CN113982097A - 一种地下排水管道清理与原位修复装置及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下排水管道清理与原位修复装置及运行方法，该系统包括排水管道系统、清理修复系统、动力控制系统三个子系统。针对地下排水管道沉积障碍物复杂、破损难以及时查明、缺乏有效的原位清理修复装置及方法等突出问题，本发明基于管径大小的可变清理装置，构建清理不同类型管道障碍物、不同程度管道破损、不同位置破损查明装置，实现排水管道系统日常运行中出现的淤积堵塞等情况的“气‑水‑修复剂”联用智能清理修复，提高清理管道精准性、效率和持久性。为排水管道安全运行和功能发挥提供保障。本发明具有成本低、投资少、操作运行方便、无二次污染等优点。

Description

一种地下排水管道清理与原位修复装置及运行方法

技术领域

本发明属于管道清理与修复、节能环保领域，具体涉及一种地下排水管道多功能清理与原位修复装置及运行方法。

背景技术

地下排水管网是重要的环保基础设施，在污水输送和排放过程中起到关键作用。排水管网是否沉积、破损等直接影响污水输送的效益发挥。

由于地下排水管道位于地下，隐蔽性强、沉积和破损问题复杂多样，修复装置难以达到预期效果，这些问题一直困扰了建设和管理部门。传统人力管道清理修复方式效率低、成本高且存在安全隐患，因此针对排水管道堵塞、破损等诸多问题，亟需一种机械、智能、高效、精准、省时省力的排水管道清理修复系统。

申请号201510843757.1的中国专利申请文件《一种常温固化内衬的翻转型修复方法》，其特征在于：该方法通过翻转机、整平机及空压机间的相互协作完成，所述的翻转机设置有进料口、出料口及导入筒。该方法仅仅采用内衬技术进行修复，并未对管道内障碍物提出行之有效的清理方法。未有对地下排水管道破损位置和损坏程度进行查明，也未有对排水管道进行原位修复。

申请号201810517485.X的中国专利申请文件《一种自适式管道清淤机器人》，其特征在于：该装置包括电路组件、驱动组件、清淤组件和机身；驱动组件包括伸缩杆、一个主动轮和两个从动轮，主动轮和从动轮均通过伸缩杆固定在机身上。该装置仅通过机器人进行喷水抽淤，并不能解决排水管道破损以及障碍物堵塞的问题。未有对地下排水管道破损位置和损坏程度进行查明，也未有对排水管道进行原位修复。

申请号201811084887.1的中国专利申请文件《一种水利工程管道清淤装置和清淤用专用管道》，其特征在于：括驱动底座、管道淤泥冲洗装置和管道洗刷装置，驱动底座的外壁上安装有支撑杆，支撑杆上安装有行走轮。该装置仅可进行管道清淤工作，尚未达到管道清淤与修复双管齐下的功能。未有对地下排水管道破损位置和损坏程度进行查明，也未有对排水管道进行原位修复。申请号201910124432.6的中国专利申请文件《基于曲柄多连杆折叠撑壁机构的全气动管道清淤机器人》，其特征在于：前安装盘、后安装盘、曲柄多连杆折叠撑壁机构和下撑壁系统，前安装盘和后安装盘通过气缸连接，曲柄多连杆折叠撑壁机构通过螺钉固定设置在前安装盘上，下撑壁系统中的下撑壁缸固定安装在铝型材上，将铝型材通过螺钉安装在前安装盘上。该装置撑壁清淤的方式过于简单，无法对大型障碍物进行规避更加无法清除。未有对地下排水管道破损位置和损坏程度进行查明，也未有对排水管道进行原位修复。

申请号201910511236.4的中国专利申请文件《一种污水管道清淤装置及施工方法》，其特征在于：壳体包括外壳，外壳上环设有撑紧装置，外壳与隔板相连接，隔板前部设有锥环，锥环前端间隔设置有壳体切刀，锥环上方设有挖掘输送器，挖掘输送器与驱动组件相连接。该装置虽然可进行管道清淤，但该方法不够精准智能，耗时耗力，装置推进速度慢。未有对地下排水管道破损位置和损坏程度进行查明，也未有对排水管道进行原位修复。

申请号201911291221.8的中国专利申请文件《一种污水处理用管道清淤设备》，其特征在于：转动头机构、安全驱动机构、缠线机构、机身机构，设备能够在管道内行走，设备能够进行清淤，设备能够在遇到清理不动的情况时保护电机。该装置效率低、遇到大型障碍物便束手无策，无法适用于管道内堵塞等复杂情况。未有对地下排水管道破损位置和损坏程度进行查明，也未有对排水管道进行原位修复。

发明内容

针对地下排水管道沉积障碍物复杂、破损难以及时查明、缺乏有效的原位清理修复装置及方法等突出问题，本发明提供了地下排水管道清理与原位修复装置及运行方法，基于不同管道大小，构建清理不同类型管道障碍物、不同程度管道破损、不同位置破损查明装置，实现管道原位智能清理及修复，“气-水-修复剂”模块化装置和智能运行方法，提高清理管道精准性、效率和持久性。为排水管道安全运行和功能发挥提供保障。本发明具有成本低、投资少、操作运行方便、无二次污染等优点。

技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种地下排水管道清理与原位修复装置，包括了排水管道系统(1)、清理修复系统(2)、动力控制系统(3)三个子系统。

其中排水管道系统(1)包括排水管道(1-1)、大型障碍物(1-2)、小型障碍物(1-3)、管道破损段(1-4)、检查井室(1-5)；

清理修复系统(2)包括管道QV潜望镜(2-1)、激光测距仪(2-2)、控距杆(2-3)、粉碎钻头(2-4)、清理铲(2-5)、硬毛刷(2-6)、软毛刷(2-7)、溶剂喷头(2-8)、修复剂存储舱(2-9)、垃圾传送带(2-10)、垃圾收集袋(2-11)、封袋器(2-12)；

动力控制系统(3)包括中央控制器(3-1)、气泵(3-2)、高压水泵(3-3)、导气管(3-4)、导水管(3-5)、电磁阀(3-6)、液压支架(3-7)、电动转动轴(3-8)、气囊(3-9)、水囊(3-10)、支架滑轮(3-11)、流量计(3-12)、气量计(3-13)。

电动转动轴(3-8)连接至中央控制器(3-1)，且设置在清理修复系统(2)的垃圾传送带(2-10)下面带动垃圾传送带(2-10)运动，垃圾传送带(2-10)的端部下方放置垃圾收集袋(2-11)，垃圾收集袋(2-11)上设置封袋器(2-12)。

气泵经导气管(3-4)连接至气囊(3-9)，用于对气囊(3-9)充气，导气管(3-4)上设置气量计；高压水泵经导水管连接至水囊，导水管上设置流量计；水囊、气囊的电磁阀连接至中央控制器(3-1)。

排水管道(1-1)主要为市政雨/污水管道，管材主要为砼、HDPE以及不锈钢等，管径主要为DN300、400、500、600、800以及1000等；大型障碍物(1-2)主要为土块、树根、砖块等尺寸大体积大的障碍物；小型障碍物(1-3)主要为淤质、卫生纸、塑料袋以及厨余垃圾腐化物等；检查井室(1-5)一般深约1.0～2.5m，井口尺寸约1～1.5m。

管道QV潜望镜(2-1)可将实时画面传输至中央处理器(3-1)，同时中央处理器(3-1)对大型障碍物(1-2)、小型障碍物(1-3)尺寸、管道破损段(1-4)破损面积进行AI识别，误差范围约为0.05±0.01m以及0.5±0.1m²；激光测距仪(2-2)测量范围为30～40m，测量精度为0.003～0.005m；控距杆(2-3)尖端安装有压力传感器，灵敏度为1～2mV/V；修复剂存储舱(2-9)内管道修复剂主要为金属、合成树脂等耐腐蚀、可粘接的胶体，抗压强度约为80～100Mpa，剪切强度约为20～30Mpa，弯曲强度约为40～50Mpa。

液压支架(3-7)需支撑于检查井室(1-5)底部，以维持整体装置推进稳定，需在装置固定好的条件下进行气囊(3-9)充气使其缓慢膨胀至所需尺寸；电动转动轴(3-8)为本装置主要驱动力，最大推力约为5000～6000N，推进速度约为0.03～0.12m/s，空转速度约为60～120r/min；流量计(3-12)测量范围为0～5m³/s，精度为0.01～0.02m³/s；气量计(3-13)测量范围为0～15m³/s，精度为0.005～0.1m³/s。

一种地下排水管道清理与原位修复装置的运行方法，包括以下步骤：

步骤1)排水管道系统(1)长时间未进行有效运行管理，排水管道(1-1)中出现大型障碍物(1-2)、小型障碍物(1-3)与管道破损段(1-4)需要进行清理修复；在装置正式工作前，先将动力控制系统(3)的液压支架(3-7)固定于检查井室(1-5)与排水管道(1-1)接口处，同时固定电动转动轴(3-8)。电动转动轴(3-8)与气囊(3-9)相连接，使得电动转动轴(3-8)能将动力输送至气囊(3-9)。

装置投放进检查井室(1-5)后启动激光测距仪(2-2)对目标排水管道(1-1)管径D进行测量，数据传输至中央控制器(3-1)，中央控制器(3-1)对气囊(3-9)充气量G进行计算，计算方法如式1：

G＝π[(D-h)/2]²×L (式1)

注：G：气囊(3-9)的充气量，m³；

D：排水管道(1-1)管径，取0.3～1，m；

h：控距杆(2-3)控制高度，取0.05～0.1，m；

L：气囊(3-9)的长度，取0.5～2，m；

中央控制器(3-1)将充气量数据反馈至气泵(3-2)，启动气泵(3-2)，打开电磁阀(3-6)，空气在气泵(3-2)抽吸作用下进入导气管(3-4)、传输至气囊(3-9)对气囊(3-9)进行充气，气囊(3-9)体积逐渐膨胀直至适合排水管道1-1管径内作业的尺寸。

本发明所设计的装置在作业时，一部分置于排水管道内，另一部分在排水管道外；其中，导气管、导水管伸出排水管道并借助支架滑轮固定，导气管、导水管上设置了电磁阀并分别连接至气泵和高压水泵用于充气和灌水；导气管、导水管的另一端伸入排水管道内，且分别连接至气囊和水囊，水囊中的清洁用水经过溶剂喷头2-8对冲刷下来的管壁污垢进行喷水清洗，而气囊根据排水管道的内径充入适量空气方便作业；伸入排水管道内的装置部分的前方设置了管道QV潜望镜、激光测距仪，粉碎钻头、清理铲，顶部设置了控距杆，后方设置了垃圾收集袋、封袋器，中部设置垃圾传送带，该垃圾传送带由电动转动轴提供动力，将装置前方收集的小型障碍物传送至位于电动转动轴下方的垃圾收集袋中打包输出。

步骤2)管道QV潜望镜(2-1)开始工作，对排水管道(1-1)内部进行实时检测，同时将影像照片数据传输至中央控制器(3-1)，中央控制器(3-1)采用AI技术对影像照片数据进行判定，根据障碍物尺寸X判定为大型障碍物(1-2)或小型障碍物(1-3)，其判定方法如式2：

注：X：障碍物尺寸，cm；

a：障碍物尺寸标准值，取0.1～50，cm；

当输出为1时，中央控制器(3-1)判定排水管道(1-1)中为大型障碍物(1-2)，则启动粉碎钻头(2-4)对大型障碍物(1-2)进行碎块处理，直至X＜a；

当输出为0时，中央控制器(3-1)判定排水管道(1-1)中为小型障碍物(1-3)，则启动清理铲(2-5)对小型障碍物(1-3)进行清理，清理铲(2-5)可进行θ(θ∈(0,15°))角度的上下摆动。随着电动转动轴(3-8)的动力推进，清理铲(2-5)将小型障碍物(1-3)铲到垃圾传送带(2-10)上，垃圾传送带(2-10)与电动转动轴(3-8)平行，将小型障碍物(1-3)传送至位于电动转动轴(3-8)下方的垃圾收集袋(2-11)中，垃圾收集袋(2-11)收集量M存在最大限值，判定方法如式3：

max{M}＜b (式3)

注：M：垃圾收集袋(2-11)收集量M，kg；

b：垃圾收集袋(2-11)收集量最大限值，取25～50，kg；

当max{M}≥b时，封袋器(2-12)对垃圾收集袋(2-11)进行封袋，封袋结束的垃圾收集袋(2-11)随着垃圾传送带(2-10)沿着支架滑轮(3-11)运到地面。

步骤3)同时中央控制器(3-1)对排水管道(1-1)管壁影像进行判定，激光测距仪(2-2)位于装置前端侧面，可测定装置至管壁表面的距离S，控距杆(2-3)可对装置至管壁表面距离S’进行二次判定，管壁污垢厚度W的计算方法如式4：

注：W：排水管道(1-1)管壁污垢厚度，m；

D：排水管道(1-1)管径，取0.3～1，m；

S：激光测距仪(2-2)测量数据，取0.05～0.1m；

d：气囊(3-9)充气后的直径，取0.2～0.9m；

Δ：装置至管壁表面的距离修正参数；

S′：控距杆(2-3)二次判定测量的距离数据，取0.1～0.95m；

硬毛刷(2-6)与软毛刷(2-7)的选择判定方法如式5：

max{W}＜z (式5)

注：W：排水管道(1-1)管壁污垢厚度，m；

z：排水管道(1-1)管壁污垢厚度标准值，取0.05～0.1m；

启动高压水泵(3-3)抽吸清洁用水进入导水管(3-5)，然后储存于水囊(3-10)中。当W<z时，首先打开电磁阀(3-6)进行供水，清洁用水通过溶剂喷头(2-8)喷出对管壁污垢进行冲洗，随后启动软毛刷(2-7)对管壁污垢进行洗刷；当W≥z时，先启动硬毛刷(2-6)对管壁污垢进行冲刷，随后溶剂喷头(2-8)喷水进行清洗，最后启动软毛刷(2-7)对管壁污垢进行洗刷。

步骤4)中央处理器(3-1)通过AI技术识别出管道破损段(1-4)，信息传输至清理修复系统(2)与动力控制系统(3)，首先启动气泵(3-2)与高压水泵(3-3)对管道破损段(1-4)进行清理，流量计(3-12)与气量计(3-13)分别对导水管(3-4)与导气管(3-5)进行监测得到流量、气量数据Q₁、Q₂，且需通过控制Q₁、Q₂调节气水比，其计算方法如式6：

注：η：清理修复系统(2)气水比，无量纲；

Q₁：流量计(3-12)监测导水管(3-4)内水体流量数据，取5～7，L/s；

Q₂：气量计(3-13)监测导气管(3-5)内气体流量数据，取0.3～0.6，L/s；

a：清理修复系统(2)气水比最大值，取0.09～0.12，无量纲；

c：清理修复系统(2)气水比最小值；取0.04～0.05，无量纲；

清洗结束后，修复剂存储舱(2-9)打开，管道修复剂以Q₃的流量通过溶剂喷头(2-8)精准喷洒于管道破损段(1-4)处，Q₃计算方法如式7：

注：Q₃：管道修复剂通过溶剂喷头(2-8)喷洒流量，m³/h；

A：管道破损段(1-4)破损面积，取0～2，m²；

排水管道(1-1)材质参数，取1.1～1.5，无量纲；

M：管道破损段(1-4)单位面积所需修复剂量，取0.5～2，m³/m²；

t：管道修复剂喷洒时间，取0.1～0.5h。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明采用清理修复系统及动力控制系统所构成的装置对排水管道系统日常运行中出现的淤积堵塞等情况进行智能清理修复，保证管道内部运行情况正常。

(2)根据不同管径、不同类型淤积和破损情况，将管网检测与管网清理修复功能模块化，采用先进的人工智能机器人技术，对复杂的管网情况进行分析判定，最终实现一套智能化、高效化、科学化的排水管网清理修复系统及方法。

(3)针对不同破损情况和复杂位置，科学地对排水管道问题进行精准识别，对问题管段进行精确修复，根据不同障碍物、管道破损情况，做到问题导向，应对完备；相比于传统方式更加智能化、精准化，极大降低了管道清理修复成本。

(4)针对缺乏有针对性的地下排水管网修复方法，本发明创新性采用“气+水+修复剂”相结合的清理修复模式，明显提高了修复质量以及管道的耐腐蚀性、抗压性能，且整个过程无需人工下井，从根源降低了安全风险。

(5)针对地下排水管道管径小、埋设深度深、地下情况复杂等问题，本发明装置提供了体积小、易操作、维护成本低、使用寿命长的清理修复装置，适合各种类型市政管道，耗能少，可用作日常排水管道运维，也可用于管道问题突发情况。

附图说明

图1为一种地下排水管道清理与原位修复装置的剖面图；

图2为一种地下排水管道清理与原位修复装置的运行方法的流程图；

图3为一种地下排水管道清理与原位修复装置的工作原理图。

图中：排水管道系统-1、清理修复系统-2、动力控制系统-3；

排水管道-1-1、大型障碍物-1-2、小型障碍物-1-3、管道破损段-1-4、检查井室-1-5；

管道QV潜望镜-2-1、激光测距仪-2-2、控距杆-2-3、粉碎钻头-2-4、清理铲-2-5、硬毛刷-2-6、软毛刷-2-7、溶剂喷头-2-8、修复剂存储舱-2-9、垃圾传送带-2-10、垃圾收集袋-2-11、封袋器-2-12；

中央控制器-3-1、气泵-3-2、高压水泵-3-3、导气管-3-4、导水管-3-5、电磁阀-3-6、液压支架-3-7、电动转动轴-3-8、气囊-3-9、水囊-3-10、支架滑轮-3-11、流量计-3-12、气量计-3-13。

具体实施方式

通过下面具体实施例进一步介绍本发明的技术方案。本发明以清理修复系统2为核心，因此实施例分别对应障碍物清理、管道破损段1-4修复这两种工况的响应机制。

参照图1、3所示，本发明所提及的装置在作业时，一部分置于排水管道-1-1内，另一部分在排水管道外。其中，导气管3-4、导水管3-5伸出排水管道并借助支架滑轮3-11固定，导气管3-4、导水管3-5上设置了电磁阀3-6，并分别连接至气泵3-2和高压水泵3-3用于充气和灌水。导气管3-4、导水管3-5的另一端伸入排水管道1-1内，且分别连接至气囊和水囊，水囊中的清洁用水经过溶剂喷头2-8对冲刷下来的管壁污垢进行喷水清洗，而气囊根据排水管道的内径充入适量空气方便作业。在该装置伸入排水管道内的部分的前方设置了管道QV潜望镜2-1、激光测距仪2-2，粉碎钻头2-4、清理铲2-5，顶部设置了控距杆2-3，后方设置了垃圾收集袋2-11、封袋器2-12，中部设置垃圾传送带，该垃圾传送带由电动转动轴3-8提供动力，将装置前方收集的小型障碍物传送至位于电动转动轴(3-8)下方的垃圾收集袋中打包输出。

实施例1

参照图1-3所示，排水管道清理与修复装置，包括排水管道系统1、清理修复系统2、动力控制系统3三个子系统。

其中排水管道系统1包括排水管道1-1、大型障碍物1-2、小型障碍物1-3、管道破损段1-4、检查井室1-5；排水管道系统1如果长时间未进行有效运行管理，排水管道1-1中出现大型障碍物1-2、小型障碍物1-3与管道破损段1-4需要进行清理修复，因此将大型障碍物1-2、小型障碍物1-3、管道破损段1-4也纳入排水管道系统1中。

排水管道1-1主要为市政雨/污水管道，管材主要为砼、HDPE以及不锈钢等，管径主要为DN 1000；大型障碍物1-2主要为土块、树根、砖块等尺寸大体积大的障碍物；小型障碍物1-3主要为淤质、卫生纸、塑料袋以及厨余垃圾腐化物等；检查井室1-5一般深约2.0m，井口尺寸约1m。液压支架3-7支撑于检查井室1-5底部。

清理修复系统2包括管道QV潜望镜2-1、激光测距仪2-2、控距杆2-3、粉碎钻头2-4、清理铲2-5、硬毛刷2-6、软毛刷2-7、溶剂喷头2-8、修复剂存储舱2-9、垃圾传送带2-10、垃圾收集袋2-11、封袋器2-12。

其中，管道QV潜望镜2-1布置在装置前方，连接至中央处理器3-1，可将实时画面传输至中央处理器3-1，同时中央处理器3-1对大型障碍物1-2、小型障碍物1-3尺寸、管道破损段1-4破损面积进行AI识别，误差范围约为0.05m以及0.5m²；激光测距仪2-2也布置在装置前方，测量范围为30～40m，测量精度为0.003m；控距杆2-3布置在装置顶部，尖端安装有压力传感器，灵敏度为1mV/V；修复剂存储舱2-9内管道修复剂主要为金属、合成树脂等耐腐蚀、可粘接的胶体，抗压强度约为80Mpa，剪切强度约为20Mpa，弯曲强度约为40Mpa。

动力控制系统3包括中央控制器3-1、气泵3-2、高压水泵3-3、导气管3-4、导水管3-5、电磁阀3-6、液压支架3-7、电动转动轴3-8、气囊3-9、水囊3-10、支架滑轮3-11、流量计3-12、气量计3-13。

液压支架3-7需支撑于检查井室1-5底部，以维持整体装置推进稳定，需在装置固定好的条件下进行气囊3-9充气使其缓慢膨胀至适合排水管道1-1管径内作业的尺寸；电动转动轴3-8为本装置主要驱动力，最大推力约为6000N，推进速度约为0.06m/s，空转速度约为100r/min；流量计3-12测量范围为0～5m³/s，精度为0.01m³/s；气量计3-13测量范围为0～15m³/s，精度为0.005m³/s。

排水管道清理与修复方法，步骤如下：

步骤1)排水管道系统1由于长时间未进行有效运行管理，排水管道1-1中出现大型障碍物1-2、小型障碍物1-3与管道破损段1-4需要进行清理修复；在装置正式工作前，先将动力控制系统3的液压支架3-7固定于检查井室1-5与排水管道1-1接口处，同时固定电动转动轴3-8。电动转动轴3-8与气囊3-9相连接，使得电动转动轴3-8能将动力输送至气囊3-9。

装置投放进检查井室1-5后启动激光测距仪2-2对目标排水管道1-1管径D进行测量，数据传输至中央控制器3-1，中央控制器3-1对气囊3-9充气量G进行计算，计算方法如式1：

G＝π[(D-h)/2]²×L (式1)

注：G：气囊3-9的充气量，m³；

D：排水管道1-1管径，取1，m；

h：控距杆2-3控制高度，取0.1，m；

L：气囊3-9的长度，取1，m；

经计算充其量G为0.64m³。

中央控制器3-1将气量数据反馈至气泵3-2并对气囊3-9进行充气，启动气泵3-2，空气在气泵3-2抽吸作用下进入导气管3-4，打开电磁阀3-6使得空气从地面传输至气囊3-9，气囊3-9体积逐渐膨胀直至充气结束，则整个装置在气囊扩充至适合排水管道1-1管径D的状态下工作。

步骤2)安装在装置前方的管道QV潜望镜2-1开始工作，对排水管道1-1内部进行实时检测，同时将影像照片数据传输至中央控制器3-1，中央控制器3-1采用AI技术对影像照片数据进行判定，根据障碍物尺寸X判定为大型障碍物1-2或小型障碍物1-3，其判定方法如式2：

注：X：障碍物尺寸，取62cm；

a：障碍物尺寸标准值，取30，cm；

经判定输出为1时，中央控制器3-1判定排水管道1-1中为大型障碍物1-2，则启动装置前方的粉碎钻头2-4对大型障碍物1-2进行碎块处理，直至中央控制器3-1判定排水管道1-1中为小型障碍物1-3；则启动清理铲2-5对小型障碍物1-3进行清理，清理铲2-5设置在装置前方，可进行θ(θ∈(0,15°))角度的上下摆动。随着电动转动轴3-8的动力推进，清理铲2-5将小型障碍物1-3铲到垃圾传送带2-10上，垃圾传送带2-10与电动转动轴3-8平行，将小型障碍物1-3传送至位于电动转动轴3-8下方的垃圾收集袋2-11中，垃圾收集袋2-11收集量M存在最大限值，判定方法如式3：

max{M}＜b (式3)

注：M：垃圾收集袋2-11收集量M，取60，kg；

b：垃圾收集袋2-11收集量最大限值，取50，kg；

经过判定max{M}≥b，封袋器2-12对垃圾收集袋2-11进行封袋，封袋结束的垃圾收集袋2-11随着垃圾传送带2-10沿着支架滑轮3-11运到地面。

步骤3)同时中央控制器3-1对排水管道1-1管壁影像进行判定，激光测距仪2-2位于装置前端侧面，可测定装置至管壁表面的距离S，控距杆2-3可对装置至管壁表面距离S’进行二次判定，管壁污垢厚度W的计算方法如式4：

注：W：排水管道1-1管壁污垢厚度，m；

D：排水管道1-1管径，取1，m；

S：激光测距仪2-2测量数据，取0.1m；

d：气囊3-9充气后的直径，取0.8m；

Δ：装置至管壁表面的距离修正参数；

S′：控距杆2-3二次判定测量的距离数据，取0.13m；

经计算，管壁污垢厚度W为0.115m。

硬毛刷2-6与软毛刷2-7的选择判定方法如式5：

max{W}＜z (式5)

注：W：排水管道1-1管壁污垢厚度，m；

z：排水管道1-1管壁污垢厚度标准值，取0.1m；

启动高压水泵3-3抽吸清洁用水进入导水管3-5，然后储存于水囊3-10中。经判定W≥z，先启动硬毛刷2-6对管壁污垢进行冲刷，随后溶剂喷头2-8喷水进行清洗，最后启动软毛刷2-7对管壁污垢进行洗刷。

实现排水管道清理与修复方法的工况1，即为障碍物清理。

实施例2

其他同实施例1。

步骤4)中央处理器3-1通过AI技术识别出管道破损段1-4，信息传输至清理修复系统2与动力控制系统3，首先启动气泵3-2与高压水泵3-3对管道破损段1-4进行清理，流量计3-12与气量计3-13分别对导水管3-4与导气管3-5进行监测得到数据Q₁、Q₂，且需通过控制Q₁、Q₂调节气水比，其计算方法如式6：

注：η：清理修复系统2气水比，无量纲；

Q₁：流量计3-12监测导水管3-4内水体流量数据，取7，L/s；

Q₂：气量计3-13监测导气管3-5内气体流量数据，取0.6，L/s；

a：清理修复系统2气水比最大值，取0.1，无量纲；

c：清理修复系统2气水比最小值；取0.05，无量纲；

经判定Q₁、Q₂无需调整，清洗结束后，修复剂存储舱2-9打开，管道修复剂以Q₃的流量通过溶剂喷头2-8精准喷洒于管道破损段1-4处，Q₃计算方法如式7：

注：Q₃：管道修复剂通过溶剂喷头2-8喷洒流量，m³/h；

A：管道破损段1-4破损面积，取1，m²；

排水管道1-1材质参数，取1.2，无量纲；

M：管道破损段1-4单位面积所需修复剂量，取1，m³/m²；

t：管道修复剂喷洒时间，取0.5h。

经计算，Q₃为2.4m³/h

实现排水管道清理与修复方法的工况2，即管道破损段1-4的修复。

Claims (5)

1.一种地下排水管道清理与原位修复装置，其特征在于，包括排水管道系统(1)、清理修复系统(2)、动力控制系统(3)三个子系统；

其中排水管道系统(1)包括排水管道(1-1)、大型障碍物(1-2)、小型障碍物(1-3)、管道破损段(1-4)、检查井室(1-5)；

清理修复系统(2)包括管道QV潜望镜(2-1)、激光测距仪(2-2)、控距杆(2-3)、粉碎钻头(2-4)、清理铲(2-5)、硬毛刷(2-6)、软毛刷(2-7)、溶剂喷头(2-8)、修复剂存储舱(2-9)、垃圾传送带(2-10)、垃圾收集袋(2-11)、封袋器(2-12)；

动力控制系统(3)包括中央控制器(3-1)、气泵(3-2)、高压水泵(3-3)、导气管(3-4)、导水管(3-5)、电磁阀(3-6)、液压支架(3-7)、电动转动轴(3-8)、气囊(3-9)、水囊(3-10)、支架滑轮(3-11)、流量计(3-12)、气量计(3-13)。

电动转动轴(3-8)连接至中央控制器(3-1)，且设置在清理修复系统(2)的垃圾传送带(2-10)下面带动垃圾传送带(2-10)运动，垃圾传送带(2-10)的尾端下方放置垃圾收集袋(2-11)，垃圾收集袋(2-11)上设置封袋器(2-12)。

气泵经导气管(3-4)连接至气囊(3-9)，用于对气囊(3-9)充气，导气管(3-4)上设置气量计；高压水泵经导水管连接至水囊，导水管上设置流量计；水囊、气囊的电磁阀连接至中央控制器(3-1)；

液压支架(3-7)支撑于检查井室(1-5)底部，以维持整体装置推进稳定；电动转动轴(3-8)为本系统所采用的装置提供主要驱动力，最大推力5000～6000N，推进速度0.03～0.12m/s，空转速度约为60～120r/min；流量计(3-12)测量范围为0～5m³/s，精度为0.01～0.02m³/s；气量计(3-13)测量范围为0～15m³/s，精度为0.005～0.1m³/s。

2.根据权利要求1所述的一种地下排水管道清理与原位修复装置，其特征在于，所述的排水管道(1-1)主要为市政雨/污水管道，大型障碍物(1-2)是诸如土块、树根、砖块之尺寸大于30cm的障碍物；小型障碍物(1-3)是诸如淤质、卫生纸、塑料袋以及厨余垃圾腐化物之体积小于30cm的障碍物。

3.根据权利要求1所述的一种地下排水管道清理与原位修复装置，其特征在于，控距杆(2-3)端部安装有压力传感器，灵敏度为1～2mV/V。

4.权利要求1所述的一种地下排水管道清理与原位修复装置的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)排水管道系统(1)长时间未进行有效运行管理，排水管道(1-1)中出现大型障碍物(1-2)、小型障碍物(1-3)与管道破损段(1-4)需要进行清理修复；在装置正式工作前，先将动力控制系统(3)的液压支架(3-7)固定于检查井室(1-5)与排水管道(1-1)接口处，同时固定电动转动轴(3-8)；电动转动轴(3-8)与气囊(3-9)相连接，使得电动转动轴(3-8)能将动力输送至气囊(3-9)；

装置投放进检查井室(1-5)后启动激光测距仪(2-2)对目标排水管道(1-1)管径D进行测量，数据传输至中央控制器(3-1)，中央控制器(3-1)对气囊(3-9)充气量G进行计算，计算方法如式1：

G＝π[(D-h)/2]²×L (式1)

注：G：气囊(3-9)的充气量，m³；

D：排水管道(1-1)管径，取0.3～1，m；

h：控距杆(2-3)控制高度，取0.05～0.1，m；

L：气囊(3-9)的长度，取0.5～2，m；

中央控制器(3-1)将充气量数据反馈至气泵(3-2)，启动气泵(3-2)，打开电磁阀(3-6)，空气在气泵(3-2)抽吸作用下进入导气管(3-4)、传输至气囊(3-9)对气囊(3-9)进行充气，气囊(3-9)体积逐渐膨胀直至适合排水管道1-1管径内作业的尺寸；

步骤2)管道QV潜望镜(2-1)开始工作，对排水管道(1-1)内部进行实时检测，同时将影像照片数据传输至中央控制器(3-1)，中央控制器(3-1)采用AI技术对影像照片数据进行判定，根据障碍物尺寸X判定为大型障碍物(1-2)或小型障碍物(1-3)，其判定方法如式2：

注：X：障碍物尺寸，cm；

a：障碍物尺寸标准值，取0.1～50，cm；

当输出为1时，中央控制器(3-1)判定排水管道(1-1)中为大型障碍物(1-2)，则启动粉碎钻头(2-4)对大型障碍物(1-2)进行碎块处理，直至X＜a；

当输出为0时，中央控制器(3-1)判定排水管道(1-1)中为小型障碍物(1-3)，则启动清理铲(2-5)对小型障碍物(1-3)进行清理，清理铲(2-5)可进行θ(θ∈(0,15°))角度的上下摆动。随着电动转动轴(3-8)的动力推进，清理铲(2-5)将小型障碍物(1-3)铲到垃圾传送带(2-10)上，垃圾传送带(2-10)与电动转动轴(3-8)平行，将小型障碍物(1-3)传送至位于电动转动轴(3-8)下方的垃圾收集袋(2-11)中，垃圾收集袋(2-11)收集量M存在最大限值，判定方法如式3：

max{M}＜b (式3)

注：M：垃圾收集袋(2-11)收集量M，kg；

b：垃圾收集袋(2-11)收集量最大限值，取25～50，kg；

当max{M}≥b时，封袋器(2-12)对垃圾收集袋(2-11)进行封袋，封袋结束的垃圾收集袋(2-11)随着垃圾传送带(2-10)沿着支架滑轮(3-11)运到地面；

步骤3)同时中央控制器(3-1)对排水管道(1-1)管壁影像进行判定，激光测距仪(2-2)位于装置前端侧面，可测定装置至管壁表面的距离S，控距杆(2-3)可对装置至管壁表面距离S’进行二次判定，管壁污垢厚度W的计算方法如式4：

注：W：排水管道(1-1)管壁污垢厚度，m；

D：排水管道(1-1)管径，取0.3～1，m；

S：激光测距仪(2-2)测量数据，取0.05～0.1m；

d：气囊(3-9)充气后的直径，取0.2～0.9m；

Δ：装置至管壁表面的距离修正参数；

S′：控距杆(2-3)二次判定测量的距离数据，取0.1～0.95m；

硬毛刷(2-6)与软毛刷(2-7)的选择判定方法如式5：

max{W}＜z (式5)

注：W：排水管道(1-1)管壁污垢厚度，m；

z：排水管道(1-1)管壁污垢厚度标准值，取0.05～0.1m；

启动高压水泵(3-3)抽吸清洁用水进入导水管(3-5)，然后储存于水囊(3-10)中；当W<z时，首先打开电磁阀(3-6)进行供水，清洁用水通过溶剂喷头(2-8)喷出对管壁污垢进行冲洗，随后启动软毛刷(2-7)对管壁污垢进行洗刷；当W≥z时，先启动硬毛刷(2-6)对管壁污垢进行冲刷，随后溶剂喷头(2-8)喷水进行清洗，最后启动软毛刷(2-7)对管壁污垢进行洗刷。

步骤4)中央处理器(3-1)通过AI技术识别出管道破损段(1-4)，信息传输至清理修复系统(2)与动力控制系统(3)，首先启动气泵(3-2)与高压水泵(3-3)对管道破损段(1-4)进行清理，流量计(3-12)与气量计(3-13)分别对导水管(3-4)与导气管(3-5)进行监测得到流量、气量数据Q₁、Q₂，且需通过控制Q₁、Q₂调节气水比，其计算方法如式6：

注：η：清理修复系统(2)气水比，无量纲；

Q₁：流量计(3-12)监测导水管(3-4)内水体流量数据，取5～7，L/s；

Q₂：气量计(3-13)监测导气管(3-5)内气体流量数据，取0.3～0.6，L/s；

a：清理修复系统(2)气水比最大值，取0.09～0.12，无量纲；

c：清理修复系统(2)气水比最小值；取0.04～0.05，无量纲；

清洗结束后，修复剂存储舱(2-9)打开，管道修复剂以Q₃的流量通过溶剂喷头(2-8)精准喷洒于管道破损段(1-4)处，Q₃计算方法如式7：

注：Q₃：管道修复剂通过溶剂喷头(2-8)喷洒流量，m³/h；

A：管道破损段(1-4)破损面积，取0～2，m²；

排水管道(1-1)材质参数，取1.1～1.5，无量纲；

M：管道破损段(1-4)单位面积所需修复剂量，取0.5～2，m³/m²；

t：管道修复剂喷洒时间，取0.1～0.5h。

5.根据权利要求4所述的一种地下排水管道清理与原位修复装置的运行方法，其特征在于，所述装置在作业时，一部分置于排水管道内，另一部分在排水管道外；其中，导气管、导水管伸出排水管道并借助支架滑轮固定，导气管、导水管上设置了电磁阀并分别连接至气泵和高压水泵3-3用于充气和灌水；导气管、导水管的另一端伸入排水管道内，且分别连接至气囊和水囊，水囊中的清洁用水经过溶剂喷头对冲刷下来的管壁污垢进行喷水清洗，而气囊根据排水管道的内径充入适量空气方便作业；伸入排水管道内的装置部分的前方设置了管道QV潜望镜、激光测距仪，粉碎钻头、清理铲，顶部设置了控距杆，后方设置了垃圾收集袋、封袋器，中部设置垃圾传送带，该垃圾传送带由电动转动轴提供动力，将装置前方收集的小型障碍物传送至位于电动转动轴下方的垃圾收集袋中打包输出。

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