改善无线管道潜望镜信号传输的方法研究

谭智 高鹏

武汉市勘察设计有限公司 湖北武汉 430022

摘要：管道潜望镜能够准确的判断管道材质缺陷、腐蚀程度及具体位置，是目前比较高效反应管道内部情况的检测仪器，市面上的管道潜望镜主要有无线和有线连接两种方式的潜望镜系统。基于改善无线管道潜望镜传输信号不稳定的目的，本文设计了一种搭载5G无线信号模块的管道潜望镜系统，通过实地验证，证明本系统显著提高了管道检测时无线信号的传输稳定性和传输速率，有效提高了管道检测的工作效率。

关键字：管道潜望镜；管道检测；5G；效率

1 引言

管道检测是地下管道精细化管理和预防性修复的前提，有助于维护城市功能正常运转，确保城市公共资源和人民群众的生命财产安全。管道检测技术可分为直接检测法、间接检测法和其他方法^[1]。一般的检测方法都是直接检测法，该类方法包括视觉检测方法、电磁检测方法、声学方法、超声波方法、射线成像方法以及温度记录方法^[2-4]。视觉检测方法是目前采用的最广泛的方案，主要采用管道潜望镜（QV）和管道机器人检测系统（CCTV）开展检测^[5-6]。管道潜望镜检测能够准确的判断管道材质缺陷、腐蚀程度及具体位置^[7]，是目前比较高效和快速的管道检测方法。管道潜望镜分为无线和有线两种连接方式的潜望镜系统。

目前的无线管道潜望镜主要搭载2.4G无线信号模块收发无线信号。实际工作中发现遇到周边无线信号干扰较为强烈的区域，会出现无线信号传输不稳定，受管壁的遮挡无线信号衰减很快，导致无线潜望镜探头和主控平板上视频信号不够稳定，严重影响外业作业人员的作业效率。本文基于第五代移动通信（5G）无线传感网络技术^[8]，设计了一种搭载5G无线信号模块的管道潜望镜系统，通过实验验证本设计方法能够显著提高了管道检测时无线信号的传输稳定性和传输速率，有效提高了管道检测的工作效率。

2 研究方法

无线管道潜望镜系统一般包括探头、支撑杆、采集控制主机三大部分，探头内部包括动力模块、采集模块和传输控制模块。本文重新设计了5G信号模块的集成位置，并考虑5G信号模块与现有探头中其他模块如摄像探头部分、激光扫描模块、LED光源部分等硬件的集成，在实验过程中测试不同厂商生产的5G信号模块与管道快速检测系统探头的兼容性，测试信号传输的稳定性、测试气密性对信号传输的影响。

3 无线传输设计方案

3.1 5G天线模块性能测试

选取支持2.4G无线信号和5G无线信号的天线模块，挑选市内、市外两个实验场所，将天线模块置于排水井内模拟管道潜望镜实际工作环境，测试不同天线增益和频率下的两种无线信号传输强度和信号流畅度。测试结果表明采用2.4G无线信号，在遇到复杂环境的条件下，传输距离和信号流畅度都受到很大的影响，而采用5G天线模块，信号流畅度在20m内的距离完成不受影响，且天线增益越强，天线有效传输距离较远。测试结果表明采用5G无线模块传输视频信号完全满足现有排水管网的检测要求，需选取更小的5G信号模块集成在无线潜望镜探头上。

3.2 无线信号系统传输模型设计

管道潜望镜的工作环境主要在各类排水管道、箱涵里，在井下有限空间内无线信号传播环境恶劣，信号强度随距离呈下降趋势^[9]。本文在设计5G信号模块的集成位置时，为避免无线信号衰减过于迅速，设计将无线信号传输模块集成在标准杆或延长杆的末端，探头和无线信号传输模块之间采用馈线或弹簧线缆进行视频信号和电信号传输，便于强化视频信息无线传输的稳定性。

3.3 无线传输模块供电及功耗分析

本文选用的5G无线模块固定功率在3W左右，加上无线潜望镜探头上搭载的摄像头、激光测距模块、电路板、传输器、电机等其他模块，固定负载达到12W。考虑到馈线等线损中的功耗损失在0.2W-2W之间，电源在15W时将处于较大负载状态，目前市面上常见的无线潜望镜的电源基本都在15W及以上，所以本设计方案无线传输模块末端供电不存在问题。通过对试验机进行的通电测试也证明无线传输模块均能够正常启动工作，但在测试中也发现长时间使用可能会使电源将处在重载工作状态，存在过热的情况。

4 原型机测试

确定无线信号传输改进方案之后，本文选取一款无线潜望镜按照上述改进方案进行了原型机制作，并测试了探头的气密性、无线传输模块的启动和无线传输信号的稳定性和距离。测试结果表明：

⑴ 在探头腔体后盖利用馈线/弹簧线缆连接5G无线信号传输器，考虑到延长杆选取不同长度的弹簧线进行共计不低于100次的通电测试，测试结果表明无线信号传输模块在目前的供电方案下均可正常启动。

⑵ 在探头腔体新增连接无线传输模块的馈线/弹簧线后重新对探头进行灌胶密封固定，定期对探头气密性进行测试。测试结果表明探头内部的气压并未出现明显的下降趋势，气密性趋于稳定，说明本文设计的改进方案不影响探头气密性设计。

⑶ 实地选择排水管道对本文改进的实验原型机的无线信号性能与未改进前的产品进行测试，测试结果表明改进的实验原型机在20m的范围内主控平板上视频流畅，抗干扰能力强，不受测试现场其他无线信号的干扰，而未改进前的产品在面对复杂的现场环境时，主控平板上视频卡顿厉害。测试结果表明不管从无线传输信号的稳定性和距离上，本文设计的原型机的性能都得到显著提升。

5 结语

本文以实现提升无线管道潜望镜无线传输稳定性和距离为研究目标，设计了一种基于5G无线网络模块的无线传输改进方案，并实地测试确定本方案的可行性。项目研究成果将进一步方便管道检测作业人员开展排水检测和排水探测工作，提高作业效率，可大批量用于排水管道、污水管道检测项目。

参考文献

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附加内容：

作者简介：谭智，1989年11月，男，工程师，武汉市勘察设计有限公司，研究方向：工程测量与管道检测

作者简介：谭智（1989.11-），男，工程师，硕士，武汉市勘察设计有限公司，主要从事工程测量、管道检测等方面的研究。