智能機械臂在公路隧道事故救援和管養中的應用分析

王文浩

（河北省高速公路榮烏管理處，河北 徐水 072550）

1 引言

中國是世界上公路隧道規模最大、運營里程最長的國家之一。公路隧道作為高速公路建設的重要組成部分，對道路的通行和經濟的發展起著非常重要的作用[1]。由于隧道長且空間相對封閉，以及能見度低且空氣質量差的特點，造成了一系列嚴重影響交通運營安全的問題。作為交通運輸的重要組成部分，如何應用現代科技給乘客提供最為安全的出行服務，已經成為當前亟待解決的重要問題[2]。一些較為先進的救援設備，如履帶式、行走式機器人等，這些設備移動速度較慢，比較昂貴；且設備受到自身穩定性約束，不能承載較重物體，不能多角度對事故點進行救援。本文綜合國內外研究現狀，從檢測感知、作戰指揮、人員安全管理方面對智能機械臂在救援滅火方面進行了分析；從隧道土建結構、內部設施方面對智能機械臂在養護管理方面進行了分析，不僅能滿足日常監測與養護需求，還保障了事故發生的高效救援，同時，對行車人員的生命財產安全大有裨益。

2 國內外的研究現狀

隨著高速公路隧道里程的不斷增加，智能化的公路隧道管理已經得到了人們越來越多的關注[3]。從近年來國內外發生的重特大隧道火災事故可知，我國的隧道火災發生概率明顯高于其他國家，形勢不容樂觀[4]。

隨著社會的發展，對智能化救援方法的研究越來越多。1986 年，日本消防廳首次使用消防機器人進行滅火，卡內基梅隆大學WOLF 等研究了一種能夠運動空間大和探測范圍廣的可移動機器人[5]。此后，美國的In Rob Tech 公司研制了FFR-1型消防機器人，該機器人采用遙控控制，可以爬30°的坡度，跨越高度為20 cm 的障礙。

1997 年，我國開始研究了救援消防機器人。2002 年6 月，由上海強師消防裝備有限公司研制的消防滅火機器人JMX-LT50 誕生，其采用輪式行走機構[6]。2014 年，沈陽自動化研究所研究了一種能夠折疊變形的履帶式救援機器人。

雖然滅火救援設備種類繁多，但在處理火災、幫助被困人員逃生等方面仍存在諸多不足。例如，高壓脈沖設備和水消防設備都需要人工操作，當產生大量煙霧時，救援人員無法確認著火點具體位置，無法在最短的時間內使用救援設備。

綜上所述，目前，對于現代化智能救援機器人的研究發展迅速，但針對隧道事故特征以及空間特性的智能化救援設備研究較少，成果不明顯。傳統隧道救援設備操作容易受到局限，自動化程度不夠高，而救援機器人存在其成本高、無法承受較重物資、移動速度慢不能及時到達救援點、道路堵塞時設備無法通行等缺點，在隧道救援中效果一般。

3 智能機械臂在公路隧道偵察滅火救援中的應用

3.1 全方位的檢測感知

對災害現場情況的偵察工作是滅火救援作戰的重要保障，為達到該研究的主要目標，避免軌道移動機械臂與隧道壁上的設備發生沖突，實現救援時軌道機械臂能夠第一時間快速移動到突發事件現場，所以，本文主要研究軌道移動機械臂安裝在隧道頂部上的場景。目前，隧道壁上的檢測工作主要是在機械臂上安裝圖像傳感器（攝像機），利用攝像機通過對隧道進行內部觀察，然后，利用一些儀器進行隧道檢測，但這些其實都無法保證對災害現場情況的全面掌握。通過在機械臂上布置微型的多功能傳感器，形成隧道的偵察傳感網絡監控系統。

3.2 智能的作戰指揮方位

智能機械臂是結合物聯網技術應用于消防應急領域，利用物聯網技術對無線傳感器及其圖像反饋回來的信息進行分類匯總，并通過監控設備的監控站向操作員發出緊急求助信號，為操作員的滅火救援戰斗提供有效信息。利用已經安裝在機械臂上的GPS 定位系統，及時將車輛的位置信息發送到電腦中，然后，利用事先在機械臂上裝配好的RFID 電子標簽，統計好救援車輛的類型、車輛數量、救援人員數量，以及所屬單位和配備的裝備，并且在救援車輛到達之前，預先為車輛確定停靠位置和分配作戰任務。統一有序的管理，不僅能提高救援指揮效率，還能將災害損失降到最小。

3.3 智能的人員安全管理

當發生火災時，往往需要救援人員進入現場探查火災的情況，但火災現場的溫度以及煙霧濃度對救援人員的生命安全產生了嚴重的威脅，智能機械臂為解決這一問題提供了方法。進入火災現場的救援人員都會攜帶存儲溫度、煙霧濃度壓力、特定的編號以及姓名等信息的電子標簽。在智能機械臂安裝的隧道地圖可以實時顯示隧道內全貌，通過定位功能對救援人員的路線進行跟蹤，以實時確定各種醫療儀器的使用狀態和人員位置。一旦當救援人員的生命體征參數出現異常時，醫療儀器就會自動震動，提示救援人員趕緊撤離，為保護救援人員產生了極大的作用。

4 智能機械臂在公路隧道管理與養護方面的應用

4.1 公路隧道土建結構的養護管理

土建結構的最主要的養護管理工作首先是清潔、維修和結構檢查；其次是病害處治。公路隧道土建結構的清潔、維修，主要是采用機械臂模仿人的手功能，利用軟布、水槍進行照明燈具擦拭、頂部結構物的臟污及標志牌的清理，保持外觀的干凈。另外，一般在嚴寒地區春季冰雪融化后，隧道內部可能會出現掛冰、漏水的情況，通過在機械臂上安裝超聲波檢測儀和全站儀，進行滲漏水以及結構變形的檢查，以達到保養維修、病害處治的目的。

4.2 公路隧道內部設施的養護管理

公路隧道內部設施的養護主要包括供配電設施、監控設施、照明設施、通風設施及救援設施的維護。考慮到當前國內高速公路的隧道結構比較復雜且隧道內部的機電設施功能多樣,所以,在進行隧道機電設施養護時必須首先對隧道的通風通道進行檢查,并借助各類儀器實現對隧道內外部環境的實時監控。常用的儀器主要有煙霧傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體探測器（O2、H2S、CO、CH4）等。

5 結語

隧道事故救援、管理和維護是保證公路交通安全運行的重要手段。世界上許多國家對公路隧道的安全和健康狀況進行了大量的研究，建立了各種的救援及管養系統，但是，大多數檢測系統的智能化、自動化程度相對較低。因此，為了實現公路隧道交通事故下的智能、靈活、高效救援，該系統通過在隧道頂部設置軌道移動智能機械臂，結合物聯網技術，建立了智能化機械臂救援和管養系統。實現運營管理和救援指揮快速反應的目標，最大限度降低了隧道運營費用和事故危害。