一種涵洞及管道內部金屬結構安全檢測的設計應用

王洪斌，吳乃紅，孫文慧

（水利部機電研究所，天津 301900）

1 引言

涵洞和管道作為重要的交通和供水設施，承擔著重要的運輸任務。但是，在使用過程中，由于多種因素的影響，涵洞和管道內部的金屬結構可能會出現損壞、腐蝕等問題，給安全運輸和供水帶來隱患。因此，對涵洞和管道內部的金屬結構進行安全檢測變得非常重要。

傳統的涵洞和管道內部金屬結構檢測方法主要是人工巡檢，這種方法效率低、成本高、易出錯。為此，本文提出一種水下金屬結構自動探測系統，通過水下機器人、高清攝像頭、聲吶探測設備和管道檢測軟件的組合，實現涵洞內部及管道內部金屬結構的安全檢測。

水下金屬結構探測是近年來廣泛關注的研究領域，主要用于海洋工程、水下管道、涵洞等領域的安全檢測。該方案采用高清攝像頭和水下機器人相結合，能夠在水下環境中實時監測和探測金屬結構的狀況，大大降低了檢測人員的危險環境，保證了人身安全。實驗結果表明，該系統具有較高的準確性和穩定性，能夠有效地應用于水下金屬結構的探測領域。

2 系統設計

2.1 水下機器人

水下機器人是本系統的核心組成部分，它能夠在涵洞和管道內部進行自主巡航和探測。水下機器人采用全自主式控制系統，能夠根據預設路徑自主巡航，同時根據探測情況進行實時調整。水下機器人是本系統的核心部件，它主要由機體、推進器、控制系統、傳感器、通信系統等組成。機體采用防水、抗壓、耐腐蝕的材料制成，具有較高的機械強度和耐久性。推進器采用多種形式，如螺旋槳、噴水推進器等，可以實現機器人的前進、后退、左右、上下等各向運動。控制系統采用遙控和自主控制兩種方式，可以實現對機器人的遠程控制和自主導航。水下機器人的外殼采用高強度材料制成，具有優異的防水性能和抗壓力性能[1]。

圖1 水下機器人及控制

2.2 高清攝像頭

高清攝像頭是水下機器人的重要配件，它可以拍攝高清晰度的涵洞及管道內部圖像，實現對金屬結構的可視化檢測。本系統采用CMOS 圖像傳感器，具有較高的分辨率和靈敏度，能夠在較暗的環境下進行拍攝。同時，經過圖像處理和識別算法，可以自動識別金屬結構，實現對金屬結構的快速檢測。高清攝像頭是用于獲取管道內部圖像信息的設備。該設備采用全高清模式，能夠獲取清晰的圖像信息，對管道內部金屬結構的損傷、腐蝕等問題進行觀察和檢測。

2.3 聲吶探測設備及技術研究

聲吶探測[2]設備是水下機器人的另一重要配件，它可以通過聲波的反射和回聲，實現對涵洞及管道內部金屬結構的探測和定位。聲吶探測設備采用多波束技術和掃描技術，可以實現對金屬結構的準確定位和距離測量。同時，結合高清攝像頭的圖像處理技術，可以實現對金屬結構的三維重建和形態分析。

聲吶探測設備通過發射聲波信號對管道內部金屬結構進行探測，并將探測結果傳輸給管道檢測軟件進行分析和處理。聲吶探測設備具有高靈敏度、高精度、高穩定性等優點，能夠有效提高檢測效率和準確度。

聲吶探測在水下金屬結構探測中具有廣泛的應用價值。首先，聲吶探測可以實現對水下金屬結構的定位和測量。通過測量聲波的傳播時間和路徑，可以確定水下金屬結構的位置和形狀。其次，聲吶探測可以實現對水下金屬結構的識別和分類。通過分析聲波信號的頻譜、幅度和相位等特征，可以判斷水下金屬結構的材料和類型。此外，聲吶探測還可以實現對水下金屬結構的實時成像。通過將聲波信號轉換為圖像，可以直觀地觀察水下金屬結構的分布和形態。

聲吶探測技術在水下金屬結構探測中仍然存在一些問題和挑戰。由于聲波在水中的傳播受到多種因素的影響，如水下環境的復雜性和水下金屬結構的多樣性，導致聲波信號的傳播路徑和特性難以準確預測和模擬。再有，聲吶探測技術在實際應用中需要考慮能量損耗、噪聲干擾和多路徑效應等問題，以提高探測的精度和可靠性。最后，聲吶探測技術在水下金屬結構探測中的實時成像技術還需要進一步發展，以滿足對水下金屬結構的高分辨率成像需求。

聲吶探測技術作為水下金屬結構探測的重要手段，已經取得了顯著的發展。未來聲吶繼續研究可以從以下幾個方面展開。首先，可以進一步研究聲波在水中的傳播特性和聲吶系統的性能優化，以提高聲吶探測技術對水下金屬結構的探測效果。其次，可以開展聲吶探測信號處理算法的研究，以提高對水下金屬結構的識別和分類精度。最后，可以研究新型的聲吶探測技術，如多波束聲吶和多頻聲吶，以實現對水下金屬結構的高分辨率成像。總體來看，聲波傳播特性、信號處理算法和新型聲吶探測技術等方面展開研究是未來的發展方向，可以進一步提高聲吶探測技術在水下金屬結構探測中的應用效果和精度。

2.4 涵洞及管道檢測系統軟件

涵洞及管道檢測系統[3]軟件是本套系統的關鍵部件，它是數據處理和分析的核心工具。管道檢測軟件主要包括數據采集、數據處理、圖像識別、報警處理等功能模塊。數據采集模塊負責從水下機器人傳回的傳感器數據和圖像數據中提取有用信息；數據處理模塊通過算法處理和分析數據，實現對金屬結構出現缺陷時的自動識別和定位；圖像識別模塊通過圖像處理和識別算法，實現對金屬結構的自動分析；報警處理模塊負責對金屬結構的危險程度進行判斷和處理，及時報警并采取相應的措施。

涵洞及管道檢測系統軟件是用于對聲吶探測設備獲取的數據進行分析和處理的軟件。該軟件能夠自動識別管道內部金屬結構的類型和狀態，并進行分析和評估。同時，該軟件還能夠生成相應的檢測報告，為后續維護和管理提供參考。

3 系統應用

本系統在實驗過程中，準確、快速地檢測出了涵洞內和管道內部的金屬結構，取得了較好的應用效果。在實驗中，本系統實現了對涵洞及管道內部金屬結構的自動探測和識別，同時實現了對金屬結構的三維重建和形態分析，為涵洞及管道的安全檢測提供了有效的技術手段。具有較高的實用價值和推廣前景。在實際應用中，可以通過對水下機器人進行控制，使用高清攝像頭獲取管道內部圖像信息，同時使用聲吶探測設備探測管道內部金屬結構，并將數據傳輸給管道檢測軟件進行分析和處理。該系統具有高效、準確、可靠，還具有體積小、重量輕、成本低等優點，能夠有效保障涵洞內部及管道內部金屬結構的安全。

通過對實際涵洞和管道進行試驗驗證，結果表明本系統應用的水下金屬結構探測方法可以實現對涵洞和管道內部金屬結構的高精度檢測和成像。實驗結果顯示，該方法具有較高的準確性和可靠性。同時降低了人員在水下的操作難度和水下操作人員人身安全危險系數。

4 結語

本文設計并開發了一種水下金屬結構自動探測系統，主要包括水下機器人、高清攝像頭、聲吶探測設備以及管道檢測軟件等部分，具有高效、準確、可靠等優點。實驗結果表明，本系統可以準確、快速地檢測出涵洞內部和管道內部的金屬結構，具有很高的實用價值和推廣前景。

在實際應用中，該系統可以保障涵洞內部及管道內部金屬結構的安全，提高交通和供水設施的可靠性和安全性。未來，我們將進一步完善和優化本系統，實現更高效、更精確的涵洞及管道安全檢測。