CN112758287B - 水下遥控检测和处置作业设备及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下遥控检测和处置作业设备，包括系缆绞盘、地面控制台、检测机器人和作业履带车；检测机器人包括浮体以及安装于浮体上的声呐、推进器和密封舱；密封舱内置检测机器人的控制器和电源；作业履带车搭载清淤设备，并设有检测机器人安装座，通过检测机器人辅助作业；水下遥控检测和处置作业设备包括两套系缆，通讯系缆用于连接检测机器人与地面控制台，供电及通讯系缆用于连接作业履带车与地面控制台。本发明可在不影响排水隧道正常运行的前提下，在地面遥控完成隧道的检测和处置作业，大幅提高排水隧道运维的经济性和安全性。

Description

水下遥控检测和处置作业设备及其施工方法

技术领域

本发明涉及水下检测及作业技术领域，具体涉及一种水下遥控检测和处置作业设备及其施工方法。

背景技术

当前城市因建筑密集，加上地铁和地下综合体开发，浅层地下空间的利用难度和成本都越来越大。深隧排水系统利用城市30～60m的深层地下空间，具有征地拆迁量少，对地面交通和建筑影响小，可实施性好等优点，是改善城市排水能力的重要手段之一。基于地铁盾构技术的广泛应用，深隧的施工技术已经不是难题，但在深隧使用维护上，面临隧道结构检测、淤泥清理等问题，现有应用于市政管道的维护机器人基本不能适用于深隧环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种水下遥控检测和处置作业设备及其施工方法，在不影响隧道的正常使用的情况下，检查隧道内的淤积和结构破损等状况，清理隧道淤积，提高了深隧维护的安全性和便利性，节约了维护成本，避免了因深隧维护影响隧道正常使用的问题。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种水下遥控检测和处置作业设备，包括系缆绞盘和地面控制台，还包括检测机器人和作业履带车；

所述检测机器人悬浮在隧道内的水体中或者搭载在所述作业履带车上；检测机器人包括浮体以及安装于所述浮体上的声呐、推进器和密封舱；所述声呐用于检测隧道内的淤积和隧道管壁腐蚀破损信息；所述推进器用于调整检测机器人的位置；所述密封舱内置检测机器人的控制器和电源；

所述作业履带车搭载清淤设备或其他水下作业工具，沉在隧道底部爬行，作业履带车上设有检测机器人安装座，用于搭载所述检测机器人，通过检测机器人辅助作业；

所述水下遥控检测和处置作业设备包括两套系缆，分别为通讯系缆和供电及通讯系缆，所述通讯系缆用于连接所述检测机器人与地面控制台，所述供电及通讯系缆用于连接所述作业履带车与地面控制台；

地面控制台采集并显示设备检测到的信息，并能根据检测信息控制设备在隧道中的动作；地面控制台处设有电源为作业履带车供电；

所述系缆绞盘用于回收和释放检测作业设备与地面控制台之间的连接系缆。

上述方案中，还包括投放回收装置，用于将水下检测机器人和作业履带车从地面通过竖井投放到隧道，或在检测和作业完成后从隧道中将检测机器人和作业履带车安全地回收。

上述方案中，所述投放回收装置内设有电缆计米器和电缆拉力测量传感器，分别用于检测作业设备的已作业距离和系缆拉力，作为设备回收的判断依据。

上述方案中，所述投放回收装置底部设有高度可以调节的支腿，能适应竖井底部与隧道最低点的高度差；投放回收装置在作业履带车出口方向设有挡板，作业履带车从装置内出来时，可推开挡板，使挡板能搭接在隧道与回收仓之间，使履带车顺利驶入隧道。

上述方案中，所述作业履带车上安装有可伸缩的支撑杆，支撑杆顶端转动安装有偏心轴从动球形转轮，用于与隧道顶部接触，作业履带车在爬行时伸出所述支撑杆将车体压在隧道管壁上，与隧道管壁形成一点两线的接触，整体呈倒“Y”字型。

上述方案中，所述清淤设备包括清淤作业滚刷，所述清淤作业滚刷能够相对车体转动以调整作业姿态。

上述方案中，所述通讯系缆为长而细的零浮力系缆，包含通讯光纤和凯夫拉纤维；所述供电及通讯系缆为短而粗的铠装系缆，包含供电电缆、通讯光纤和凯夫拉纤维。

上述方案中，所述检测机器人还包括涡轮发电机，所述涡轮发电机利用隧道内水流发电，为检测机器人补充电能。

上述方案中，所述通讯系缆和供电及通讯系缆内有多芯冗余光纤，取其中一芯用作形状检测传感器，检测系缆的整体形状，并作为控制系缆收放的参考依据。

相应的，本发明还提出上述水下遥控检测和处置作业设备的施工方法，包含步骤：

1)将设备的各个部件运输至施工现场，安装在适当的工位，通过通讯系缆将检测机器人与地面控制台连接；

2)通过提升设备将检测机器人投放到竖井底部；

3)释放通讯系缆，检测机器人在水流作用下前行，通过声呐检测隧道内的淤积和结构特征，检测数据通过通讯系缆实时传输至地面控制台；

4)回收通讯系缆，将检测机器人提升到地面；

5)将检测机器人安装在作业履带车上，换用供电及通讯系缆连接作业履带车与地面控制台，整体投放至竖井的底部；

6)在声呐的检测辅助下，控制作业履带车驶入隧道；

7)同步控制供电及通讯系缆释放和作业履带车前进，完成沿途的处置作业；

8)当前行到距相邻下一个竖井总距离的一半时，控制供电及通讯系缆回收和作业履带车后退至竖井的底部；

9)将作业履带车旋转180°，并重新沉放至竖井底部；

10)同步控制供电及通讯系缆释放和作业履带车前进，完成逆水流方向的处置作业；

11)当前行到距竖井总距离的一半时，控制作业履带车退回，并回收到地面；

12)将全部设备运输到相邻下一个竖井，重复步骤1)至11)直至完成整条隧道的作业。

本发明的有益效果在于：

本发明遥控检测和处置作业设备，可在不影响排水隧道正常运行的前提下，在地面遥控完成隧道的检测和处置作业，大幅提高排水隧道运维的经济性和安全性。相比传统的水下检测和处置作业设备更能适应于竖井深度大、区间距离长、水流速度快、水体杂质多、隧道满容等苛刻条件的排水隧道环境。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明水下遥控检测和处置作业设备的检测作业总示意图；

图2是本发明水下遥控检测和处置作业设备的检测作业隧道截面示意图；

图3是本发明水下遥控检测和处置作业设备的处置作业总示意图；

图4是本发明水下遥控检测和处置作业设备的处置作业隧道截面示意图；

图5-6是本发明水下遥控检测和处置作业设备的检测机器人的结构图；

图7是本发明水下遥控检测和处置作业设备的作业履带车的结构图。

图中：10、检测机器人；11、浮体；12、声呐；13、推进器；14、保护外框架；15、通信系缆；16、密封舱；17、涡轮发电机；20、作业履带车；21、清淤设备；22、履带；23、支撑杆；24、检测机器人安装座；30、系缆绞盘；31、通讯系缆；32、供电及通讯系缆；40、地面控制台；50、提升设备；60、投放回收装置；61、支腿；62、挡板；

201、竖井；202、相邻下一竖井；203、竖井和隧道外界岩土；204、污水；205、隧道管壁。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明针对深隧排水工程竖井深度大、区间距离长、水流速度快、水体杂质多、隧道满容等特点，提供一种水下遥控检测和处置作业设备，如图1-4所示，水下遥控检测和处置作业设备包括检测机器人10、作业履带车20、系缆绞盘30、地面控制台40、提升设备50和投放回收装置60。

检测机器人10携带声呐，水下摄像头，听水器等传感器，探测水下结构并采集音视频信号，悬浮在隧道内的水体中或者搭载在作业履带车20上，检测隧道内的淤积和隧道管壁205腐蚀破损等信息，并通过系缆将信号传导到地面控制台。如图5-6所示，检测机器人10包括浮体11以及安装于浮体11上的声呐12、推进器13、密封舱16。浮体11结构采用流线型设计，随水流前进的同时减小在水中阻力。声呐12安装于浮体11的侧面中间凹槽内，通过卡箍螺丝固定，用于检测隧道内的淤积和隧道管壁腐蚀破损等信息。4个水平推进器13活动安装于浮体11的侧面，4个垂直推进器13安装于浮体11上面，用于调整检测机器人10的位置。密封舱16内置检测机器人10的控制器和锂电池电源，控制器接收各传感器采集的信号并通过系缆将信号发送导到地面控制台40，同时接收地面控制台40的作业指令，控制检测机器人10完成检测作业。

如图7所示，作业履带车20沉在隧道底部爬行，其履带22上方设有检测机器人安装座24，用于搭载检测机器人10，并为检测机器人10提供电源和通讯接口。作业履带车20可以搭载多种水下作用工具，在检测声呐的辅助下完成水下处置作业。作业履带车20通过电缆持续供电。

水下遥控检测和处置作业设备有两套系缆，分别为通讯系缆31和供电及通讯系缆32，通讯系缆31为长而细的零浮力系缆，包含通讯光纤和凯夫拉纤维，系缆长度可达5千米；供电及通讯系缆32为短而粗的铠装系缆，包含供电电缆、通讯光纤和凯夫拉纤维。检测机器人10单独进行检测作业时，通过通讯系缆31连接检测机器人10与地面控制台，通讯系缆31密度与水体相当，可悬浮于水中，其中，通讯光纤保证机器人与控制台之间的实时通讯，凯夫拉纤维能承受机器人及系缆在流水中的阻力，不为设备供电，系缆直径小，在流水中的摩擦阻力小。检测机器人10与作业履带车20搭载进行处置作业时，通过供电及通讯系缆32连接作业履带车20与地面控制台，供电及通讯系缆32密度略大于水，沉在隧道底部，其供电电缆、通讯光纤和凯夫拉纤维分别用于提供动力电源、通讯和承受工作时的阻力；而检测机器人10则通过通信系缆15与作业履带车20连接。

地面控制台40采集并显示设备检测到的信息，并能根据检测信息控制设备在隧道中的动作。地面控制台40处有高压直流电源为作业履带车20供电。

系缆绞盘30用于回收和释放检测作业设备与地面控制台40之间的连接系缆，系缆的收放动作可由地面控制台40控制。

提升设备50采用卷扬机，系缆绞盘30安装于提升设备50上。

投放回收装置60用于将水下检测机器人10和作业履带车20从地面通过竖井投放到隧道，或在检测和作业完成后从隧道中将检测机器人10和作业履带车20安全地回收。

进一步优化，投放回收装置60内设有电缆计米器和电缆拉力测量传感器，分别用于检测作业设备的已作业距离和系缆拉力，作为设备回收的判断依据。

进一步优化，投放回收装置60底部设有高度可以调节的支腿61，能适应竖井底部与隧道最低点的高度差；投放回收装置60在作业履带车20出口方向设有挡板62，作业履带车20从装置内出来时，可推开挡板62，使挡板能搭接在隧道与回收仓之间，使履带车顺利驶入隧道。

进一步优化，作业履带车20上安装有可伸缩的支撑杆23，支撑杆23顶端安装有偏心轴从动球形滚轮，与隧道顶部接触。作业履带车20进入隧道后，在爬行时伸出支撑杆23，支撑至隧道顶部，将车体压在隧道管壁205上，与隧道管壁205形成一点两线的接触，整体呈倒“Y”字型，保持作业过程中车体稳定不发生倾覆。支撑杆23可以调节高度和压力，能适应不同管径大小的隧道，支撑杆23顶部的滚轮可以随履带车20前进后退随动转向。

进一步优化，清淤设备21包括清淤作业滚刷，清淤作业滚刷能够相对车体转动以调整作业姿态。

进一步优化，检测机器人10自带涡轮发电机17，必要时可通过水流发电补充电能。

进一步优化，通讯系缆31和供电及通讯系缆32内有多芯冗余光纤，取其中一芯用作形状检测传感器，检测系缆的整体形状，并作为控制系缆收放的参考依据。

进一步优化，通讯系缆31与检测机器人10之间采用多点连接，在其外周均匀分布多个受力点，在水流冲击时更容易保持机械本体的稳定性。

进一步优化，检测机器人10的浮体11上还设有保护外框架14，保护外框架14采用高强度压缩聚丙烯制造，包括上下两层和侧边防护结构，既作为结构骨架，安装各种元件，又作为刚性防护，免受外界撞击。

如图1，图2所示，从污水处理厂排出的污水204经过竖井201流入隧道，检测机器人10先存放在投放回收装置60的内部，由提升设备50放入竖井201的底部，释放系缆绞盘30，检测机器人10随水流前行，沿途检测隧道的淤积和隧道管壁205的腐蚀情况，并通过通讯系缆31将声呐12检测结果实时传输到地面控制台40。

如图2，图4所示，检测机器人10在前行过程中可通过推进器13使其保持在隧道中线位置，在机器人偏离隧道中心较远时，启动推进器13将设备推回至隧道中心位置。检测机器人10采用电池供电，当其自身电量不足时，停止系缆释放，暂停检测作业，并利用涡轮发电机17在污水水流中发电，待电池电量充足时再启动检测作业。检测机器人10在隧道沿线的位置通过投放回收装置60的计米器对系缆的长度计量来确定，当其检测到相邻下一竖井202的位置时，回收系缆绞盘30，将检测机器人10拽回到投放回收装置60并提升到地面，完成该区间的检测工作。将设备运到相邻下一竖井202开始下一段检测工作。

如图3，图4所示，作业履带车20可通过检测机器人安装座24与检测机器人10组装在一起，作业履带车20可以搭载清淤设备21或其他水下作业工具，在检测声呐12的辅助下完成水下处置作业；作业履带车20进入隧道后伸出支撑杆23，支撑至隧道顶部，保持作业过程中车体姿态稳定；作业履带车20与地面控制台40之间通过供电及通讯系缆32连接。

上述水下遥控检测和处置作业设备的施工方法，包括步骤：

1)将设备的各个部件运输至施工现场，安装在适当的工位，通过通讯系缆31将检测机器人10与地面控制台40连接；

2)将检测机器人10置于投放回收装置60内部，通过卷扬机投放到竖井201底部，并使投放回收装置60出口方向朝向顺水流方向；

3)释放通讯系缆31，检测机器人10在污水204水流作用下前行，通过声呐12检测隧道内的淤积和结构特征，检测数据通过通讯系缆31实时传输至地面控制台40。检测过程中，如果检测机器人10电量不足，则停止释放通讯系缆31，让水流冲击检测机器人10的涡轮发电机17叶片发电，直至电量充足时，继续检测作业直至检测机器人10到达相邻下一竖井202；

4)回收通讯系缆31，将检测机器人10拖拽回投放回收装置60并提升到地面；

5)将检测机器人10安装在作业履带车20上，整体置入投放回收装置60的内部，换用供电及通讯系缆32连接作业履带车20与地面控制台40，投放至竖井201的底部，并使投放回收装置60的出口方向朝向顺水流方向；

6)在声呐12的检测辅助下，控制作业履带车20驶入隧道，并伸出撑杆，撑值隧道顶部，保持作业履带车20稳定行驶；

7)同步控制供电及通讯系缆32释放和作业履带车20前进，完成沿途的清淤等处置作业；

8)当前行到距相邻下一竖井202总距离的一半时，控制供电及通讯系缆32回收和作业履带车20后退到投放回收装置60；

9)提升投放回收装置60并旋转180°，使作业履带车20出口方向朝向逆水流方向，重新沉放至竖井201底部；

10)同步控制供电及通讯系缆32释放和作业履带车20前进，完成逆水流方向的清淤等处置作业；

11)当前行到距竖井201总距离的一半时，控制作业履带车20退回，并回收到地面；

12)将全部设备运输到相邻下一竖井202，重复步骤1)至11)直至完成整条隧道的作业。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种水下遥控检测和处置作业设备，包括系缆绞盘(30)和地面控制台(40)，其特征在于，还包括检测机器人(10)和作业履带车(20)；

所述检测机器人(10)悬浮在隧道内的水体中或者搭载在所述作业履带车(20)上；检测机器人(10)包括浮体(11)以及安装于所述浮体(11)上的声呐(12)、推进器(13)和密封舱(16)；所述声呐(12)用于检测隧道内的淤积和隧道管壁腐蚀破损信息；所述推进器(13)用于调整检测机器人(10)的位置；所述密封舱(16)内置检测机器人(10)的控制器和电源；

所述作业履带车(20)搭载清淤设备(21)或其他水下作业工具，沉在隧道底部爬行，作业履带车(20)上设有检测机器人安装座(24)，用于搭载所述检测机器人(10)，通过检测机器人(10)辅助作业；

所述水下遥控检测和处置作业设备包括两套系缆，分别为通讯系缆(31)和供电及通讯系缆(32)，所述通讯系缆(31)用于连接所述检测机器人(10)与地面控制台(40)，所述供电及通讯系缆(32)用于连接所述作业履带车(20)与地面控制台(40)；

地面控制台(40)采集并显示设备检测到的信息，并能根据检测信息控制设备在隧道中的动作；地面控制台(40)处设有电源为作业履带车(20)供电；

所述系缆绞盘用于回收和释放检测作业设备与地面控制台之间的连接系缆；

所述水下遥控检测和处置作业设备还包括投放回收装置(60)，用于将水下检测机器人和作业履带车从地面通过竖井投放到隧道，或在检测和作业完成后从隧道中将检测机器人和作业履带车安全地回收；

所述投放回收装置(60)内设有电缆计米器和电缆拉力测量传感器，分别用于检测作业设备的已作业距离和系缆拉力，作为设备回收的判断依据；

所述投放回收装置(60)底部设有高度可以调节的支腿(61)，能适应竖井底部与隧道最低点的高度差；投放回收装置(60)在作业履带车出口方向设有挡板(62)，作业履带车从装置内出来时，可推开挡板(62)，使挡板能搭接在隧道与回收仓之间，使履带车顺利驶入隧道。

2.根据权利要求1所述的水下遥控检测和处置作业设备，其特征在于，所述作业履带车(20)上安装有可伸缩的支撑杆(23)，支撑杆顶端转动安装有偏心轴从动球形转轮，用于与隧道顶部接触，作业履带车(20)在爬行时伸出所述支撑杆(23)将车体压在隧道管壁上，与隧道管壁形成一点两线的接触，整体呈倒“Y”字型。

3.根据权利要求1所述的水下遥控检测和处置作业设备，其特征在于，所述清淤设备(21)包括清淤作业滚刷，所述清淤作业滚刷能够相对车体转动以调整作业姿态。

4.根据权利要求1所述的水下遥控检测和处置作业设备，其特征在于，所述通讯系缆(31)为长而细的零浮力系缆，包含通讯光纤和凯夫拉纤维；所述供电及通讯系缆(32)为短而粗的铠装系缆，包含供电电缆、通讯光纤和凯夫拉纤维。

5.根据权利要求1所述的水下遥控检测和处置作业设备，其特征在于，所述检测机器人(10)还包括涡轮发电机(17)，所述涡轮发电机(17)利用隧道内水流发电，为检测机器人(10)补充电能。

6.根据权利要求1所述的水下遥控检测和处置作业设备，其特征在于，所述通讯系缆(31)和供电及通讯系缆(32)内有多芯冗余光纤，取其中一芯用作形状检测传感器，检测系缆的整体形状，并作为控制系缆收放的参考依据。

7.根据权利要求1所述的水下遥控检测和处置作业设备的施工方法，其特征在于，包含步骤：

1)将设备的各个部件运输至施工现场，安装在适当的工位，通过通讯系缆将检测机器人与地面控制台连接；

2)通过提升设备将检测机器人投放到竖井底部；

3)释放通讯系缆，检测机器人在水流作用下前行，通过声呐检测隧道内的淤积和结构特征，检测数据通过通讯系缆实时传输至地面控制台；

4)回收通讯系缆，将检测机器人提升到地面；

5)将检测机器人安装在作业履带车上，换用供电及通讯系缆连接作业履带车与地面控制台，整体投放至竖井的底部；

6)在声呐的检测辅助下，控制作业履带车驶入隧道；

7)同步控制供电及通讯系缆释放和作业履带车前进，完成沿途的处置作业；

8)当前行到距相邻下一个竖井总距离的一半时，控制供电及通讯系缆回收和作业履带车后退至竖井的底部；

9)将作业履带车旋转180°，并重新沉放至竖井底部；

10)同步控制供电及通讯系缆释放和作业履带车前进，完成逆水流方向的处置作业；

11)当前行到距竖井总距离的一半时，控制作业履带车退回，并回收到地面；

12)将全部设备运输到相邻下一个竖井，重复步骤1)至11)直至完成整条隧道的作业。

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