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利用管道胶囊进行排水管网协同检测的新方法.docx
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利用管道胶囊进行排水管网协同检测的新方法.docx
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城市管网系统(给排水管网、油气运输管网等)是城市基础设施的重要组成部分。城市
管网长期运输相关物质,管道易发生腐蚀老化、破损、变形、塌陷等病害,导致水体黑臭
[1]
和水环境污染
[2]
,以及城市内涝
[3]
、油气泄露
[4]
等城市重大安全事故。对于已建设的管道,
需要进行快速高效的管道检测,及时发现管道病害,进行管道维修整改,解决环境污染和
城市安全问题
[5]
。
城市管网具有里程长、结构复杂等特点,导致大范围检测成本高昂、进度缓慢。现代
管道检测方法包括激光检测法
[6]
、超声波检测法
[7]
、压力波检测法
[8]
等。这些方法通过声
波、激光等手段检测管道变形和病害,检测精度较高,但存在设备成本高昂、操作复杂、
无法检测含水管道等不足。闭路电视检测法
[9-10]
和全景视觉传感器检测法
[11]
通过拍摄管道内
壁影像,利用计算机视觉技术识别病害区域,是目前应用最广的管道检测方法。但视觉传
感器需要工作人员操作牵引设备辅助前进,提前对管道进行清淤抽水,导致单次检测范围
小,作业强度大。这些方法均无法完全满足大规模城市管网全面高效检测的需求。因此,
亟需发展高效、低成本的管网检测新方法,为管网普查提供有效的手段,提升管网智慧运
维水平。
管道胶囊是一种新型的管道检测设备,可以受流体驱动或内置动力设备在管道内运
动,能够在不损害结构安全性的情况下进行长距离、高效率管道检测
[12]
,已经在油气管道
检测
[13]
、肠道检测
[14]
等领域取得了显著进展。
管道胶囊可以应用于城市地下排水管网检测中。该设备被工作人员在上游井口投放
后,随水漂流并拍摄管道内壁影像,在管道下游打捞回收,完成对该段管道的病害检测。
在实际工作中,多名工作人员可以相互配合,同时,投放多个胶囊进行协同检测,以提高
检测效率。
在城市排水管网检测任务中,管道检测比例应尽量最大,同时,优先检测重要管道,
最小化工作人员的工作时间和运动距离以节省人力资源。本文基于以上 4 个目标,提出了
一种基于管道胶囊的排水管网协同检测优化方法,通过设计工作人员投放、打捞胶囊的位
置,并规划人员运动路径,利用启发式算法获得最优的管道协同检测方案,为城市排水管
网安全状态全面检测提供了一种快速高效可靠的手段。
1. 问题建模
1.1 问题描述和定义
地下排水管网协同检测时工作人员可以同时投放多个管道胶囊进入管道进行检测,通
过精心设计胶囊的投放与打捞位置,规划工作人员的运动路径,高效地完成管网检测任
务。排水管网协同检测涉及的管道胶囊、工作人员、工作人员运动路径和排水管道检测定
义如下。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87214330/bg3.jpg)
下载: 全尺寸图片 幻灯片
管道胶囊集合用 C∈{C1,C2…Cm}C∈{C1,C2…Cm}表示。胶囊 Cf∈CCf∈C 在上游井
口 ii 被工作人员 A 投放进入管道,在管道内随水流运动至下游井口 jj 处,被工作人员
B(A
、
B 可以相同或不同)打捞出管道,完成对管道从 i到 j从 i 到 j 的检测。胶囊被打捞后
不能再继续使用,所有胶囊被打捞,则完成检测任务。
胶囊运动速度、方向和管道内水流相同。参照《室外排水设计规范》
[16]
规定,管道从
ii 到 jj 水流速度 FijFij 计算公式为:
Fij=1n×(k×rij2)23×(ΔhLij)12Fij=1n×(k×rij2)23×(ΔhLij)12
(1)
式中,粗糙系数 n 由管道材料决定;ΔhΔh 为管道两端高程差;LijLij 为管道长度;
rijrij 为管道半径;kk 为充满度。
定义 2:工作人员集合用 S∈{S1,S2…Sn}S∈{S1,S2…Sn}表示,QQ 为工作人员运动
速度。QQ 是实验参数之一,由实际作业中的交通工具所决定。
工作人员 Se∈SSe∈S 的工作过程包括:SeSe 在井口 ii 投放胶囊 Cf∈CCf∈C 进入管
道;SeSe 在下游井口 jj 提前等待并打捞胶囊 Cg∈CCg∈C,所有胶囊打捞完成,工作结
束。
当胶囊数量大于工作人员数量时,需要单人投放和打捞多个胶囊。为了简化工作过
程,规定每个有效的工作人员 Se∈SSe∈S 必须先完成所有投放任务,再进行打捞任务,
且至少投放和打捞一个胶囊。
定义 3:工作人员 Se∈SSe∈S 的运动路径包括以下部分:(1)SeSe 携带若干管道胶囊
从起点 VsVs 出发;(2)沿道路运动到井口 ii,投放携带的胶囊 Cf∈CCf∈C 进入管道,再前
往下个井口投放其他胶囊,直到全部投放完成;(3)前往井口 jj,等待一段时间,待胶囊
Cg∈CCg∈C 到达时进行打捞,再前往下个井口等待并打捞其他胶囊,直到其打捞任务完
成。
定义 4:当管道被胶囊经过即被检测,并且一段管道可以被多次检测。检测过程中应
对不同管道进行差异化检测,因此,需要根据管道属性赋予被检测权重,制定针对性的管
网检测方案
[17]
。管网中检测权重越高的管段,应该优先和多次检测。
排水管网病害的主要原因包括管道发生化学腐蚀,早年铺设的低标准管网不能承受高
水压
[18]
等。本文根据管材、建设年份、是否为水流交汇处 3 种因素计算管道发生病害的概
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