肖邦朱雷张顺李大琳朱莹张良晓
武汉科技大学城市建设学院湖北武汉430065
摘要：本文提出应用基于GIS技术的机器人代替人工对地下排水管网进行勘测，搜集排水管网的一系列空间数据信息，建立系统完善的排水管网信息系统，为排水管网的研究和评价、监控和维护提供准确可靠的数据支持，高效地完成对排水管网的预测、修复和保养工作。
关键词：城市排水管网；GIS技术；管道机器人；城市改建
近年来，城市人口逐渐增多，生活排水量增大。同时，极端天气出现的频率呈上升趋势，各地频现暴雨天气，给许多城区原本老化且排水能力极为有限的排水管网系统的运行带来巨大压力和考验，造成各地内涝严重，给市民的出行造成极大不便，甚至对市民的生命和财产安全造成威胁。
运用GIS技术的管道机器人，能够准确搜集到地下排水管网的走向、淤积程度、埋深等重要信息，辅助人工，给地下排水管网的检测、监控和维护带来巨大便利，高效地完成对老城区排水管网的修复和改造。
1.老城区排水管网的组成
排水管网是包括污水管和雨水管的地下复杂的树状网络。目前，我国的城市排水体制主要有合流制、分流制、截流式合流制等。合流制是指雨水和污水管网共用一套管网系统的排水体制，合流制又分为直接合流制和截流式合流制。其中直接合流制是将收集到的雨水和污水不经处理，直接排放至地表水体。截流合流制则是指在污水排放到表面水体之前设置一段截流干管，当晴天和阴天不下雨时，排水管网中仅有污水流经干管，最后经过处理后排放到河流等表面水体；当雨量较小时，雨水和污水同时通过截流干管均进入污水处理厂；当雨量较大时，这个时候干管的流量有限，不能处理所有雨水和污水，这时超出管道流量负荷的雨水通过溢流管直接排到河流等表面水体。分流制是指给予两套排水管网，建设雨水和污水两套排水体制，管网建设相对而言成本高。现在，部分老城区仍使用的是直接合流制，大部分地区已经均采用截流合流制，有的地区已经采用分流制。虽然直接合流制成本投资低，但其对环境的破坏影响很大，特别是某些城区存在工业废水的情况，更不适合直接外排。截流合流制充分利用原有的合流管，避免了大量复杂、艰难的政策处理工作，既减少了在城市道路上敷设污水管对道路交通及周围居民生活的影响，又节约了大量投资，解决了初期雨水的污染问题，并且易于实施，在一定时期内和一些地区不失为一种节约、快捷、有效的污水收集形式。但是由于仍然有部分污水溢流进入水体，还是会对水体有一定程度的污染[1]。2.老城区排水管网的隐患
2.1老城区出现的一系列问题
（1）城市严重内涝频发
7月7日，武汉最强暴雨致城区多处路段形成积水，其中汉阳马仓湖路，渍水面积超过1万平方米，最深处水深达2米，大量群众被困。
2012年7月21日至22日，中国大部分地区遭遇暴雨袭击，其中北京及其
周边地区遭遇61年来最强暴雨及洪涝灾害。截至8月6日，北京已有79人因此次暴雨死亡。根据北京市政府举行的灾情通报会的数据显示，此次暴雨造成房屋倒塌10660间，160.2万人受灾，经济损失达116.4亿元。
（2）对环境造成严重的破坏和直接经济损失
近年来，城市建设不断推进，各种基础设施需要不断的完善。由于老城区初期的规划不合理，没有竣工的管道分布图，导致现在施工队在建设过程中出现的错挖，而且还严重的耽误了施工进度，不仅对人们的生活工作产生了困扰还造成了严重的经济损失。
老城区的排水管网存在老化，排水体制不合理，雨水与污水管错接乱接现象严重，不仅存在地下污水渗漏污染，还有污水不经污水处理厂处理直接排放到河流等表面水体，特别是在有工业废水的老城区上述现象尤为严重。
2.2老城区排水管网的现状
（1）排水系统的管理体制不完善
我国的老城区管网建设的时期大多在20世纪中期或者中后期，基本采用的是直接合流制的排水体制，直接将污水未经污水厂的处理等任何有效的处理直接排到河流等表面水体，造成了严重的环境污染。建设时期，并未要求通过或者留存竣工资料，或者有的提供竣工资料了，相关机构并未妥善保管，没有严格的责任制。
（2）管道乱接、混接现象严重
在部分地区，城市现代化建设进度不一，存在某些设施不配套的情况，小区污水管接入雨水管现象并不罕见，排水管道和市政管道混接、乱接现象时有发生。
（3）管道老化、维修困难
由于我国社会发展迅速，各种开发与建设是历史的趋势，各种基础设施变动较大，再加上管道年久老化，特别是在老城区这种变化现象尤为突出，不免会对管网产生一定的破坏，从而出现淤积、渗漏等问题。现在老城区多为历史遗产保护区或者是政治、经济、文化的繁华区，经常出现管道堵塞，对人们生产生活造成了严重的影响，同时从发现问题到维修，这些流程的实现都较困难，不仅耗时，耗力，维修效率也低，给人们带来了非常大的困扰。
（4）管径偏小，管网系统不完善
现在的管径不能满足当地老百姓增大的排水量，主要原因：一是居民生活用水习惯改变，污水排放量变大；二是各户的用水设备也增加了，现有的排水管网的管径流量远小于居民用水排放的实际流量。当初，老城区道路狭窄，房屋密集，地下未修建排水支管，污水通常通过暗沟排收集，卫生条件得不到保证。[2]
3.GIS技术和管道机器人的研究现状
3.1GIS技术研究现状
GIS技术（地理信息系统）是在计算机软件和硬件的支持下，以地理空间为基础，采用地理模型分析方法，对有关地理分布的空间数据及其属性信息进行采集、存储、管理、处理、分析，然后对显示结果进行浏览，操作和分析，综合数据收集、空间分析和决策过程的空间信息分析技术。
自二十世纪八十年代以来，地理信息系统（GIS）在欧美国家已被广泛应用。特别是在与民生和经济息息相关的行业，如商业、城市规划、物流、交通、人口普查、疾病分析等领域，GIS技术的运用更是得到空前的发展。中国地理信息系统的研究与应用，起步于八十年代。地理信息系统的研究与应用起步较晚，虽然发展历史短，但发展迅速。目前，在资源与环境应用领域中，地理信息系统发挥着巨大作用，成为解决资源环境问题与保障可持续发展的重要力量。近几十年来，随着计算机技术的飞速发展和地理信息处理手段的不断完善，我国在GIS研究领域取得了优秀的成绩，GIS研究逐步与国民经济建设和社会生活需求相结合，我国GIS应用领域从早期传统的环境资源、防灾减灾逐渐向城市规划、商业开发、金融分析、物业管理等渗透，并取得了重要进展和巨大经济效益。GIS正朝着专业化、大型化、社会化和多样化方向迅速发展，逐渐深入到人类生活的各个方面，满足社会发展和人们生活的需要，造福社会。[3]
3.2管道机器人的发展现状
我国管内机器人技术的研究己有20余年的历史，近几年，管道机器人的形式样式多种多样，在各种场合的应用更加常见。例如上海交通大学提出了煤气管道检测机器人，该管道机器人具有独特的四边形结构，采用轮式的行进方式，有较强的适应能力[4]。苏州大学五名学生发明出一种微型管道机器人，头部的监测装置可深入到核电蒸汽管道进行检查，避免安全事故的发生。国外的管道机器人研究较早，其中法国、日本、美国、加拿大等国家处于领先地位，技术相对成熟，管道机器人的研究已经达到了实际应用的水平。经过国内外相关学者专家的研究，管道机器人的技术已经较为成熟，应用领域广泛。[5]
4.基于GIS技术的管道机器人应用前景
基于GIS技术的管内机器人，通过搜集管道走向、管材、管径、坡度、流速、埋设深度、充满度、周围管网分布情况等排水管网空间数据，利用地理信息系统技术、数据库技术、计算机图形处理等技术对搜集到的排水管网空间数据进行处理和分析，快速输出真实准确的排水管网位置和属性信息，建立一套系统完善的排水管网信息系统，实时监控，动态显示，辅助相关人员对排水管网进行系统研究、综合评价和管理维护。使用基于GIS技术的管内机器人，可极大地减少检测和维护排水管网所需的人力物力，避免事故给市民造成生命威胁和财产损失，极大提高工作效率，有利于城市地下管网的稳定运行。
以前甚至现在，对于老城区的排水管网的维修都是人工的形式，工作效率极低，甚至不能保证维修人员的安全，对居民的生产生活造成了严重的影响。由于上述的GIS技术和管道机器人分别在该领域取得了一定的成效，采用管道机器人进入地下排水管道进行勘察，采集信息，同时通过GIS技术对机器人传输上来的数据进行分析处理，建立城市的排水管网信息系统，对管网的运行状况进行判断，再利用机器人对管网进行及时的维修和
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（1）清淤疏通排水管网
以往的管网清通都是采用人工的方式，无法快速准确的判断问题的位置，工作效率低下，还不安全，对居民的生活造成了不好的影响同时还会影响交通。现在采用机器人通过GIS技术快速准确的判断事故位置，机器人还有报警装置，并及时对事故进行处理，对管网进行清淤和疏通。
（2）完善老城区排水管网的信息，加快城市改建进程。
如今，城市发展突飞猛进，老城区的排水管网系统面临巨大的挑战，随着人口的密集、人们生活水平的提高对水的需求更大，从而对排水管网的要求越来越高，城市的管网改建成为必然。城市的管网错综复杂，除了排水管网外还有给水管网等十种地下管网，可以说牵一发而动全身。基于GIS技术的管道机器人装有定位器，实时定位，可以快速的采集管道位置信息，通过GIS技术建立老城区的排水管网分布图，而且还可以根据采集的管径、材质等其它信息将排水管网三维模型化，有利于城市管网维修和改建工作的顺利进行。
（3）管道的检漏和修补
以往的排水管网的渗漏，基本没有管理，通过土壤渗透到地下水，对土壤和地下水环境危害较大。如今，我国发展迅速，对环境的保护极为重视，管道的修补与恢复成为讨论的焦点。管道机器人结合GIS技术，通过无线操控管道机器人，对排水管道结构和缺陷进行探测，采集信息，将数据实时的传到GIS系统进行处理、分析和成像，发现管道渗漏和破损处，对有问题的管道及时进行有效的修复。5.结语
本文分析了老城区排水管网的组成，针对老城区排水管网存在的问题，将基于GIS技术的管道机器人与老城区排水管网结合应用研究，建立真实准确的城市地下排水管网信息系统，大大节省了人力，实时了解地下管网运行状态，第一时间发现问题并针对突发情况做出决策，最大程度地降低事故对社会造成的不利影响。该应用技术不需要人工下井检测，保障了作业人员的生命安全，能够及时、准确、高效地对城市排水管网进行维护和修理，保障排水管网系统运行的安全、稳定，有利于高效地推动城市建设与改造进程。
参考文献
[1]杨唯艺，侯明方，付赛欧等.GIS技术结合机器人对老城区管网的应用技术开发[J].轻工科技，2016（03）：89-90.
[2]艾湘军.老城区排水管网现状及改造措施——以黄冈市黄州城区为例[J].黄冈职业技术学院学报，2017（02）：97-100.
[3]詹少强.基于计算机技术的GIS技术发展趋势探究[J].电脑编程技巧与维护，2018（03）：110-112.
[4]陈还.四轮全驱式管道机器人研究[D].合肥工业大学，2017.
[5]邵琦，谢哲东.管道机器人的发展与展望[J].农业与技术，2016（05）：173-175.
作者简介
肖邦（1996-），男，本科，研究方向：水处理技术。
基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（201510488002）。