交通隧道巡檢機(jī)器人運(yùn)動形態(tài)及檢測技術(shù)綜述

鐘福祥 呂鎏棟 黃肖君 鄧迪凡 閔濟(jì)海 朱 凱

（1.浙江省交通投資集團(tuán)有限公司杭金衢分公司杭紹管理處,浙江 紹興 311800；2.中國計量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018；3.南京天創(chuàng)電子技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210012）

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，隧道建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，交通隧道憑借其縮短行車距離的優(yōu)點(diǎn)成為人們?nèi)粘３鲂械氖走x。相較于電纜隧道、綜合管廊等設(shè)施，交通隧道內(nèi)部空間密閉、車流量較大、建筑結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備情形復(fù)雜等，一旦發(fā)生交通事故或火災(zāi)事故，極有可能造成現(xiàn)場人員的重大傷亡與財產(chǎn)損失。因此，為了確保交通隧道安全運(yùn)營，需要定期對交通隧道進(jìn)行巡檢，并針對隧道進(jìn)行特定維護(hù)。通過定期巡檢和維護(hù)，可以及時發(fā)現(xiàn)并解除隧道內(nèi)的安全隱患，確保交通隧道的安全運(yùn)營，減少事故風(fēng)險，保障行車安全和人員安全。

目前，針對隧道巡檢，我國采取的巡檢方式多為人工巡檢，由于隧道環(huán)境陰暗、設(shè)備多且線路復(fù)雜，導(dǎo)致人工巡檢時效性差、準(zhǔn)確率低。同時，巡檢人員有一定的主觀性，巡檢結(jié)果的可信度尚需確認(rèn)。此外，人工巡檢的危險系數(shù)較高，巡檢人員人身安全不能得到保障。過于依賴人工巡檢，隧道運(yùn)營的維護(hù)成本會逐步提高，檢測結(jié)果的質(zhì)量和準(zhǔn)確性也不能得到保證。在事故發(fā)生后，不能及時準(zhǔn)確地了解事故現(xiàn)場的發(fā)展態(tài)勢，現(xiàn)場應(yīng)急處置時效性差，容易造成二次事故。巡檢機(jī)器人通常配備各類傳感器、攝像頭以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，能夠通過自主操控或遠(yuǎn)程操控對機(jī)器設(shè)備、隧道環(huán)境等進(jìn)行檢測和巡檢，自動執(zhí)行數(shù)據(jù)收集、現(xiàn)場檢查、異常檢測和環(huán)境監(jiān)測等功能。

1 常見巡檢機(jī)器人運(yùn)動形態(tài)

巡檢機(jī)器人有輪式、履帶式、軌道式等多種運(yùn)動形態(tài)。輪式巡檢機(jī)器人相較于其他機(jī)器人的優(yōu)勢在于其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動速度較快，適合用于平整空曠的路面，不適合用于崎嶇不平的地形。履帶式機(jī)器人對路面的適應(yīng)力更強(qiáng)，可以輕松跨越諸多障礙，適合用于復(fù)雜的路面環(huán)境；但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，維護(hù)和操作成本可能較高。軌道式巡檢機(jī)器人定位精準(zhǔn)，可以按照預(yù)先設(shè)定好的路線行進(jìn)、巡檢并通過軌道滑行至事故發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場信息收集，抵達(dá)固定攝像頭無法覆蓋的區(qū)域拍攝特定視角的巡檢信息，但也存在充電、行進(jìn)路線受限等問題。

1.1 輪式巡檢機(jī)器人

張昆陽通過控制機(jī)器人對管道內(nèi)生銹、穿孔、裂紋等情況進(jìn)行全方位巡檢，如圖1（a）所示。巴西一礦業(yè)公司探索采礦洞穴的機(jī)器人搭載攝像頭、激光雷達(dá)等多個傳感器獲取信息，并將信息傳送給專家進(jìn)行遠(yuǎn)程評估，如圖1（b）所示。黃嘉盛等設(shè)計了一款可收放輪式巡檢機(jī)器人，利用其升降手臂搭載的攝像頭從多個角度拍攝巡檢對象，如圖1（c）所示。上述案例展示了輪式巡檢機(jī)器人在巡檢領(lǐng)域中的應(yīng)用，突顯出輪式巡檢機(jī)器人的優(yōu)勢和局限性。

圖1 三種常見的巡檢機(jī)器人運(yùn)動形態(tài)

輪式巡檢機(jī)器人采取輪子作為運(yùn)動裝置，具有較高的運(yùn)動速度和較好的靈活性，能夠在隧道內(nèi)部靈活轉(zhuǎn)向，適應(yīng)不同的彎道并完成巡檢任務(wù)。其輪子與路面的大面積接觸，有較大的摩擦力，適合用于隧道內(nèi)部的平整路面，可以保持相對穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)。但是，隧道內(nèi)可能存在臺階等需要跨越的障礙物，輪式巡檢機(jī)器人在面對這類情況時，其穩(wěn)定性和通過性較差。同時，輪式巡檢機(jī)器人在處理隧道內(nèi)部復(fù)雜的設(shè)備、管線、結(jié)構(gòu)等方面存在困難，狹窄的通道會限制機(jī)器人的移動能力。此外，由于輪式巡檢機(jī)器人的設(shè)計限制，傳感器不能安裝在其較高的位置以獲得更廣闊的視野和更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集。

1.2 履帶式巡檢機(jī)器人

Song等設(shè)計的機(jī)器人體型小巧，可以靈活地攀爬在隧道壁面收集溫度、氣體等信息，并輕松穿越隧道中各類障礙物，如圖1（d）所示。Shim等開發(fā)的巡檢機(jī)器人可以跨越不超過5 cm的障礙物，檢查隧道洞體混凝土結(jié)構(gòu)的損壞情況，如圖1（e）所示。徐詩洋等設(shè)計了一套子機(jī)和母機(jī)協(xié)同工作的巡檢機(jī)器人，其母機(jī)的行走結(jié)構(gòu)采用履帶式結(jié)構(gòu)，行走速度快且效率高，子機(jī)搭載在其母機(jī)上，兩者配合共同進(jìn)行巡檢工作，如圖1（f）所示。

履帶式巡檢機(jī)器人能夠適應(yīng)復(fù)雜路面環(huán)境，其履帶結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上分散機(jī)器人的質(zhì)量，使機(jī)器人可以搭載更多的設(shè)備和傳感器，攜帶額外的負(fù)載設(shè)備，具有較高的承載能力。然而履帶式巡檢機(jī)器人通常需要較大容量的電池或燃料供應(yīng)以提供足夠的動力驅(qū)動履帶行走，與其他機(jī)器人相比，能源消耗較大，后期維修和維護(hù)成本較高。由于采用履帶式結(jié)構(gòu)，行走速度相對較慢，在某些情況下會影響到巡檢任務(wù)的效率，同時也會產(chǎn)生較大的噪聲，在一些對噪聲敏感的環(huán)境中，易造成干擾或不便。

1.3 軌道式巡檢機(jī)器人

蘇州金雞湖隧道和漁洋山隧道的巡檢均采用了軌道式巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人能夠通過其搭載的可見光攝像頭檢測隧道內(nèi)的逃生門和設(shè)備箱門開閉、裝飾板是否脫落等，同時結(jié)合紅外攝像頭實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的火源檢測，搭配定向喇叭可以在設(shè)定的時間內(nèi)播放固定的語音內(nèi)容或緊急疏散提示等語音，如圖1（g）所示。浙江馬岙嶺隧道的巡檢使用的軌道式巡檢機(jī)器人能夠在隧道全線范圍內(nèi)移動并連續(xù)采集、傳輸、存儲現(xiàn)場數(shù)據(jù)，同時監(jiān)測隧道內(nèi)的車輛違停、火災(zāi)事故等異常情況，如圖1（h）所示。上海文一路隧道的巡檢使用的機(jī)器人，通過搭載的檢測設(shè)備可以針對隧道路面、襯砌漏水及行車車輛進(jìn)行監(jiān)測，準(zhǔn)確識別路面異物、襯砌病害以及車輛異常行為等，如圖1（i）所示。

軌道式巡檢機(jī)器人可以有效利用隧道空間，避免機(jī)器人與其他機(jī)電設(shè)備或障礙物發(fā)生碰撞，提供更大的活動空間，實(shí)現(xiàn)高速和連續(xù)地運(yùn)行，不受路面條件的限制，以便機(jī)器人自由行走和進(jìn)行巡檢；可以幫助維護(hù)人員更好地管理和維護(hù)隧道，提高了隧道使用的安全性和可靠性。在設(shè)計時軌道式巡檢機(jī)器人，采用了特定的軌道系統(tǒng)，其路徑是預(yù)先設(shè)定好的，按照預(yù)先設(shè)定路徑巡檢，能夠確保巡檢目標(biāo)區(qū)域全覆蓋。但是軌道式巡檢機(jī)器人在遇到障礙物或不規(guī)則地形時，需要人工干預(yù)來完成巡檢任務(wù)。此外，軌道的清潔、檢修和維護(hù)會涉及一定的人力和時間成本，在出現(xiàn)故障或損壞后，需要及時修復(fù)和維護(hù)。

2 巡檢機(jī)器人適用的檢測技術(shù)

視覺、紅外、三維激光和超聲波檢測技術(shù)及其傳感器在機(jī)器人中的布置和作用各不相同。巡檢機(jī)器人通過搭載視覺、紅外、三維激光和超聲波等傳感器獲得距離、溫度和濃度等關(guān)鍵信息，后續(xù)對獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠使巡檢機(jī)器人更全面地了解工作環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、安全問題及潛在風(fēng)險。因此巡檢機(jī)器人能夠輔助操作人員，在各種環(huán)境中自主、高效地執(zhí)行巡檢任務(wù)，特別是在危險或惡劣環(huán)境中，大大減少人為干預(yù)的需要。

2.1 視覺檢測

在交通隧道中，視覺檢測是一項(xiàng)利用計算機(jī)視覺技術(shù)的方法，用于監(jiān)測和分析交通隧道內(nèi)或周圍出現(xiàn)的各種問題、危險和異常情況。這一技術(shù)依賴于攝像頭和圖像處理算法，通過實(shí)時分析和識別隧道內(nèi)的圖像，提供快速而準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。目前，該技術(shù)主要應(yīng)用于火災(zāi)和煙霧檢測、隧道照明問題檢測、隧道結(jié)構(gòu)損傷檢測、道路標(biāo)線狀態(tài)檢測以及交通事故和交通擁堵檢測等方面。目前，該技術(shù)大多應(yīng)用主要集中在檢測火焰并觸發(fā)報警的基礎(chǔ)階段，在確定火源位置和準(zhǔn)確評估火災(zāi)熱釋放速率方面的算法存在欠缺。Chen等在火災(zāi)和煙霧檢測方面，提出一種基于多特征融合的視頻火焰檢測方法，采用高斯混合模型來提取運(yùn)動物體，通過火焰顏色濾波算法區(qū)分真正的火焰和類似火焰的物體[9]。Zhao等提出一種基于Mask R-CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的方法，包括特征提取、區(qū)域建議生成和水分標(biāo)記識別等步驟，用于檢測盾構(gòu)隧道襯砌上的水分痕跡，通過對訓(xùn)練好的Mask R-CNN模型進(jìn)行測試，可以計算出水分標(biāo)記區(qū)域[10]。

視覺檢測技術(shù)可以實(shí)時監(jiān)測到火災(zāi)和煙霧，并進(jìn)一步對火災(zāi)事故現(xiàn)場中的火勢大小進(jìn)行評估與預(yù)測。然而，這些技術(shù)容易受到現(xiàn)場光照和背景等因素的影響，導(dǎo)致誤報或漏報情況的發(fā)生，因此需要不斷優(yōu)化和調(diào)整該類算法和參數(shù)，彌補(bǔ)火焰定位與識別方面算法的缺失以提高其準(zhǔn)確性和可靠性。

2.2 紅外檢測

紅外檢測是一種非接觸的無損檢測技術(shù)，通過測量物體表面輻射的紅外輻射能量來獲取物體的溫度信息，其在隧道工程上的應(yīng)用多集中在隧道病害檢測及火災(zāi)檢測兩方面。馬學(xué)志等總結(jié)了幾種國內(nèi)外常用的襯砌漏水檢測方法，并通過朔黃鐵路的工程應(yīng)用實(shí)踐表明紅外技術(shù)的檢測速度快且準(zhǔn)確率高，能夠準(zhǔn)確檢測出滲漏水位置并計算滲漏水的區(qū)域面積[11]。常程在公路隧道中同時安裝了光纖光柵火災(zāi)測溫系統(tǒng)和紅外火焰探測器系統(tǒng)，將兩種系統(tǒng)所得監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析判斷，實(shí)現(xiàn)對高速公路隧道火災(zāi)的快速、準(zhǔn)確探測[12]。

紅外檢測能夠在不損傷物體表面的情況下實(shí)時地獲取被測物體熱分布情況，在隧道墻體表面、火災(zāi)檢測、電力設(shè)備熱管理等環(huán)境中對脆弱材料或靈敏設(shè)備進(jìn)行檢測。但對于某些特殊材料或表面涂層，紅外檢測的效果可能受到限制，檢測結(jié)果會受到一定影響。

2.3 三維激光檢測

三維激光檢測技術(shù)是一種通過高速激光掃描被測物體表面并獲取其各點(diǎn)坐標(biāo)、反射率和顏色等信息，并將這些數(shù)據(jù)輸出為點(diǎn)云圖，從而實(shí)現(xiàn)被測目標(biāo)的三維模型重建。

三維激光檢測技術(shù)在交通隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測方面有很大的應(yīng)用潛力。例如，尹恒等使用三維激光掃描技術(shù)對華鎣山隧道進(jìn)行掃描，得到了隧道的點(diǎn)云模型，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和拼接等步驟，可以生成完整的隧道表面模型，獲得高精度的隧道幾何信息。通過獲得的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行路面破損測量和隧道變形監(jiān)測，解決現(xiàn)有病害隧道測量方法耗時耗力、精度低下等問題[13]。李宗平等提出三維激光掃描技術(shù)一次掃描即可準(zhǔn)確建立隧道三維矢量模型，精確得到隧道的整體變形和輪廓信息，并以桐廬隧道為例，研究三維激光掃描技術(shù)在山嶺隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用，得出其可快速實(shí)現(xiàn)對隧道三維變形、支護(hù)侵限、二次襯砌厚度的評估，大幅提升隧道數(shù)據(jù)采集與分析的效率[14]。

與傳統(tǒng)的測量方法相比，三維激光檢測具有高效、精確、非接觸等優(yōu)勢，能夠大幅提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性，配合隧道巡檢機(jī)器人在巡檢過程中及時了解結(jié)構(gòu)的變化，以便采取必要的維護(hù)和修復(fù)措施。這使得其成為眾多領(lǐng)域中變形監(jiān)測的首選技術(shù)，包括土木工程、隧道工程、建筑工程等。

2.4 超聲波檢測

超聲波檢測可以用來發(fā)現(xiàn)交通隧道內(nèi)部的一些缺陷，利用超聲波在材料中傳播的基本特性，由接收探頭接收從物體表面缺陷處反射回來的超聲波或透過被檢物體后的透射波，以此檢測被檢物體部件是否存在缺陷，并進(jìn)行缺陷定位。

全朝紅介紹了超聲脈沖回波法對隧道襯砌混凝土質(zhì)量檢測的方法、原理及實(shí)際應(yīng)用效果，測試結(jié)果表明，超聲波脈沖回波法可以通過頻譜、振幅及反射波的相位分辨空洞、裂隙和不密實(shí)處，能迅速、及時地發(fā)現(xiàn)隧道襯砌內(nèi)部的缺陷[15]。Joshua利用一個搭載4×12干點(diǎn)接觸傳感器陣列的低頻檢測設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場測量隧道襯砌混凝土厚度及鋼筋厚度與間距，對所得結(jié)果及該設(shè)備在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的定位兩方面進(jìn)行討論[16]。

超聲波檢測通過分析超聲波在物體中的傳播時間、幅值和頻譜等參數(shù)來確定材料的內(nèi)部缺陷、結(jié)構(gòu)變化及材料特性等。但由于被測物體的材料和幾何形狀等受到限制，復(fù)雜的幾何形狀和表面粗糙度會對超聲波的傳播和信號解讀產(chǎn)生影響，導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。目前的超聲波檢測算法多依賴于人工分析和經(jīng)驗(yàn)判斷，因此可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)自動辨別不同類型缺陷的算法，提高缺陷識別自動化檢測算法的準(zhǔn)確性，減少主觀因素帶來的影響。

3 結(jié)語

交通隧道是承載、提供車輛通行的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施，與電力、管廊等隧道相比，斷面更大，車輛和人員密度較高，需要更高的安全標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)急措施來應(yīng)對可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)破壞、異常事件、隧道火災(zāi)、交通事故等各種情況。巡檢機(jī)器人可以在隧道日常巡檢與應(yīng)急處置過程中發(fā)揮重要作用。

目前，機(jī)器人的硬件技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但相關(guān)算法和軟件方面還存在改進(jìn)空間，缺少針對交通隧道場景中火災(zāi)定位與火場感知相關(guān)的算法和應(yīng)用開發(fā)，具體而言需要達(dá)到以下效果：在火災(zāi)發(fā)生時，通過巡檢機(jī)器人對起火點(diǎn)進(jìn)行定位，識別出火源熱釋放速率和火勢大小，并在應(yīng)急處置過程中快速將獲取到的關(guān)鍵信息實(shí)時上傳至指揮中心，及時向救援人員提供現(xiàn)場狀況、人員安全和救援決策等重要信息。機(jī)器人需要能夠有效處理和存儲獲取到的大量數(shù)據(jù)的能力。此外，為了保證交通隧道相關(guān)檢測算法的可靠性和一致性，還需要進(jìn)行算法的驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化工作，并開展相關(guān)研究，建立適用于交通隧道檢測的評估標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)方法，促進(jìn)相關(guān)算法的應(yīng)用和推廣。