機器人在隧道養(yǎng)護檢測中的應用

張 偉

（中鐵一局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

當前，我國建成隧道的數(shù)量已是全球第一，并且在建的隧道仍數(shù)量較多，將來必將面臨巨大的隧道養(yǎng)護檢測壓力。隧道養(yǎng)護檢測采用人工檢測，不僅檢測作業(yè)強度大，檢測效率低，檢測結(jié)果主觀性強，還存在較大的安全隱患，而采用隧道機器人檢測系統(tǒng)，不僅能夠極大地減少檢測人員，有效地提升檢測效率，及時發(fā)現(xiàn)隧道缺陷，還有利于降低隧道養(yǎng)護檢測成本。本文介紹了幾種常見的機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)，并分析了機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)有待完善的地方，以促進機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)在隧道檢測中的普及和應用。

1 隧道養(yǎng)護人工檢測的弊端

目前隧道養(yǎng)護檢測大多是由檢測人員采用有計劃的、定期的、全范圍覆蓋的人工檢測方法，主要由檢測人員手持儀器檢測或者肉眼直接觀察，識別隧道結(jié)構(gòu)存在的缺陷，并對這些缺陷進行評級。人工檢測的方法，不僅檢測過程緩慢，檢測作業(yè)強度大，檢測效率低下，所需現(xiàn)場檢測人員較多且密集，還由于檢測結(jié)果的準確性受檢測員的經(jīng)驗和疲勞程度的影響，因而檢測結(jié)果還存在主觀性強的弊端。此外，由于隧道內(nèi)布滿灰塵、缺乏自然光，加之隧道在運行過程中可能存在的危險性，甚至還會有鉛和石棉等有毒有害物質(zhì)的存在，致使檢測人員處于極度不衛(wèi)生、極度不安全的環(huán)境中工作，因而存在極大的安全隱患[1-3]。

2 機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)

機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)配置了先進的攝像機、激光、聲納等部件，可獲得更為精確、高效的檢測數(shù)據(jù)，不僅可以精確地開展檢測工作，高效率地完成檢測任務，而且還能代替檢測人員在危險的環(huán)境中完成檢測任務。常見的機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)有機器人攝像檢測系統(tǒng)、機器人沖擊檢測系統(tǒng)、機器人鉆孔檢測系統(tǒng)以及全自動檢測機器人系統(tǒng)。

2.1 機器人攝像檢測系統(tǒng)

機器人攝像檢測系統(tǒng)是一種利用自動行走的機器人、攝像機和圖像處理技術實現(xiàn)自動檢測和分析的系統(tǒng)。它利用圖像采集、圖像處理和數(shù)據(jù)分析等手段，對隧道缺陷的位置、形狀和尺寸等進行檢測和分析。帶攝像頭的隧道檢測機器人如圖1所示，該機器人使用差速驅(qū)動輪裝置與墻壁保持恒定距離，在行進中利用攝像機拍攝隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的照片。攝像機安裝在防振裝置上，可穩(wěn)定拍攝圖像。機器人緩慢通過隧道并進行拍攝，收集完所有的圖像后再進行數(shù)據(jù)處理，最后通過計算機視覺算法進行缺陷分析得出檢測結(jié)果。

2.2 機器人沖擊檢測系統(tǒng)

機器人沖擊檢測系統(tǒng)包括工業(yè)機械手機器人系統(tǒng)、一輛用作基礎平臺的八噸卡車、隧道橫截面測量系統(tǒng)、用于測量撞擊位置的電子測距儀、帶有五個錘子的撞擊裝置、一臺將機器人提升到天花板高度的升降機，最后是控制這些部件的計算機系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 機器人沖擊隧道檢測系統(tǒng)

該系統(tǒng)在檢測過程中使用了沖擊聲學方法，使用液壓錘沖擊混凝土墻，將沖擊聲轉(zhuǎn)換為電信號，然后對其進行分析，可以用來分析隧道結(jié)構(gòu)的缺陷，主要包括混凝土襯砌的剝落和內(nèi)部的空洞情況。為了保持穩(wěn)定的姿態(tài)，卡車在非機動車輪上安裝了支腿。該系統(tǒng)只需要1名檢測員、1名操作員和1名駕駛員共3人就可進行隧道缺陷的檢測及診斷，檢測作業(yè)效率和準確性都非常高。

2.3 機器人鉆孔檢測系統(tǒng)

針對隧道側(cè)壁鉆孔檢測而研發(fā)的鉆孔機器人系統(tǒng)具有體型小、重量輕、適應復雜隧道狀況等特點，主要通過機械化起重機鉆孔，進而檢測襯砌后方的缺陷。它通過旋轉(zhuǎn)和敲擊隧道表面的襯砌混凝土的方式，完成直徑為33mm的混凝土高速鉆孔，分析襯砌厚度和后空腔高度[4]。鉆孔機器人隧道檢測系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 鉆孔機器人隧道檢測系統(tǒng)

2.4 全自動檢測機器人系統(tǒng)

全自動檢測機器人系統(tǒng)完全不需要人員進入隧道內(nèi)部就可以進行自動化檢測，而且該系統(tǒng)還可無需直接人工操作就可進行遠程檢測，提升了隧道養(yǎng)護檢測的安全性。全自動檢測機器人系統(tǒng)主要由安裝在車輛上的起重機頂端的機械臂組成，利用3D攝像機拍攝并結(jié)合自動化的操作程序，高效、精確、安全地實施檢測。該系統(tǒng)基于激光遙測儀捕獲的深度測量的視覺伺服，以及通過特定任務控制軟件協(xié)調(diào)面向操作的制動器，允許機器人系統(tǒng)自動執(zhí)行該過程[5]。全自動檢測機器人系統(tǒng)的測試場景如圖4所示。

圖4 全自動檢測機器人在隧道中測試

3 機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)有待完善的方面

用機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)替代人工檢測，其優(yōu)勢是顯而易見的，但局限于當前技術發(fā)展所處的階段，機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)還有一些方面有待進一步技術攻關以及完善。

3.1 有待實現(xiàn)無需操作人員進入隧道作業(yè)

應用隧道養(yǎng)護檢測機器人系統(tǒng)大大減少了檢測人員的數(shù)量以及進入隧道的頻次，但是部分機器人檢測系統(tǒng)因為其本身的技術局限以及操作需要，仍需要一個或多個操作員進入隧道開展養(yǎng)護檢測工作，仍存在較大的安全隱患。因此，發(fā)展無人現(xiàn)場操控的隧道養(yǎng)護檢測機器人系統(tǒng)應是未來的主要發(fā)展方向之一。

3.2 有待提高檢測的全面性和精確性

盡管機器人系統(tǒng)可以提供大量的檢測圖片及檢測數(shù)據(jù)，但在某些特殊情況下，這些圖片和數(shù)據(jù)仍然可能無法對隧道進行全面評估。這是由于機器人系統(tǒng)受到各個部件本身的質(zhì)量和技術水平以及計算機算法的限制導致無法捕捉到某些細微的缺陷或特殊的情況，這種情況下仍需要結(jié)合人工檢測的方法進行全面評價，以彌補機器人系統(tǒng)的局限性。因此，還有待進一步提高機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)檢測的全面性和精確性。

3.3 有待突破通信條件的限制

在較長的隧道使用有線遠程操作時，就可能會受到電纜長度以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的限制，影響機器人系統(tǒng)的作業(yè)范圍。而對于無線通信系統(tǒng)，信號強度衰減也是一個關鍵問題，如果在較長或結(jié)構(gòu)復雜的隧道向控制站無線傳輸大量數(shù)據(jù)，就需要高帶寬的通信鏈路來支撐。大部分的隧道都位于偏遠地區(qū)，怎樣突破通訊條件的限制，對普及機器人隧道養(yǎng)護檢測的應用是至關重要的。

3.4 有待實現(xiàn)在隧道運營期間進行同步檢測

目前部分機器人檢測系統(tǒng)在作業(yè)時仍需要封閉隧道相關區(qū)域，會造成通行不便并帶來較大的經(jīng)濟損失。因此，有必要開發(fā)出能夠在檢測過程中不封閉隧道區(qū)域的機器人系統(tǒng)，從而大大降低因檢測導致的經(jīng)濟損失。

4 結(jié)束語

綜上所述，常見的機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)有機器人攝像檢測系統(tǒng)、機器人沖擊檢測系統(tǒng)、機器人鉆孔檢測系統(tǒng)以及全自動檢測機器人系統(tǒng)。用機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)代替人工進行隧道養(yǎng)護檢測的好處是顯而易見的，不僅能夠極大地減少檢測人員，有效地提升檢測效率，及時發(fā)現(xiàn)隧道缺陷，還有利于降低隧道養(yǎng)護檢測成本。但局限于當前技術發(fā)展所處的階段，機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)還有待實現(xiàn)無需操作人員進入隧道作業(yè)，有待提高檢測的全面性和精確性，有待突破通信條件的限制，有待實現(xiàn)在隧道運營期間進行同步檢測，因此，需要科研人員和技術應用工程師共同合作，聯(lián)合攻關，持續(xù)優(yōu)化，研發(fā)出性能更好、技術更強、操作方便、價格便宜的機器人檢測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)機器人隧道養(yǎng)護檢測系統(tǒng)的普及和應用。