一種管道智能巡檢裝置的研制

摘" 要：管道巡檢在現代工程維保中擔負著非常重要的角色，管道巡檢系統小型化和智能化是發展方向。該文主要針對國內智能管道檢測裝置存在的問題，研發一款小型裝置，可以在手機里借助4G運用自研的APP程序遠程控制地下管道巡檢、實時傳輸管道內部圖像和位置定位，并進行輕度維修的管道智能巡檢小車。經多次改進，裝置預期功能已經全部實現并且性能穩定，滿足小型化和智能化巡檢需求。

關鍵詞：管道智能巡檢；遠程控制；APP；圖像傳輸；位置定位

中圖分類號：TP23" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00４８-0４

Abstract： Pipeline inspection plays a very important role in modern engineering maintenance， and the miniaturization and intelligence of pipeline inspection system is the development direction. Aiming at the problems existing in domestic intelligent pipeline inspection equipment， this paper develops a small device， which can remotely control underground pipeline inspection， transmit pipeline internal image and location in real time， and carry out mild maintenance with the help of 4G self-developed APP program. Through many improvements， the expected functions of the device have been fully realized and the performance is stable， which meets the needs of miniaturization and intelligent inspection.

Keywords： intelligent inspection of pipeline; remote control; APP; image transmission; location positioning

城市的高速發展帶動了地下管線的飛速發展，如圖1所示，地下市政設施包括地下綜合管廊、地下能源供應、地下排水供水設施、污水處理設施，地下生活垃圾的清除、處理和回收系統，地下管線已然成為城市運行和市民生產生活的重要基礎。然而復雜的地下環境和管內介質都會對管道產生不利影響，如果管道發生故障，通常會造成巨大的經濟損失，甚至威脅人民的生命和財產安全，因此保障城市地下管線的安全運行已成為城市管理的重要一環。

利用管道智能巡檢裝置代替人工進入狹小、復雜環境惡劣（比如可能缺氧，有毒、有害等）的地下管線，完成對地下管線的檢測和維護是城市管道維保的重要手段。地下管道智能巡檢的研究具有明顯的社會效益和極大的科學價值，越來越受到世界各國的重視。

1" 國內外現狀

目前，以德國、美國和日本等為代表的發達國家在管道檢測和管道修復等方面均取得大量成果，其技術水平一直處于世界前列。由于我國工業化起步較晚，相關的研究也相對落后于發達國家，但隨著國內經濟發展和城市管理水平的提升，國內對管道巡檢的需求也越來越旺盛，已對國外管道檢測技術形成趕超之勢。目前巡檢裝置大部分采用的技術是模塊化設計、趨于智能化的操控方式，然而由于地下管道內部情況復雜，地下管道巡檢裝置仍然不能很好地滿足實際工程的需要，具體體現在以下幾個方面。

1.1" 機器人體積偏大

目前管道檢測機器人產品大都只能適應DN200 mm以上的管徑，對于DN150 mm甚至更小的管道則無法進入，使得小內徑管道的檢測需求無法滿足。

1.2" 防傾覆能力不強

管道內部往往有較大的障礙物或者陡坡導致管道巡檢裝置傾覆，普遍的四輪裝置遇到溝溝坎坎的可能會陷入不能自拔，導致失敗。

1.3" 圖像傳輸性能不穩定

由于在地下運行，圖像在傳輸過程中受到干擾，導致圖像傳輸性能不穩定。

1.4" 遠程控制能力不強

由于地下土層結構和管道內部復雜情況，導致巡檢裝置遠程控制能力不強。

為保證管道智能巡檢裝置能在更多的情況下發揮作用，適應更復雜的地下情況，解決更多的實際問題，項目小組查閱資料、勘察現場、模擬場景，決定從小型化，智能化方面著手研制。

2" 研制歷程

通過小組成員近一年的研究，小組成員切身體會到了管道作為能源運輸裝置的重要性，通過地下管道，各種油氣、水、電等資源在地下便可輸送到城市的四面八方，因此，在使用過程中管道因磨損、腐蝕或其他人為因素所造成的影響便十分重大，泄露、爆炸等事故也時有發生。通過智能巡檢裝置，便可及時監測、記錄、分析管道內部的數據信息從而更好地發現管道內外存在的潛在問題，避免事故發生，同時，智能巡檢裝置可以極大提高生產效率，通過運用巡檢裝置，日常的管道巡檢便不需采用人工巡視、打洞、拆裝等傳統的巡檢方式，可節省大量時間和人力物力，同時管道內部情況檢測也更加徹底詳細，方便后續維修的工藝操作。其次，管道智能巡檢裝置的引入，可以在保證管道安全甚至是正常使用的情況下發現管道堵塞、泄露、破損等情況，在盡可能短的時間內發現管道出現的問題，確保管道及時修復，減少能源的損耗，減少資源浪費，達到節能的效果；另外，傳統的管道巡檢工作人員的專業水平和工作經驗要求較高，同時管道巡檢也隱藏著許多風險，利用管道智能巡檢裝置，可減少甚至無需人員進入管道內部，降低人工巡檢的投入，不僅可以實現節約成本的效果，還能夠降低油氣企業潛在的風險，提高生產效率，降低人工成本，增大企業利潤。

2.1" 小型化設計

考慮到小型化要求，能在管道DN150 mm甚至更小直徑的環境中使用，如圖2所示的裝置，高度為112 mm，總長422 mm（長度可調節）。

2.2" 六輪設計

目前眾多巡檢裝置使用的四輪或者六輪，在遇到障礙物或者沙礫、泥潭等不良環境時，裝置會陷入而不能自拔。遇到有坡度的地方因平衡不好而傾倒。本文研制的裝置也使用六輪，參考我國月球車的六輪裝置，搭配為4+2形式，所有六輪皆為主動輪，前面2輪固定在短梁上，短梁長度136.5 mm（和后面的長梁使用鉸接方式，根據使用情況短梁長度可調節鉸接長度），目的是抗陷入，抗傾覆，目前已經可以在30°坡面上運行自如。此處未將長梁再分段鉸接，是受到成本和電池動力所限，還有值得改進的地方。

如圖3所示，裝置應用阿克曼轉向結構。通過內外輪差異轉角，保證4個車輪的轉彎半徑圓心都交于一點，4個車輪都處于純滾動狀態，保障轉向輕便靈活，減輕轉彎時的輪胎磨損。

2.3" 減震設計

運用氣動彈簧原理自行設計了減震裝置，如圖4所示，效果非常好，能很好地保護電子元器件受沖擊程度。

2.4" 控制部分設計

使用自編的APP成功實現了近距離無線遙控，其中數據處理為STM32單片機，WIFI終端為esp8266，攝像頭為ESP32CAM。其中，關鍵技術有計算機網絡中TCP服務端的建立和TCP客戶端與服務端通信，電路板的設計，APP編寫，單片機的編程使用。

單片機部分：單片機是一種微型計算機，應用范圍非常廣泛。單片機項目開發需要掌握一些基本的知識和技能，比如硬件設計、軟件編程等。在硬件設計方面，需要了解一些電路原理和電子元器件的使用方法；在軟件編程方面，需要掌握一些編程語言和開發工具。本裝置使用的是STM32，利用其完成了遙控和數據接收以及電機驅動。

APP部分：為了便于操縱和控制，制作了一款簡易的APP來遙控和查看攝像頭畫面，運用JAVA和Android Studio來編寫安卓APP，從而通過手機遙控和查看攝像頭。部分程序段如下所示：

//運用JAVA和Android Studio來編寫安卓APP

package com.example.wificar;

import androidx.appcompat.app.AppCompatActivity;

import android.annotation.SuppressLint;

import android.content.Intent;

import android.os.Bundle;

import android.view.MotionEvent;

import android.view.View;

import android.webkit.WebView;

import android.widget.Button;

import android.widget.ImageButton;

import prg.eclipse.paho.android.service.MqttAndroidClient;

import java.io.IOException;

import java.io.InputStream；

import java.io.OutputStream；

import java.net.InetSocketAddress;

import java.net.Socket;

import java.net.SocketAddress;

TCP協議：TCP傳輸控制協議是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議。面向連接意味著2個使用TCP的應用（通常是一個客戶和一個服務器）在彼此交換數據包之前必須先建立一個TCP連接。這一過程與打電話很相似，先撥號振鈴，等待對方摘機說“喂”，然后才說明是誰。在一個TCP連接中，僅有兩方進行彼此通信。廣播和多播不能用于TCP。

與TCP相對應存在一個UDP協議，TCP是面向連接的傳輸控制協議，而UDP提供了無連接的數據報服務；TCP具有高可靠性，確保傳輸數據的正確性，不出現丟失或亂序；UDP在傳輸數據前不建立連接，不對數據報進行檢查與修改，無須等待對方的應答，所以會出現分組丟失、重復、亂序，應用程序需要負責傳輸可靠性方面的所有工作；UDP具有較好的實時性，工作效率較TCP協議高；UDP段結構比TCP段結構簡單，因此網絡開銷也小。TCP協議可以保證接收端毫無差錯地接收到發送端發出的字節流，為應用程序提供可靠的通信服務。對可靠性要求高的通信系統往往使用TCP傳輸數據，出于數據的準確性考慮，我們采用了TCP網絡協議。

電路板設計：PCB（Printed Circuit Board），中文名稱為印制電路板，又稱印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣相互連接的載體。由于其是采用電子印刷術制作的，故被稱為“印刷”電路板。需要通過單片機處理數據并用來驅動電機，這個過程中，流程為APP啟動TCP客戶端，發送數據到TCP服務端，服務端再將數據發送給單片機，單片機讀取數據后進行處理，并通過驅動芯片驅動電機，使得電機能轉動起來。如果每個流程部分都采用單獨的模塊，會導致整個小車過于臃腫，不美觀，也不安全。將模塊集中起來，單片機和驅動集成在1塊板子上，節省大量位置和空間。

3" 結論

經過項目組全力攻關，智能巡檢裝置可以在30°坡面爬行，平衡性較好，六輪驅動，轉向靈活，通過手機APP控制功能和圖傳功能，希望本文實踐為管道巡檢的運用和維修中提供參考。

參考文獻：

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