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排水管道检测与缺陷识别技术综述

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Wang Junling, Deng Yulian, Li Ying, et al. A review on detection and defect identification of drainage pipeline[J]. Science Technology and Engineering, 2020， 20(33)： -

城市排水系统作为市政基础设施的重要环节，是维持城市环境清洁卫生的重要保障。近年来，由于城市化进程的不断加快，城市不透水铺装覆盖率显著增加[1]，加上气候条件的变化，导致城市雨洪灾害频发[2]。研究发现，城市内涝不仅由极端天气和日益增长的城市化进程引起，也可由设备故障，管道堵塞与腐蚀等内部原因引起[3-6]。大多数城市的市政排水管道已有几十年的历史，有些管道的使用年限甚至超过百年[7]。随着管道使用年限的增长，管段呈现出一些缺陷，例如管道变形、堵塞、渗漏、坍塌等。在设计施工方面，部分管道存在混接、错接、管径偏小、高程设计不合理等一系列问题，使排水管网不能满足预期的要求[8]。高原等[9]在研究美国旱季合流制排水系统沉积规律时发现，水流中5%～30%的固体物质将沉积在管底。谭合等[10]在对湖北某开发区雨、污水收集设施的现状进行调研时发现，雨污分流接管错误的现象比较严重。上海某区2011年排水管道检测结果显示，中度淤积以上的管道占总管道长度的18.45%，平均每1 km就有1处破裂、渗漏等结构性病害[11]。此外，由于管道堵塞或淤积，使得管道中的污、废水溢出，污染地下水及地表水源。Ashley等[12]发现强降雨时受纳水体污染负荷的30%～80%都来源于溢流排放的管道。因此，有必要对排水管网进行全面和定期的检测，了解排水管道的状况，将有助于管理部门确定及时、适当和经济的维护工作。

截至目前，排水管道的状况评估一直受到现有检测技术的限制。缺乏定期的检测或检测周期延误都会对排水管道的管理与维护造成很多问题[13]。美国环保局已要求市政当局评估其污水收集系统的状况，以便更好地了解排水系统的状态和制定维护决策[14]。为了更加科学而全面地评估排水管道的状况，许多检测技术被提出并应运于排水管道的缺陷检测中。但排水管道内部状况极为复杂，且检测技术受到管材、技术要求、时间成本和劳动力成本的限制，这使得排水管道的检测并不是一项容易的工作。为了全面了解排水管道的检测技术，结合中外研究文献，综述了闭路电视(closed-circuit television, CCTV)检测技术、激光检测技术、潜望镜检测技术、红外热成像技术、超声波检测技术及探地雷达检测技术的应用和特点，介绍和分析了计算机视觉和深度学习等图像处理技术在排水管道缺陷自动化检测方面的应用，并对未来排水管道检测技术的发展前景进行了展望。

1 排水管道检测技术

1.1 CCTV检测技术

CCTV检测已成为污水管道检测中应用最广泛的技术手段，该技术出现于20世纪50年代，并在20世纪90年代引入中国[15]。CCTV检测是通过一个带摄像机的机器人系统拍摄管道内部信息，并通过多芯电缆将数据传输给远程操作人员[16]，收集的视频和图像资料提供了非常丰富的管道状况信息，这些影像资料由受过培训的专业人员进行判读，对管道缺陷进行分类和等级评定。目前，CCTV检测系统可以与地理信息系统和资产管理系统联系起来，有助于更新管道的尺寸、连接性、管道材料等信息，并对管网的总体状况进行分析，帮助确定未来的更新和维护方案。

CCTV检测技术已经普遍用于管道状态检测，贯穿于管道施工、验收、运营等各个阶段，可用于雨水管道、污水管道、检查井等的检测[17]。雷芳芳[18]总结了CCTV检测技术在福州市排水管道检测中的应用，发现该技术能够检测到排水管道的破裂、渗漏、变形等结构性缺陷和树根、沉积、结垢等功能性缺陷。但CCTV检测不能提供任何关于管壁结构完整性或周围土壤的信息[19]。肖倩等[20]在分析深圳市排水管道CCTV检测评估时提出，该技术无法检测出被水和淤泥覆盖的地方，检测开始之前，需要对排水管道进行必要的封堵，抽水和清洗工作，确保管内积水、积泥均不大于管道直径的20%，且水位、淤泥厚度均小于200 mm。CCTV收集到的影像资料的质量及评估的准确性，在很大程度上取决于摄像机的规格、拍摄方向和位置，以及下水道的光照条件和背景噪声[21]。基于拍摄图片和视频的质量，一些微小裂缝并不能被判读人员捕捉到[22]。冯成会等[23]在介绍CCTV检测与评估技术在水库排水涵管检测中的应用中发现，人工缺陷判读过程复杂，工作量大且容易出错。Wirahadikusumah等[24]也指出这种缺陷检测与判读实践的准确性很大程度上会受到工作人员的经验和技能水平的影响。