸刀裝置。第三部分，高壓水泵。高壓水泵的作用是利用水體，形成高壓區域。它的功率為11 千瓦，揚程為40 米。第四部分為接線盒。接線盒主要是梳理各個線路的電線，并將這些電線接到對應的裝置上。第五部分，液壓動力站。此部分主要適用于提供動力。提供動力的對象為前鏟油泵和履帶。第六部分，機器人控制箱。它主要起到控制以及傳輸的作用，可以控制機器人的動作，傳輸機器人傳感器上的數據。第七部分，高清水下攝像頭。此攝像頭可以輔助工作人員看清機器人的工作環境。第八部分，LED 照明燈。此照明燈具有較強的防水性和穿透性，可以為水下錄像提供相應的光源，提升清淤的效率。第九部分，聲吶。聲吶的作用主要是判斷機器人與障礙物之間的距離，提升施工的效率，保證施工的安全。

在機器人操作系統方面，筆者設計八大部分。第一部分，聲吶系統。聲吶系統的作用是測量機器人與障礙物之間的距離，并搜集機器人各個方位之間的距離信息，將其傳到機器的操作系統中，并進行數據的處理，向執行裝置發射相應的信息，執行相應的動作。本文中機器人的反應時間不能超過1 秒。第二部分，液壓系統。此系統主要是向CPU 傳遞液壓運動以及壓力差數據，進而判斷機器人的運動狀況。第三部分，三維姿態系統。三維姿態系統像是機器人的眼睛，有利于施工者觀看機器人的運動狀況，比如翻滾、傾斜等等，及時調整機器人的狀態。第四部分，工作狀態檢測系統。此系統以搖桿動作以及液壓壓力大小以及變化為依據，判斷機器人的運動狀態。第五部分，氣體檢測系統。氣體檢測系統的作用是檢測下水管道中是否含有有毒氣體、管道中的氣體濃度，增強清淤工作的安全性。第六部分，超聲波測距系統。此系統的作用是在排水管中沒有液體的狀況下，測量機器與障礙物之間的距離，其測量的速度快，精度高。第七部分，深水監測系統。此系統進行工作的主要設備是水深傳感器。此傳感器的作用是檢測機器人在排水管中所處的位置，將相應的數據傳到CPU中，顯示在界面上。第八部分，操作箱溫度檢測系統。為了讓機箱可以在適宜的溫度下工作，清淤機器人需要配有專門的溫度檢測系統。本文中的溫度檢測系統名稱為操作箱溫度監控系統。

值得注意的是：在實際的運用鋼絲繩遷移過程中，筆者根據實際的工作狀況，進行相應的運動力學分析，設計出鋼絲繩牽引裝置，從而減少機器人在運動過程中的阻力，提升機器人的有載清淤動力。

四、清淤機器人的工作流程

（一）排查

排查的作用是匯總與清淤相關的數據，為后續清淤規劃工作的制定提供相應的依據。本文中的數據包括以下幾點。第一，沉積物。相關工作人員需要判斷沉積物的種類、所在位置以及厚度。第二，箱涵。工作人員需要得到箱涵的位置、走向以及實際尺寸信息。第三，氣體、液體。相關人員需要知曉下排水管中的是否含有氣體（氣體成分以及濃度）、液體（液體的成分以及濃度）。第四，水電配套。相關工作人員需要了解下排水管附近的水電配套設施。

（二）規劃

本文中的規劃注重從影響相應的因素、時空的選擇以及設備的運用三方面介紹。在影響因素方面，施工者需要考慮清運的條件、當地的交通及環保、城市管理狀況等等。在時空的選擇方面，施工者需要明確施工的具體位置，減少施工位置變化的次數，從而減少相應的經濟成本。在設備運用方面，施工者需要合理布置相應的設備，比如動力線纜、脫水及接收設備、清水回流管路、排污水管以及控制箱。

（三）清淤

在安裝上述設備后，相關工作人員可以進行如下的操作。首先，判斷氣體。工作人員將設備放到下排水管中，并打開相應的視覺設備，比如LED 燈、高清水下攝像頭以及工控機，測量下水管中的氣體成分。假如，氣體中含有有毒氣體，則需要運用強行通風設備，清除下水管中的有毒氣體，進而將相關工作人員的身體危害降到最低。其次，開展清淤。在實施清淤中，機器人通過前鏟將沉積物打散，并在渣漿泵的作用下，將這些沉積物輸送到地面。在地面操作過程中，相關工作人可以進行單人操控，即運用機器人的報警、監控以及動作功能，進行地面清淤工作。值得注意的是，在機器人進行前進的過程中，相關人員需要事先對在排泥管以及電纜上安裝相應的管道附體，從而減少這些管道在運行過程中的阻力，提升清淤的效率。

（四）脫水

脫水的作用是減輕運輸的重量，減少不必要的能源浪費。在現階段比較成熟的脫水方式有帶式脫水、真空式脫水、離心式脫水、半框式脫水。在本文的清淤機器人設計中，筆者使用離心式脫水的方式。這種方式的優勢在于：第一，體積小。離心式脫水機的體積較小，可以安裝在管道的末端。第二，操作方便。這種機器安裝在機器的末端，可以讓清水就近流入排水區域，使得污泥進入到運輸車中。第三，具有較強的工作能力，比如，密封性好（減少臭味的溢出）、工作持續性好。

（五）清理

在沉積物清理過程中，施工人員以淤泥顆粒物的大小為標準采用不同的清淤方式。在初步過濾的過程中，施工人員根據防堵泵攔污柵孔的大小進行沉積物的處理。假如沉積物比攔污柵孔小，則可以直接進行處理；假如沉積物比攔污柵孔稍大，則需要運用鉸刀，切割這些沉積物，完成預料的清理。眾所周知，在市政排水管建造過程中，會出現很多的建筑垃圾、生活垃圾以及生態垃圾（比如樹根）等，施工人員可以運用吊車連接抓斗，將沉積物抓取到相應的運輸車中。由于抓斗具有伸縮的特性，所以可以更為高效和靈活地進行相應沉積物的抓取工作。

（六）簡介整體工作流程

第一步，輸送管道內部。施工人員操作設備，運用牽引繩將清淤機器輸送到管道內部。第二步，輸送到指定位置。施工人員根據清淤機器的所處設備以及周邊情況，準確將清淤機器輸送到制定的位置。第三步，開展清淤作業。施工人員進行牽引鋼絲繩，讓清淤機器靠近沉積物，并將沉積物進行打碎，以及脫水處理，將其放入到清淤斗中，保持清淤斗口朝上的位置。與此同時，施工人員操作牽引鋼絲繩，進行拖拽動作，并經過一系列動作，將沉積物輸送到運輸車上，最終完成清淤作業。

總而言之，清淤機器人在下排水管的運用過程中可以減少人工作業對工人的傷害，提升工作效率。但是，相關工作者也意識到中國下水管較為復雜的狀況，需要不斷地在清淤機器上引入新技術，進項相應設備的改造，真正增強清淤機器人工作的適應性，提升清淤水平。與此同時，相關工作者應注重提升個人的專業能力，注重學習各種先進的科學技術，并將其真正與清淤工作融合，提升清淤工作的效率，為城市的發展構建美麗的“地下藍圖”！