高速公路隧道智能巡檢裝置的設計研究

文章針對隧道巡檢問題，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道巡檢裝置，該裝置能實時監(jiān)測設備狀態(tài)并傳輸數(shù)據(jù)至遠程監(jiān)測平臺。通過多軸自由度相機和氣體檢測器，實現(xiàn)了對隧道內(nèi)部環(huán)境的全面監(jiān)測，并采用無線通信模塊確保數(shù)據(jù)傳輸。相較于傳統(tǒng)人工巡檢，該裝置自動化程度高，降低了勞動強度，提高了效率，減少了事故概率。綜合測試驗證了其可靠性和穩(wěn)定性，為提升隧道安全管理水平和效率提供了技術(shù)支持。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能巡檢；狀態(tài)監(jiān)測；監(jiān)控平臺

U456.3A351233

作者簡介：

周忠瑤（1988—），碩士，工程師，主要從事高速公路機電工程項目建設管理工作。

0" 引言

隨著我國公路建設的蓬勃發(fā)展，高速公路的隧道數(shù)量持續(xù)增加。當前，我國高速公路隧道主要采用人工巡檢方式。盡管這種方式具有一定的便利性，如設備操作簡單、巡檢流程靈活以及問題處理及時等，但在實踐中卻面臨諸多挑戰(zhàn)。由于隧道內(nèi)車流密集、空間有限且環(huán)境質(zhì)量較差，使設備的日常維護和事故排查工作變得異常困難。這不僅增加了勞動強度，還導致巡檢效率低下、效果不佳。如果工作人員未能及時進行巡檢，可能無法及時發(fā)現(xiàn)機柜設備故障、緊急通話設備損壞、消防設備被盜等緊急狀況，進而引發(fā)隧道內(nèi)的事故而無法及時處理。此外，在高速公路隧道這樣的復雜環(huán)境中進行人工巡檢，工作人員的人身安全難以得到充分保障。因此，研發(fā)更加高效、安全的公路隧道巡檢技術(shù)已成為當務之急。通過引入先進的檢測設備和技術(shù)手段，提高隧道巡檢的自動化和智能化水平，可以降低勞動強度、提高巡檢效率，并確保及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，保障隧道運營的安全性和可靠性。

本文探討了采用智能巡檢機器裝置在復雜、危險的高速公路隧道環(huán)境中替代人工巡檢的方案。智能巡檢機器裝置能夠?qū)λ淼纼?nèi)的設備狀態(tài)、車輛行駛狀態(tài)和路面狀況進行長期、實時且連續(xù)的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，實現(xiàn)高效的自動化巡檢。通過實施相應的維護、維修和管理措施，可以有效排除隧道安全隱患，降低事故發(fā)生率，并減少由此帶來的生命和財產(chǎn)損失。一旦隧道內(nèi)部發(fā)生突發(fā)情況，智能巡檢機器裝置還能迅速響應，第一時間處理事故，以減輕損失。

1" 發(fā)展現(xiàn)狀及問題分析

1.1" 發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，高速公路隧道智能巡檢裝置的發(fā)展迅速演進，運用了多種先進技術(shù)，包括智能傳感器、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、機器人巡檢等。這些技術(shù)的應用大幅提升了隧道內(nèi)部參數(shù)的實時監(jiān)測能力，能夠及時識別隧道內(nèi)的異常情況，并實現(xiàn)遠程監(jiān)控和故障診斷。成健等［1］設計了一款電纜式隧道巡檢裝置，該裝置由底盤、機械臂和攝像頭等部分組成，采用履帶輪臂式結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、爬坡、越障礙物等功能。黃雙得等［2］設計研發(fā)了一種架空式巡檢機器人，其整體結(jié)構(gòu)涵蓋軌道、導向、傳動和制動等關(guān)鍵組成部分。在軌道方面，該設計采用了經(jīng)過改良的工字梁軌道，材料選用了高強度的鋁合金，以確保機器人在運動過程中具備穩(wěn)固的支撐和導向。傳動系統(tǒng)采用齒輪齒條傳動，提高了巡檢機器人的運動精度和穩(wěn)定性。劉旭等［3］提出了一種創(chuàng)新的可升降式智能巡檢裝置，主要包括巡視車、移動升降平臺、巡視軌道、監(jiān)測設備和顯示裝置等組成。其中，顯示裝置在系統(tǒng)中充當信息接收和指令發(fā)送的關(guān)鍵節(jié)點，用于準確掌控巡視車的行進和攝像頭的方向調(diào)整等核心功能。移動升降平臺的任務是精準控制小車的升降過程，使其能夠順暢移動到指定的軌道，完成巡視檢測任務。該設計的核心在于通過各個組成部分的有機協(xié)作，實現(xiàn)智能巡檢裝置的高效運行和操作的靈活性。

然而，盡管巡檢機器人的研發(fā)取得了進展，但目前市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品較多都不滿足高速公路隧道這類特殊環(huán)境的需求，如更精準的數(shù)據(jù)分析、遠程管理的智能化以及對多種隧道環(huán)境下的適應性等。因此，設計一個更全面、智能化且適應不同隧道特性的高速公路隧道智能巡檢裝置成為迫切的需求和挑戰(zhàn)。

1.2" 問題分析

全國各地的主要地形特點各有不同，有丘陵、平原、山地或者其他類型的地貌。其中，丘陵地形所在地的地勢變化多端、錯綜復雜。這種獨特的地貌條件，使得在構(gòu)建高速公路時，必須通過大量建設隧道來穿越這些復雜地形。然而，隧道的封閉性特質(zhì)使得其在人員進行設備巡檢時，存在較為嚴重的交通安全隱患。因此，為了確保在設備復檢時隧道行車的安全，自動巡檢裝置的研發(fā)成為了高速公路隧道運維的核心任務。然而，在隧道中應用自動巡檢設備時，存在一些技術(shù)難點。

（1）由于隧道環(huán)境的特殊性，許多設備都是獨立運作的，因此在收集和匯總設備數(shù)據(jù)時需要耗費大量的人力資源。同時，市場上大多數(shù)隧道機電設備在數(shù)據(jù)傳輸時采用有線方式，這不僅導致了線路的復雜性，還存在有線束縛的問題，給操作帶來不便［4］。為了避免有線束縛，可以通過使用Lora、Zigbee、BLE等無線通信方式，完成數(shù)據(jù)的傳輸［5-6］。當巡檢裝置到達待檢設備區(qū)域時，通過無線模塊發(fā)出指令至待檢設備，待檢設備回傳狀態(tài)數(shù)據(jù)完成檢查。

（2）目前，市場上現(xiàn)有的隧道巡檢產(chǎn)品數(shù)量較少，且大多數(shù)采用履帶和滾輪式的方式進行移動，這種設計需要占用隧道兩側(cè)的應急橫道，若應急橫道上存在障礙物，則巡檢機器人需要進入隧道內(nèi)部才能完成越障動作，這無疑增加了安全隱患。為了解決這類問題，可以選擇在隧道壁上安裝軌道，避免占用應急橫道，減少因障礙物導致裝置無法前行的可能。

（3）目前市場上多數(shù)巡檢設備沒有可視化的平臺，在后期管理中存在不便。因此，可以設計一種基于該巡檢裝置的可視化平臺，便于后續(xù)運維管理使用。

高速公路隧道智能巡檢裝置的設計研究/周忠瑤，李小勇

2" 改進方法及設計

本文提出了一種隧道智能巡檢裝置的設計方案。該智能巡檢裝置由巡檢小車、終端數(shù)傳模塊、巡視軌道和隧道巡檢監(jiān)測平臺等部分組成。在隧道壁上安裝巡視軌道，并將巡檢小車部署在高速公路隧道的左右洞壁上，由隧道所屬的收費站進行監(jiān)控和管理。隧道巡檢監(jiān)測平臺用于管理和匯總巡檢小車所采集的數(shù)據(jù)，對此進行分析和處理，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

考慮到履帶和滾輪式設計可能擋住隧道兩側(cè)的應急橫道，本次設計中巡視小車采用沿著隧道頂部鋪設的鋁合金軌道運行的方式。這樣的設計不僅避免了占用應急橫道，還能使巡檢小車在隧道內(nèi)部進行快速、高效的巡檢。在實際工程實施時，還可以根據(jù)隧道現(xiàn)場地形設計和預制相應的彎曲度和坡度軌道，以適應不同隧道的巡檢需求。

巡檢小車硬件集成由自由度相機、藍牙通信模塊、氣體檢測器、ROS開發(fā)板、傳動裝置和電源等模塊組成。自由度相機具備多軸自由度的拍攝功能，用于識別設備和軌道位置和捕捉突發(fā)情況。該相機能捕捉多角度、多方向圖像，擴展了小車的視野和圖像獲取能力。藍牙通信模塊用于與終端數(shù)傳模塊進行無線通信，使小車能夠遠程接收終端數(shù)傳模塊傳來數(shù)據(jù)。氣體檢測器用于實時監(jiān)測隧道內(nèi)汽車尾氣含量，及時檢測并報告有害氣體濃度異常情況，并根據(jù)隧道內(nèi)氣體濃度，控制隧道內(nèi)排氣裝置。ROS開發(fā)板作為核心處理器，負責整個系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)。電源模塊提供穩(wěn)定的電力支持，確保各設備正常運行。這些硬件組件的集成增強了巡檢小車的視覺感知、通信能力和安全監(jiān)測功能，為其在不同環(huán)境中的應用提供了技術(shù)支持。

終端數(shù)傳模塊用于隧道設備的無線數(shù)據(jù)傳輸，有些傳統(tǒng)設備沒有無線接口，因此將待檢設備的數(shù)據(jù)通過485或232總線傳輸至終端數(shù)傳模塊，終端數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)進行封裝成幀后，通過BLE mesh技術(shù)無線傳輸至巡檢小車。終端數(shù)傳模塊由STM32主控板、485轉(zhuǎn)換模塊、232轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊組成，通過將接收到的總線數(shù)據(jù)進行整合、處理后，統(tǒng)一協(xié)議格式并通過藍牙模塊傳輸，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸功能。

通過隧道巡檢監(jiān)測平臺，隧道巡檢機器人得以獨立運行。監(jiān)控中心的工作人員可以實時查看巡檢小車的巡檢狀態(tài)以及周圍環(huán)境信息。此外，監(jiān)控中心還能接收工作人員的指令，自動向巡檢小車發(fā)送巡檢任務。這種先進的配置不僅提高了隧道巡檢的效率，還增強了安全性，顯著降低了人工巡檢的風險。遠程集控中心平臺采納MVC架構(gòu)。這種軟件設計模式常見于Web應用程序開發(fā)，包括模型、視圖、控制器三部分分層結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢在于降低開發(fā)復雜度、增進代碼復用，并有利于后續(xù)的測試與維護工作。本次設計的用戶界面由以下模塊組成：

（1）用戶登錄。用戶首先需要通過賬號和密碼完成登錄，以確保系統(tǒng)的安全性和用戶權(quán)限控制。登錄成功后，用戶可以進入系統(tǒng)的主界面。

（2）設備狀態(tài)實時監(jiān)測。用戶可以查看隧道內(nèi)巡檢設備所獲取的實時狀態(tài)信息，包括各設備的工作狀態(tài)、溫度、濕度、電壓等。通過圖表、數(shù)字等形式直觀地展示，方便用戶全面了解設備的運行情況。

（3）設備待處理提示。當設備出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)會實時監(jiān)測并向用戶發(fā)送提醒信息，以便用戶及時采取措施進行處理。提醒信息可以通過彈窗、手機短信、電子郵件等多種方式進行提示，保證用戶及時獲得設備異常情況的通知。

（4）歷史數(shù)據(jù)查詢。用戶可以選擇設定時間范圍，查詢歷史數(shù)據(jù)，包括設備狀態(tài)數(shù)據(jù)和各項參數(shù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)會將歷史數(shù)據(jù)保存在云服務器中，用戶可以通過該模塊方便地獲取和分析歷史數(shù)據(jù)，以便進行設備狀態(tài)的評估和改進。

3" 試驗測試

為了進一步驗證隧道巡檢裝置的實用性，分別在試驗室和園區(qū)隧道模擬測試點進行試驗測試。試驗室主要關(guān)注系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準確性、無線通信距離、設備運動情況以及環(huán)境參數(shù)獲取等功能。隧道模擬測試點則主要用于對設備進行整體性測試。

在試驗室測試中，通過對比自由度相機拍攝的圖像與實際場景，驗證了圖像捕捉的準確性。系統(tǒng)成功捕獲了多個角度、多方向的圖像，確保了對隧道內(nèi)部細節(jié)的全面監(jiān)測。針對終端數(shù)傳模塊的無線通信功能進行了測試，評估了其在不同距離下的傳輸性能。試驗結(jié)果顯示，在600 m的范圍內(nèi)，數(shù)傳模塊能夠穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，確保了與巡檢小車的有效通信。在設備運動情況的測試中，對巡檢小車沿著鋁合金軌道運行的穩(wěn)定性和靈活性進行了驗證。通過多次模擬巡檢，確認了小車在高速公路隧道環(huán)境中的平穩(wěn)運行和靈活轉(zhuǎn)向能力，保證了巡檢任務的順利執(zhí)行。

在園區(qū)內(nèi)的隧道模擬測試點更貼近真實隧道環(huán)境，對裝置進行了全面的性能測試，確保其在實際應用中的可靠性和有效性。進行了對不同類型地形的測試，包括傾斜、彎道和不同材質(zhì)的軌道，以評估巡檢小車在復雜軌道下的運行表現(xiàn)，如圖2所示。在實際測試中，巡檢小車能夠穩(wěn)定適應各種材質(zhì)的軌道，有效地保持良好的運行軌跡，且巡檢小車內(nèi)置相機能夠清晰捕捉現(xiàn)場畫面，精準識別設備位置，拍攝畫面如圖3所示。在設備采集區(qū)域內(nèi)，巡檢小車能夠與部署在機柜設備附近的終端數(shù)傳模塊建立通信，且穩(wěn)定地采集當前區(qū)域設備的狀態(tài)值。此外，本次測試評估了裝置在高流量情況下的巡檢效率，并對其智能導航功能進行了測試。在不同的測試情景下，驗證了巡檢小車數(shù)據(jù)采集的一致性和準確性。無論是在靜止狀態(tài)下還是在運動中，裝置都能夠穩(wěn)定地采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性。

在隧道巡檢監(jiān)測平臺的驗證過程中，重點聚焦于用戶界面的設計和各功能模塊的實現(xiàn)，如圖4所示。界面設計遵循直觀易用、簡潔明了、友好化的原則，確保用戶能夠迅速理解界面的功能和操作方式，同時避免信息過載和混亂。驗證表明，用戶登錄模塊安全可靠，實現(xiàn)了系

統(tǒng)的安全性和權(quán)限控制；設備狀態(tài)實時監(jiān)測模塊通過圖表、數(shù)字等直觀方式展示設備運行數(shù)據(jù)，使用戶能全面了解設備狀態(tài)；設備待處理信息提示模塊實時監(jiān)測設備異常情況并多途徑提示用戶，確保用戶及時獲悉設備狀況；歷史數(shù)據(jù)查詢模塊可方便地獲取和分析歷史數(shù)據(jù)以評估設備狀態(tài)和改進?？傮w而言，這些功能模塊的成功實現(xiàn)保障了平臺為用戶提供便捷操作和全面監(jiān)測的能力，同時確保了系統(tǒng)的可擴展性和穩(wěn)定性，提高了隧道運行的安全性和穩(wěn)定性。

4" 結(jié)語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)與巡檢檢測技術(shù)，設計了一種用于高速公路隧道的巡檢裝置。該裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測隧道內(nèi)設備的狀態(tài)，并將巡檢情況傳輸至隧道巡檢監(jiān)測平臺。此外，還考慮了隧道內(nèi)部環(huán)境的復雜性以及設備的獨立運作情況。通過巡檢小車配備的多軸自由度相機和氣體檢測器，實現(xiàn)了對隧道內(nèi)部環(huán)境的全面監(jiān)測和感知。同時，巡檢小車與終端數(shù)傳模塊的無線通信，使設備數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳輸和匯總，擺脫了傳統(tǒng)有線傳輸方式的局限性和不便。相較于傳統(tǒng)的人工巡檢方式，該裝置實現(xiàn)了高效的自動化巡檢，降低了工作人員的勞動強度，提高了巡檢效率，并大幅降低了因人工巡檢而導致事故的概率。

在一系列綜合測試中，驗證了隧道智能巡檢裝置在各種復雜環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性，這些測試結(jié)果為該裝置在實際隧道巡檢工作中的應用提供了堅實的技術(shù)保障，有助于提高隧道安全管理水平和效率。

綜上所述，本研究提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道巡檢裝置不僅具備實用性和可靠性，還突顯了現(xiàn)代交通管理系統(tǒng)在技術(shù)創(chuàng)新和自動化應用方面的追求和實踐，為未來智慧交通系統(tǒng)的研究和應用奠定了堅實的基礎。

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20240320