秦鈺陽

屠德展團隊的實驗室位于浙江大學玉泉校區(qū)第十教學樓，在這間被實驗器材和幾臺電腦堆得有些擁擠的房間里，幾個銀白色金屬球靜靜地立在桌子上。這幾個直徑僅十厘米、其貌不揚的球形機器人就是曾連續(xù)兩屆獲得日內(nèi)瓦國際發(fā)明展最高榮譽、第十五屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽特等獎以及第四屆浙江省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎等榮譽的作品——城市供水管網(wǎng)泄漏檢測機器人系統(tǒng)。

破解管內(nèi)泄漏檢測技術(shù)難題

城市地下管網(wǎng)是城市運轉(zhuǎn)和社會各行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。而管道漏損問題一直是業(yè)內(nèi)難題，如何在漏損后快速定位排查漏損位置減少損失，是一個極具挑戰(zhàn)性的工作。然而，目前仍多采用人工聽音檢測法，要求聽漏工挨個排查泄漏點，費時費力。而固定傳感器的方式，需要在管道表面鋪設(shè)大量傳感器，造價昂貴。尤其是對于小泄漏的檢出，泄漏特征微弱，管外檢測方法受到一定的限制。盡管國外已有相關(guān)管內(nèi)檢測機器人系統(tǒng)，但是價格高昂，而且受防水抗壓等級約束，應用場景相對單一。

浙江大學控制科學與工程專業(yè)2016級碩士研究生屠德展自入學以來，在侯迪波教授指導下，致力于城市供水管網(wǎng)漏損檢測系統(tǒng)研究。經(jīng)過不懈努力，屠德展帶領(lǐng)其團隊設(shè)計的一種全新形態(tài)的管道機器人系統(tǒng)，讓傳統(tǒng)的管外人工聽診誤判漏判的問題得到有效解決，為中國城市供水管網(wǎng)漏損檢測沖出了一條技術(shù)創(chuàng)新之路。

屠德展團隊研發(fā)的第一代管內(nèi)泄漏檢測裝備，為一個外徑僅10厘米的球形檢測裝置，內(nèi)部集成了多傳感器系統(tǒng)、信號調(diào)理模塊、慣導模塊、微處理器、通信模塊、存儲模塊、電源等。就是這么小小的一個圓球，可以完成從管內(nèi)泄漏信號的采集、存儲、傳輸和定位這一全過程。而第二代管內(nèi)泄漏檢測機器人原型系統(tǒng)，加強了內(nèi)部處理器性能，并添加了可變形機械臂，不僅可以在運動過程中在線識別泄漏點，還能固定在管道內(nèi)壁對小泄漏進行初步的修復。

與管道外部相比，管道內(nèi)部的環(huán)境條件更加復雜，如何在漏損后快速定位排查漏損位置減少損失，是一項極具挑戰(zhàn)性的工作，也是屠德展團隊發(fā)明的管道檢測機器人的技術(shù)難點所在。

目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)軆?nèi)泄漏點的近場聲場特性了解較少，水流聲、氣泡聲、閥門開關(guān)聲、環(huán)境聲等各種混合聲音都會影響檢測效果。屠德展團隊嘗試了很多種傳感器及其不同組合的檢測效果，創(chuàng)新性地提出了多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，用自主研發(fā)的機器學習分類識別系統(tǒng)提取分析管道內(nèi)不同聲音特征，獲得了更加準確的管道泄漏檢測效果。此外為了更好顯示泄漏點在復雜地形環(huán)境下的位置，屠德展在短時間內(nèi)自學知識，開發(fā)了一種管道三維建模與定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過機器人內(nèi)部搭載的慣性導航裝置和管道外壁輔助定位標簽進行組合定位，以三維立體圖像形象地展現(xiàn)地下管線的埋深、形狀及走向。

屠德展說：“我們已經(jīng)和多家水務公司達成合作意愿，甚至有海底管道方面的公司也來洽談合作，現(xiàn)在的海底管道輸送，一旦發(fā)生泄漏，只能找潛水員在水下一段一段摸排過去，成本很高，又非常危險?！?/p>

得益于母校和導師，項目從零到一

作為浙江大學控制科學與工程專業(yè)碩士研究生，屠德展總結(jié)，“自動化控制是一個多學科交叉的專業(yè)，管道檢測機器人研發(fā)涉及到的一些技術(shù)大多在專業(yè)課程范圍內(nèi)，比如說算法層面的分析、集成電路的開發(fā)、傳感器的應用等，專業(yè)學習對我自己的發(fā)明創(chuàng)造幫助很大。”屠德展說。制造機器人涉及面極廣，從外部的機械、硬件到內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理、多樣化定位系統(tǒng)，再到最后呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)可視化，多學科專業(yè)知識相互交織，缺一不可。

進入到浙江大學智能環(huán)境感知與控制實驗室后，屠德展師從侯迪波教授，開始了管道機器人裝備的研究工作。具體研究方向涉及檢測技術(shù)與自動化裝置、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機器學習方法等領(lǐng)域。在導師的指導下，屠德展和他的團隊結(jié)合自身專業(yè)特長，在2016年提出了一種用于供水管網(wǎng)漏損的管內(nèi)檢測方法，也就是現(xiàn)在的管內(nèi)泄漏檢測機器人的雛形?！爱敃r設(shè)想是開發(fā)一種攜帶傳感器的管內(nèi)檢測裝置，能在封閉帶壓的供水管道內(nèi)部采集數(shù)據(jù)，進而分析是否存在泄漏事件。當時第一個原型系統(tǒng)非常簡單，采用3D打印的外殼，內(nèi)部傳感器相對單一，硬件電路的集成度也比較低，但該設(shè)備采集的數(shù)據(jù)卻非?？煽俊＿M行多次實驗后，我們驗證了該技術(shù)路線的可行性。就這樣，在導師的指導下，我們逐步完善了技術(shù)方案，該項目也一步一個腳印開展下去。”屠德展對實驗室的支持充滿感激，因為在項目從零到一的過程中，導師不僅提供了理論方面的指導，還支持學生搭建起復雜的實驗系統(tǒng)，理論聯(lián)系實踐，讓團隊同學有了更多的成長。

除了專業(yè)學習和導師指導，浙江大學濃厚的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)氛圍和相關(guān)政策的支持也讓屠德展獲益良多。

在學校的支持下，屠德展團隊參加了“挑戰(zhàn)杯”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等多項重要賽事并獲得佳績，“在參賽過程中，我們潛移默化地提升了科技論文寫作、學術(shù)報告等能力，充分達到了以賽促學的效果。另外，學校也非常鼓勵我們完成科技成果轉(zhuǎn)化的最后一公里，從商業(yè)計劃書的輔導到資本對接，項目孵化路上的各個方面都會提供指導?！蓖赖抡拐f。