智能機(jī)械臂在公路隧道事故救援和管養(yǎng)中的應(yīng)用分析

王文浩

（河北省高速公路榮烏管理處，河北 徐水 072550）

1 引言

中國是世界上公路隧道規(guī)模最大、運(yùn)營里程最長的國家之一。公路隧道作為高速公路建設(shè)的重要組成部分，對道路的通行和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著非常重要的作用[1]。由于隧道長且空間相對封閉，以及能見度低且空氣質(zhì)量差的特點(diǎn)，造成了一系列嚴(yán)重影響交通運(yùn)營安全的問題。作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，如何應(yīng)用現(xiàn)代科技給乘客提供最為安全的出行服務(wù)，已經(jīng)成為當(dāng)前亟待解決的重要問題[2]。一些較為先進(jìn)的救援設(shè)備，如履帶式、行走式機(jī)器人等，這些設(shè)備移動速度較慢，比較昂貴；且設(shè)備受到自身穩(wěn)定性約束，不能承載較重物體，不能多角度對事故點(diǎn)進(jìn)行救援。本文綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，從檢測感知、作戰(zhàn)指揮、人員安全管理方面對智能機(jī)械臂在救援滅火方面進(jìn)行了分析；從隧道土建結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)施方面對智能機(jī)械臂在養(yǎng)護(hù)管理方面進(jìn)行了分析，不僅能滿足日常監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)需求，還保障了事故發(fā)生的高效救援，同時(shí)，對行車人員的生命財(cái)產(chǎn)安全大有裨益。

2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

隨著高速公路隧道里程的不斷增加，智能化的公路隧道管理已經(jīng)得到了人們越來越多的關(guān)注[3]。從近年來國內(nèi)外發(fā)生的重特大隧道火災(zāi)事故可知，我國的隧道火災(zāi)發(fā)生概率明顯高于其他國家，形勢不容樂觀[4]。

隨著社會的發(fā)展，對智能化救援方法的研究越來越多。1986 年，日本消防廳首次使用消防機(jī)器人進(jìn)行滅火，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)WOLF 等研究了一種能夠運(yùn)動空間大和探測范圍廣的可移動機(jī)器人[5]。此后，美國的In Rob Tech 公司研制了FFR-1型消防機(jī)器人，該機(jī)器人采用遙控控制，可以爬30°的坡度，跨越高度為20 cm 的障礙。

1997 年，我國開始研究了救援消防機(jī)器人。2002 年6 月，由上海強(qiáng)師消防裝備有限公司研制的消防滅火機(jī)器人JMX-LT50 誕生，其采用輪式行走機(jī)構(gòu)[6]。2014 年，沈陽自動化研究所研究了一種能夠折疊變形的履帶式救援機(jī)器人。

雖然滅火救援設(shè)備種類繁多，但在處理火災(zāi)、幫助被困人員逃生等方面仍存在諸多不足。例如，高壓脈沖設(shè)備和水消防設(shè)備都需要人工操作，當(dāng)產(chǎn)生大量煙霧時(shí)，救援人員無法確認(rèn)著火點(diǎn)具體位置，無法在最短的時(shí)間內(nèi)使用救援設(shè)備。

綜上所述，目前，對于現(xiàn)代化智能救援機(jī)器人的研究發(fā)展迅速，但針對隧道事故特征以及空間特性的智能化救援設(shè)備研究較少，成果不明顯。傳統(tǒng)隧道救援設(shè)備操作容易受到局限，自動化程度不夠高，而救援機(jī)器人存在其成本高、無法承受較重物資、移動速度慢不能及時(shí)到達(dá)救援點(diǎn)、道路堵塞時(shí)設(shè)備無法通行等缺點(diǎn)，在隧道救援中效果一般。

3 智能機(jī)械臂在公路隧道偵察滅火救援中的應(yīng)用

3.1 全方位的檢測感知

對災(zāi)害現(xiàn)場情況的偵察工作是滅火救援作戰(zhàn)的重要保障，為達(dá)到該研究的主要目標(biāo)，避免軌道移動機(jī)械臂與隧道壁上的設(shè)備發(fā)生沖突，實(shí)現(xiàn)救援時(shí)軌道機(jī)械臂能夠第一時(shí)間快速移動到突發(fā)事件現(xiàn)場，所以，本文主要研究軌道移動機(jī)械臂安裝在隧道頂部上的場景。目前，隧道壁上的檢測工作主要是在機(jī)械臂上安裝圖像傳感器（攝像機(jī)），利用攝像機(jī)通過對隧道進(jìn)行內(nèi)部觀察，然后，利用一些儀器進(jìn)行隧道檢測，但這些其實(shí)都無法保證對災(zāi)害現(xiàn)場情況的全面掌握。通過在機(jī)械臂上布置微型的多功能傳感器，形成隧道的偵察傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 智能的作戰(zhàn)指揮方位

智能機(jī)械臂是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于消防應(yīng)急領(lǐng)域，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對無線傳感器及其圖像反饋回來的信息進(jìn)行分類匯總，并通過監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控站向操作員發(fā)出緊急求助信號，為操作員的滅火救援戰(zhàn)斗提供有效信息。利用已經(jīng)安裝在機(jī)械臂上的GPS 定位系統(tǒng)，及時(shí)將車輛的位置信息發(fā)送到電腦中，然后，利用事先在機(jī)械臂上裝配好的RFID 電子標(biāo)簽，統(tǒng)計(jì)好救援車輛的類型、車輛數(shù)量、救援人員數(shù)量，以及所屬單位和配備的裝備，并且在救援車輛到達(dá)之前，預(yù)先為車輛確定?？课恢煤头峙渥鲬?zhàn)任務(wù)。統(tǒng)一有序的管理，不僅能提高救援指揮效率，還能將災(zāi)害損失降到最小。

3.3 智能的人員安全管理

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，往往需要救援人員進(jìn)入現(xiàn)場探查火災(zāi)的情況，但火災(zāi)現(xiàn)場的溫度以及煙霧濃度對救援人員的生命安全產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅，智能機(jī)械臂為解決這一問題提供了方法。進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場的救援人員都會攜帶存儲溫度、煙霧濃度壓力、特定的編號以及姓名等信息的電子標(biāo)簽。在智能機(jī)械臂安裝的隧道地圖可以實(shí)時(shí)顯示隧道內(nèi)全貌，通過定位功能對救援人員的路線進(jìn)行跟蹤，以實(shí)時(shí)確定各種醫(yī)療儀器的使用狀態(tài)和人員位置。一旦當(dāng)救援人員的生命體征參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，醫(yī)療儀器就會自動震動，提示救援人員趕緊撤離，為保護(hù)救援人員產(chǎn)生了極大的作用。

4 智能機(jī)械臂在公路隧道管理與養(yǎng)護(hù)方面的應(yīng)用

4.1 公路隧道土建結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)管理

土建結(jié)構(gòu)的最主要的養(yǎng)護(hù)管理工作首先是清潔、維修和結(jié)構(gòu)檢查；其次是病害處治。公路隧道土建結(jié)構(gòu)的清潔、維修，主要是采用機(jī)械臂模仿人的手功能，利用軟布、水槍進(jìn)行照明燈具擦拭、頂部結(jié)構(gòu)物的臟污及標(biāo)志牌的清理，保持外觀的干凈。另外，一般在嚴(yán)寒地區(qū)春季冰雪融化后，隧道內(nèi)部可能會出現(xiàn)掛冰、漏水的情況，通過在機(jī)械臂上安裝超聲波檢測儀和全站儀，進(jìn)行滲漏水以及結(jié)構(gòu)變形的檢查，以達(dá)到保養(yǎng)維修、病害處治的目的。

4.2 公路隧道內(nèi)部設(shè)施的養(yǎng)護(hù)管理

公路隧道內(nèi)部設(shè)施的養(yǎng)護(hù)主要包括供配電設(shè)施、監(jiān)控設(shè)施、照明設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施及救援設(shè)施的維護(hù)。考慮到當(dāng)前國內(nèi)高速公路的隧道結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且隧道內(nèi)部的機(jī)電設(shè)施功能多樣,所以,在進(jìn)行隧道機(jī)電設(shè)施養(yǎng)護(hù)時(shí)必須首先對隧道的通風(fēng)通道進(jìn)行檢查,并借助各類儀器實(shí)現(xiàn)對隧道內(nèi)外部環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。常用的儀器主要有煙霧傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體探測器（O2、H2S、CO、CH4）等。

5 結(jié)語

隧道事故救援、管理和維護(hù)是保證公路交通安全運(yùn)行的重要手段。世界上許多國家對公路隧道的安全和健康狀況進(jìn)行了大量的研究，建立了各種的救援及管養(yǎng)系統(tǒng)，但是，大多數(shù)檢測系統(tǒng)的智能化、自動化程度相對較低。因此，為了實(shí)現(xiàn)公路隧道交通事故下的智能、靈活、高效救援，該系統(tǒng)通過在隧道頂部設(shè)置軌道移動智能機(jī)械臂，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立了智能化機(jī)械臂救援和管養(yǎng)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)運(yùn)營管理和救援指揮快速反應(yīng)的目標(biāo)，最大限度降低了隧道運(yùn)營費(fèi)用和事故危害。