巡檢機(jī)器人在隧道運(yùn)營中的應(yīng)用

巡檢機(jī)器人在隧道運(yùn)營中的應(yīng)用摘要：本文針對(duì)當(dāng)前高速公路隧道維護(hù)大多采用人工巡檢結(jié)合視頻監(jiān)控、火災(zāi)檢測、事件檢測的自動(dòng)檢測系統(tǒng)存在巡檢效率低、運(yùn)營成本高的問題，闡述了高速公路隧道巡檢機(jī)器人在高速公路中運(yùn)營中的應(yīng)用，重點(diǎn)梳理隧道巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)方案和應(yīng)用情況，提出了巡檢機(jī)器人在交通隧道應(yīng)用面臨的技術(shù)問題和解決思路，展望了隧道巡檢機(jī)器人在交通隧道運(yùn)營安全方面的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：巡檢機(jī)器人；隧道；隧道運(yùn)營；智能巡檢隨著高速公路隧道里程和車流量的增加，隧道設(shè)備設(shè)施種類也逐漸增多，這給隧道日常維護(hù)和管理帶來較大壓力。目前隧道的運(yùn)行巡檢和維護(hù)主要以人工為主，存在耗時(shí)長、效率低、易漏檢、檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性受限于巡檢人員的技術(shù)水平等問題，導(dǎo)致隧道管理者難以快速做出準(zhǔn)確的判斷。另外，近年來多地發(fā)生隧道特大事故，更加凸顯隧道維護(hù)自動(dòng)檢測系統(tǒng)的重要性。本文結(jié)合高速公路隧道的實(shí)際運(yùn)行情況，就隧道病害檢測技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)外當(dāng)前對(duì)該方向的研究工作，介紹巡檢機(jī)器人在隧道運(yùn)營檢測中的應(yīng)用情況，并對(duì)未來的發(fā)展趨勢和方向進(jìn)行綜述。1高速公路隧道巡檢機(jī)器人簡介高速公路隧道巡檢機(jī)器人有別于高速公路智能巡邏機(jī)器人，其是專門針對(duì)隧道的復(fù)雜情況設(shè)計(jì)的一款巡檢機(jī)器人。該機(jī)器人主要對(duì)隧道內(nèi)設(shè)有的交通誘導(dǎo)、交通環(huán)檢、環(huán)境檢測、通風(fēng)照明、火災(zāi)報(bào)警等設(shè)備進(jìn)行巡視監(jiān)測。針對(duì)交通隧道的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境特點(diǎn)，巡檢機(jī)器人基本采用軌道式機(jī)器人設(shè)計(jì)。常見的機(jī)器人巡檢系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、軌道式機(jī)器人總成、供電平臺(tái)、通信平臺(tái)和遠(yuǎn)程控制終端組成，其中機(jī)器人本體包含視覺云臺(tái)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和行走機(jī)構(gòu)等部分。工作人員能夠?qū)崟r(shí)管理及控制機(jī)器人在線進(jìn)行巡檢任務(wù)作業(yè)。供電平臺(tái)為機(jī)器人提供電力，巡檢機(jī)器人在行走機(jī)構(gòu)的作用下，在軌道上自由運(yùn)動(dòng)；本體上安裝有視覺相機(jī)，可實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行檢測，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，再通過機(jī)器人與遠(yuǎn)程終端之間的網(wǎng)絡(luò)部署（機(jī)器人通過無線客戶端接入隧道區(qū)域AP，與上位機(jī)通訊），將機(jī)器人巡檢畫面實(shí)時(shí)傳送到工作人員操作的控制終端上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)控管理。2隧道機(jī)器人活動(dòng)區(qū)域隧道巡檢機(jī)器人與智能巡邏機(jī)器人最大的不同在于活動(dòng)區(qū)域的特殊性。隧道機(jī)器人的活動(dòng)區(qū)域在隧道兩側(cè)的電纜蓋板上，能活動(dòng)的區(qū)域具有路面狹長，行進(jìn)道路較直，空隙、凸起較多等特點(diǎn)。為了讓隧道巡檢機(jī)器人在上述活動(dòng)區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，隧道機(jī)器人系統(tǒng)自身有一套路徑檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多個(gè)光電傳感器來進(jìn)行路徑檢測，主要檢測道路邊界、道路空隙、道路臺(tái)階3個(gè)方面。隧道巡檢機(jī)器人對(duì)道路邊界進(jìn)行檢測時(shí)，采用2個(gè)光電傳感器，在隧道機(jī)器人機(jī)身兩側(cè)各安裝一個(gè)。隧道巡檢機(jī)器人在隧道中行使時(shí)，只開啟靠近墻壁的光電傳感器測量機(jī)器人到墻壁的距離，光電傳感器會(huì)隨時(shí)感知機(jī)器人一側(cè)到隧道壁的距離，根據(jù)光電傳感器的反饋距離，調(diào)整自身行進(jìn)線路，使機(jī)器人始終與側(cè)壁的距離保持在一個(gè)安全范圍內(nèi)。隧道巡檢機(jī)器人對(duì)道路的空隙進(jìn)行檢測時(shí)，主要采用安裝在機(jī)器人前端觸角結(jié)構(gòu)上的光電傳感器。光電傳感器向地面發(fā)射光信號(hào)，探測光強(qiáng)度的變化，當(dāng)遇到縫隙時(shí)，光強(qiáng)會(huì)發(fā)生變化，光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過系統(tǒng)硬件和軟件計(jì)算機(jī)器人的行走路徑。隧道巡檢機(jī)器人對(duì)道路的臺(tái)階進(jìn)行檢測時(shí)，主要采用安裝在機(jī)器人前后端的光電傳感器。當(dāng)遇到臺(tái)階時(shí)，光會(huì)發(fā)生反射效應(yīng)，光信號(hào)的變化引起電信號(hào)的變化，通過系統(tǒng)自身的軟硬件，反饋給機(jī)器人本體，機(jī)器人調(diào)整行進(jìn)路徑，繞開臺(tái)階。3問題與發(fā)展趨勢3.1存在的問題由于巡檢機(jī)器人可替代人工巡檢，因此在電力電站、機(jī)房、綜合管廊和煤礦隧道等行業(yè)應(yīng)用廣泛，技術(shù)相對(duì)成熟。但應(yīng)用于交通隧道巡檢存在以下問題。1）交通隧道環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境的高度非結(jié)構(gòu)化在交通隧道中，存在人-車-路3部分協(xié)同工作的情況，由于環(huán)境的復(fù)雜性和車輛高速行駛的特點(diǎn)，首要確保機(jī)器人的安全性，因此技術(shù)方案基本都會(huì)采用軌道式機(jī)器人結(jié)構(gòu)，以解決安全，性、定位精度、環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化以及測量的穩(wěn)定性等問題。2）應(yīng)用成本問題若采用軌道方案，對(duì)需要后續(xù)安裝軌道的交通隧道，軌道和其安裝成本是巡檢機(jī)器人應(yīng)用的主要成本。同時(shí)，因供電問題，巡檢機(jī)器人的運(yùn)行里程受限，且長大隧道則需要多機(jī)協(xié)作才能完成巡檢，一般3km長度需要配置1臺(tái)巡檢機(jī)器人設(shè)備。3）巡檢速度與軌道成本的矛盾當(dāng)前的巡檢機(jī)器人的速度大多在10km/h以內(nèi)，難以用于緊急狀況下的應(yīng)急使用。低速巡檢的原因有3個(gè)方面：（1）速度與軌道負(fù)載能力及成本的矛盾；（2）速度與視覺檢測精度的矛盾；（3）速度與供電能力的矛盾。4）隧道運(yùn)營狀況的智能檢測技術(shù)復(fù)雜性問題巡檢機(jī)器人的主要檢測數(shù)據(jù)為圖像信息，獲取圖像信息后，需要大量依靠人工提取運(yùn)行異常狀態(tài)信息。盡管當(dāng)前已有很多學(xué)者針對(duì)該需求進(jìn)行研究，但對(duì)結(jié)構(gòu)病害、機(jī)電系統(tǒng)異常、交通運(yùn)行異常等多方面的智能化視覺檢測，仍處于比較初期的階段，關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。5）隧道火災(zāi)情況下巡檢機(jī)器人救援難的問題隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，常常會(huì)伴隨著大量煙霧，在隧道的半封閉環(huán)境內(nèi)可見度會(huì)極低，巡檢機(jī)器人對(duì)現(xiàn)場的監(jiān)控效果也很難保障，救援行動(dòng)的有效性亦將大打折扣。3.2發(fā)展趨勢綜上分析，盡管存在上述問題，但是巡檢機(jī)器人擁有替代人工、高頻次、檢測監(jiān)測一體化等優(yōu)點(diǎn)，能夠作為交通隧道的核心智能化平臺(tái)，解決交通隧道中各種運(yùn)營問題，成為隧道中的關(guān)鍵智能化終端。但是要應(yīng)用好，需要從以下幾方面解決上述問題：1）在隧道設(shè)計(jì)階段，將巡檢機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境問題和火災(zāi)情況下的現(xiàn)場監(jiān)測與救援問題納入考量，通過預(yù)先設(shè)計(jì)解決該問題，避免后續(xù)安裝所面臨的成本、供電、運(yùn)行速度等問題；2）實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)施和運(yùn)行狀況中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的一體化巡檢；3）研究智能檢測的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺的最新成果，解決隧道環(huán)境的異常狀態(tài)智能檢測問題。4結(jié)束語隨著交通隧道車流量的迅速增加，隧道運(yùn)行安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)增加，為有效提升交通運(yùn)行的安全性，需要定期對(duì)隧道進(jìn)行巡檢并在突發(fā)情況下及時(shí)響應(yīng)，需要可替代人工完成隧道常規(guī)巡檢任務(wù)，降低運(yùn)維人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高隧道運(yùn)營維護(hù)的自動(dòng)化程度和智能化水平，節(jié)約隧道運(yùn)營管理費(fèi)用。參考文獻(xiàn)何璐佳，楊墨，毛杰勇，等.隧道機(jī)器人巡檢系