摘要

本研究的目的是評估在下水道管道檢查中使用無人機(UAV)作為篩選管道和確定需要進一步詳細檢查的方法的有效性。通過與常規檢測方法、閉路電視(閉路電視)和井口攝像機進行對比，進行了檢測速度、操作人員安全性和數據可靠性的實驗。結果是，與其他被證明高效的方法相比，無人機可以在更短的時間內檢查相同的管道長度，也可以被認為是一種安全的方法，因為操作人員在檢查過程中無需進入人孔即可完成操作。數據的可靠性也足夠，因為無人機可以收集管道內部的圖像，能見度高。從得到的結果來看，無人機是一種有效的篩選方法，可以高效的進行CCTV的檢查。

關鍵字

無人機;下水管道檢查;篩選;操作人員安全;維護

簡介

日本下水道係統的現代化始於1965年，隨後在接下來的20年裏進行了大規模建設。截至2018年底，衛生設施覆蓋率達到79.3%。隨著覆蓋率的增長，下水道總長度也在快速增長，在最近的統計中達到了大約48萬公裏。

下水道管道的典型使用壽命被認為是50年。最新的統計數據顯示，17000公裏，約4%的現有管道超過了這個年齡。每年有3000多起城市道路因老化管道老化而發生坍塌事故，引起社會的嚴重關注。我們看到越來越多的老化管道，我們擔心看到更多的道路坍塌事故[3]。

在日本，目前對下水管道進行詳細目視檢查的主要方法是閉路電視(CCTV)。閉路電視檢查可以發現管道內部的缺陷，並收集近距離的圖像進行檢查。數據可靠性高，因為閉路電視會停下來查看每個缺陷，但這不是最有效的，因為操作人員會在閉路電視通過管道時搜索任何缺陷。安全問題是需要考慮的，因為這需要操作人員進入人孔，將閉路電視插入管道內。這種環境可能含氧量低或含有有害氣體。在突然下雨的情況下，操作者也可能不安全[4]。

人孔攝像機通常用於篩選管道，以確定需要詳細檢查的部分。這是一種高效和安全的方法，但其視線有限，不足以拍攝整個管道路徑。

管道篩選和優先排序被認為是有效的下水道管道維護。一種高效安全的管道可視化方法在篩分中是非常有效的。本研究的重點是利用無人機(UAV)作為一種高效、安全、可靠的篩選管道的方式。通過將無人機與常用的檢測方法、閉路電視(CCTV)和人孔攝像機進行對比實驗[5,6]進行評價。

材料與方法

設備

用於檢查的設備有閉路電視、人孔攝像機和無人機。閉路電視的分辨率是41萬像素，人孔攝像機是200萬像素，無人機是200萬像素。無人機的規格可在表1中找到，其外觀在圖1和圖2中。

圖1:日本每年的新下水道建設和累積長度。
作者根據日本汙水處理廠協會[3]統計數據編製。

圖2:無人機的外觀。

項	規範
大小	W:250mm L:570mm H:190mm
重量	2.0公斤(含電池)
飛行時間	約5分鍾
飛行速度	0.5m/s到3.0m/s
檢查相機	鬆下安定攝影機
決議	大約200萬像素
視角	84度。

表1:無人機的規格。

檢查部分

用於評價的管道段如下:

• 管道使用=聯合下水道
• 管徑= 400mm ~ 600mm
• 管材=混凝土
• 行數(路徑)=30
• 總長度=1,324.8米

路徑排成一條直線，如圖3所示。在閉路電視檢查前，管道被清理過，但沒有用於井口攝像頭或無人機。

圖3:檢查路徑。

評價方法

檢查組用閉路電視、人孔攝像機和無人機對同一路段進行了檢查。該團隊通過檢查速度、操作員的安全性和數據的可靠性來評估無人機的效率/可靠性。

“檢查速度”的指標值為檢查所需的天數、人孔開口數、每個人孔的平均檢查路徑和檢查長度的平均。如果用無人機進行檢查所需的天數比現有方法少，則可以判斷效率高。

“操作人員安全”指數被設定為不要求操作人員進入的人孔開口的數量。較高的數值意味著作業人員較少暴露在低氧、有害氣體或因意外降雨引起的水位突然上升等不安全情況下。

通過檢測到的缺陷數量與CCTV結果相匹配來檢驗無人機獲取數據的可靠性，即以CCTV為基準。當檢出率為100%時，可靠性可以說與CCTV相同。當速率高於人孔攝像機時，可靠性可以說大於人孔攝像機。

結果與討論

通過(1)檢查速度、(2)操作人員的安全性和(3)數據的可靠性來評價三種檢查方法的比較。下麵詳細說明每項評價。

檢查速度

無人機檢查時長為4小時18分鍾，包括準備、設備調試和清理。換算成整個工作日為8小時，一天的檢查長度為2904米。

表2和表3顯示了對13324.8 m的總長度進行檢查所需的天數:閉路電視=4天，人孔攝像機=2天，無人機=1天。與閉路電視、人孔攝像頭相比，無人機所需的天數最少。這是因為無人機在每個人孔上安裝所需的時間更短，可以比CCTV更快地穿過管道，並且能夠檢查上遊方向的一條路徑和下遊方向的兩條路徑，因此從一個開口最多可以檢查三條路徑。無人機對每個人孔的平均檢查時間為12分23秒。

指數	值
檢查速度	檢查天數
操作人員的安全	沒有進入人孔的檢查次數(沒有進入的檢查/人孔開口)
數據的可靠性	缺陷檢測與CCTV的匹配率

表2:比較指數。

	中央電視台	人孔相機	無人機
所需天數	4	2	1
人孔開口的數目	30.	36	15
每個人孔的平均檢查路徑	1．0	0.8	2．0
每個人孔經檢查的平均長度	44.16	36.8	88.32

表3:檢驗方法的比較。

需要檢查整個長度的人孔開口的數量是，CCTV=30個開口，人孔攝像機=36個開口，無人機=15個開口，這表明無人機是所有開口數量最少的。每個人孔平均巡檢路徑數為CCTV=1.0路徑，人孔攝像機=0.8路徑，無人機=2.0路徑。每個井口的平均檢查長度為CCTV=44.16 m，井口攝像機=36.8 m，無人機=88.32 m。結果表明，就所需天數、平均檢查路徑數和每個人孔的檢查長度而言，無人機檢查是三種測試方法中效率最高的[7,8]。

操作人員的安全

操作人員的安全性通過沙井開口的數量和在操作人員未進入沙井的情況下的檢查次數來量化。其中CCTV=0%，井口攝像頭=100%，無人機=93.3%。無人機記錄的一個開口發生在操作人員將無人機引導到一個很深的缺口時，不得不進入人孔將其取出。如果在檢查之前檢查施工圖紙，就可以避免這種情況。無人機的檢查基本上可以從地麵完成整個過程，包括準備、檢查和清理(圖4和圖5)。

圖4:人孔開口和檢查過的路徑。

圖5:無人機地麵檢查操作人員。

數據的可靠性

CCTV的結果如表4所示，嚴重程度(A- c)在表4中解釋為A是最嚴重的級別。表5所示的標準取自日本汙水工程協會(JSWA)發布的“下水道管理指南”[4,9]。用井口攝像機對同一斷麵進行了檢查，並與閉路電視進行了對比。可見性(屏幕清晰度)通過該方法為每個項目檢測到的缺陷數量進行評估(圖6)。圖6顯示了由閉路電視、無人機和人孔攝像機獲得的裂縫圖像。

圖6:通過各種檢測方法得到的裂紋。

根入侵			附存款 (砂漿)			其他人			總計
一個	b	c	一個	b	c	一個	b	c	一個	B	C	總計	一個	b	c	總計
0	3.	0	0	0	4	0	0	1	0	1	2	3.	4	16	24	44

表4:閉路電視檢查的結果。
對每個級別A(A) - C(C)的解釋見表5。
全長評定:A=最嚴重→C=較輕
局部(管道方麵)評估:a=最嚴重→c=較輕

全長評估	汙水渠狀況\		一個	B	C
	管道腐蝕		可見鋼筋	總可見	表麵粗糙度
	垂直方向變形	(內徑)小於700毫米	內徑100%或以上	內徑50%或以上	少於50% 內徑
		(內徑)在700毫米至1,650毫米之間	內徑50%或以上	內徑25%或以上	少於25% 內徑
		(內徑)介於1,650毫米至3,000毫米之間	內徑25%或以上	內徑12.5%或以上	小於內徑12.5%
本地(管道方麵的)評估	汙水渠狀況\		一個	b	c
	斷裂/縱向裂縫	鋼筋混凝土管等。	倒塌	縱向裂縫 寬度不小於2毫米	縱向裂縫 寬度小於2毫米
			縱向裂縫 寬度不小於5毫米
		陶土管	倒塌	縱向裂紋小於50% 管道長度	--
			縱向裂縫, 管道長度的50%或更大
	環形裂紋	鋼筋混凝土管等。	環形裂紋 寬度不小於5毫米	環形裂紋 寬度不小於2毫米	圓周裂紋寬度小於2毫米
		陶瓷陶土管(VC)	圓周裂紋的三分之二或更大 周長	圓周裂紋小於圓周長度的三分之二	--
	流離失所的關節		擠壓關節	鋼筋混凝土管等:70毫米或更大	鋼筋混凝土管等:小於70毫米
				陶土管:50毫米及以上	陶土管:小於50mm
	滲透		滔滔不絕的	運行	滲
	側擠壓		內徑50%或以上	內徑10%或更大	少於10% 內徑
	附屬物、潤滑脂		堵塞50%或以上	堵塞小於50 內徑%	--
	根入侵		堵塞50%或以上	堵塞小於50 內徑%	--
	附屬沉積物、灰漿		堵塞30%或以上	堵塞10%或更大	堵塞小於10%

表5:嚴重程度[4,9]。

人孔攝像頭與CCTV的匹配率(9項，不包括本節不適用的“垂直方向變形”和“附著沉積物、油脂”)為11%，無人機為68%。在這些結果中，關鍵缺陷(項目1-5)的比率是8%的人孔攝像機和74%的無人機，維修相關缺陷(項目6-9)，22%和44%。

對於影響結構完整性的關鍵缺陷，無人機的匹配結果為74%，可認為匹配率較高。其中，腐蝕、接頭移位、側管擠壓與CCTV檢測結果吻合度100%。這一得分歸功於無人機能夠飛到下水道部分的中心，從近距離收集圖像並檢測缺陷，而人孔相機隻能從人孔收集圖像。而裂縫、根係侵入和灰漿沉積的匹配率僅為50%以下。匹配率低的原因可能是無人機偶爾遇到的能見度低——無人機產生的向下氣流濺起水，水粘在鏡頭上。或者，狹窄的視角使圖像模糊，使操作者難以檢測缺陷。因此，相機的選擇將是未來發展的一個問題。結果顯示，側位阻塞低至0%匹配的結果是由於無人機不具有側位視覺。如果沒有這種能力，檢測側向堵塞是很困難的。

可以說，雖然有些項目在CCTV上顯示的準確性較低，但總體得分高於井口攝像頭。因此，無人機可以作為管道檢測[10]的一種可能的篩選方法。

總結

對比的結果可以總結如下。

• 在效率方麵，無人機的檢查效率最高，與CCTV和人孔攝像頭相比，無人機完成檢查的時間最短，分別為1/4和1/2。該係統檢測速度快，一次操作可檢測多條路徑，實現了高效率。
• 安全性也有所提高。從準備、圖像采集到檢索的整個無人機檢查都可以在地麵上完成，無需操作員進入人孔。這減少了暴露在不安全的環境中。
• 與井口攝像機相比，數據可靠性可以說是相似或更好的。CCTV的缺陷檢出率為68%，而井口攝像頭的缺陷檢出率為11%。在每個缺陷類別和級別中，檢測率與人孔攝像機相似或更高。

結論

從觀察結果可以看出，與閉路電視檢查相比，無人機檢查可以更有效、更安全地發現需要更詳細檢查的區域。與井口攝像頭作為篩檢方法相比，無人機可以穿過管道，具有類似或更好的缺陷檢出率。可以說，無人機是一種高效進行CCTV檢查的有效篩選手段(圖7)。

圖7:比較結果。

向前推進，相機規格的優化可以幫助提高圖像質量，以獲得更高的缺陷檢出率，整體操作易用性的改進可以允許使用無人機進行更快的檢查。無人機檢查有潛力成為下水道管理的高效解決方案(表6)。

表6:每種檢驗方法檢測到的缺陷數量。

參考文獻

1. 國土交通省(2018)下水道維修(日文)。日本。［Ref。］
2. 日本國土交通省(2020年)《日本公共汙水處理工程指南》(日文)。isbn978 - 4 - 93 - 0941 - 72 - 5,日本。
3. 日本汙水處理廠協會(2018)汙水處理廠國家數據庫(日文)。日本。［Ref。］
4. 日本汙水處理廠協會(2014)汙水設施管理指南(日文)。日本。
5. Kenzo Nonami(2018)關於無人機的工業應用(日文)。Ohmsha,日本。［Ref。］
6. Ippei Yamashita(2018)無人機教科書高級文本無人機工作人員測試(無人機認證)二級通信。日本。
7. 日本汙水處理廠協會(2016)汙水管道設施庫存管理指南(日文)。日本。
8. 日本汙水處理廠協會(2020)汙水設施管理工程成本估算手冊(日文)。日本。
9. 日本汙水收集係統維護協會(2019)《汙水管道管理手冊》(日文)。日本。
10. Yusuke Inagaki, Hiroshi Ikeda, Patrik Ken Takeuchi, Yoshihiko Yato, Takayuki Sawai(2020)評估下水道狀況的有效措施:無人機篩查與cctv和人孔攝像頭進行比較。水實用技術15:482-488。［Ref。］

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條信息

文章類型:研究文章

引用:Inagaki Y, Ikeda H, Yato Y, Takeuchi PK, Anakura M(2020)無人機在汙水管道檢測中的應用。國際J水廢水處理6(2):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.169

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出版的曆史:

收到日期:2020年7月28日

接受日期:2020年8月12日

發表日期:2020年8月18日