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[摘 要]随着我国城市化进程的推进，城市人口增多，大量的生活垃圾，给下水道排污带来巨大压力，因此，城市下水道的维护对城市发展越来越重要，传统人工清理有着诸多弊端。为此，我们设计了一款智能，轻便，高效的清理装置来解决这一问题，那就是下水道清理机械人。
[关键词]下水道清理，人工清理，联合清污车清理，智能，高效，传感器，摄像头，机械臂，可升降工作台
中图分类号：TU823.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0130-01
随着我国城市化进程的推进，城市人口增多，大量的生活垃圾，给下水道排污带来巨大压力，因此，城市下水道的维护对城市发展越来越重要，传统人工清理，工作量大，环境恶劣，效率低，效果不佳，现代联合清污车清理，针对大型管道效率高，效果好，但对分布更广，更易堵塞的小型管道而言，清理方式不够灵活，成本过高；为此，我们设计了一款智能，轻便，高效的清理装置，我们的作品以履带式小车为底盘，清理时将装置放入管道内，为应对管壁粘附物，我们采用超声波传感器及摄像头探测管内工况，根据管内工况，自动调节机械臂与工作台的位置，清理方式采取旋转机械臂，沿管壁旋转松动垃圾，水枪配合冲洗管壁，同时针对管底大量垃圾，通过摄像头观测，及时调整机械臂，与清污铲，水枪配合，将垃圾推出管道，彻底清理管道，此外，如果在雨季前对城市下水道进行排查清理，将大大提升下水道排污能力，最大程度地保护人们的生命财产。
1、 城市管道现状
随着我国城市化进程的快速推进，城市人口不断增多，产生的大量生活垃圾给下水道排污带来巨大压力，在雨季因排水设施设计不合理或维护不当而造成城市内涝的情况屡见不鲜。据《人民日报》披露，仅在2008 年至2010年三年间，全国有62% 的城市发生过城市内涝，次数超过3次的城市有137 个。城市下水道系统的运行状况直接影响到居民的生活环境，进而影响到居民的生活水平以及对所在城市的认同度和归属感。因此，城市下水道的维护工作对城市的良性发展至关重要。而传统的人工清理模式，工作量大；环境恶劣，工人的人身安全得不到有效保障，近年来因清理管道污物而窒息中毒的事件时有发生；效率低下，效果不佳。现代联合清污车清理模式，针对大型管道效率高，效果好，但对分布更广、更易堵塞的小型管道而言，清理方式不够灵活，且成本过高，效果也并不尽如人意。
2、国内产业发展水平
随着我国的城市化进程加快推进，与城市化建设相关的产业也必将继续高速发展。而智能化也是装备制造业发展的一大趋势。智能下水道清理机器人作为城市下水道清理维护的新手段，集成了物联网技术等智能技术，发展前途不可限量。目前国内的城市下水道清理方式主要是两种：一是人工，这种方式效率低，且管道内工作环境差，对作业者生命安全构成威胁；二是引进大型清污车辆，这种方式清污成本高，中小城市难以负担，且机动性差，对分布密集的中小型管道难以有效应对。因此，中国的城市迫切需要一种适合中国城市实际情况的、低成本、高效率的城市下水管道清理设备，而我们的产品即符合这些要求。
目前国内城市下水道清理主要采用的“自动清污车+人工”的传统清理模式，存在效率低、成本高、效果不理想的弊病。根据“以人为本”的理念，管道清理工的来源将会越来越少。而目前投入使用的大部分清污车基本上都是由工程车辆改造而来，对于应急清理效果尚且理想，但对维护处置分布更广，更易堵塞的小型管道，则存在成本过高、灵活性差等弊端。由于管道清理行业本身的特殊性，加之城市下水道清理的低成本高效率要求，国内目前并没有成熟的模式。而利用智能清理装置进行下水道清理更可以说是“开创先河”的举措。在国家大力支持高新技术发展的背景下，下水道清理装备的智能化已是大势所趋。
2、 下水道清理机器人工作原理
准备：利用现有的吸污车将堵塞管道内污水抽出，避免污水干扰装置工作，然后利用阻流袋隔断上游污水管道，避免上游污水的干扰。
探测：将装置从堵塞管道上游工作井放入管内，超声波传感器探测管道直径，摄像头实时观测管内状况，并将探测情况反馈到控制器。
调整：控制器根据探测收集的数据，智能调整机械臂与工作台的位置，以适应管内状况。
清理：
A 针对管壁粘附物--机械臂将伸展至接近管壁，然后机械臂以及端部转刀同时旋转，沿管壁旋转搅动垃圾，同时水枪出水，冲击管壁，彻底清理管道粘附物。
B 针对管底垃圾--根据摄像头观测情况，人为调整机械臂与工作台位置，逐层切削污泥层，同时下部水枪冲洗切削过的污泥层，使污泥流至下游；此外，针对管底顽固垃圾，清污铲与水枪配合，实现推除与冲洗同步进行，彻底清理管底垃圾。
反馈调节：摄像头与超声波传感器实时反馈观测信息，如存在清理不彻底或其他意外情况，可及时调整装置，达到最佳清理状态。
4、应急故障处置
清理装置故障 管内污物过于集中或具有弹性致使机械臂被卡住（比如管道内有衣服、抹布等等），由于小车内具有自动定位装置，操作人员可通过控制面板发出指令使小车采用“前进-后退-前进”的方式清理或者按原路返回。
控制装置故障 小车内装有自动定位系统以及轨迹记录装置，并通过无线电与控制板实时保持联络，一旦超过预定时间，小车会自动启动循迹返回功能，安全退出作业区。
动力装置故障 本产品的作业距离原则上不超过100米，本产品除了在程序设计上有应急考虑外，为避免因动力装置出现故障，产品后还配有保险绳，以备紧急使用。
5、四个优点
节能 采取深入管道，近距离清理的方式，一方面能实时探测管内状况，达到最佳清理状态，实现最大限度的清理；另一方面近距离清理，可大大降低能源及水资源的消耗。
安全 远程智能化操作，可在一定程度上代替人工清理，避免因管内有毒有害气体对作业人员的人身安全产生危害。
高效 采用机械臂旋转搅动与水枪冲洗相配合，轻松解决管壁粘附物，同时根据摄像头观测状况，可调节机械臂与工作台，配合清污铲与水枪，对管底顽固垃圾实现逐层彻底清理。
智能 集成了物联网技术和智能控制技术，极大地降低了人员成本；通过摄像头可实时了解清理状况，以便操作人员针对管内工况，及时调整清理方案，既保证了清理效果，又保证了装置的安全性。
6、结论
目前在欧美发达国家，由于其城市下水道设计采用“地下廊道式”，对下水道污物的降解能力较强。且发达国家起步较早，清污设备已形成系列。其发达的经济水平也为其市政管道的维修维护提供了充足的资金保障。因此，目前在传统管道清理行业，发达国家走在了我们的前面。而采用物联网控制的智能清理设备完成城市下水管道的应急处置以及日常维护，国外虽已有类似的设备出现，但并未实现产业化。因而在使用智能装备完成城市市政基础设施维护这一领域，我们和发达国家处在同一起跑线上。而考虑到我国巨大的市场需求，相比之下，我们更具后发优势。所以，下水道清理机器人的市场潜力非常大。
参考文献
[1] 贾绍凤.关于改进城市内涝防治的若干建议[J].中国科学报.2013.
[关键词]下水道清理，人工清理，联合清污车清理，智能，高效，传感器，摄像头，机械臂，可升降工作台
中图分类号：TU823.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0130-01
随着我国城市化进程的推进，城市人口增多，大量的生活垃圾，给下水道排污带来巨大压力，因此，城市下水道的维护对城市发展越来越重要，传统人工清理，工作量大，环境恶劣，效率低，效果不佳，现代联合清污车清理，针对大型管道效率高，效果好，但对分布更广，更易堵塞的小型管道而言，清理方式不够灵活，成本过高；为此，我们设计了一款智能，轻便，高效的清理装置，我们的作品以履带式小车为底盘，清理时将装置放入管道内，为应对管壁粘附物，我们采用超声波传感器及摄像头探测管内工况，根据管内工况，自动调节机械臂与工作台的位置，清理方式采取旋转机械臂，沿管壁旋转松动垃圾，水枪配合冲洗管壁，同时针对管底大量垃圾，通过摄像头观测，及时调整机械臂，与清污铲，水枪配合，将垃圾推出管道，彻底清理管道，此外，如果在雨季前对城市下水道进行排查清理，将大大提升下水道排污能力，最大程度地保护人们的生命财产。
1、 城市管道现状
随着我国城市化进程的快速推进，城市人口不断增多，产生的大量生活垃圾给下水道排污带来巨大压力，在雨季因排水设施设计不合理或维护不当而造成城市内涝的情况屡见不鲜。据《人民日报》披露，仅在2008 年至2010年三年间，全国有62% 的城市发生过城市内涝，次数超过3次的城市有137 个。城市下水道系统的运行状况直接影响到居民的生活环境，进而影响到居民的生活水平以及对所在城市的认同度和归属感。因此，城市下水道的维护工作对城市的良性发展至关重要。而传统的人工清理模式，工作量大；环境恶劣，工人的人身安全得不到有效保障，近年来因清理管道污物而窒息中毒的事件时有发生；效率低下，效果不佳。现代联合清污车清理模式，针对大型管道效率高，效果好，但对分布更广、更易堵塞的小型管道而言，清理方式不够灵活，且成本过高，效果也并不尽如人意。
2、国内产业发展水平
随着我国的城市化进程加快推进，与城市化建设相关的产业也必将继续高速发展。而智能化也是装备制造业发展的一大趋势。智能下水道清理机器人作为城市下水道清理维护的新手段，集成了物联网技术等智能技术，发展前途不可限量。目前国内的城市下水道清理方式主要是两种：一是人工，这种方式效率低，且管道内工作环境差，对作业者生命安全构成威胁；二是引进大型清污车辆，这种方式清污成本高，中小城市难以负担，且机动性差，对分布密集的中小型管道难以有效应对。因此，中国的城市迫切需要一种适合中国城市实际情况的、低成本、高效率的城市下水管道清理设备，而我们的产品即符合这些要求。
目前国内城市下水道清理主要采用的“自动清污车+人工”的传统清理模式，存在效率低、成本高、效果不理想的弊病。根据“以人为本”的理念，管道清理工的来源将会越来越少。而目前投入使用的大部分清污车基本上都是由工程车辆改造而来，对于应急清理效果尚且理想，但对维护处置分布更广，更易堵塞的小型管道，则存在成本过高、灵活性差等弊端。由于管道清理行业本身的特殊性，加之城市下水道清理的低成本高效率要求，国内目前并没有成熟的模式。而利用智能清理装置进行下水道清理更可以说是“开创先河”的举措。在国家大力支持高新技术发展的背景下，下水道清理装备的智能化已是大势所趋。
2、 下水道清理机器人工作原理
准备：利用现有的吸污车将堵塞管道内污水抽出，避免污水干扰装置工作，然后利用阻流袋隔断上游污水管道，避免上游污水的干扰。
探测：将装置从堵塞管道上游工作井放入管内，超声波传感器探测管道直径，摄像头实时观测管内状况，并将探测情况反馈到控制器。
调整：控制器根据探测收集的数据，智能调整机械臂与工作台的位置，以适应管内状况。
清理：
A 针对管壁粘附物--机械臂将伸展至接近管壁，然后机械臂以及端部转刀同时旋转，沿管壁旋转搅动垃圾，同时水枪出水，冲击管壁，彻底清理管道粘附物。
B 针对管底垃圾--根据摄像头观测情况，人为调整机械臂与工作台位置，逐层切削污泥层，同时下部水枪冲洗切削过的污泥层，使污泥流至下游；此外，针对管底顽固垃圾，清污铲与水枪配合，实现推除与冲洗同步进行，彻底清理管底垃圾。
反馈调节：摄像头与超声波传感器实时反馈观测信息，如存在清理不彻底或其他意外情况，可及时调整装置，达到最佳清理状态。
4、应急故障处置
清理装置故障 管内污物过于集中或具有弹性致使机械臂被卡住（比如管道内有衣服、抹布等等），由于小车内具有自动定位装置，操作人员可通过控制面板发出指令使小车采用“前进-后退-前进”的方式清理或者按原路返回。
控制装置故障 小车内装有自动定位系统以及轨迹记录装置，并通过无线电与控制板实时保持联络，一旦超过预定时间，小车会自动启动循迹返回功能，安全退出作业区。
动力装置故障 本产品的作业距离原则上不超过100米，本产品除了在程序设计上有应急考虑外，为避免因动力装置出现故障，产品后还配有保险绳，以备紧急使用。
5、四个优点
节能 采取深入管道，近距离清理的方式，一方面能实时探测管内状况，达到最佳清理状态，实现最大限度的清理；另一方面近距离清理，可大大降低能源及水资源的消耗。
安全 远程智能化操作，可在一定程度上代替人工清理，避免因管内有毒有害气体对作业人员的人身安全产生危害。
高效 采用机械臂旋转搅动与水枪冲洗相配合，轻松解决管壁粘附物，同时根据摄像头观测状况，可调节机械臂与工作台，配合清污铲与水枪，对管底顽固垃圾实现逐层彻底清理。
智能 集成了物联网技术和智能控制技术，极大地降低了人员成本；通过摄像头可实时了解清理状况，以便操作人员针对管内工况，及时调整清理方案，既保证了清理效果，又保证了装置的安全性。
6、结论
目前在欧美发达国家，由于其城市下水道设计采用“地下廊道式”，对下水道污物的降解能力较强。且发达国家起步较早，清污设备已形成系列。其发达的经济水平也为其市政管道的维修维护提供了充足的资金保障。因此，目前在传统管道清理行业，发达国家走在了我们的前面。而采用物联网控制的智能清理设备完成城市下水管道的应急处置以及日常维护，国外虽已有类似的设备出现，但并未实现产业化。因而在使用智能装备完成城市市政基础设施维护这一领域，我们和发达国家处在同一起跑线上。而考虑到我国巨大的市场需求，相比之下，我们更具后发优势。所以，下水道清理机器人的市场潜力非常大。
参考文献
[1] 贾绍凤.关于改进城市内涝防治的若干建议[J].中国科学报.2013.