多声呐融合水下机器人在排水管网满水检测中的应用

城镇化建设持续推进，建成年代久远的市政排水管网逐渐进入老化高发期，破裂、脱节、沉降渗漏、内部淤积堵塞等问题频发。每逢汛期强降雨来临，城市排水管网快速转为满管承压流态，管道受力陡增，老旧管网极易发生坍塌、渗漏，不仅造成地下水污染、路面塌陷，还会大幅降低排水能力，诱发城市内涝灾害。

现阶段主流管网检测手段存在明显适配缺陷：闭路电视检测系统必须将管道水位降至 20% 以下才能开展作业，对于深埋主干管、跨河排水管、污水处理厂进厂管网，降水施工成本高昂、工期漫长，汛期根本无法停水排空检测；人工下井检测安全风险极高，有毒有害气体、湍急水流极易引发安全事故。

在此行业背景下，无需降水、可直接在满水浑水环境作业的多声呐融合水下检测机器人成为管网运维领域的技术突破口。该设备集成三类功能差异化声呐传感器，依靠数据融合算法消除单一声呐的探测盲区，搭配小型 ROV 水下航行载体，可在 DN600 及以上满水管道、箱涵内部稳定巡航检测，逐步成为排水管网满水状态常态化检测的核心装备。

二、排水管网满水工况检测核心痛点

1、检测前置条件苛刻，汛期无法实施

传统 CCTV、爬行机器人检测均要求管道低水位运行，满管状态完全无法作业。城市汛期降雨集中，排水管网全天候满水运行，若强行停水降水检测，会造成区域污水漫溢、道路积水，严重影响城市正常运行；跨河埋管、下穿主干道管网开挖降水施工还会破坏路面、河道生态，综合施工成本可达常规检测的 3-6 倍。

2、污水高浊度环境，光学检测彻底失效

满水管道内部污水裹挟泥沙、生活垃圾，水体浑浊不透光，可见光摄像头、激光成像设备穿透距离不足 20cm，完全无法获取管壁影像，这也是汛期满水管道长期处于 “检测盲区” 的关键原因。

3、满管水流扰动大，小型设备姿态失控

满水管道内部流态紊乱，存在漩涡、横向偏流，普通管道爬行机器人易被水流冲翻、卡死，线缆缠绕风险高，定位精度差，检测数据错位失真，难以形成连续完整的管道健康档案。

三、多声呐融合水下机器人系统架构与工作原理

整套系统由水下机器人载体单元、多声呐感知模块、姿态导航单元、地面控制与数据融合处理单元四大部分构成，核心依靠前视声呐 + 多波束断面声呐 + 侧扫成像声呐异构融合方案，实现优势互补、消除探测盲区。

1、三类声呐分工与互补特性

前视避障声呐：安装于机器人首部，水平 120° 扇形扫描，实时感知前方管壁、漂浮杂物、淤积凸起障碍物，提前规划航行路径，防止机器人碰撞管壁卡死，保障机器人在湍急满水管内自主稳定行进，主要承担航行安全保障功能。

多波束断面声呐：垂直向下布设，每秒采集 8-12 组管道横断面高程数据，精准测量管道内径变形、底部淤泥截面面积，自动计算淤积体积、淤积厚度，量化管道过流断面受损程度，解决管网淤积堵塞定量检测的需求，是淤积分析的核心传感器。

侧扫成像声呐：左右双侧布设，沿管道轴向连续扫描管壁两侧，通过回波强度差异生成管壁二维声学图像，可清晰识别管壁裂缝、接口错口、渗漏孔洞、树根穿刺、外来异物贯穿、结垢腐蚀等结构性与功能性缺陷；高回波区域代表管壁破损、渗漏，弱回波区域对应淤泥附着、管壁完好区域。

2、水下机器人本体结构

采用轻量化防水 ROV 架构，外径适配 DN600-DN3000 排水管道，配置6-8组矢量推进螺旋桨，具备上下升降、前后行进、横向平移全向运动能力，搭载陀螺仪、深度计组合导航模块，在满水紊流环境下自动修正姿态，保持居中巡航，避免贴壁影响成像精度；脐带缆集成供电、数据传输双线路，同步传输声呐原始数据与姿态位置信息，支持最长 300m 连续不间断检测，减少管道开挖投放下料口的频次。

3、多声呐数据融合处理机制

系统采用三级融合处理模式：

数据级融合：统一三类声呐采样时间基准与空间坐标，剔除水流扰动带来的噪声杂波，修正声呐因机器人姿态倾斜产生的成像畸变；

特征级融合：提取侧扫声呐病害灰度特征、多波束断面变形特征，相互印证区分 “淤泥附着” 与 “管壁破损”，降低污水淤泥造成的误判概率；

融合后的数据集既保留侧扫声呐成像细节优势，又拥有多波束精准测距量化能力，相比单一声呐检测，病害识别准确率提升，漏检率降低。

四、满水排水管网完整检测作业流程

该技术全程无需排空管道积水，可在管道满水运行、汛期正常排水工况下开展检测，作业流程分为 5 个阶段：

1、现场准备与投放

选取管道检查井作为投放口，清理井口漂浮杂物，架设线缆收放架与地面控制台；将水下机器人缓慢下放至满水管道内部，完成设备通电、传感器校准，控制台实时显示机器人水下姿态、前视声呐实时画面。

2、管道巡航检测

操控机器人沿管道中轴线匀速前进，前视声呐实时避障，双侧侧扫声呐连续扫描左右管壁，下方多波束声呐不间断采集断面数据；导航系统实时记录机器人行进里程、深度坐标，将位置信息绑定每一组声呐数据，实现病害精准定位。遇到严重变形、大面积渗漏区域时，可定点悬停扫描，采集高清声学细节图像。

3、数据实时回传与预处理

声呐原始声学信号、姿态数据经由脐带缆实时传输至地面工控机，系统同步完成降噪、畸变校正，实时拼接管道内壁声学全景图，操作人员可实时查看管道内部异常位置。

4、成果输出与运维应用

系统输出三项成果：管道内壁三维模型、缺陷位置台账报表、管网淤积分布云图。运维人员依据成果，优先对高等级渗漏、坍塌隐患管段开展非开挖修复，针对淤积严重管段制定清淤方案，实现 “先检测、后修复、精准运维”。