管中窥漏

秦钰阳

屠德展团队的实验室位于浙江大学玉泉校区第十教学楼，在这间被实验器材和几台电脑堆得有些拥挤的房间里，几个银白色金属球静静地立在桌子上。这几个直径仅十厘米、其貌不扬的球形机器人就是曾连续两届获得日内瓦国际发明展最高荣誉、第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖以及第四届浙江省“互联网+”大学生创新创业大赛金奖等荣誉的作品——城市供水管网泄漏检测机器人系统。

破解管内泄漏检测技术难题

城市地下管网是城市运转和社会各行业发展的重要基础设施。而管道漏损问题一直是业内难题，如何在漏损后快速定位排查漏损位置减少损失，是一个极具挑战性的工作。然而，目前仍多采用人工听音检测法，要求听漏工挨个排查泄漏点，费时费力。而固定传感器的方式，需要在管道表面铺设大量传感器，造价昂贵。尤其是对于小泄漏的检出，泄漏特征微弱，管外检测方法受到一定的限制。尽管国外已有相关管内检测机器人系统，但是价格高昂，而且受防水抗压等级约束，应用场景相对单一。

浙江大学控制科学与工程专业2016级硕士研究生屠德展自入学以来，在侯迪波教授指导下，致力于城市供水管网漏损检测系统研究。经过不懈努力，屠德展带领其团队设计的一种全新形态的管道机器人系统，让传统的管外人工听诊误判漏判的问题得到有效解决，为中国城市供水管网漏损检测冲出了一条技术创新之路。

屠德展团队研发的第一代管内泄漏检测装备，为一个外径仅10厘米的球形检测装置，内部集成了多传感器系统、信号调理模块、惯导模块、微处理器、通信模块、存储模块、电源等。就是这么小小的一个圆球，可以完成从管内泄漏信号的采集、存储、传输和定位这一全过程。而第二代管内泄漏检测机器人原型系统，加强了内部处理器性能，并添加了可变形机械臂，不仅可以在运动过程中在线识别泄漏点，还能固定在管道内壁对小泄漏进行初步的修复。

与管道外部相比，管道内部的环境条件更加复杂，如何在漏损后快速定位排查漏损位置减少损失，是一项极具挑战性的工作，也是屠德展团队发明的管道检测机器人的技术难点所在。

目前国内外相关领域对管内泄漏点的近场声场特性了解较少，水流声、气泡声、阀门开关声、环境声等各种混合声音都会影响检测效果。屠德展团队尝试了很多种传感器及其不同组合的检测效果，创新性地提出了多传感器数据融合方法，用自主研发的机器学习分类识别系统提取分析管道内不同声音特征，获得了更加准确的管道泄漏检测效果。此外为了更好显示泄漏点在复杂地形环境下的位置，屠德展在短时间内自学知识，开发了一种管道三维建模与定位系统，该系统通过机器人内部搭载的惯性导航装置和管道外壁辅助定位标签进行组合定位，以三维立体图像形象地展现地下管线的埋深、形状及走向。

屠德展说：“我们已经和多家水务公司达成合作意愿，甚至有海底管道方面的公司也来洽谈合作，现在的海底管道输送，一旦发生泄漏，只能找潜水员在水下一段一段摸排过去，成本很高，又非常危险。”

得益于母校和导师，项目从零到一

作为浙江大学控制科学与工程专业硕士研究生，屠德展总结，“自动化控制是一个多学科交叉的专业，管道检测机器人研发涉及到的一些技术大多在专业课程范围内，比如说算法层面的分析、集成电路的开发、传感器的应用等，专业学习对我自己的发明创造帮助很大。”屠德展说。制造机器人涉及面极广，从外部的机械、硬件到内部的数据处理、多样化定位系统，再到最后呈现的数据可视化，多学科专业知识相互交织，缺一不可。

进入到浙江大学智能环境感知与控制实验室后，屠德展师从侯迪波教授，开始了管道机器人装备的研究工作。具体研究方向涉及检测技术与自动化装置、物联网技术、机器学习方法等领域。在导师的指导下，屠德展和他的团队结合自身专业特长，在2016年提出了一种用于供水管网漏损的管内检测方法，也就是现在的管内泄漏检测机器人的雏形。“当时设想是开发一种携带传感器的管内检测装置，能在封闭带压的供水管道内部采集数据，进而分析是否存在泄漏事件。当时第一个原型系统非常简单，采用3D打印的外壳，内部传感器相对单一，硬件电路的集成度也比较低，但該设备采集的数据却非常可靠。进行多次实验后，我们验证了该技术路线的可行性。就这样，在导师的指导下，我们逐步完善了技术方案，该项目也一步一个脚印开展下去。”屠德展对实验室的支持充满感激，因为在项目从零到一的过程中，导师不仅提供了理论方面的指导，还支持学生搭建起复杂的实验系统，理论联系实践，让团队同学有了更多的成长。

除了专业学习和导师指导，浙江大学浓厚的创新创业氛围和相关政策的支持也让屠德展获益良多。

在学校的支持下，屠德展团队参加了“挑战杯”、“互联网+”等多项重要赛事并获得佳绩，“在参赛过程中，我们潜移默化地提升了科技论文写作、学术报告等能力，充分达到了以赛促学的效果。另外，学校也非常鼓励我们完成科技成果转化的最后一公里，从商业计划书的辅导到资本对接，项目孵化路上的各个方面都会提供指导。”屠德展说。