基于排水管道膠囊的城市管網(wǎng)病害檢測研究

余建偉，周京春，李清泉，陳智鵬，方旭，郭文浩

(1.深圳大學(xué)，廣東 深圳 518060； 2.云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500)

1 引 言

城市地下排水管網(wǎng)是城市雨污水排放的重要通道，是維持城市安全運行的生命線。然而，在市政水利部門的運行管理過程中，因負(fù)荷流量遠(yuǎn)超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、管材及設(shè)施老舊、新建重大工程影響、地下探測手段不足等因素，導(dǎo)致管網(wǎng)問題層出不窮，主要表現(xiàn)為：管網(wǎng)運行不良、排水不暢；雨污管混接、錯接；管網(wǎng)現(xiàn)狀信息缺失；管道破損、病害位置不詳?shù)取＿@些病害問題不僅嚴(yán)重影響城市日常雨、污水排放，在極端環(huán)境下還可能引發(fā)諸如內(nèi)澇、環(huán)境污染等次生問題甚至地陷等城市災(zāi)害。以深圳市為例，僅2013年～2015年就發(fā)生地面坍塌事故579起，其中由排水管道破損導(dǎo)致的地面坍塌占57.4%。因此，對地下排水管網(wǎng)病害的大范圍常態(tài)化檢測意義重大。

目前城市排水管道檢測技術(shù)手段主要有：目測法、潛水員人工檢測、管道CCTV檢測、管道潛望鏡、聲吶檢測、紅外成像檢測等[1～7]，這些檢測手段作業(yè)方式存在著很大差異，互助互補但仍存在很多缺陷和不足，具體描述如表1所示。

現(xiàn)有的排水管道檢測方法 表1

針對上述城市地下排水管網(wǎng)隱患普查難、有水難測、檢測設(shè)備貴且維護成本高等問題，為了實現(xiàn)快速、大規(guī)模、經(jīng)濟化的排水管網(wǎng)病害檢測，本文提出了一種方便快捷、成本低廉的地下排水管網(wǎng)檢測解決方案——排水管道檢測膠囊系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括了管道膠囊數(shù)據(jù)采集硬件和數(shù)據(jù)處理軟件兩大部分，檢測成果圖像采用軟件智能處理輔以人工判讀，并可提供病害原始檢測視頻和精細(xì)的檢測報告。

2 排水管道檢測膠囊系統(tǒng)

2.1 概述

排水管道膠囊(如圖1所示)是一種全新的排水管網(wǎng)病害的快速檢測系統(tǒng)，它集成了低成本高清CMOS((Complementary Metal-Oxide Semiconductor)相機和9軸MEMS(Micro Electro Mechanical System)航姿參考系統(tǒng)，采用無動力設(shè)計隨水流漂移運動，可實現(xiàn)大范圍的管道內(nèi)部圖像數(shù)據(jù)和膠囊運動數(shù)據(jù)的快速采集。同時，系統(tǒng)還配備了一套完善的數(shù)據(jù)后處理軟件，進(jìn)行位置推算和圖像處理，通過對積累的大量病害樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，專門設(shè)計的圖像處理算法可智能化準(zhǔn)確地提取出檢測視頻中的管道病害，并生成精細(xì)的管道病害檢測報告。

圖1 排水管道病害檢測膠囊

管道膠囊的內(nèi)部帶有四個電子模塊：定位定姿模塊、視頻采集模塊、集成控制模塊和供電模塊。定位定姿模塊包含了MEMS加速度計、陀螺儀、磁力計等傳感器，為膠囊提供運動定位和姿態(tài)數(shù)據(jù)；視頻采集模塊包含了集照明、高清廣角/魚眼數(shù)字?jǐn)z像頭的大視角拍照模塊，一方面提供管道內(nèi)壁視覺狀態(tài)數(shù)據(jù)，一方面輔助運動估計，進(jìn)行輔助定位定姿；采集控制模塊包含了ARM電路板、存儲卡和WIFI通信模塊，可實現(xiàn)與手機終端連接、數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)下載等功能；供電模塊由鋰電池和電源管理電路組成。

2.2 數(shù)據(jù)采集流程

系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集流程如圖2所示：

(1)首先通過WIFI與手機端數(shù)據(jù)采集App軟件進(jìn)行連接，進(jìn)行作業(yè)參數(shù)設(shè)置，包括：起止管井號、管材、管徑、作業(yè)位置等。

(2)在待檢查管道段上游起始檢查井投放膠囊設(shè)備，結(jié)合前期物探和測繪數(shù)據(jù)，以及管道布設(shè)圖紙，在下游檢查井進(jìn)行膠囊回收。

(3)再次與手機端數(shù)據(jù)采集App軟件連接，通過內(nèi)置WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，同時進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的現(xiàn)場質(zhì)量檢查，并進(jìn)行初步病害標(biāo)識。

(4)數(shù)據(jù)下載完畢后，對膠囊進(jìn)行初始化，以便于下次作業(yè)。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

為了保證作業(yè)中膠囊設(shè)備順利通過待檢管道，正式采集作業(yè)前，可選擇快速驗證預(yù)判、穿線器串通測試或?qū)艿肋M(jìn)行清淤處理等措施，以保障管道內(nèi)部影像數(shù)據(jù)的有效采集。

2.3 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)采集完成后，用戶可將數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件或者上傳至云服務(wù)器進(jìn)行處理(如圖4所示)，具體流程主要分為位置推算和圖像處理兩個部分(如圖3所示)。其中位置推算融合了視頻、IMU、磁力計等多種數(shù)據(jù)，采用綜合定位方法對管道膠囊的位置進(jìn)行推算，得到其空間軌跡；圖像處理部分對運動圖像進(jìn)行去旋轉(zhuǎn)、去模糊預(yù)處理，然后基于圖像對病害進(jìn)行檢測。參照《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》(CJJ181-2012)[8]，最終得到符合作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的管道病害檢測報告，同時也可以和GIS管網(wǎng)系統(tǒng)無縫結(jié)合[9～10]，輔助用戶進(jìn)行管道維修養(yǎng)護決策。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

圖4 云端/后臺數(shù)據(jù)處理軟件

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 圖像質(zhì)量增強技術(shù)

排水管道作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，管道膠囊在管道中運行，圖像質(zhì)量受光照和運動影響，會產(chǎn)生曝光不足、對焦模糊和運動模糊等問題，需要通過硬件和算法對圖像質(zhì)量進(jìn)行增強。

根據(jù)現(xiàn)有排水管道規(guī)格，生活小區(qū)排水管主要采用直徑 300 mm、400 mm、500 mm及 600 mm的PVC塑料管，市政區(qū)域排水主要采用直徑 500 mm、600 mm、1 000 mm及 2 000 mm PVC塑料管或混凝土管。管徑的多樣性給系統(tǒng)的照明硬件設(shè)計增加了復(fù)雜度，燈光過強，在小直徑管道會出現(xiàn)曝光，燈光過弱，看不到大直徑管道管壁。為了解決此問題，管道膠囊針對不同管徑定制了多檔可調(diào)光源，通過手機App軟件可根據(jù)管徑配置不同的亮度光源，以保證錄像的清晰度。同時，為了保證亮度均勻，采用了多達(dá)6顆高亮燈珠照明，為了避免多燈珠在中心處形成過曝光斑，對LED燈的光路進(jìn)行定制仿真，以實現(xiàn)最佳的燈珠安裝角度，保證最好的照明效果。

管道檢測膠囊在管道中漂流時，會受到不確定的湍流影響，產(chǎn)生繞重力軸向的旋轉(zhuǎn)和水平方向的搖擺等不規(guī)則運動。這些不規(guī)則運動最終會造成采集到的檢測視頻視場晃動嚴(yán)重，質(zhì)量下降，并使用戶感興趣的管道壁待檢測區(qū)域不能穩(wěn)定地存在于圖像的一個固定區(qū)域。為了消除這些負(fù)面影響，系統(tǒng)采用了水平視場角為360°，垂直視場角為220°的超廣角魚眼鏡頭，采集的視頻圖像為一個半球形，同時為了得到穩(wěn)定視角的檢測視頻，采用了一種虛擬穩(wěn)定視場檢測視頻生成方法，可以獲取穩(wěn)定視場的檢測視頻，并改善視頻的質(zhì)量。

3.2 管道病害定位技術(shù)

目前，管道檢測設(shè)備的主流定位方式是采用里程計，但是基于里程計定位方式的爬行類檢測機器人除了效率低下之外，也無法在半水狀態(tài)下的地下供排水管網(wǎng)中進(jìn)行破損檢測與定位。另一方面，借助慣性導(dǎo)航定位方式，其誤差也會隨著時間和距離的累積，精度逐漸降低，而采用高精度的慣性單元將導(dǎo)致成本極高。

排水管道膠囊中含有攝像頭和IMU單元，采用視覺慣性里程計(VIO)定位。由于排水管道環(huán)境復(fù)雜，且膠囊在漂流過程中存在劇烈晃動，若運用傳統(tǒng)的VIO，圖像特征點難以提取與跟蹤，也無法避開傳感器時間同步與外部參數(shù)標(biāo)定的問題，算法很難正常工作。為了解決這一問題，系統(tǒng)將視覺慣性里程計設(shè)為序列回歸問題，采用了基于學(xué)習(xí)的方法來進(jìn)行特征提取與跟蹤，沒有從幾何角度建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，而是采用了基于CNN-RNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視覺慣性里程計定位算法進(jìn)行位置推算，其模型如圖5所示。通過對定位樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)的采集和學(xué)習(xí)，CNN-RNN視覺慣性里程計模型能夠精確地定位管道檢測膠囊，其定位精度與樣本的訓(xùn)練效果和膠囊所采用的IMU單元精度緊密相關(guān)。

圖5 視覺里程計定位算法

3.3 管道病害識別技術(shù)

常規(guī)的管道病害檢測設(shè)備主要依賴于人工判讀，準(zhǔn)確度高，但效率低。為了滿足快速、大范圍排水管網(wǎng)病害普查的需求，排水管道檢測膠囊系統(tǒng)采用了基于深度卷積網(wǎng)絡(luò)模型對排水管道的病害進(jìn)行自動識別和分類。該方法利用大量的管網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)，使用殘差網(wǎng)絡(luò)作為骨干網(wǎng)絡(luò)的深度卷積網(wǎng)絡(luò)，利用圖像級標(biāo)簽區(qū)分不同病害和正常圖像，并引入了層次分類的方法分層對不同管材的病害進(jìn)行分類(目前主要區(qū)分PVC和混凝土材質(zhì))，以解決由于不同管材的各種病害類型的發(fā)生頻率不同而導(dǎo)致的病害訓(xùn)練樣本數(shù)量不平衡的問題。

如圖6所示，首先，使用膠囊設(shè)備獲取不同材質(zhì)管線的病害圖片，并按照病害類型對其分類；然后，使用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，針對不同管材的病害做層次分類訓(xùn)練；最后，使用訓(xùn)練得到的模型對地下管線病害進(jìn)行自動識別和分類。

圖6 地下管網(wǎng)病害檢測深度卷積網(wǎng)絡(luò)模型

4 應(yīng)用案例

2019年，排水管道檢測膠囊系統(tǒng)應(yīng)用到了合肥市老舊小區(qū)雨污管網(wǎng)檢測項目中。根據(jù)《合肥市人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)合肥市分流制排水系統(tǒng)雨污混接調(diào)查和整治工作方案的通知》(合政秘辦[2017]150號)及《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》(CJJ181-2012)有關(guān)規(guī)定要求，合肥市開展了市政排水設(shè)施及河道綜合性養(yǎng)護管理工作，其中包含了90多個小區(qū)的管網(wǎng)檢測工作。排水管道檢測膠囊系統(tǒng)承接了其中巴黎春天、利浩財智廣場、瑤海社區(qū)等多個小區(qū)的雨污管網(wǎng)普查工作，圖7展示了利用膠囊采集的部分管道病害效果。

圖7 膠囊檢測地下管網(wǎng)典型病害

5 結(jié) 語

根據(jù)2016年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計公報，我國城市排水管道總長度為57.7萬千米。其中僅深圳全市污水管網(wǎng)的存量就約 6 000 km，雨水管網(wǎng)總量約 7 000 km。數(shù)量龐大的排水管網(wǎng)，如果采用常規(guī)手段，日常巡檢維護任務(wù)將十分艱巨。

基于排水管道膠囊的管網(wǎng)病害檢測方案，相對于CCTV檢測機器人、管道潛望鏡等檢測技術(shù)，具有檢測速度快、單次檢測范圍大的突出特點，可以大大節(jié)約管線病害普查的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的工作時間。管道膠囊系統(tǒng)集成了多種傳感器和先進(jìn)的位置推算和圖像處理算法，可以快速、精確、經(jīng)濟地定位和識別管道病害，是對現(xiàn)有排水管道檢測技術(shù)的有力補充。同時，系統(tǒng)檢測成果易于與現(xiàn)有的管網(wǎng)信息化系統(tǒng)集成，服務(wù)于綜合管廊、海綿城市與智慧城市等領(lǐng)域。