Использование робототехники в инспекции и ремонте канализационных систем

Растущая роль робототехники в управлении канализационными системами

Муниципалитеты по всему миру обращаются к робототехнике для решения давних проблем в инспекции и ремонте канализационных систем. Эти машины, начиная от простых сканеров с дистанционным управлением и заканчивая автономными беспилотными летательными аппаратами, переопределяют то, как города поддерживают критическую подземную инфраструктуру. Заменяя ручные, часто опасные методы точными, дистанционно управляемыми технологиями, робототехника снижает риски для работников, снижает затраты и продлевает срок службы стареющих канализационных сетей. В этой статье рассматриваются ключевые типы роботизированных систем, используемых сегодня, их применение в инспекции и ремонте, развертывание в реальном мире и то, что будущее ждет эту быстро развивающуюся область.

Почему робототехника важна для канализационной инфраструктуры

Канализационные системы являются одними из самых важных, но невидимых активов любого города. Они уносят отходы и ливневые воды, предотвращая наводнения и кризисы общественного здравоохранения. Однако эти сети подвергаются постоянному износу: трещины от движения земли, корневого вторжения, коррозии от сероводорода и завалов от мусора и жира. Традиционные методы проверки требуют, чтобы работники физически входили в трубы - опасная практика, включающая токсичные газы, ограниченные пространства и риск структурного коллапса. Даже с защитным снаряжением, вход человека медленный, дорогой и разрушительный. Робототехника решает эти проблемы, предоставляя глаза и руки под землей, не подвергая людей опасности.

Помимо безопасности, роботы предлагают более быстрый сбор данных и более последовательную точность. Один роботизированный сканер может проверять мили трубы за день, захватывая видео высокой четкости и показания датчиков, которые можно немедленно проанализировать или архивировать для будущего сравнения. Эта возможность позволяет коммунальным службам расставлять приоритеты ремонта на основе данных о состоянии, переходя от реактивного обслуживания к стратегии активного управления активами. Результатом является значительная экономия средств: раннее обнаружение небольшой трещины может стоить сотни долларов для ремонта, тогда как обвалившаяся труба стоит десятки тысяч для замены.

Краткая история технологии канализационной инспекции

Ручное обследование канализации восходит к древнему Риму, но современные методы начались в начале 20-го века с простых камер с замкнутым контуром (CCTV), которые тащили по трубам. Эти первые системы были громоздкими, требовали нескольких членов экипажа и производили низкокачественные черно-белые кадры. К 1990-м годам цифровые камеры улучшили четкость изображения, но оборудование все еще было привязано к тяжелым кабелям и нуждалось в постоянной ручной регулировке. Настоящий прорыв произошел в 2000-х годах с компактными гусеничными роботами, оснащенными камерами с наклонным зумом и бортовым освещением. Сегодняшние системы включают лазерную профилометрию, гидролокатор, LiDAR и даже искусственный интеллект для автоматического обнаружения дефектов. Термин «роботы» теперь охватывает все, от колесных гусеничных машин до плавающих дронов, каждый из которых предназначен для конкретных размеров труб, форм и условий.

Виды канализационных роботов и их роли

Ни один робот не может справиться с каждым сценарием канализации. Диаметры труб варьируются от 6 дюймов до более 10 футов, материалы варьируются от глины и бетона до пластика и железа, а условия включают проточной воды, мусора, резких изгибов и вертикальных капель. Соответственно, инженеры разработали несколько архитектур роботов, каждая из которых оптимизирована для конкретной среды или задачи.

Роботы-краулеры

Наиболее распространенным типом роботов-сканеров являются гусеничные транспортные средства, которые катятся по дну труб. Они обычно привязываются к блоку управления над землей через многопроводный кабель, который обеспечивает питание, видео и сигналы управления. Современные гусеничные машины могут перемещаться по трубам размером до 6 дюймов в диаметре и размером до 48 дюймов или более. Они несут широкоугольную камеру, установленную на наклонной головке, а также вспомогательные осветительные массивы, которые освещают темные интерьеры. Многие гусеничные машины также включают в себя сенсорные пакеты для измерения овальности труб, обнаружения трещин с помощью лазерного сканирования или отображения внутренней геометрии с помощью 3D-профилирования.

Ведущие производители, такие как CUES и Hy-Tec, производят гусеничные машины, которые могут подниматься по умеренным склонам и пересекать влажные поверхности. Некоторые модели даже погружаются, что позволяет им работать в заряженных или частично затопленных трубах. Для ремонтных работ специализированные гусеничные машины несут роботизированные руки с инструментами для измельчения выступающих корней, нанесения эпоксидных пластырей или установки отвержденных на месте трубных (CIPP) лайнеров.

Роботы для проверки труб (PIR)

В то время как сканеры доминируют в инспекции, меньшие роботы для инспекции труб (PIR) предназначены для ограниченных пространств. Это часто трехколесные или гусеничные транспортные средства с низким профилем, способные входить в боковые (соединения от домов до основных линий) и трубы меньшего диаметра. PIR обычно имеют более короткий привязной и более компактную камеру. Некоторые модели могут сформулировать свою мачту камеры, чтобы искать в служебных соединениях. Они имеют решающее значение для проверки того, что боковые проемы прозрачны и правильно соединены, что является общим источником проблем с притоком и проникновением.

Наметившейся тенденцией является использование «теплых» ПИР — множества небольших роботов, которые координируют свои действия для более быстрого осмотра сети. Эта концепция все еще экспериментальна, но обещает резко сократить время проверки для крупных жилых районов.

Роботы для плавания и дронов

Для перехватчиков большого диаметра и канализации багажника (часто 36 дюймов и больше) роботы свободного плавания предлагают уникальное решение. Эти несвязанные или минимально привязанные устройства плавают или плавают с потоком, используя бортовые камеры и датчики для захвата непрерывных кадров, когда они перемещаются по течению. Они извлекаются в нисходящем люке. Примеры включают систему Swooper и PipeCrawler от RedZone Robotics (теперь часть CUES). Поскольку они движутся с потоком, они могут покрывать большие расстояния (мили) в одном развертывании, и они избегают риска застрять в мусоре, который может помешать сканеру.

Совсем недавно дроны в квадрокоптерном стиле были адаптированы для использования в канализации. Эти квадрокоптерные или колесные дроны могут летать через частично заполненные трубы, зависать для проверки конкретного дефекта и даже приземляться для выполнения измерений. Они особенно полезны в нерегулярных геометриях, таких как камеры люков, сифоны и перевернутые сифоны, где гусеничные машины не могут работать. Однако срок службы батареи и передача энергии остаются проблемами для систем беспилотников в длинных трубопроводах.

Технологии инспекции, выполняемые роботами

Ценность канализационного робота заключается не только в его мобильности, но и в датчиках, которые он несет. Современные платформы объединяют несколько технологий для создания всеобъемлющей картины состояния труб.

Камеры видеонаблюдения

Камеры с широким динамическим диапазоном и светодиодной подсветкой могут показывать такие детали, как трещины, смещения суставов, корневые массы и инкрустация. Видео записывается и часто анализируется с использованием стандартов кодирования дефектов, таких как НАТО или PACP (Программа оценки и сертификации трубопроводов). Некоторые продвинутые камеры включают стереоизображение для измерения ширины трещины или расчета овальности трубы.

Лазерное профилирование и 3D-сканирование

Для количественной оценки формы трубы роботы часто проецируют на стенку трубы одно или несколько лазерных колец. Камера фиксирует искаженный рисунок кольца, а программное обеспечение вычисляет поперечное сечение трубы в каждой точке. Это идентифицирует овальность (внекруглость), деформацию и локализованное повреждение. Более сложные системы используют LiDAR (детектирование света и дальность) для создания 3D-очкового облака интерьера, по которому можно перемещаться практически позже.

Сонар

Когда трубы частично или полностью заполнены водой, оптические камеры становятся бесполезными. Соноры (акустические) датчики, установленные на роботах, могут отображать погруженную часть трубы, обнаруживая обломки, накопление осадков и структурные дефекты ниже ватерлинии. Сочетание гидролокатора с камерами видеонаблюдения над водой дает полную картину состояния трубы независимо от уровня потока.

Обнаружение газа и температура

Многие роботы несут датчики для сероводорода, метана и других газов. Эти данные помогают операторам оценить риск коррозии и обеспечить безопасные условия труда, если в конечном итоге потребуется проникновение человека. Датчики температуры могут обнаруживать утечки из разрядов горячей воды или определять точки, где грунтовые воды проникают через трещины.

Роботизированные методы ремонта и технического обслуживания

Роботы не ограничиваются осмотром. Они все чаще используются для выполнения ремонта с минимальными раскопками, концепция, известная как «безопасная технология». Роботизированный ремонт особенно привлекателен для труб, которые слишком глубоки, слишком заняты (под железными дорогами, шоссе или реками) или слишком дороги, чтобы выкапывать.

Труба с проточной поверхностью (CIPP)

CIPP включает в себя вставку насыщенного смолой вкладыша в поврежденную трубу, надувание ее и отверждение горячим водяным, паровым или ультрафиолетовым светом. В то время как традиционный CIPP требует вытягивания вкладыша из люка, роботизированные системы теперь могут устанавливать сегментные вкладыши или вкладыши для локализованного ремонта. Роботизированные руки наносят пластыри точно над трещиной или зазором сустава. Затем пластырь отверждается, восстанавливая целостность трубы. Этот подход позволяет избежать затрат и разрушения накладки всей трубы, когда повреждены только несколько секций.

Роботизированная крачка и уплотнение

Утечка суставов является распространенным источником инфильтрации. Роботы, оснащенные инструментами для инъекций затирки, могут перемещаться в протекающий сустав, вводить химическую затирку (обычно полиуретан или акриламид) в почву или кольцевое пространство вокруг сустава и запечатывать утечку изнутри. Робот контролирует процесс с помощью камеры, регулируя давление и объем инъекции для идеальной уплотнения. Эта техника широко используется также в реабилитации люков.

Удаление и вырезание мусора

Корни, закаленная смазка, мусор и даже выступающие краны могут быть удалены роботизированно. Многие сканеры осмотра могут быть оснащены головкой «поворотного резца» - вращающимся лезвием, которое обрезает корневые вторжения без повреждения стенки трубы. Для инкрустации смазки или бетона водные струи высокого давления, направляемые роботизированной рукой, могут прочесывать поверхность. Некоторые роботы несут небольшие пилы или фрезерные инструменты, чтобы отрезать выступающие служебные соединения, которые затем могут быть надлежащим образом ограничены или повторно подключены.

Ремонт роботизированных точек

Для более крупных конструктивных дефектов, таких как отсутствующий кирпич или разъединенная секция, роботы могут наносить структурные обертки или устанавливать рукава из нержавеющей стали. Эти ремонты выполняются изнутри трубы, часто с использованием роботизированной руки, которая позиционирует ремонтный материал и закрепляет его на месте. Такой точечный ремонт дороже, чем заплатка, но намного дешевле, чем замена секции.

Реальные приложения и тематические исследования

Роботы уже широко развернуты во многих городах. Например, город Лос-Анджелес использует парк роботизированных гусеничных машин для проверки своих 6500 миль канализационных линий ежегодно. В 2022 году они сообщили о сокращении на 40% аварийного ремонта благодаря раннему обнаружению дефектов. В Лондоне Thames Water использует роботов для свободного плавания для осмотра массивного тоннеля Ли длиной 4 мили, 7,2-метрового тоннеля ливневой воды, который проходит на глубине 80 метров под землей. Эти роботы захватывают 360-градусное видео и данные гидролокатора, которые невозможно получить традиционными методами.

Другим заметным примером является роботизированная система ремонта канализационных систем, используемая городом Атланта, штат Джорджия. Работая с подрядчиками, они использовали роботизированные лоскутные вкладыши для ремонта более 500 суставов за один год, что позволило сэкономить около 3 миллионов долларов по сравнению с методами копания и ремонта. Робот мог завершить совместный ремонт примерно за два часа, тогда как раскопки заняли бы дни.

В небольших муниципалитетах также принимают роботов. Город Кэри, Северная Каролина, запустил пилотную программу с недорогим роботизированным сканером с открытым исходным кодом, разработанным местным университетом. Система использует контроллер Raspberry Pi и приложение для смартфонов, доказывая, что даже ограниченные бюджетом сообщества могут извлечь выгоду из роботизированного контроля.

Для дальнейшего чтения о политике и финансировании технологий «умной» канализации, на странице «Умный рост и вода» EPA дается контекст того, как муниципалитеты могут интегрировать оценку состояния в планы управления активами.

Машинное обучение уже применяется к автоматизированной классификации дефектов. Стартапы, такие как VAPAR, предлагают облачные платформы, которые анализируют канализационные видеоматериалы и выделяют дефекты с высокой точностью. По мере роста наборов данных обучения эти системы станут достаточно надежными, чтобы заменить ручное рассмотрение для многих стандартных проверок.

Еще одна тенденция - использование роев роботов - множество небольших недорогих роботов, которые могут одновременно проверять сеть. Роботы Swarm будут общаться по беспроводной сети, координировать покрытие и возвращаться на зарядную станцию. Эта концепция тестируется исследовательскими группами в университетах, таких как Карнеги-Меллон и Шеффилдский университет. Если это удастся, рои могут сократить время проверки для города от нескольких лет до нескольких недель.

Кроме того, интеграция с географическими информационными системами (ГИС) и информационным моделированием зданий (BIM) позволит коммунальным предприятиям визуализировать роботизированные данные в 3D-моделях города. Этот целостный вид помогает инженерам планировать ремонт, моделировать поток и прогнозировать будущие сбои. К роботам могут быть добавлены датчики для мониторинга качества воды (рН, проводимость, мутность), превращая их в мобильные экологические станции, которые обнаруживают незаконные сбросы или события загрязнения.

Заключение

Использование робототехники в инспекции и ремонте канализационных систем вышло за рамки новизны, чтобы стать краеугольным камнем современного управления инфраструктурой. От простых сканеров видеонаблюдения до автономных роев беспилотников эти машины делают работу канализационных систем более безопасной, быстрой и точной. Они позволяют раннее обнаружение проблем, целенаправленный ремонт и переход от реактивного к активному обслуживанию. В то время как такие проблемы, как стоимость, навигация и управление данными, сохраняются, быстрые достижения в области ИИ, датчиков и аккумуляторных технологий обещают еще больше продвинуть область. Для городов, борющихся со стареющими трубами и растущим населением, робототехника предлагает практический путь к устойчивым, устойчивым системам сточных вод. Инвестирование в эту технологию сегодня будет приносить дивиденды на десятилетия вперед.