季節(jié)性雨水、城市建設(shè)等自然、人類活動對城市排水能力提出較高要求，維持排水管網(wǎng)的正常運行是城市基礎(chǔ)設(shè)施運維的重要內(nèi)容。目前，城市排水管道運維主要依靠人工作業(yè)，存在作業(yè)難、作業(yè)量大、風(fēng)險性高等問題。以機械代替人工作業(yè)的模式因為具有安全、高效的特點成為了城市排水管道運維作業(yè)的發(fā)展趨勢。介紹了國內(nèi)外管道檢測、作業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀，從作業(yè)方式、機械設(shè)計、控制模式三個方面分析了現(xiàn)有技術(shù)存在的不足；提出了排水管道運維機器人的作業(yè)規(guī)程并總結(jié)其發(fā)展方向，如檢測技術(shù)提升、功能模塊優(yōu)化、控制模式智能化等，為排水管道運維機器人的研究發(fā)展提供新思路。

截至2019年底，我國排水管網(wǎng)總長超過74.4萬km，年污水排放量達(dá)555億m3。而隨著海綿城市建設(shè)以及國家對于污水處理要求的提高，近年來管網(wǎng)系統(tǒng)以8.5%的年增長速率持續(xù)擴大其運維規(guī)模。2021年政府工作報告指出,要持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量，“十四五”時期要求基本消除城市黑臭水體，排水管網(wǎng)已由保障城市安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施升級為保證人民幸福生活的重大民生工程。因此，維持排水管網(wǎng)的平穩(wěn)運行成為一項重要的城市治理任務(wù)。

隨著管網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模的擴大，保證管網(wǎng)正常服役的需求也逐漸凸顯。據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心有關(guān)資料顯示，我國城市管網(wǎng)普遍存在設(shè)施老化與管理技術(shù)落后的問題，管道破裂、腐蝕等缺陷導(dǎo)致的城市管道運維事故頻發(fā)。因此，近些年管網(wǎng)的工作重點逐漸由建設(shè)轉(zhuǎn)向維護(hù)更新。目前，排水管網(wǎng)檢測、清淤、修復(fù)等工作通常采用人工作業(yè)或人機協(xié)同作業(yè)模式。以管道清淤為例，常用方式有絞車清淤，鉆桿疏通及高壓射流。絞車及清淤設(shè)備需要工人下井安裝，空間狹小、昏暗，作業(yè)困難；且施工環(huán)境中的硫化氫等有害氣體會嚴(yán)重危害工人健康?？傊?，管網(wǎng)維護(hù)的人工作業(yè)方式效率低，局限大，存在安全隱患。

利用機器人代替人工作業(yè)已成為管網(wǎng)運維管理的新趨勢。在排水管道中使用的運維機器人已由傳統(tǒng)的大型工業(yè)機器人發(fā)展成“小精尖”的特種機器人，能夠適應(yīng)復(fù)雜管況并完成任務(wù)。管道運維機器人可分為檢測機器人與作業(yè)機器人：檢測機器人指通過聲學(xué)、光學(xué)設(shè)備或技術(shù)實現(xiàn)管道內(nèi)部的信息采集及模型重建的機器人；作業(yè)機器人指清理管內(nèi)淤積或完成管體缺陷修復(fù)及更換的機器人，這些機器人的協(xié)同配合可輔助排水管道的運維工作。

本文歸納了排水管道運維機器人的研究現(xiàn)狀，介紹了國內(nèi)外高校、科研院所及企業(yè)具有代表性的產(chǎn)品，并對其使用的關(guān)鍵技術(shù)或機構(gòu)做簡要概述，最后總結(jié)了研究現(xiàn)狀的不足，并對該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢做出展望。

1 排水管道運維機器人研究現(xiàn)狀

為厘清目前國內(nèi)外對于排水管道運維機器人及技術(shù)研究的總體情況，本文在WOS（Web of Science）核心數(shù)據(jù)庫上統(tǒng)計了領(lǐng)域內(nèi)文章發(fā)表數(shù)量并使用文獻(xiàn)計量工具對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了合作作者可視化分析，結(jié)果如圖1和表1所示。其中，AHRARY A團(tuán)隊、ELKMANN N團(tuán)隊成果較多，形成了一定的研究體系。AHRARY A團(tuán)隊設(shè)計了原型機器人KANTARO ，系統(tǒng)地研究了排水管道機器人檢測、定位、導(dǎo)航技術(shù)；ELKMANN N團(tuán)隊致力于進(jìn)行排水管道檢測、清理機器人系統(tǒng)的研究，提出了基于運動學(xué)、視覺的全自動檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)方法及面向服務(wù)的數(shù)據(jù)檢測及處理架構(gòu)。

圖1 管道機器人及排水管道機器人作者合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

本文同時計量了管道機器人（石油、燃?xì)獾裙艿溃┑难芯楷F(xiàn)狀，意圖通過對比確定排水管道機器人的研究廣度與先進(jìn)性。相較管道機器人，城市排水管道機器人研究起步晚，范圍小。相關(guān)研究團(tuán)隊缺乏持續(xù)、深入地研究，團(tuán)隊間交流合作較少。數(shù)據(jù)表示排水管道機器人的研究存在不足，亦說明目前排水管道機器人的研究有較好的發(fā)展前景。

1.1 檢測機器人

管道運維機器人的相關(guān)研究主要集中于檢測機器人。國外起步較早，20世紀(jì)80年代已有產(chǎn)業(yè)化的商品機器人投入市場，德國、美國、日本等國的技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。我國同期開始對了管道檢測機器人的探索。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校研制了適用于不同場景的檢測機器人，以深圳施羅德、武漢中儀物聯(lián)公司為代表的企業(yè)陸續(xù)投入產(chǎn)品研發(fā)，填補了國內(nèi)管道機器人研究、市場的空白。

管道內(nèi)部相關(guān)數(shù)據(jù)是其運維管理所需的重要信息，其數(shù)據(jù)的精度與機器人上搭載的檢測技術(shù)存在直接關(guān)系。因此，高效準(zhǔn)確的管道檢測技術(shù)或方法十分重要。易于機器人搭載的技術(shù)有管道閉路電視檢測（Close circuit television inspection，CCTV）、聲吶、雷達(dá)等，這些技術(shù)均存在其優(yōu)勢區(qū)間及不足：CCTV可檢測所有結(jié)構(gòu)性、功能性缺陷，但工作條件較為嚴(yán)苛，且使用前需暫停管段使用并進(jìn)行排水、沖洗工作，管道能見度直接決定檢測質(zhì)量；聲吶可在黑暗、有水環(huán)境下完成對管道的檢測，但檢測缺陷種類有限，數(shù)據(jù)存在噪聲。

美國通用電氣貝克休斯集團(tuán)旗下的韋林工業(yè)集團(tuán)基于其世界領(lǐng)先的內(nèi)窺鏡技術(shù)研發(fā)了ROVVER系列檢測機器人。ROVVER900采用輕量機械設(shè)計，重25kg，尺寸約582 mm×200 mm×150mm，易于使用人工或小型機械部署；模塊設(shè)計具有擴展性與適應(yīng)性，可用于限制、突出管道及支管檢測；搭載高像素CCD攝像頭，高度、角度、焦距在一定范圍內(nèi)可調(diào)，具備多視角、高精度獲取圖像的能力 。

深圳施羅德工業(yè)集團(tuán)面向排水管道及箱涵推出S系列檢測機器人。該系列機器人多采用輪式行走模式，配備防側(cè)翻警報與位姿檢測系統(tǒng)；應(yīng)用高精度計米裝置與GPS實現(xiàn)作業(yè)進(jìn)度厘米級控制；機器人前端、后端搭載高清無延時攝像頭，消除檢測死角。

表2展示了國內(nèi)外典型檢測機器人的型號、參數(shù)，面向多管徑、多管況的檢測機器人已經(jīng)提出，技術(shù)體系逐漸成熟。

表2 國內(nèi)外典型管道檢測機器人

基于人工智能的管道檢測輔助技術(shù)指的是使用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法自動處理機器人檢測結(jié)果，輔助作業(yè)人員得出檢測結(jié)論的技術(shù)，是繼檢測機器人后新的研究熱點。清華大學(xué)、阿肯色理工大學(xué)、開羅大學(xué)、同濟大學(xué)等高校在CCTV的基礎(chǔ)上利用CNN、SVM、ELM等算法分割檢測結(jié)果，識別、分類管道缺陷。該類技術(shù)有效降低工人勞動量與檢測成本，避免不確定因素導(dǎo)致的漏診、錯診，實現(xiàn)檢測流程智能化。

1.2 作業(yè)機器人

管道作業(yè)主要包括管道清淤及管道修復(fù)。清淤機器人已存在大量設(shè)計方案，華中科技大學(xué)研發(fā)了面向深隧的清淤、檢測一體機器人，針對深隧埋深大、管徑大的問題，機器人使用有纜方式進(jìn)行通信與電力供給，續(xù)航時間長、信號傳輸穩(wěn)。清淤使用彈簧鋼片與螺旋葉片結(jié)合的方式，范圍廣，效率高，耗能小，作業(yè)穩(wěn)定。

薩拉斯瓦蒂工程學(xué)院提出了一個集成檢測、清淤及有毒氣體中和的機器人系統(tǒng)。機器人配有紅外攝像頭，高壓水、切割刀片、抽吸泵，氣體傳感器。使用紅外攝像頭及傳感器檢測管道中的堵塞并反饋給終端界面；使用高壓水、切割刀片與抽吸泵清除管內(nèi)淤積并抽吸至地上容器儲存；有毒氣體由氣體傳感器檢測并通過添加液化微生物來消除有害影響。

表3列舉了國內(nèi)外部分管道清淤機器人，介紹了清淤機器人模塊設(shè)計方案。目前清淤機器人的研究多而不精，機構(gòu)設(shè)計較檢測機器人均較為普通；部分方案仍處于概念設(shè)計階段，清淤能力難以表征。

表3 國內(nèi)外管道清淤機器人

管道修復(fù)常使用非開挖修復(fù)技術(shù)，指采用不開挖或少量開挖的方式進(jìn)行地下管道修復(fù)。作業(yè)過程開挖量小，避免土方作業(yè)導(dǎo)致的交通擁堵及環(huán)境污染。人工非開挖修復(fù)主要使用鋼套環(huán)、螺旋纏繞、管道內(nèi)襯技術(shù)，工藝流程復(fù)雜，不適于機器人作業(yè)。

國內(nèi)外非開挖修復(fù)機器人的研究總量少。相比國外，我國相關(guān)成果或方案較多，但尚未形成研究體系，成果多來自施羅德等機器人企業(yè)或市政公司等城建企業(yè)，中國石油大學(xué)等高校也有相關(guān)研究。較為常見的是使用光固化成型技術(shù)、水泥砂漿噴涂技術(shù)及3D打印技術(shù)，作業(yè)模塊小且工序簡單，具有一定工程使用價值。

2 研究現(xiàn)存問題

分析排水管道運維機器人作業(yè)環(huán)境、技術(shù)要求等因素，本文認(rèn)為排水管道機器人研究的技術(shù)難題有三點，見下文分析。

2.1 傳統(tǒng)的檢測方式無法滿足所有檢測需求

傳統(tǒng)的檢測方式各自存在一定的弊端，需要融合多種檢測手段或研發(fā)新檢測技術(shù)以應(yīng)對復(fù)雜作業(yè)環(huán)境或檢測需求。

部分污水氮、磷元素含量較高，藻類、蘚類植物在管壁或管底大量生長形成生物菌膜。這導(dǎo)致部分管道缺陷被生物膜覆蓋，使用視覺進(jìn)行檢測時易出現(xiàn)漏診情況。

在實際的檢測工作中，另一項重要的工作是判斷管道侵蝕程度，管道在侵蝕作用下的受損量將成為管道修復(fù)、更新的依據(jù)。傳統(tǒng)方法以對比點云模型與設(shè)計模型的方法計算侵蝕程度，效率低、欠直觀，無法有效解決工程問題。

2.2 傳統(tǒng)的機體設(shè)計無法適應(yīng)所有管道環(huán)境

管道淤積成分復(fù)雜，有軟質(zhì)淤積物（淤泥等），硬質(zhì)淤積物（石塊、泥塊及樹根等），還有較為特殊的尼龍、塑料袋及油脂。針對不同淤積物的處理方式不同：軟質(zhì)采用刮、刨、推、沖，硬質(zhì)采用切、割。尼龍、塑料袋較難切斷，易纏繞在機構(gòu)增大機械運行的不穩(wěn)定性，是清淤的難點。清淤機器人普遍采用一種或兩種作業(yè)方式，無法應(yīng)對復(fù)雜淤積物，清淤效果不佳。

惡劣環(huán)境是機器人的機構(gòu)、功能設(shè)計的一項挑戰(zhàn)。以行走模塊為例，輪式機器人行進(jìn)速度快、效率高，越障能力較差，易陷入軟泥；履帶機器人運行平穩(wěn)，適用于各種地形，行進(jìn)效率偏低。保證機器人可靠度與工作性的關(guān)鍵在于選擇各模塊，設(shè)計行進(jìn)功率、作業(yè)功率、機體尺寸等參數(shù)設(shè)計需將環(huán)境因素納入考慮。

作業(yè)機器人多數(shù)處于概念設(shè)計且考慮約束條件較少，作業(yè)性能存在問題，整體結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵模塊的技術(shù)仍需升級。

表4排水管道機器人面臨的挑戰(zhàn)

2.3 傳統(tǒng)的控制模式無法實現(xiàn)自主作業(yè)

機器人初期是一種輔助人類完成作業(yè)的半自主智能機器，人工智能的發(fā)展小幅度修改了其本質(zhì)：“機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，既可以接受人類指揮，又可以運行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)指定的原則綱領(lǐng)行動”。初級的自主式機器人通過算法、程序完成固定化工作，適用于工業(yè)流水線或穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境；智能機器人的作業(yè)模式相對高級，實時獲取環(huán)境信息并以此制定作業(yè)方案，迭代、優(yōu)化并執(zhí)行。大多數(shù)運維機器人依靠遙控完成作業(yè)，通過人腦完成作業(yè)方式、參數(shù)選擇，路徑規(guī)劃等關(guān)鍵步驟，缺乏智能化控制。

3 研究展望

在研發(fā)具有自主學(xué)習(xí)功能的建筑機器人的趨勢下，無人土方作業(yè)推土機、無人盾構(gòu)掘進(jìn)機等無人作業(yè)裝備被陸續(xù)提出，碧桂園公司已將無人抹灰、無人澆筑等機器人投入應(yīng)用，排水管道運維機器人在無人作業(yè)領(lǐng)域較其他機械存在較大差距。因此，運維機器人自動化作業(yè)是未來重大發(fā)展方向。本文綜合其他無人設(shè)備的工作模式對管道智能運維機器人作業(yè)的規(guī)程作簡要介紹，并按實現(xiàn)規(guī)程所需關(guān)鍵技術(shù)對機器人的發(fā)展做出展望。

3.1 管道智能運維機器人作業(yè)規(guī)程及要求

作業(yè)規(guī)程可簡單凝練為“工作環(huán)境檢測→工作場景理解→智能規(guī)劃、導(dǎo)航→執(zhí)行作業(yè)方案”。

3.1.1 工作環(huán)境檢測

工作環(huán)境檢測是較檢測而言更廣度的概念，包括缺陷等管道信息及溫、濕度，水深，淤積物厚度等管內(nèi)信息。多類別的目標(biāo)檢測要求機器人搭載多種檢測技術(shù)及傳感器。

3.1.2 工作場景理解

場景理解基于環(huán)境檢測實現(xiàn)，自圖像、視頻中利用深度學(xué)習(xí)、語義分割等算法提取信息，多層次表達(dá)作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)機器人對作業(yè)目標(biāo)的識別、理解。場景理解為智能作業(yè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，要求機器人應(yīng)用魯棒性強、泛化誤差小的識別算法。

3.1.3 智能規(guī)劃、導(dǎo)航

無人作業(yè)的關(guān)鍵是制定作業(yè)方案，包括作業(yè)方式、作業(yè)流程等。以清淤作業(yè)為例，需判斷管內(nèi)淤積情況（淤積物種類、淤積地形、淤積物硬度等），選擇清淤方式與功率（高壓水、刀具、鏟板等），規(guī)劃合理的清淤路線（分層清理、按行進(jìn)方向清理等）。作業(yè)方案需要不斷修正，每段甚至每個截面的管況都有概率發(fā)生變化，在作業(yè)過程中需要實時獲取、處理、反饋信息，對計算能力與自適應(yīng)控制有較高要求。

3.1.4 執(zhí)行作業(yè)方案

復(fù)雜管況下的作業(yè)方案應(yīng)用多機構(gòu)、多模塊，需求多種檢測、清淤技術(shù)。要求機器人在結(jié)構(gòu)尺寸、行進(jìn)能力等參數(shù)合理的設(shè)計范圍內(nèi)實現(xiàn)多功能集成。

3.2 管道智能運維機器人作業(yè)技術(shù)發(fā)展

智能運維機器人技術(shù)發(fā)展將從感知技術(shù)、功能模塊、智能控制三方面進(jìn)行論述。

3.2.1 升級感知技術(shù)

針對常規(guī)管況部分光學(xué)技術(shù)可以有效地解決主流技術(shù)存在的問題。結(jié)構(gòu)光掃描與聲吶SLAM常用于三維模型重建與逆向工程，亦可以實現(xiàn)水下測量，具有高精度，全場景測量等優(yōu)勢；深度傳感技術(shù)從基于二維圖像的檢測轉(zhuǎn)向基于三維深度的檢測，其中ToF（Time of Flight,飛行時間）技術(shù)效果最佳，具有良好發(fā)展?jié)摿?；利用光反射測距的激光雷達(dá)能夠提供精確的管道參數(shù)測量，檢測結(jié)果穩(wěn)定。

而面對上文提出的復(fù)雜管況，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院與牛津大學(xué)聯(lián)合設(shè)計了使用觸覺系統(tǒng)評估混凝土管道劣化程度的機器人。該機器人通過預(yù)設(shè)動作抓撓混凝土管產(chǎn)生振動，位于腿部的力/扭矩傳感器捕捉這一振動并通過預(yù)先訓(xùn)練的支持向量機完成對混凝土管的評估；澳大利亞拉籌伯大學(xué)面向管道頂部腐蝕檢測研發(fā)了使用位移探頭的遙控機器人，根據(jù)探頭伸出距離使用數(shù)學(xué)模型快速計算管道有效內(nèi)徑及腐蝕程度，為管道的更新維護(hù)提供了直接依據(jù)。兩項研究創(chuàng)新地通過觸覺、物理方法實現(xiàn)管道檢測，為檢測技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。

3.2.2 優(yōu)化功能模塊

功能模塊需要從集成、升級兩個角度進(jìn)行優(yōu)化。檢測和作業(yè)機器人功能簡單，作業(yè)手段單一，工作方向明確。智能運維機器人具有 “一機多用”的特性：完成檢測、作業(yè)單項任務(wù)或管道全流程運維管理，其實現(xiàn)方法為多層次集成：在功能層面集成檢測功能及作業(yè)功能；在機構(gòu)/技術(shù)層面集成多種機構(gòu)/技術(shù)以應(yīng)對不同需求。

“小、輕、快、強”是機器人升級的目標(biāo)：機器人及運行所需配套設(shè)施體積小，使用電池供電及5G通信等方案使機器人運行“無線化”，增大作業(yè)范圍及深度；機器人及附屬機構(gòu)質(zhì)量輕，通過人工、叉車或行走模塊完成機器人部署，無需吊車等大型設(shè)備；機器人在陸上、管內(nèi)行進(jìn)速度快，動力強，作業(yè)效率高；機器人附屬機構(gòu)功效強。檢測設(shè)備使用范圍廣、成像清晰、易于機器人提取信息，清淤設(shè)備功率大、沖擊力強、清淤效果好。

3.2.3 實現(xiàn)智能控制

運動控制是機器人控制的關(guān)鍵，常分為高度控制、位置控制、航向控制等。為實現(xiàn)更復(fù)雜的控制，必要的工作是將機器人的耦合運動解耦，設(shè)計其子運動的獨立閉環(huán)控制回路實現(xiàn)精細(xì)控制，更好地表征機器人的運動形態(tài)。在閉環(huán)回路中，控制算法（控制器）根據(jù)輸入?yún)?shù)返回閉環(huán)回路的輸出，是決定控制效果的關(guān)鍵。在實際工程中，選擇一種穩(wěn)定、魯棒性強的算法十分重要。而在排水管道內(nèi)，控制算法要兼具穩(wěn)定性及適應(yīng)性，以便及時對復(fù)雜環(huán)境做出反饋。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制方法是主流的兩種控制算法，自適應(yīng)控制通過輸入輸出參數(shù)的變化自主調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)的輸出效果，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在處理非線性和不確定性變量方面有突出優(yōu)勢，均可作為排水管道智能運維機器人的控制算法。在此基礎(chǔ)上，為彌補控制算法的缺點通常使用多控制方法結(jié)合的控制策略，如自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制等。

控制領(lǐng)域正在持續(xù)發(fā)展，提出了諸多新的控制算法，但大都處于理論探索階段。開發(fā)或應(yīng)用適宜運維機器人作業(yè)的新算法尚存在較多困難，需要進(jìn)行深入的理論與實測驗證。

4 結(jié)語

排水管網(wǎng)的運維管理是一項重大民生工程，其傳統(tǒng)的運維方式存在一定的不足，基于管道運維機器人的管網(wǎng)運維輔助成為了城市基礎(chǔ)設(shè)施運維管理研究的熱點。本文介紹了排水管道運維機器人的作業(yè)優(yōu)勢及國內(nèi)外代表性研究成果，分析了現(xiàn)有研究的不足?，F(xiàn)階段研制的管道運維機器人檢測方式局限大，作業(yè)方式單一，難以較好完成作業(yè)任務(wù)。而復(fù)雜的管況又對機器人提出了嚴(yán)苛要求，須研發(fā)性能卓越的硬、軟件系統(tǒng)以應(yīng)對可能的挑戰(zhàn)。

在無人裝備的研究熱潮中，實現(xiàn)管道運維機器人的自主作業(yè)是一項重大課題。自主作業(yè)要求機器人具有高精度的環(huán)境感知能力，信息識別能力，決策、優(yōu)化能力和調(diào)整能力，需要在感知、智能控制等技術(shù)上取得突破。希望未來能依托于現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)實現(xiàn)排水管道運維的自動化作業(yè)，研制出穩(wěn)定、可靠的自主作業(yè)機器人，有效解決因管網(wǎng)淤積、破損導(dǎo)致的諸多問題，提高城市治理水平。