隧道運(yùn)維管理機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

薛春明

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著高速公路隧道大量投入運(yùn)營(yíng)，汽車(chē)數(shù)量的增多，各類(lèi)交通事件也明顯增多，日益成為高速公路交通的重要問(wèn)題。由于隧道是一座狹長(zhǎng)的建筑物，交通事件的偶然性和突發(fā)性極易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生，因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)交通事件，主動(dòng)報(bào)警杜絕交通事故，提高道路安全系統(tǒng)，保障高速公路暢通已成為迫在眉睫的問(wèn)題[1]。

在日常運(yùn)行管理中，隧道通行狀態(tài)主要通過(guò)人工巡查、車(chē)輛巡邏、視頻輪巡等方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，由于存在時(shí)間間隔，無(wú)法做到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面地對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)控[2]；特別是隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，無(wú)法第一時(shí)間準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場(chǎng)情況，在隧道內(nèi)溫度、毒氣濃度等多種因素不明確情況下，救援人員很難下決心突入救險(xiǎn)；另外，隧道照明燈具定期清潔通常需要封閉交通，借助高空作業(yè)車(chē)完成，工作效率低、花費(fèi)高、危險(xiǎn)性大。

隧道運(yùn)維管理機(jī)器人能夠?qū)λ淼肋M(jìn)行全天候、全方位監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)評(píng)估隧道運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道安全隱患，保障公路隧道安全運(yùn)營(yíng)，提高隧道運(yùn)維智能化水平[3]。

1 機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

隧道運(yùn)維管理機(jī)器人由固定導(dǎo)向系統(tǒng)、電氣通信系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。固定導(dǎo)向系統(tǒng)為機(jī)器人移動(dòng)提供導(dǎo)向作用，安裝于隧道襯砌表面且沿行車(chē)方向，包括行走導(dǎo)軌、導(dǎo)軌固定塊、安裝支架等。電氣通信系統(tǒng)的作用是為機(jī)器人系統(tǒng)提供電力和控制信號(hào)，包括充電樁、通信模塊、光纖、電纜等。機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)巡檢、異常監(jiān)測(cè)和燈具清潔，包括驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、電池、固定平臺(tái)、車(chē)輛識(shí)別器、機(jī)械臂、末端執(zhí)行裝置等[4]。

圖1 隧道運(yùn)維管理機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

1.2 系統(tǒng)功能

隧道運(yùn)維特種機(jī)器人系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)日常巡檢、異常監(jiān)測(cè)、應(yīng)急處置和燈具清潔等功能。

1.2.1 日常巡檢

機(jī)器人在遠(yuǎn)程遙控狀態(tài)下移動(dòng)，通過(guò)搭載的高清云臺(tái)攝像機(jī)對(duì)隧道路面狀況、車(chē)輛行駛狀況、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行觀察和拍照，發(fā)現(xiàn)異常狀況及時(shí)通知管理人員。

1.2.2 異常監(jiān)測(cè)

機(jī)器人搭載高清攝像機(jī)及高精度傳感器，通過(guò)移動(dòng)監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)道路安全隱患，如車(chē)輛擁堵、交通事故、路面異物、道路維修等，并可以及時(shí)準(zhǔn)確做出判斷，進(jìn)行提示預(yù)警。

1.2.3 應(yīng)急處置

隧道發(fā)生突發(fā)事件（交通事故、火災(zāi)、危化品泄漏事故等），操作人員可控制機(jī)器人及時(shí)趕到事故現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況采集并傳輸至監(jiān)控中心。

1.2.4 照明燈具清潔

按照人為設(shè)定的清潔周期，機(jī)器人在軌道上慢速移動(dòng)，照明燈清潔毛刷高速轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)照明燈時(shí)自動(dòng)完成對(duì)燈具的清潔；清潔過(guò)程為自動(dòng)方式，不需要人工參與。

2 移動(dòng)導(dǎo)軌和整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 軌道設(shè)計(jì)

軌道采用“工”形鋁合金軌道，在隧道兩側(cè)線纜盒架上方每隔2 m架設(shè)一個(gè)軌道安裝架和軌道吊扣，每根軌道通過(guò)4個(gè)軌道吊扣進(jìn)行固定，軌道與吊扣之間采用穿插式連接，以解決由于熱脹冷縮現(xiàn)象引起的軌道長(zhǎng)度變化問(wèn)題。軌道安裝位置如圖2所示。

圖2 軌道安裝位置

軌道吊扣與隧道內(nèi)壁通過(guò)軌道安裝架進(jìn)行安裝，單個(gè)軌道安裝架與隧道內(nèi)壁通過(guò)膨脹螺栓連接，與吊扣通過(guò)螺絲連接。軌道安裝方案如圖3所示。

圖3 軌道安裝方案

2.2 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，整體分為兩個(gè)移動(dòng)平臺(tái)和一個(gè)功能平臺(tái)。為了保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，控制機(jī)器人單體重量，機(jī)器人采用分體式設(shè)計(jì)，包括巡檢與應(yīng)急處置機(jī)器人和燈具清潔機(jī)器人，設(shè)計(jì)方案如圖4所示。其中，巡檢與應(yīng)急處置機(jī)器人除移動(dòng)平臺(tái)之外，配備了一個(gè)兩自由度云臺(tái)、傳感器系統(tǒng)、語(yǔ)音通話系統(tǒng)、輔助照明系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的巡檢和應(yīng)急救援功能。燈具清潔機(jī)器人配備了機(jī)械臂和清潔毛刷，用來(lái)實(shí)現(xiàn)照明燈具清潔功能[5]。

圖4 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分體設(shè)計(jì)方案

2.3 移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

每個(gè)機(jī)器人分體均有兩個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，每個(gè)移動(dòng)平臺(tái)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)導(dǎo)向輪，機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)方案如圖5所示。驅(qū)動(dòng)輪為超級(jí)人造膠材質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗沖擊性能，能保證機(jī)器人在軌道上行駛平穩(wěn)；導(dǎo)向輪的特殊結(jié)構(gòu)不僅能在機(jī)器人行駛過(guò)程中起到導(dǎo)向作用，還能在遇到?jīng)_擊的時(shí)候保證機(jī)器人始終不脫軌，既保證了機(jī)器人運(yùn)行安全，也避免了對(duì)軌道的沖擊。

圖5 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)方案

3 電氣系統(tǒng)和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人電氣系統(tǒng)

為了保證系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性，隧道巡護(hù)機(jī)器人電氣系統(tǒng)采用插卡式設(shè)計(jì)方式，所有電氣系統(tǒng)都可以通過(guò)插拔方式更換。電氣系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示[6]。

圖6 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 機(jī)器人通信系統(tǒng)

考慮到隧道距離長(zhǎng)、不通視，且機(jī)器人高速移動(dòng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)建具有自組網(wǎng)功能的Mesh網(wǎng)。在隧道內(nèi)采用AP覆蓋方式搭建，每100 m放置一個(gè)AP熱點(diǎn)，AP熱點(diǎn)與遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)通過(guò)光纜連接，機(jī)器人攜帶無(wú)線路由與AP熱點(diǎn)無(wú)線連接。另外隧道內(nèi)的巡檢人員和車(chē)輛也可以通過(guò)AP網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行通訊。通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（單位：m）

4 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與工程應(yīng)用

4.1 機(jī)器人移動(dòng)軌道安裝

4.1.1 劃定高速標(biāo)線

從隧道入洞口開(kāi)始，到隧道出洞口位置，在設(shè)計(jì)高度，與路面平行，劃定高度標(biāo)線。在直線軌道安裝每隔30 m的距離，以2 m為間距，劃定垂直方向位置標(biāo)線，高度標(biāo)線與垂直標(biāo)線交叉點(diǎn)即為直軌吊架安裝孔中心位置。

4.1.2 直線軌道安裝

在高度標(biāo)線和垂直標(biāo)線的交叉點(diǎn)，用直軌吊架安裝孔定位模板，確認(rèn)安裝吊架的準(zhǔn)確位置，安裝直軌吊架。在直軌上，每隔2 m距離，穿一個(gè)吊扣架。穿好吊扣架的直軌，通過(guò)吊扣架的2個(gè)螺絲孔位，暫時(shí)固定到吊架上。暫時(shí)固定好所有直軌。直線吊架與吊扣架如圖8所示。

圖8 直線吊架與吊扣架

4.1.3 彎軌安裝

緊急停車(chē)帶、隧道出入洞口彎軌由彎軌專(zhuān)用吊架與吊架扣固定。彎軌吊架與吊扣架如圖9所示。

圖9 彎軌吊架與吊扣架

4.1.4 調(diào)整軌道平直性

直線導(dǎo)軌和彎軌安裝完成后，逐個(gè)松動(dòng)吊架與吊扣架的固定螺絲，調(diào)整整個(gè)軌道平直。整個(gè)軌道平直，沒(méi)有明顯凸起、凹陷后，擰緊吊架與吊扣架的固定螺絲。在吊架與吊扣架平面連接處，把吊架與吊扣架點(diǎn)焊焊死。

4.2 電氣系統(tǒng)安裝

4.2.1 AP結(jié)點(diǎn)安裝

在隧道兩側(cè)機(jī)器人軌道上方，每間隔100 m安裝1個(gè)無(wú)線AP節(jié)點(diǎn)，在橋架正上方，固定AP接線端子箱。在靠近隧道中線，距離AP接線端子箱10 cm的位置，安裝AP設(shè)備。AP電源線、光纖，從橋架進(jìn)入端子箱。光纖盒、防雷器、AP電源放置在AP接線端子箱內(nèi)。AP電源線、光纖，出端子箱，接AP節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

4.2.2 AP供電電纜敷設(shè)

AP設(shè)備需要單獨(dú)配置供電電纜。供電電纜采用4平方兩芯阻燃電纜。AP供電電纜從入洞口配電室進(jìn)入車(chē)行方向左側(cè)地溝。由于該機(jī)器人有應(yīng)急處置功能，AP設(shè)備需接入應(yīng)急電源；需要為AP節(jié)點(diǎn)設(shè)置接地線。每個(gè)AP節(jié)點(diǎn)都需要有效接地。AP結(jié)點(diǎn)電源連接如圖10所示。

圖10 AP結(jié)點(diǎn)電源連接圖

4.2.3 通信光纜敷設(shè)

隧道管理站監(jiān)控室內(nèi)放置終端控制器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器、光線交換機(jī)等設(shè)備。終端控制器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器通過(guò)網(wǎng)線與光纖交換機(jī)連接。光纖交換機(jī)A、B各出3根12芯光纖，通過(guò)入洞口進(jìn)入車(chē)行方向左側(cè)地溝。AP節(jié)點(diǎn)通過(guò)光纖與控制終端進(jìn)行通信。

4.2.4 機(jī)器人供電電纜敷設(shè)

機(jī)器人在2個(gè)隧洞口兩側(cè)，共設(shè)置4個(gè)取電口，用于機(jī)器人充電。入洞口側(cè)2個(gè)取電口設(shè)置2根電源線，從入洞口配電室出來(lái)，進(jìn)入地溝，通過(guò)配電箱，進(jìn)入照明橋架，再分配到洞口兩側(cè)的機(jī)器人取電口上。出洞口側(cè)2個(gè)取電口設(shè)置2根電源線，從出洞口配電室出來(lái)，進(jìn)入地溝，通過(guò)配電箱，進(jìn)入照明橋架，再分配到洞口兩側(cè)的機(jī)器人取電口上。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在山西路橋集團(tuán)長(zhǎng)臨高速公路有限公司黃花嶺隧道開(kāi)展實(shí)體工程應(yīng)用，隧道運(yùn)維管理機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖11所示，該隧道為路線穿越良馬與安澤縣間的越嶺隧道，長(zhǎng)度為2 140 m。黃花嶺隧道進(jìn)口和出口段為曲線，隧道內(nèi)有兩個(gè)緊急停車(chē)帶，研發(fā)的隧道運(yùn)維特種機(jī)器人應(yīng)用于該隧道能夠起到很好的示范作用。

圖11 隧道運(yùn)維管理機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前隧道監(jiān)控通過(guò)人工巡檢、視頻輪巡方式，照明燈具清潔需封閉交通，人工高空作業(yè)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)研制了隧道運(yùn)維管理機(jī)器人。對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，并分別對(duì)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。隧道運(yùn)維管理機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)日常巡檢、異常檢測(cè)、應(yīng)急處置和燈具清潔等功能，對(duì)隧道進(jìn)行全方位、全天候監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)評(píng)估隧道運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道安全隱患，保障公路隧道安全運(yùn)營(yíng)，提高隧道運(yùn)維智能化水平。