摘要

本研究的目的是评估在污水管道检查中使用无人机（UAV）的有效性，作为筛选管道和确定需要进一步详细检查的管道的方法。通过将检查速度、操作员安全性和数据可靠性与传统检查方法、闭路电视（CCTV）和人孔摄像头进行比较，进行了一项实验。结果是，与其他被证明高效的方法相比，无人机可以在更短的时间内检查相同的管道长度，并且也可以被认为是一种安全的方法，因为在整个检查过程中，操作员无需进入人孔即可完成操作。数据的可靠性也足够，因为无人机可以在高能见度下收集管道内部的图像。从获得的结果可以说，无人机是有效进行闭路电视检查的有效筛选方法。

关键字

无人机；污水管道检查；筛选；操作员安全；维护

介绍

日本的下水道系统现代化始于1965年，随后在接下来的20年里进行了大规模建设。截至2018年底，卫生覆盖率达到79.3%。随着覆盖率的增长，总下水道长度也在快速增长，据最近的统计[1]，已达到约48万公里。

一般认为下水管的使用寿命为50年[2]。最新统计显示，17000公里的现有管道中，大约4%的管道超过了这个年龄。每年都有3000多起城市道路因老化管道老化而发生坍塌事故，引起社会的严重关注。当我们看到老化的管道越来越多的时候，我们害怕看到更多的道路坍塌事件。

在日本，对下水管道进行详细目测的主要方法是闭路电视(CCTV)。闭路电视检查可以发现管道内部的缺陷，并收集近距离图像进行检查。数据的可靠性很高，因为CCTV会停下来查看每个缺陷，但这不是最有效的，因为操作员会在CCTV通过管道时搜索任何缺陷。安全是一个问题，因为它要求操作人员进入人孔将闭路电视插入管道内。这种环境可能含有低氧或有害气体。在突然下雨的情况下，它也可能对操作人员不安全。

人孔摄像机通常用于筛选管道，以确定需要详细检查的部分。这是一种有效和安全的方法，但视野有限，不足以拍摄整个管道路径。

管道的筛选和优先排序被认为是下水道管道维修的有效方法。一种高效、安全的管道全可视化方法可以有效地进行管道筛选。本研究的重点是利用无人机(Unmanned Aerial Vehicle，简称“drone”)作为一种高效、安全、可靠的管道筛选方法。通过对比无人机与常用的检查方法、闭路电视和人孔摄像机进行实验评价[5,6]。

材料和方法

设备

用于检查的设备有闭路电视、人孔摄像机和无人机。CCTV的分辨率为41万像素，井口摄像头为200万像素，无人机为200万像素。无人机的规格见表1，外观见图1和图2。

图1:日本新的下水道建设和累积长度逐年增加。
作者根据日本污水处理厂协会[3]的统计资料制作。

图2:无人机的外观。

项	规格
大小	W:李:250毫米570毫米H: 190毫米
重量	2.0公斤(包括电池)
飞行时间	约5分钟
飞行速度	0.5 m / s, 3.0 m / s
检查摄像机	松下相机稳定剂
决议	约2000000像素
视角	84度。

表1：无人机规范。

检查科

用于评价的管道部分如下:

• 管使用=结合下水道
• 管道直径= 400mm ~ 600mm
• 管材=混凝土
• 行数（路径）=30
• 总长度= 1324。8米

路径排列成直线，如图3所示。管道在闭路电视检查前被清理过，但没有用于人孔摄像头或无人机。

图3：检查路径。

的评价方法

检查小组用闭路电视、人孔摄像头和无人机检查了同一路段。团队通过检查速度、操作人员的安全性和数据的可靠性来评估无人机的效率/可靠性。

“检查速度”的指标值为检查所需天数、人孔开孔数、每个人孔的平均检查路径和平均检查长度。如果用无人机进行检查所需的天数少于现有方法，则可以判断效率较高。

“操作员安全”指数设定为操作员不需要进入的人孔开口数量。数字越大，意味着操作员暴露在不安全环境中的可能性越小，如低氧、危险气体或意外降雨导致的水位突然升高。

无人机获得的数据的可靠性通过与CCTV结果相匹配的检测缺陷数量进行检验，即设置CCTV作为基准。当检测率为100%时，可靠性可以说与CCTV相同。当检测率高于人孔摄像头时，可靠性可以说高于人孔摄像头人孔摄像头。

结果和讨论

通过(1)检查速度、(2)操作人员安全性和(3)数据可靠性对三种检查方法的比较进行评价。每项评估的细节如下所述。

检查速度

无人机检查长度的总持续时间为4小时18分钟，包括准备、调整设备和清理。转换为8小时的整个工作日，全天检查长度为2904米。

表2和表3显示了检查总长度1324.8 m所需的天数:CCTV=4天，人孔摄像机=2天，无人机=1天。与闭路电视、井盖摄像头相比，无人机所需的天数最少。这欠无人机需要更少的时间建立在每个人孔,可以穿过管速度比中央电视台,也可以检查一条路径方向上游和下游两条路径方向,导致最多三个路径从一个开放。无人机每个人孔的平均检查时间为12分23秒。

指数	值
检查速度	检查天数
操作人员的安全	不进入人孔检查次数(不进入/人孔检查)
数据的可靠性	缺陷检测与CCTV的匹配率

表2：比较指数。

	中央电视台	人孔相机	无人机
所需天数	4	2	1
人孔开口数	30.	36	15
每个人孔平均检查路径	1	0．8	2
每个人孔检查的平均长度	44.16	36.8	88.32

表3:检验方法的比较。

检查全长所需的人孔开口数量为，CCTV=30个开口，人孔摄像头=36个开口，UAV=15个开口，表明UAV的开口数量最少。每个人孔的平均检查路径数为CCTV=1.0路径，人孔摄像头=0.8路径，UAV=2.0路径。每个人的平均检查长度钻孔CCTV=44.16 m，人孔摄像头=36.8 m，UAV=88.32 m。结果表明，就所需天数、检查路径平均数和每个人孔的检查长度而言，UAV检查是三种测试方法中最有效的方法[7,8]。

操作人员的安全

操作者的安全性是通过人孔开口的数量和操作者不进入人孔的检查次数来量化的。CCTV=0%，人孔摄像机=100%，无人机=93.3%。记录中无人机的一个开口发生在操作员将无人机引导到一个很深的缝隙中，不得不进入人孔将其收回时。在检查前检查施工图纸就可以防止这种情况发生。基本上，无人机检查可以在地面上进行整个过程，包括准备、检查和清理(图4和图5)。

图4:人孔开口和检查路径。

图5：操作人员在地面上进行无人机检查。

数据的可靠性

CCTV的结果如表4所示，严重程度(A- c)在表4中解释为A为最严重的级别。表5所示的标准取自日本污水工程协会(JSWA)发布的“污水渠管理指南”[4,9]。利用人孔摄像机对同一断面进行了检查，并将结果与闭路电视进行了比较。能见度(屏幕清晰度)是通过该方法对每个项目检测到的缺陷数量来评估的(图6)。图6显示了CCTV、无人机和人孔摄像机获得的裂纹图像。

图6：通过各种检查方法得到的裂纹。

根侵入			附存款 (砂浆)			其他人			全部的
一个	b	c	一个	b	c	一个	b	c	一个	B	C	全部的	一个	b	c	全部的
0	3.	0	0	0	4	0	0	1	0	1	2	3.	4	16	24	44

表4:闭路电视检查的结果。
A(A) - C(C)各等级的解释见表5。
全程评估:A=最严重→C=不严重
局部(管道)评估:a=最严重→c=较不严重

整个长度的评估	污水渠状况\		一个	B	C
	腐蚀的管道		钢筋可见	总可见	表面粗糙度
	垂直变形	(内径)小于700毫米	内径的100%或以上	内径的50%或以上	少于50% 的内径
		(内径)700毫米至1,650毫米之间	内径的50%或以上	内径的25%或以上	低于25% 的内径
		(内径)在1,650毫米至3,000毫米之间	内径的25%或以上	内径的12.5%或以上	小于内径的12.5%
局部（管道）评估	污水渠状况\		一个	b	c
	破损/纵向裂缝	钢筋混凝土管等。	崩溃	纵向裂缝 2毫米或更宽	纵向裂缝 宽度小于2毫米
			纵向裂缝 宽度大于等于5毫米
		陶土管	崩溃	纵向裂纹小于50% 管的长度	--
			纵向裂纹- 管道长度的50%或以上
	环形裂纹	钢筋混凝土管等。	环形裂纹 宽度大于等于5毫米	环形裂纹 2毫米或更宽	宽度小于2mm的周向裂纹
		陶土管（VC）	周向裂纹三分之二或更大 圆周的长度	周向裂纹小于周向长度的三分之二	--
	流离失所的关节		挤压关节	钢筋混凝土管等:70毫米或更大	钢筋混凝土管等：小于70mm
				陶土管:50毫米及以上	陶土管:小于50mm
	渗透		滔滔不绝的	运行	渗
	挤压的横向		内径的50%或以上	内径的10%或更大	少于10% 的内径
	附存款、油脂		堵塞50%或更大	堵塞小于50 内径%	--
	根系侵入		堵塞50%或更大	堵塞小于50 内径%	--
	附存款、砂浆		堵塞30%或以上	堵塞10%或更大	堵塞小于10%

表5:严重程度[4,9]。

人孔摄像机与CCTV的匹配率(不包括“垂直方向变形”和“附着沉积物、油脂”，本节不适用)分别为11%和68%。在这些结果中，人孔摄像机的关键缺陷率(第1-5项)为8%，无人机为74%，维修相关缺陷(第6-9项)为22%，无人机为44%。

无人机对影响结构完整性的关键缺陷的匹配结果为74%，可以认为是高匹配率。在这些项目中，腐蚀、移位接头和侧管挤压与CCTV检查结果的匹配率为100%。这一得分归功于无人机能够飞到下水道中心的能力除此之外，从近距离收集图像并检测缺陷，而检修孔摄像头只能从检修孔收集图像。另一方面，裂缝、根部侵入和砂浆沉积显示的匹配率仅为50%或更低。匹配率低的原因可能是无人机偶尔遇到的低能见度，即无人机产生的向下气流飞溅水，水粘在镜头上。或者，狭窄的视角模糊了图像，使操作员难以检测到缺陷。因此，摄像机选择将是未来发展的一个问题。横向堵塞显示低至0%匹配的结果来自无人机没有侧视能力。没有这种能力，很难检测到侧视障碍。

可以说，虽然有些项目在CCTV中显示的准确率较低，但总体得分还是高于井口摄像机。因此，无人机可以看作是管道检测[10]的一种可能的筛选方法。

总结

比较结果可总结如下。

• 在效率方面，无人机检查是最有效的，因为与CCTV和人孔摄像头相比，无人机检查花费的时间最少，分别为1/4和1/2。无人机可以在一次操作中更快地检查多条路径，因此实现了高效率。
• 安全性也被发现更好。整个无人机检查从准备、图像采集到检索都可以在地面上完成，无需操作人员进入人孔。这减少了对不安全环境的暴露。
• 与人孔摄像机相比，数据的可靠性可以说是相似或更好的。CCTV的缺陷检出率为68%，人孔摄像机的缺陷检出率为11%。在各缺陷类别和等级中，检测率与人孔摄像机相似或更高。

结论

从观测结果可以看出，与闭路电视检查相比，无人机检查可以更有效、更安全地找到需要更详细检查的区域。与人孔摄像机作为筛选方法相比，无人机可以通过管道，具有相似或更好的缺陷检出率。可以说，无人机是有效进行闭路电视检查的一种有效筛选方法(图7)。

图7：比较的结果。

进一步，优化摄像机规格可以帮助提高图像质量，以获得更高的缺陷检测率，整体操作易用性的提高可以允许使用无人机更快地检查。无人机检测有潜力成为下水道管理的一种高效解决方案(表6)。

表6:每种检验方法检测到的缺陷数量。

工具书类

1. 国土、基础设施、交通和旅游省(2018)下水道维护(日语)。日本。［Ref。］
2. 日本国土、基础设施、交通和旅游部(2020)日本水岛新文社公共污水工程指南(日文)。isbn978 - 4 - 93 - 0941 - 72 - 5,日本。
3. 日本污水处理厂协会(2018)下水道国家数据库(日语)。日本。［Ref。］
4. 日本污水处理厂协会(2014)污水设施管理指南(日文)。日本。
5. 野中贤三（2018）关于无人机的工业应用（日语）。Ohmsha，日本。[Ref。］
6. Ippei Yamashita(2018)无人机教科书高级文本无人机飞行员测试(无人机认证)二级对应。日本。
7. 日本污水工程协会(2016)污水管道设施库存管理指南(日文)。日本。
8. 日本污水处理厂协会（2020）《污水设施管理工程成本估算手册》（日文版）。日本。
9. 日本污水收集系统维护协会（2019）污水管管理手册（日语）。日本
10. 稻垣裕介、池田广史、竹内派立克、Yato Yoshihiko、Sawai Takayuki（2020）评估下水道状况的有效措施：与CCTV和人孔摄像头进行比较的无人机筛查。水处理实践技术15:482-488。[Ref。］

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文章信息

物品类型：研究文章

引用：Inagaki Y, Ikeda H, Yato Y, Takeuchi PK, Anakura M(2020)无人机在下水管道检测中的应用。国际给水排水6(2):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.169

版权：©2020 Inagaki Y，等。这是一篇开放获取的文章，在知识共享署名许可协议的条款下发布，该协议允许在任何媒体上无限制地使用、发布和复制，前提是注明原作者和来源。

出版的历史:

收到日期:2020年7月28日

接受日期：2020年8月12日

出版日期：2020年8月18日