公路隧道智能巡檢機器人系統設計與應用分析

中圖分類號：U456.3文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.059文章編號：1673-4874（2025）04-0212-03

0 引言

隨著全球交通運輸業的快速發展，公路隧道的數量不斷增加，成為交通網絡中的重要組成部分[1。然而，隧道內部環境復雜，易受自然災害、火災、交通事故等多種因素的影響，造成嚴重的安全隱患。因此，對隧道進行定期巡檢和維護變得尤為重要。傳統的人工巡檢方式效率低下、成本高昂、危險性大，無法滿足現代交通安全管理的需求。

在此背景下，智能化巡檢機器人應運而生。通過先進的傳感技術、人工智能算法和自動化控制技術，巡檢機器人能夠高效、準確地完成隧道內的巡檢任務，提高隧道的安全性和管理水平2。本文旨在設計一種應用于公路隧道的智能巡檢機器人系統，為隧道安全管理提供一種創新的解決方案。

1 系統架構設計

公路隧道智能巡檢機器人系統的總體架構設計分為硬件系統和軟件系統兩大部分。整個系統的工作流程包括數據采集、處理、傳輸和反饋，確保隧道環境的安全和運營的高效。詳見圖1。

圖1系統整體架構圖

1. 1 硬件系統

硬件系統由機器人本體、各種傳感器模塊和通信設備組成。機器人本體包括機械結構、動力系統、控制模塊和充電模塊。各類傳感器模塊，如氣體傳感器、高清攝像機、紅外攝像機和激光雷達，負責實時采集隧道內的各種數據。通信模塊則確保機器人與管理中心之間的數據傳輸暢通。

整個硬件系統通過各傳感器模塊的協同工作，使巡檢機器人沿軌道運行，實時采集隧道內的環境數據、圖像數據和結構數據，并通過無線通信模塊將數據傳輸到管理中心。管理中心的操作人員通過前端界面實時查看機器人的位置、狀態和采集到的各種數據，確保對隧道情況的全面掌控。

1.2軟件系統

軟件系統包括機器人底層框架、數據處理模塊和用戶界面。機器人底層框架基于ROS2，實現了各硬件模塊之間的高效通信和協調工作3；數據處理模塊負責對采集到的數據進行分析和存儲；用戶界面為操作人員提供了友好的交互平臺。

管理中心通過軟件系統下達巡檢任務，機器人操作系統接收任務并進行解析，控制機器人按照預定路線和策略執行巡檢任務。傳感器采集到的數據傳輸到數據處理模塊，進行實時分析和存儲。AI事件檢測模塊利用機器學習算法分析圖像和傳感器數據，識別異常情況并發出警報。數據處理模塊將分析結果和實時數據通過通信模塊傳回管理中心，用戶界面顯示最新的監控數據和分析結果，供操作人員進行決策和干預。

2硬件設計

在整體硬件系統構建的基礎上，本節進一步詳細闡述各關鍵部件的技術實現與功能特點。硬件設計緊密圍繞隧道巡檢作業對環境適應性、信息感知精度和系統穩定性的要求展開，確保設備在多變的隧道環境中高效運行。如圖2所示，巡檢機器人的整體結構包括攝像模塊、激光雷達模塊、空氣傳感器模塊、緊急通信與廣播語音模塊等。

圖2巡檢機器人整體結構示意圖

2.1智能工控機

智能工控機是隧道巡檢機器人的核心控制單元，負責數據處理、任務調度和系統管理。其由高性能處理器、內存、存儲設備和接口組成。工控機的主要功能是實時處理各種傳感器的數據，執行復雜的計算任務，并協調各個模塊的工作。其強大的計算能力確保機器人能夠在復雜的隧道環境中高效、可靠地運行。

2.2高清及紅外攝像機模塊

高清及紅外攝像機模塊用于實時監控隧道內部情況。高清攝像機提供高分辨率圖像，能清晰捕捉隧道內的細節；紅外攝像機在光線不足或完全黑暗的環境中仍能工作，提供熱成像圖像，檢測環境和物體溫度。此模塊由云臺、高清攝像機、紅外攝像機、圖像處理單元和數據傳輸接口組成，功能是全天候監測隧道內部的情況，幫助檢測結構損壞、識別障礙物并監控環境變化。

2.3激光雷達模塊

激光雷達模塊用于檢測隧道內的形變或異物。模塊通過發射激光束并接收反射回來的信號，測量隧道內的物體距離和形狀，生成二維點云圖。激光雷達模塊的功能是精準檢測隧道內的結構變化，識別并定位潛在的安全隱患，如突出或凹陷的結構、掉落的物體或其他障礙物，確保巡檢過程中的安全性和準確性。

2.4空氣傳感器模塊

空氣傳感器模塊用于監測隧道內的空氣質量，包括溫度、濕度和有害氣體濃度。其由溫濕度傳感器、氣體傳感器和數據處理單元組成。空氣傳感器模塊的功能是實時檢測隧道內的環境參數，對一氧化碳、二氧化碳和其他有害氣體的濃度進行監測，及時發現并預警潛在的安全隱患，如火災、煙霧或有害氣體泄漏，保障隧道內的空氣質量和安全性。

2.5AI事件檢測模塊

AI事件檢測模塊利用人工智能技術分析視頻和傳感器數據，檢測異常事件。其由AI處理器、神經網絡算法和數據接口組成，通過訓練和部署深度學習模型，能夠識別各種異常情況，如火災、煙霧、人員入侵或設備故障等。AI事件檢測模塊的功能是實時分析傳感器和攝像頭的數據，自動檢測并報警，提高隧道巡檢的智能化水平和響應速度，減少人工監控的工作量。

2.6緊急通信與廣播語音模塊

緊急通信與廣播語音模塊用于緊急情況下的雙向通信和廣播通知。其由麥克風、揚聲器、通信接口和控制單元組成。這個模塊的主要功能是確保在緊急情況下，隧道內的人員或車輛能夠與管理中心保持實時對講通話，同時能夠通過廣播系統向隧道內的所有人員發布緊急通知和指令。緊急通信與廣播語音模塊保障信息的快速傳達，提高應急響應的效率和救援效果。

3軟件管理平臺設計

3.1軟件架構設計

軟件管理平臺由前端系統和后端系統兩部分組成，各自承擔不同的功能和技術實現。前端系統基于SpringBoot架構和模塊化設計，確保系統的可維護性和獨立開發能力。前端使用Rosbridge消息傳遞機制實現與機器人之間的通信，確保數據采集和指令控制的實時性。Netty技術用于平臺與前端頁面之間的實時消息反饋，使操作人員可以即時獲得機器人的狀態信息，并進行必要的操作。

后端系統基于ROS2實現消息傳遞機制，簡化了機器人各部件之間的通信過程。后端系統整合了隧道巡檢機器人的各個部件和傳感器，提供底層框架，實現集中控制和數據采集并供外部管理平臺或工具的調用接口，使用戶可以遠程控制和監測隧道巡檢機器人，增強了系統的靈活性和高效性。

前后端系統通過高效的通信機制進行數據交互和命令傳遞，前端系統采集到的數據和用戶指令通過ROS-bridge和Netty傳輸到后端系統，后端系統進行處理后，執行相應的操作并返回結果給前端。使用戶通過前端界面實時監控和操作隧道巡檢機器人，確保系統的高效運行和管理。

3.2系統管理平臺功能

系統管理平臺的主要功能是對多臺隧道巡檢機器人進行管理、控制和數據采集。平臺提供了直觀的用戶界面，通過實時監控和操作界面，使操作人員能夠高效地管理和控制機器人，如圖3所示。

在管理界面中，用戶可以下發自動化巡檢任務，采集隧道中路面狀況、隧道設施、環境狀況、安全狀況等關鍵數據。事件分析結果和關鍵數據會顯示在界面上，便于操作人員進行分析和決策。通過機器人控制模塊，用戶可以實時控制機器人的前進、后退、抓拍、調整視角和開啟警報燈等操作，確保機器人能夠有效地執行巡檢任務。

界面上實時顯示當前機器人的狀態信息，包括速度、電量、電機狀態、傳感器狀態等，確保操作人員能夠隨時掌握機器人的運行狀況。通過實時環境數據模塊，用戶可以查看隧道內的溫度、濕度、二氧化碳濃度、甲烷濃度、PM2.5、PM10等環境數據，及時發現和處理潛在的安全隱患。

圖3隧道巡檢機器人管理平臺主界面示例圖

4 應用效果分析

在思防高速公路上，長度為1000m的捂銀山隧道的左右洞，各部署了一套隧道巡檢機器人系統（見圖4）。經過6個月的實際運行，該系統設備運轉一切正常，表現出高穩定性和可靠性。

圖4隧道巡檢機器人運行示例圖

隧道巡檢機器人系統在提高巡檢效率和精確度方面表現優越。傳統的人工巡檢方式效率低下且容易遺漏潛在的安全隱患，管理人員在隧道中巡檢也存在一定安全隱患4，而智能巡檢機器人系統通過自動化和智能化的巡檢任務，實現了對隧道內環境的全面監控。機器人系統能夠快速檢測隧道內的路面狀況、設施、環境和安全狀況，并提供詳細的數據分析和報告，顯著提升了巡檢效率和精確度。

隧道巡檢機器人系統顯著提升了隧道的安全性。通過實時監測和數據分析，機器人能夠及時發現隧道內的異常情況，例如異物侵入、火災、煙霧等，并迅速發出警報通知管理中心。操作人員能夠通過系統界面實時查看機器人的狀態和環境數據，并根據實際情況進行應急處理。這種實時監控和預警機制有效減少了安全事故的發生，保障了隧道的運營安全。

隧道巡檢機器人的運行數據也展示了其穩定性能：巡檢速度可調范圍為 0～1.5m/s 具備IP53防水防塵等級，能夠在 -10^°C～50^°C 的環境溫度下正常工作，待機時間 gt;24 h，續航時間 ，充滿電續航距離 gt;60km 充電時間 lt;6h 其功能包括主動避障、自動充電、自動設備巡檢、手動巡檢和自動設備拍照。

隧道巡檢機器人系統通過提高巡檢頻率和精確度，降低了運維成本，并顯著提升了隧道的安全性和可靠性[5]。該系統的成功運行為隧道管理和維護提供了一種高效、安全、經濟的解決方案，具有重要的推廣價值。

5結語

本文設計并分析了應用于公路隧道的智能巡檢機器人系統，通過詳細介紹其硬件設計、軟件管理平臺及實際應用效果，驗證了系統的可行性和優越性能。隧道巡檢機器人系統的成功部署和運行，顯著提升了隧道巡檢效率和安全性，可以替代對隧道中部分固定機電設備的功能，節省人工巡檢時間及成本，提高了安全性及可靠性，實現降本增效，證明了智能化技術在交通基礎設施管理中的重要作用。

隧道巡檢機器人系統在捂銀山隧道的應用，為智能化隧道巡檢提供了寶貴的經驗和示范。未來，隨著技術的不斷進步和完善，智能巡檢機器人系統將會在更多的交通基礎設施中得到廣泛應用，進一步提升交通安全管理水平，保障人民的出行安全。

參考文獻

[1]柯瓊創.高速公路隧道機電設計研究[J.科學與財富，2017（12）：108，109.

[2]彭道剛，周威儀，葛明，等.發電廠智能巡檢機器人關鍵技術及應用發展趨勢[J」.自動化儀表，2023，44（7）：1-7.

[3]李恒，楊亮，曾碧，等.基于ROS的移動機器人仿真實驗平臺設計與實現[J].電子設計工程，2022，30（14）：53-57，63.

[4]王益維，葉蕾.巡檢機器人在公路隧道中的應用設計[J.中國交通信息化，2023（12）：102-104.

[5]孫治文.基于智能巡檢機器人的變電站運維系統的研究[J].自動化應用，2023，64（13）：18-20