蔣益巧+范臻

摘要： 20世紀(jì)70年代后，出現(xiàn)了多種管道病害檢測(cè)的技術(shù)，避免了一些傳統(tǒng)管道檢測(cè)方法的局限性。然而直到目前，這些技術(shù)仍然各有優(yōu)點(diǎn)和不足。經(jīng)過(guò)調(diào)研，該文概括并比較了超聲反射單脈沖距離檢測(cè)法、多種傳感器的管道機(jī)器人控制、通過(guò)二維激光掃描獲得三維圖像的檢測(cè)法和基于主動(dòng)式全景視覺(jué)傳感器的管道形變和內(nèi)部缺陷檢測(cè)等四種常見(jiàn)的管道病害檢測(cè)技術(shù)。我們發(fā)現(xiàn)，在管道病害檢測(cè)方面，早先的超聲波、漏磁、渦流等手段存在效率低、不可視等諸多局限性。而隨著科技的發(fā)展，多傳感器、視頻法、三維重構(gòu)等方法將逐漸成為重要的檢測(cè)手段。然而這些檢測(cè)手段的傳統(tǒng)處理方法往往仍不能取得理想的效果，因此，在如何獲取和處理數(shù)據(jù)等方面都還需要不斷地探索和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：管道；病害檢測(cè)；優(yōu)點(diǎn)；局限性；調(diào)研

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）35-0258-03

管道病害檢測(cè)，是指利用攜帶傳感器、在管道內(nèi)部行走的一體化系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)管道內(nèi)部表面腐蝕、裂縫破損、淤泥堵塞、坍塌等病害的過(guò)程。該系統(tǒng)在工作人員或計(jì)算機(jī)的控制下，能夠進(jìn)行一系列檢測(cè)或者作業(yè)。

新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度迅猛，管道的數(shù)量和空間日益復(fù)雜。因此傳統(tǒng)的管道檢測(cè)方法呈現(xiàn)出了很多局限性，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代管網(wǎng)檢測(cè)的要求。

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，一系列的管道病害檢測(cè)方法開(kāi)始出現(xiàn)。管道病害檢測(cè)的研究在德國(guó)和日本等國(guó)家開(kāi)展得比較早、發(fā)展較快，并且代表著管道機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著科技的發(fā)展，尤其是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，城市地下管道的檢測(cè)出現(xiàn)了新的思路，病害檢測(cè)方法開(kāi)始出現(xiàn)多元化、先進(jìn)化。

1 管道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展目的和現(xiàn)狀

管道在使用過(guò)程中，常由于腐蝕、壓力以及其他外力損傷等因素造成如表面腐蝕、裂縫破損、淤泥堵塞、塌陷、焊頭錯(cuò)位等病害，因此需要定期檢查、清洗、維護(hù)以延長(zhǎng)使用壽命，來(lái)預(yù)防安全事故。但傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，即完全依靠人力的管道病害檢測(cè)，往往效率甚低，并且可能危害檢測(cè)工人的生命。

隨著科技發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)于管道的表面腐蝕、裂縫破損、淤泥堵塞、坍塌等病害的檢測(cè)技術(shù)，出現(xiàn)了利用超聲波、漏磁、渦流以及射線等信號(hào)的無(wú)損檢測(cè)法，以及近些年發(fā)展起來(lái)的利用光電技術(shù)的視覺(jué)檢測(cè)法。

在國(guó)內(nèi)較普遍使用的技術(shù)是讓工人用肉眼觀察機(jī)器人所攜帶的攝像頭在管道內(nèi)拍攝的圖像，但這種方法人工勞動(dòng)強(qiáng)度較大、智能性不夠。而近年來(lái)國(guó)外市政管網(wǎng)維護(hù)和檢測(cè)的主要探測(cè)技術(shù)，是一種采用機(jī)器人控制技術(shù)的產(chǎn)品。它可以探測(cè)管道內(nèi)部，也能夠提供具體的量化數(shù)據(jù)，從而檢測(cè)和鑒定管道的病害情況。對(duì)于此類設(shè)備在我國(guó)起步較晚，又由于引進(jìn)設(shè)備價(jià)格昂貴，因此普及率不高。

基于管道出現(xiàn)病害的復(fù)雜性，檢測(cè)難度也在不斷加大等原因。如何替代人工繁瑣的檢測(cè)方式，設(shè)計(jì)管道機(jī)器人識(shí)別病害，并將病害信息傳送給主操作人員，同時(shí)提高檢測(cè)靈敏度，優(yōu)化無(wú)損檢測(cè)性能，成為當(dāng)今最大的難題。因此，自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)病害的管道機(jī)器人發(fā)展具有極大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 幾種管道病害檢測(cè)技術(shù)及其優(yōu)劣勢(shì)

（1） 超聲反射單脈沖距離檢測(cè)法

超聲波檢測(cè)法利用的是超聲波的脈沖反射原理。檢測(cè)時(shí)探頭向管道壁垂直發(fā)射超聲脈沖，探頭首先接收到反射自內(nèi)表面的脈沖，然后再接受到反射自的脈沖，這兩者之間的間距反映了壁厚（如圖1）。

通常，利用超聲反射單脈沖檢測(cè)法的機(jī)器人工作時(shí)，會(huì)對(duì)管道進(jìn)行全程的數(shù)據(jù)記錄，并根據(jù)測(cè)距數(shù)據(jù)確定缺陷深度；同時(shí)用相鄰傳感器和里程輪確定缺陷的走向、尺寸和缺陷在管道上的位置分布。

參考文獻(xiàn)[1]中所用的超聲波單脈沖檢測(cè)方案，檢測(cè)數(shù)據(jù)量小，其檢測(cè)靈敏度可達(dá)10mm×10mm×1mm（長(zhǎng)×寬×深）的缺陷，并存在諸多優(yōu)勢(shì)：

① 適用于多種材料的檢測(cè)，對(duì)病害定位較準(zhǔn)確、檢測(cè)速度快、成本低、對(duì)人體無(wú)害；

② 探頭陣列方式使得檢測(cè)較為全面；

③ 降低了缺陷數(shù)據(jù)量，提高了缺陷檢測(cè)靈敏度，一定程度提高了檢測(cè)效率。

然而，同時(shí)也存在一定劣勢(shì)：

① 存在一定盲區(qū)，對(duì)近表面缺陷和薄壁的管道并不適用；

② 對(duì)層疊、分層和裂紋的探傷分辨力高，而對(duì)單個(gè)氣孔的探傷分辨力則很低；

③ 缺陷回波與缺陷取向有關(guān)，導(dǎo)致可能漏檢。

（2） 利用多種傳感器的管道機(jī)器人控制技術(shù)

多種傳感器的管道機(jī)器人，是指協(xié)調(diào)激光傳感器、傾角傳感器、攝像頭等各類傳感器，來(lái)進(jìn)行管道作業(yè)的一體化系統(tǒng)。

例如文獻(xiàn)[2]中提出的管道機(jī)器人，利用激光傳感器、傾角傳感器、CCD傳感器、電壓電流傳感、位移傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器等主要實(shí)現(xiàn)了如下功能：機(jī)器人把管道內(nèi)采集的視頻圖像實(shí)時(shí)傳回，以便現(xiàn)場(chǎng)工作人員根據(jù)實(shí)時(shí)信息對(duì)機(jī)器人各個(gè)系統(tǒng)部件進(jìn)行控制。

該管道機(jī)器人各個(gè)傳感器的功能如下：

激光傳感器為工作人員觀測(cè)到的裂縫破損位置進(jìn)行定位；通過(guò)起點(diǎn)和終點(diǎn)間旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)出的裂縫破損處轉(zhuǎn)過(guò)的弧度，和激光傳感器測(cè)出機(jī)器人到管壁的距離，可以大致得到管道裂縫的長(zhǎng)度。

CCD攝像頭則負(fù)責(zé)有線傳輸圖像，使工作人員了解機(jī)器人的全局狀態(tài)，以便進(jìn)行控制。

位移傳感器可以幫助運(yùn)動(dòng)定位，傳回的數(shù)據(jù)交給控制器分析，可完成小范圍的內(nèi)的自主控制，保證有效和流暢的運(yùn)動(dòng)。

另外，各類檢測(cè)傳感器則保護(hù)了整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。例如，位于機(jī)器人底部的傾角傳感器幫助系統(tǒng)檢測(cè)了管道的埋設(shè)走向。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]筆者的研究認(rèn)為，該種控制技術(shù)從與國(guó)外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)的對(duì)比看，達(dá)到了同類產(chǎn)品國(guó)際先進(jìn)水平；其產(chǎn)品也在銷售中取得了客戶的認(rèn)可。

但這種依靠多個(gè)傳感器的傳統(tǒng)視頻法存在不足是：endprint

① 協(xié)調(diào)控制命令與運(yùn)動(dòng)的時(shí)間差，和機(jī)器人需要變化視角來(lái)拍攝的過(guò)程，導(dǎo)致機(jī)器人行進(jìn)速度緩慢；

② 對(duì)多傳感器的控制命令所需的時(shí)間難以估算，因此對(duì)同時(shí)到達(dá)的控制數(shù)據(jù)的處理還有待進(jìn)一步解決；

③ 此種設(shè)計(jì)仍然工作人員仍需要用肉眼來(lái)監(jiān)視和分辨，智能性不夠高。

此外，由于管道檢測(cè)機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜，需要檢測(cè)的因素多，因此未來(lái)的設(shè)計(jì)也許還應(yīng)當(dāng)考慮到聲吶、氣體等更多傳感器的應(yīng)用；系統(tǒng)還應(yīng)增加用戶訪問(wèn)權(quán)限控制，以提升系統(tǒng)的安全性。

（3） 通過(guò)二維激光掃描獲得三維圖像的檢測(cè)法

二維激光掃描儀可以根據(jù)激光在介質(zhì)中傳播的時(shí)間和速度，計(jì)算出每個(gè)激光直射點(diǎn)的位置。對(duì)掃描儀進(jìn)行旋轉(zhuǎn)采集物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)掃描到的數(shù)據(jù)和內(nèi)部?jī)A角傳感器的傾角數(shù)據(jù)，就可計(jì)算出點(diǎn)云中每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，獲得完整的三維曲面。

參考文獻(xiàn)[3]中便采用了二維激光掃描儀UBG-04LX-F01。如圖2所示為激光掃描儀對(duì)管道內(nèi)壁數(shù)據(jù)的采集示意圖。

研究者利用 ICP 算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分段三維重建，并進(jìn)行了拼接匹配。如圖3所示為單個(gè)視點(diǎn)的管道的三維重建結(jié)果。圖中管道的裂痕可以被檢測(cè)到，因此用三維重建的方法對(duì)管道裂縫的檢測(cè)是有效的。

這種用三維重建進(jìn)行病害檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于：

三維重建使得管道的真實(shí)形狀得以還原，可以通過(guò)放大、旋轉(zhuǎn)等方式對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)更多的潛在危險(xiǎn)。

但同時(shí)，這一方式還有值得提升的關(guān)鍵：

① 對(duì)于管道的建模分析技術(shù)和控制技術(shù)需要提升，以達(dá)到更實(shí)時(shí)、更精細(xì)的三維重建；

② 利用更多傳感器例如濕度、溫度傳感器能幫助系統(tǒng)獲得更多準(zhǔn)確的信息；

機(jī)器控制方面，要增加機(jī)器人側(cè)翻的一些措施。

（4） 基于主動(dòng)式全景視覺(jué)傳感器的管道形變和內(nèi)部缺陷檢測(cè)、分類

上面談到，傳統(tǒng)的視頻法，即通過(guò)攝像機(jī)拍攝圖像的方法，存在一些不足：攝像頭需要不斷變化視角才能完成一個(gè)截面的拍攝；爬行器的行進(jìn)速度不宜超過(guò)0.2m/s；操作較為繁瑣，檢測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)。

而全景成像技術(shù)的興起很好地提高了三維測(cè)量和場(chǎng)景重構(gòu)的效率。在基于全景成像的管道檢測(cè)方法中，一種基于圓結(jié)構(gòu)光視覺(jué)的技術(shù)可以有效地統(tǒng)籌激光器和攝像頭采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型得到管道內(nèi)壁的完整信息。

本方法源于文獻(xiàn)[6]的管道視覺(jué)檢測(cè)機(jī)器人，如圖4，其硬件核心ASODVS包括了單視點(diǎn)ODVS、全景激光發(fā)生器、照明LED。

利用單視點(diǎn)ODVS和照明LED可以獲取管道內(nèi)壁的全景圖像（圖5（a）），根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型展開(kāi)后得到圖5（b）。利用一系列對(duì)比度提升、二值化等圖像處理手段，便能獲得更清晰的疑似管道內(nèi)部裂縫或腐蝕的邊緣。由于腐蝕和裂縫類缺陷相應(yīng)的幾何特征有較大的區(qū)別（比如腐蝕的圓形度較大，裂縫的圓形度趨于0等等），可以計(jì)算這些特征來(lái)對(duì)不同的缺陷進(jìn)行分類。

同時(shí)，此方法不僅可以檢測(cè)管道內(nèi)部的缺陷，也可用來(lái)可以檢測(cè)管道形變，并且進(jìn)行管道內(nèi)壁曲面三維重構(gòu)。在文獻(xiàn)[7]中，作者提出了根據(jù)管道壁上投射出的圓錐結(jié)構(gòu)光，獲得管道壁三維曲面的一種數(shù)學(xué)模型。

激光發(fā)生器在管道內(nèi)表面形成的明亮光條，是一個(gè)圓周形式的管道截面的三維數(shù)據(jù)。利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算上述圓周的最小直徑，和管道的原有直徑相比較，便可判斷管道形變?nèi)毕菔欠翊嬖冢ň唧w計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]）。

把上述得到的圓周分別展開(kāi)為平面直線，并均勻地取數(shù)據(jù)點(diǎn)（如圖6）。那么，對(duì)于管道內(nèi)表面存在孔洞的位置，相鄰圓周線上相鄰點(diǎn)之間的距離di和di+1至少有一個(gè)大于所計(jì)算出的閾值（閾值根據(jù)具體計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]）。據(jù)此可以判斷是否存在孔洞和判斷空洞邊界。

同時(shí)，把這些數(shù)據(jù)點(diǎn)用三角網(wǎng)格化的方法三角剖分（如圖7），并且按照上述孔洞邊界保留孔洞，每一個(gè)小三角形即為曲面上的一個(gè)三角面片。這樣，便可將空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)以三維的形式加以重構(gòu)，完成三維顯示（效果如圖8）。

經(jīng)過(guò)原文[6][7][8]中幾位作者的實(shí)驗(yàn)表明，此種基于主動(dòng)式全景視覺(jué)傳感器的方法從精度和效率綜合的因素考慮，既對(duì)管道內(nèi)壁增加了可視性，又減輕了人工判斷的壓力，具有一定的優(yōu)越性。用管道內(nèi)壁全景圖像來(lái)檢測(cè)管道內(nèi)部缺陷的方法較統(tǒng)計(jì)學(xué)方法而言檢測(cè)精度有所提升，較基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法運(yùn)算復(fù)雜度降低了許多。而用激光掃描全景圖來(lái)構(gòu)造網(wǎng)格的方法簡(jiǎn)潔快速，大大提高了網(wǎng)格的重構(gòu)速率，對(duì)于表面曲率變化不是十分劇烈的管道有較好的重構(gòu)效果。

3 總結(jié)和展望

本文由于筆者時(shí)間和精力有限，只大體地調(diào)研了目前管道病害檢測(cè)相關(guān)技術(shù)手段的主要原理，而對(duì)于整個(gè)管道機(jī)器人的層次結(jié)構(gòu)、通訊機(jī)制和軟硬件的設(shè)計(jì)等細(xì)節(jié)方面沒(méi)有進(jìn)行具體的描述。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)，在管道病害檢測(cè)方面，早先的超聲波、漏磁、渦流等手段存在效率低、不可視等局限性。而隨著科技的發(fā)展，多傳感器、視頻法、三維重構(gòu)等方法將逐漸成為重要的檢測(cè)手段。這些檢測(cè)手段的對(duì)所得數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)處理方法也許并不能取得理想的效果，因此，在如何獲取和處理數(shù)據(jù)等方面都還需要不斷地探索和創(chuàng)新。

文中所提到的檢測(cè)手段的實(shí)現(xiàn)得益于眾多學(xué)者研究出的成果，但為了更高的檢測(cè)精度和準(zhǔn)確率，這些方法都還有許多可調(diào)整的空間，比如機(jī)器人的位姿、所得數(shù)據(jù)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)的歸一化、快速篩選缺陷、定量顯示缺陷的面積、深度等信息、明確缺陷量化指標(biāo)及危害程度等等。并且，今后還可根據(jù)缺陷的種類和程度給出相關(guān)的維護(hù)建議。

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