摘要：随着城市的迅速发展，城市地下管线的铺设与维护也越来越多，地下管线作为城市基础设施的重要组成部分，对于维持一个城市的正常运转起到了重要的作用。随着时代的发展，城市智慧化程度的加深，地下管线信息的采集成为新时代下智慧城市发展的方向之一。而传统的管线探测工作中，需要到管线井下进行测量。而井下的作业环境艰苦恶劣，还经常充斥着各种各样的有害气体，极大的威胁着作业下井人员的身心健康。因此，我们在这里提出一种人员无需下井就可以测量的方法，即运用摄像头与激光测距模块来组成可视化设备来测量井室内的情况。
关键词：摄像头；激光测距；地下管线探测；人员安全
一、管线探测的意义
地下管线是城市基础设施的重要组成部分,是城市经济发展的保障,日夜担负着输送物质、能量和传输信息的功能，被称为城市的生命线。地下管线资料是城市规划、建设、管理的重要基础信息和未来充分利用地下空间的重要的参考依据，也是现代化城市可持续发展和有效应对突发灾害的数据保证。
二、管线探测工作中的安全隐患
城市地下管线普查工作中，需要查明的很多信息都需要人工下井调查和量测，例如井室尺寸、井室形状、管块规格、管块孔数、权属单位标识牌等。人工下井使用传统量测工具进行量取、纸质记录数据的方式，劳动强度大、工作效率低。有些井内有毒气、垃圾、积水、蟑螂、粪便等，因此下井作业存在诸多安全隐患。下井作业已出现过多次伤亡事故。
下面我们来举例说明一下安全问题：
12000年8月20日，xx公司侧漏某项目部电信井下井作业中，两人中毒窒息，1人死亡，井深2.5米，无积水。事故发生过程：马某下井作业中突然昏迷倒地，井上监护人员刘某到附近商店寻找电话报警，部门经理李某在路人帮助下下井实施救援，没有采取任何防护措施，在施救的过程中昏迷倒地。月1.5小时后由消防队员将两人救出，经抢救1人生还，1人死亡。
22005年10月17日，xx公司在污水管道调查中，两人中毒窒息死亡，中毒现场井深5米，水深1米。事故发生的过程：17日16:00时，打开该段前后两个井盖（相距大约30米左右），进行大约10分钟通风晾晒后，并没有发现任何异味。
16:10分左右，张某沿井壁扶梯下到井中，当快要到达井底时，身子突然后仰，跌落井中，此时位于井上的作业人员发现张某突然跌落井底，当时两人认为张某是未抓住扶梯而失手跌倒，两人在井上呼喊了几声，未见井下人员回应。大约过了两分钟，徐某说：“我去井下看看他怎么了”。当徐某下到距井底差大约两个扶梯格时，也突然向后仰，跌落至井底。16:58两人被打捞出井，经过抢救无效死亡。
根据国家安全监管部门统计，2001年到2009年8月，我国在受限空间中作业因中毒，窒息导致的一次死亡3人及以上的事故总数为668起，死亡人数共2699人，每年平均300多人。
根据以上案例我们来总结可能的安全隐[1]有哪些：
1如果管道口径比较大，而且管道为污水管或者污水沟，人员下井施工可能会有溺水的危险。
2有毒有害气体的中毒危险，地下管道长期处于密闭状态，井下环境错综复杂，遇到燃气井之类的井口，很难保证井内的空气可以达到人员安全施工的标准。
3烫伤危险，例如在热力管道管井内，井内气温高，高压缺氧，很容易使人烫伤，缺氧。
4电击危险，在电力管道中，基本上铺设的都是强高压电，一旦进行电力抢修的时候，不明白井内情况贸然下井，很容易导致人触电身亡。
井下导致人员伤亡的事故在国内每年都有多起发生，如何有效的进行防范此类情况的发生，如何有效的进行信息的采集而让施工人员处于最安全的工作环境是我们现在急需考虑的问题。
三、设计地下管线空间测量系统取代人工下井
如何实现不用人工下井就能获取井下信息是管线探测人员盼望已久的问题。因此我们努力探索寻找新技术新方法，试图研究一种新工具取代这种落后的传统作业方式。从携带方便、操作简单、安全稳定、等方面考虑研发一种由摄像机和激光测距为主组成的井下探测仪，实现地下管线井下信息的智能化采集。减少人工下井的安全隐患，优化作业流程，提高工作效率，节约生产成本，改善管线探测人员的作业形象，进一步升级管线内外业数字一体化作业模式，促进管线空间数据量测技术的进步。
关于仪器的基本设计思路是，集成摄像头、补光灯、激光测距、视频监控、无线通讯、单片机等技术研制智能井下量测系统。实现不用人工下井即可采集井室尺寸、井室形状、管块规格、管块孔数、管线分支方向等信息，减少安全隐患、提高作业效率，实现地下管线井内信息智能化采集。
开机后自动开启不光灯和平行激光，摄像机和通信模块开始工作，用伸缩杆把探测仪放入井内。视频信号无线传输到显示控制终端，显示控制终端按键控制测距模块，测量斜距、平距、高差，测量结果与视频同屏显示。
显控终端上直接看到：管线材质、电缆条数、分支方向、管块孔数、阀门类型、等信息，并且可以录像、拍照、存储。管径尺寸、管线埋深、井室尺寸、偏心距离等信息可以通过测距模块获取。
关键技术主要有以下几个：
1．单片机技术[2]
单片机又称单片微控制器,它把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜。
单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。现在许多的产品通过单片机来实现智能化，单片机在物联网产品和智慧化产品中大量应用。
2．激光测距技术[3]
激光测距技术是一种自动非接触测量方法，对电磁干扰不敏感，抗干扰能力强，测量精度高。与一般光学测距技术相比，它具有操作方便、系统简单及白天和夜晚都可以工作的优点。与雷达测距相比，激光测距具有良好的抗干扰性和很高的精度。光技术是20世纪60年代初发展起来的一门高新技术，经过40多年的发展，从机理原理，实验手段到制造工艺都已逐步成熟，随着激光技术的快速发展，激光技术在各个领域广泛应用。
激光测距技术按照测程可以分为绝对距离测量法和微位移测量法。按照测距方法细分。绝对距离测距法主要有脉冲式激光测距和相位式激光测距，微位移测量法主要有三角法激光测距和干涉法激光测距。
3.无线实时数据通讯技术[4]
利用无线通讯技术，实现无线控制、数据传输和视频传输。
对于设备的整体设计，需要考虑携带方便，操作简单，具有良好的环境适应性，具有一定的抗干扰能力和防水能力，以适应在复杂环境中的使用要求。预留扩展接口根据实际需求可以增添传感器模块，以满足更多需要。
我们根据需求将摄像头与激光测距整合应用，并加入总控模块与陀螺仪模块研发制作出的第一代设备样机如下图所示：
该探测终端（上图右侧）集成了摄像头，激光测距仪，角度量传感器，可以精准的测量距离和角度，自动计算平距和高差，测量结果与视频叠加，通过无线视频传输模块，将图像显示在显示控终端（左侧）。显示控终端的按键可以控制测距离、测角度、拍照、录像、视频回放等。
此设备可以代替人工下井获取管线井下信息数据，例如：管线分支方向，分支数量，管块孔数，线缆条数，管径尺寸，埋深，井室尺寸，管沟宽度等。
四、应用方法
下面介绍一下整合了摄像头与激光测距测量设备的应用方法。
1．管径管块的测量方法：
方法1平行激光法，设置平行激光间距为10厘米，根据影像中平行激光点与管块的相对位置判断管径管块的尺寸。
方法2根据摄像机角度和测量的平距计算图像的宽度和高度，自动绘制出栅格，根据栅格判断管径管块的尺寸。
方法3测量直角边和斜边，解算三角形法计算尺寸。
2．管线埋深测量方法：
测量模块配合陀螺仪自动探测出探测终端到管顶的高差，加上伸缩杆的刻度即：探测终端到井口的距离等于管线埋深。
3．井室尺寸测量方法：
矩形井室测量长度和宽度，圆形井室测量直径。测量向前距离和向后距离相加即可。多边形井室用距离相加法结合平行激光法或图像栅格法。
地下管线空间智能测量系统应用于管线探测工作中，减少传统作业模式中人工下井作业前需要开井通风，有毒气体检测，系统安全带，搬梯子等诸多防护措施，既减轻了劳动强度又避免了下井作业的危险。
五、作业方法
1井室尺寸测量
按测距键打开测距激光，转动探测端对准井室一侧，再次按测距键进行手动测距，显示距离L1；转动探测端180°再次测距，得到距离L2,井室长度为距离L1+距离L2；利用同样的方法获取另一边井室尺寸L3+L4。
2管顶高度测量
探测端对准管道上沿，读取伸缩杆上的数值L3，打开测角，在角度测量模式下进行测距，获取斜距L2，高差h，平距L1。管顶深为H1=L3+h，同样方法测量管底深度H2。
3管块管径测量
方法1利用分划线估读宽度
对准井室进行测距，利用宽度刻画线数值获取管径值，如图，管道或管块尺寸数值约为1.12m-0.32m=800mm。
管径800mm
方法2测量管顶深度和管底深度数值相减得出管径D=H2-H1。
六、应用前景
本系统可以在地下管线普查项目、地下管线修补测项目、地下管线竣工测量项目、地下管线监理项目、地下空间信息获取、密闭封闭小空间信息采集等项目中得到实际的推广应用。将在如下几个方面取得良好效果：
1．改善管线空间数据获取作业模式，简化工作流程，提高工作效率
在管线普查、更新、监理等项目中利用智能监控测量系统对管线井室空间信息、管径（管块）信息、附属物信息等进行采集，能实现量测数据和影像的快速获取，可省略人工下井量取、纸质记录量测数据、手工录入等原始作业步骤，真正实现空间数据获取内外业一体化作业。提高地下管线信息采集作业效率，优化整体作业流程，减轻了劳动强度。
2．提高安全作业水平、节约生产成本
采用智能监控测量设备和专用伸缩杆，减少传统作业模式中人工下井量取时需要开井通风、有毒气体监测、系安全带、搬梯子等诸多安全防护措施。提高整体作业安全水平，减轻了劳动强度等。
3．保证成果数据格式的统一性和正确性
通过系统对数据格式和量测数据的统一管理和获取，利用一体化技术，相对传统模式可以显著减少原始工序和各工序由于不同作业人员、不同作业习惯等人为因素对数据格式和属性数据的影响所造成的出错概率，保证数据的统一性、正确性。
目前，随着智慧城市建设和城市地下空间开发程度的不断加深，城市地下管线信息化建设正在加紧推进，因此该应用使用前景广阔。
结束语
在工作中，工作人员的安全始终使我们所最关心的，只有保证人员安全，工作才可以正常高效的进行下去。在管线探测工作中，应用先进的设备是减少安全事故的重要手段。使用摄像头与激光测距仪集成开发的智能井下测量系统，代替人工下井采集数据可以大大降低安全隐患，而且可以提供工作效率，减轻劳动强度。随着智能化科技的发展，各类传感器模块的不断进步，不久的将来，全新的智慧化设备，也会逐渐应用到管线探测和运维这一行业中来，数据采集方法将更自动化智能化。
参考文献
[1]杨伯钢，宜兆新，李金刚．地下管线测量作业危险源辨识与防范[J]．学术问题研究，2010.3.2
[2]唐俊翟等单片机原理与应用[M]冶金工业出版社，2003.9
[3]陈家璧，彭润玲.激光原理及应用[M]电子工业出版社2008
[4]刘升光,王艳辉,牟宗信,李雪春基于无线WiFi的实验数据实时检查分析系统的开发与实践《实验室研究与探索》[D],2017,36(4):127-130
论文作者:邢方亮,郑春来,魏慧东
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第2期
论文发表时间:2018/6/15
标签：管线论文; 作业论文; 测量论文; 激光论文; 地下论文; 井下论文; 尺寸论文; 《建筑学研究前沿》2018年第2期论文;