智能隧道檢測車的現狀及改進策略

黃丹櫻，韋 強，朱椰毅，范 驍，林浩立

（1.浙江師范大學工學院，浙江金華 321004；2.浙江金溫鐵道開發有限公司，浙江溫州 325000）

1 引言

隨著國家“城鎮化”“一帶一路”和“交通強國”三大戰略的推進，越來越多的隧道投入交通運營中。根據2021年交通運輸行業發展統計公報，截至2021年底，我國公路隧道數量為23 268座，總長度約24 698.9 km，鐵路隧道數量為17 532座，總長度約21 055 km，城市軌道交通運營里程達8 939 km，其中地下線6 257.3 km（約占城市軌道交通線路總長度的70%），在此背景下隧道數量及長度在近10年呈逐年增長趨勢。

鐵路隧道病害的原因涉及到環境、設計、施工、運營維護等多個方面。在隧道建設過程中由于施工缺陷會導致病害產生，如拱墻背后空洞、襯砌厚度不足等。實際運營期間，在荷載作用下會產生其他嚴重病害，如襯砌滲漏水、開裂、掉塊，隧底裂損、下沉與翻漿冒泥、上拱、排水系統凍害等。這些病害會惡化隧道服役性能，降低隧道結構的安全可靠度，威脅線路行車安全。因此，隧道檢測、監測已經成為建設之后的重要任務。

傳統的隧道檢測方式大都是人工手持檢測儀進行檢測，因此在檢測過程中會受到環境限制，導致產生許多問題，主要體現在以下3個方面：

（1）隧道內部照明不足，僅靠車燈照明會對檢測人員的視線造成較大影響，使檢測數據誤差過大；

（2）隧道內壁表面情況復雜，會對檢測信號產生影響，極易對設備造成損壞或使檢測人員處在危險中；

（3）在面對長隧道或隧道群的情況下，需要長時間交通管制，影響道路正常行駛。

近年來，人工檢測已經不能滿足當前的社會發展需求，漸漸被人工智能所取代。因此隧道檢測技術將從有損、接觸式、單一檢測向無損、非接觸式、智能化檢測發展。除此之外，隨著隧道檢測設備集成度的提高，面對成倍增加的隧道病害數據，人工智能、計算機網絡、大數據以及機器視覺等新興技術可對數據進行自動識別、快速處理和有效反饋，并結合統計分析、機器學習等方法從大量隧道病害數據中預測出可能發生的風險。不僅如此，未來還將有更多檢測技術應用到隧道檢測車上，實現高效且綜合的檢測。

對此，本文首先分析當前國內外隧道檢測技術的發展概況，探討軌道交通隧道檢測設備的不足；其次，闡述應用隧道檢測的新技術，如基于移動雷達技術的雷達數據處理分析軟件系統和基于機器視覺的光學成像、激光測距系統，以求彌補目前檢測設備的不足之處；最后，預測隧道檢測車的市場規模，以期為隧道檢測行業的發展提供參考。

2 國內外隧道檢測技術發展概況

2.1 國內外同類技術研究現狀

進入21世紀之后公路隧道檢測技術快速發展，伴隨著電荷耦合裝置（CCD）的出現，計算機能夠實時對檢測到的圖像信息進行存儲和處理，該方法在提升隧道病害檢測效率的同時也增加了硬件成本，使得檢測車的價格居高不下。

2014年，日本三菱電機會社推出公路隧道檢測車MIMM-R，其檢測系統由移動圖像采集系統（MIS）和移動地圖構建系統（MMS）構成。車輛能以50 km/h的速度進行檢測，且在檢測過程中不影響道路的正常行駛。

對于鐵路隧道檢測技術的運用，國外普遍采用地質雷達法來檢測運營隧道的襯砌質量，但裝載地質雷達的快速移動車輛平臺并不多見。為檢查日本新干線隧道的健全性，JR東日本開發了地質雷達隧道檢測車，如圖1所示，其檢測速度為3.5 km/h。

圖1 JR東日本地質雷達隧道檢測車

目前，我國針對鐵路隧道病害的檢測大多依賴人工，這種靠肉眼觀測和借助工具測量的方法，無法保證檢測結果的可靠性，也遠遠不能滿足現代化隧道質量檢測的需求，這將導致大部分的隧道襯砌病害無法被檢測到。國內某公司推出鐵路隧道智能三維激光視頻檢測系統，該系統集成高精度激光掃描儀、高清隧道相機、激光慣導/里程計組合定位定姿系統、多傳感器同步控制單元、嵌入式計算機以及電源供電系統等設備，搭載軌道電動平臺，如圖2所示。該系統可對隧道襯砌掉塊、細微裂縫、滲水、侵限等指標進行智能化檢測分析，最高每小時采集15 km隧道數據。

圖2 鐵路隧道智能三維激光視頻檢測系統

2.2 國內外隧道檢測系統的技術對比

隨著地質雷達、激光測距、機器視覺等技術的發展，國內外主要隧道檢測系統大都運用了上述技術，采用情況如表1所示。

表1 隧道檢測設備技術對比

由于受固定雷達技術的限制，各檢測系統檢測速度大都較慢，雖然可以檢測到隧道裂縫、滲漏水、形變等基本病害，但檢測覆蓋面仍不夠廣。

2.3 隧道病害檢測存在的主要問題

我國隧道檢測技術起步較晚，而在鐵路檢測方面還處在傳統人工檢測階段，且隧道檢測車在公路隧道檢測方面也只有少量應用，與國外相比較為落后。

目前，國內隧道檢測車存在以下幾方面的不足：

（1）只檢測隧道內壁表面，無法檢測襯砌內裂縫的深度、鋼筋缺少、空洞等病害；

（2）無法檢測軌下路基病害；

（3）移動速度慢（鐵路隧道檢測車）。

同樣，在國內隧道檢測技術應用方面，也存在一些不足，主要表現在以下幾個方面：

（1）缺少快速檢測且能將檢測反饋信息較好融合的設備，數據來源以及每個指標的信息鏈不夠豐富；

（2）檢測、監測成套技術尚未形成體系，沒有建立數據采集、分析、預測、評估、預警等功能的集成化平臺；

（3）缺少危害預警等級分類，沒有對重點檢測、周期檢測和日常檢測項目進行區分；

（4）檢測效率低，檢測手段不規范；

（5）制度不完善，沒有統一技術標準。

3 智能隧道檢測車

為提高檢測效率及檢測水平，智能隧道檢測車應涵蓋移動雷達技術和基于機器視覺的光學成像、激光測距系統，并需達到以下技術指標。

（1）自動檢測：可對隧道進行連續掃描，并在線實時記錄掃描數據，實現數據采集的自動化、智能化。

（2）精度要求：數碼圖像清晰度不低于1 080 p，襯砌厚度誤差10%以內，漏水水源誤差20%以內，裂縫精度0.2 mm以下，變形精度0.2 mm，定位精度0.5‰。

（3）移動速度：為不影響隧道運營和軌道交通隧道檢測的速度與準確性以及滿足車輛長途運行的需求，智能隧道檢測車檢測速度需達60～100 km/h。

（4）探測深度：探測軌底3 m內以及隧道襯砌2.5 m內的病害情況，可以有效探測到襯砌內的裂縫、空洞以及滲漏水等狀態。

3.1 移動雷達系統

移動雷達系統是由以探地雷達基本原理為前提、結合八通道時序控制電路形成的八通道探地雷達系統，選用具有良好時域脈沖輻射特性的典型超寬帶天線的隧道襯砌超寬帶雷達系統，以及基于Windows 10平臺的探地雷達數據采集、處理分析軟件系統組成。

3.1.1 探地雷達基本原理

探地雷達發射系統的脈沖源通過發射天線發射超寬帶脈沖信號，信號以電磁波形式在路基介質結構層中傳播時發生反射，反射回來的電磁波由接收天線接收。

反射波經過不同路基介質傳播，脈沖信號幅度出現不同程度的衰減，其中包含大量的路基剖面的結構信息。當連續測量時，可以得到一幅連續的路基剖面探地雷達圖。本次采用的探地雷達工作原理如圖3所示，時序控制電路模塊控制著脈沖源模塊的觸發、步進采樣模塊和模擬數字轉換器（ADC）模塊之間的同步，每路單通道系統產生的4路信號中，2路信號用來觸發脈沖源和采樣頭模塊，另外2路信號作為采集卡的同步和觸發信號。

圖3 脈沖式探地雷達系統原理圖

3.1.2 八通道探地雷達系統

探地雷達系統主要由時序控制電路模塊、脈沖源模塊、發射天線與接收天線、采樣模塊與ADC轉換模塊以及數據處理單元構成。多通道探地雷達與單通道探地雷達的區別在于前者具有多組相關的時序控制電路、脈沖源模塊和收發天線等，形成多個輸入、輸出通道。選用多通道探測可以提升探測精度和快速跟蹤性能。

基于探地雷達的基本工作原理以及目前探地雷達系統中主流的超寬帶信號采樣方法，本文結合八通道時序控制電路在等效采集系統中的作用，畫出八通道探地雷達系統框圖，如圖4所示。

圖4中主控單元是1個八通道的時序控制電路板。單通道的探地雷達信號采集系統主要包括3個部分，即八通道的時序控制電路、信號采樣模塊以及恢復信號輸出模塊。

圖4 八通道探地雷達系統框圖

當每個單通道系統工作時，由八通道的時序控制電路模塊產生4路有嚴格時序的觸發信號，分別是同步信號（SYNC）、AD觸發信號（AD_TRIG）、采樣觸發信號（SAMPLING_TRIG）和脈沖觸發信號（PLUSE_TRIG）。其中PLUSE_TRIG作為脈沖源的觸發信號，脈沖源產生的窄脈沖輸出信號作為發射天線和接收天線（T/R）的激勵信號輸入到天線中，地層探測輸出的信號經過接收天線輸入到采樣頭模塊，采樣還原后的信號再輸入到數據（AD）采集卡中，AD采集卡在 SYNC和AD_TRIG作用下將采樣頭傳來的采樣還原信號從模擬信號轉為數字信號。

整個多通道探地雷達項目系統重要組成模塊的功能如下。

（1）時序控制電路。對于每路單通道系統產生4路周期方波信號，其中2路分別用來觸發脈沖源和采樣頭模塊，另外2路信號作為采集卡的同步和觸發信號。

（2）脈沖源電路。基于階躍恢復二極管脈沖產生技術與非線性傳輸線脈沖前沿加速方法，產生ns量級前沿脈沖信號，作為探地雷達天線的激勵信號。

（3）超寬帶天線。超寬帶天線主要可以分為4種類型，分別為空間互補結構天線、多模諧振天線、漸變結構天線、加載天線，但不論哪種形式的天線 ，遵循的第一設計原則都是寬頻帶。

3.1.3 隧道襯砌超寬帶雷達

在探地雷達工作系統中，天線作為關鍵組成部分，負責電磁波的有效輻射和接收。超寬帶天線一般在200 MHz、400 MHz、900 MHz頻段中，不同的天線頻率對應的測量深度以及分辨率不同，從而使得系統能夠適用于不同的工作環境。基于對系統工作性能的實際需求，探地雷達天線的設計要求主要有以下幾點：

（1）由于源信號是超寬帶的窄脈沖信號，天線的頻帶要和源匹配，探地雷達天線應該是超寬帶天線；

（2）除頻域輻射性能以外，探地雷達天線還應該具有良好的時域脈沖輻射特性；

（3）為保證系統的整體性，探地雷達天線應該具有簡單、輕便、易集成的結構。

基于以上分析，在探地雷達系統中應該選用具有良好時域脈沖輻射特性的典型超寬帶天線，理論上可以傳輸保型性好、拖尾小的時域脈沖信號。但在實際的設計過程中，要考慮天線耦合饋電部分的阻抗匹配特性、天線工作頻段與源信號的匹配關系、天線結構末端引起的反射等因素，這些都會對天線的時域特性造成影響。

對200 MHz天線在CST仿真軟件的環境下進行測試。回波損耗是傳輸線端口的反射波功率與入射波功率之比，一般用其反映天線的匹配特性，以對數形式的絕對值來表示，單位是dB。天線增益則是用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力。200 MHz天線的回波損耗如圖5所示，工作頻帶覆蓋180～640 MHz，相對帶寬255%，符合超寬帶的要求，該天線的增益如圖6所示，在工作頻帶內，主輻射方向的增益從1.8 dB逐漸提升至 6 dB。

圖5 200 MHz時域脈沖輻射天線回波損耗曲線圖

圖6 200 MHz時域脈沖輻射天線主輻射方向增益隨頻率變化曲線圖

天線具有超寬帶的輻射性能，在工作頻帶內增益高，前后比大，方向性好。時域測試結果同樣表明該天線具有拖尾短、震蕩低的優點，可以運用到隧道襯砌超寬帶雷達收發子系統的開發中。

3.1.4 探地雷達數據采集、處理分析軟件系統

該軟件系統在一定程度上建立集數據采集、預測、分析、預警等功能為一體的集成化平臺，解決數據鏈單一，反饋信息融合性差等問題。

探地雷達數據采集軟件基于Windows10平臺。該軟件應具有雷達數據八通道實時采集、存儲、顯示及數據回放功能，實現每秒1 000次的異步輸入 / 輸出（I / O），滿足探地雷達系統數據采集的需求。

探地雷達數據分析處理軟件基于Windows10平臺，采用C#編程語言，編譯環境為visual studio 2019，支持Microsoft Excel文件導出。如圖7、圖8所示，該軟件具有去零偏、自適應去背景、濾波、信號放大、希爾伯特變換、預測反褶積、頻率增益、偏移處理等算法，且可以實現不同算法之間的處理結果對比。

圖7 放大+去背景處理結果

圖8 放大+去背景+算術運算處理結果

3.2 圖像檢測系統

目前光學成像、激光測距系統相對成熟，國內企業、機構均有應用。綜合國內外隧道檢測車的特點，基于機器視覺的隧道襯砌裂縫自動圖像檢測系統應具有如下功能：自動圖像采集；自動對焦；自適應照明；自適應路面起伏；圖像陣列自適應隧道拱頂弧度；自動標定；自動定位圖像位置；自動圖像處理；自動圖像分析，測算裂縫參數；利用AI技術和大數據技術，對各種形態的裂縫進行分類、分析，預測未來的可能災害。

4 經濟和社會效益評估

4.1 經濟效益

智能隧道檢測車可以填補目前包括公路隧道、鐵路隧道、城市軌道交通隧道、軍事用途山體隧道等檢測市場的空缺。且當前檢測車市場需求巨大，前景廣闊，以每座隧道檢測周期為1年計，經濟效益相當可觀，如表2所示。

表2 隧道市場規模測算表 億元

4.2 社會效益

智能隧道檢測車的社會效益主要體現在以下幾個方面。

（1）提升行業科技水平、管理水平，推動行業發展。通過技術升級，提高隧道檢測水平，保證檢測的深度和質量；推動隧道管理從被動維修轉變為主動預防，從事后應急轉變為事前處治；將隱患消滅在萌芽狀態，減少隧道突發事件的發生。

（2）改變目前隧道檢測的現狀。智能隧道檢測車采用多項新技術，從根本上改進以往隧道檢測的落后技術手段，節約大量檢測成本，最大限度降低對交通的影響；保證檢測人員的人身安全，降低檢測人員的勞動強度；為養護管理提供直接的數據和依據，極大提高檢測的精度和工作效率，為研究分析病害變化提供便利。

（3）引領產業升級，發揮輻射帶動作用，對隧道檢測設備的升級換代具有極強的示范效應。

5 結論

綜上所述，針對目前隧道檢測技術的不足，本文提出運用移動雷達技術和基于機器視覺的光學成像系統的解決方案。基于該檢測系統的智能隧道檢測車適用于隧道的各種復雜檢測環境，且在提升檢測性能的同時不增加建設成本，明確隧道檢測應以智能化、信息化為新技術的導向來滿足當前的市場需求。