智能隧道檢測車的現(xiàn)狀及改進(jìn)策略

黃丹櫻，韋 強(qiáng)，朱椰毅，范 驍，林浩立

（1.浙江師范大學(xué)工學(xué)院，浙江金華 321004；2.浙江金溫鐵道開發(fā)有限公司，浙江溫州 325000）

1 引言

隨著國家“城鎮(zhèn)化”“一帶一路”和“交通強(qiáng)國”三大戰(zhàn)略的推進(jìn)，越來越多的隧道投入交通運(yùn)營中。根據(jù)2021年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，截至2021年底，我國公路隧道數(shù)量為23 268座，總長度約24 698.9 km，鐵路隧道數(shù)量為17 532座，總長度約21 055 km，城市軌道交通運(yùn)營里程達(dá)8 939 km，其中地下線6 257.3 km（約占城市軌道交通線路總長度的70%），在此背景下隧道數(shù)量及長度在近10年呈逐年增長趨勢(shì)。

鐵路隧道病害的原因涉及到環(huán)境、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)等多個(gè)方面。在隧道建設(shè)過程中由于施工缺陷會(huì)導(dǎo)致病害產(chǎn)生，如拱墻背后空洞、襯砌厚度不足等。實(shí)際運(yùn)營期間，在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生其他嚴(yán)重病害，如襯砌滲漏水、開裂、掉塊，隧底裂損、下沉與翻漿冒泥、上拱、排水系統(tǒng)凍害等。這些病害會(huì)惡化隧道服役性能，降低隧道結(jié)構(gòu)的安全可靠度，威脅線路行車安全。因此，隧道檢測、監(jiān)測已經(jīng)成為建設(shè)之后的重要任務(wù)。

傳統(tǒng)的隧道檢測方式大都是人工手持檢測儀進(jìn)行檢測，因此在檢測過程中會(huì)受到環(huán)境限制，導(dǎo)致產(chǎn)生許多問題，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）隧道內(nèi)部照明不足，僅靠車燈照明會(huì)對(duì)檢測人員的視線造成較大影響，使檢測數(shù)據(jù)誤差過大；

（2）隧道內(nèi)壁表面情況復(fù)雜，會(huì)對(duì)檢測信號(hào)產(chǎn)生影響，極易對(duì)設(shè)備造成損壞或使檢測人員處在危險(xiǎn)中；

（3）在面對(duì)長隧道或隧道群的情況下，需要長時(shí)間交通管制，影響道路正常行駛。

近年來，人工檢測已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展需求，漸漸被人工智能所取代。因此隧道檢測技術(shù)將從有損、接觸式、單一檢測向無損、非接觸式、智能化檢測發(fā)展。除此之外，隨著隧道檢測設(shè)備集成度的提高，面對(duì)成倍增加的隧道病害數(shù)據(jù)，人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)以及機(jī)器視覺等新興技術(shù)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、快速處理和有效反饋，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法從大量隧道病害數(shù)據(jù)中預(yù)測出可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。不僅如此，未來還將有更多檢測技術(shù)應(yīng)用到隧道檢測車上，實(shí)現(xiàn)高效且綜合的檢測。

對(duì)此，本文首先分析當(dāng)前國內(nèi)外隧道檢測技術(shù)的發(fā)展概況，探討軌道交通隧道檢測設(shè)備的不足；其次，闡述應(yīng)用隧道檢測的新技術(shù)，如基于移動(dòng)雷達(dá)技術(shù)的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分析軟件系統(tǒng)和基于機(jī)器視覺的光學(xué)成像、激光測距系統(tǒng)，以求彌補(bǔ)目前檢測設(shè)備的不足之處；最后，預(yù)測隧道檢測車的市場規(guī)模，以期為隧道檢測行業(yè)的發(fā)展提供參考。

2 國內(nèi)外隧道檢測技術(shù)發(fā)展概況

2.1 國內(nèi)外同類技術(shù)研究現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)之后公路隧道檢測技術(shù)快速發(fā)展，伴隨著電荷耦合裝置（CCD）的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)檢測到的圖像信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，該方法在提升隧道病害檢測效率的同時(shí)也增加了硬件成本，使得檢測車的價(jià)格居高不下。

2014年，日本三菱電機(jī)會(huì)社推出公路隧道檢測車MIMM-R，其檢測系統(tǒng)由移動(dòng)圖像采集系統(tǒng)（MIS）和移動(dòng)地圖構(gòu)建系統(tǒng)（MMS）構(gòu)成。車輛能以50 km/h的速度進(jìn)行檢測，且在檢測過程中不影響道路的正常行駛。

對(duì)于鐵路隧道檢測技術(shù)的運(yùn)用，國外普遍采用地質(zhì)雷達(dá)法來檢測運(yùn)營隧道的襯砌質(zhì)量，但裝載地質(zhì)雷達(dá)的快速移動(dòng)車輛平臺(tái)并不多見。為檢查日本新干線隧道的健全性，JR東日本開發(fā)了地質(zhì)雷達(dá)隧道檢測車，如圖1所示，其檢測速度為3.5 km/h。

圖1 JR東日本地質(zhì)雷達(dá)隧道檢測車

目前，我國針對(duì)鐵路隧道病害的檢測大多依賴人工，這種靠肉眼觀測和借助工具測量的方法，無法保證檢測結(jié)果的可靠性，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化隧道質(zhì)量檢測的需求，這將導(dǎo)致大部分的隧道襯砌病害無法被檢測到。國內(nèi)某公司推出鐵路隧道智能三維激光視頻檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成高精度激光掃描儀、高清隧道相機(jī)、激光慣導(dǎo)/里程計(jì)組合定位定姿系統(tǒng)、多傳感器同步控制單元、嵌入式計(jì)算機(jī)以及電源供電系統(tǒng)等設(shè)備，搭載軌道電動(dòng)平臺(tái)，如圖2所示。該系統(tǒng)可對(duì)隧道襯砌掉塊、細(xì)微裂縫、滲水、侵限等指標(biāo)進(jìn)行智能化檢測分析，最高每小時(shí)采集15 km隧道數(shù)據(jù)。

圖2 鐵路隧道智能三維激光視頻檢測系統(tǒng)

2.2 國內(nèi)外隧道檢測系統(tǒng)的技術(shù)對(duì)比

隨著地質(zhì)雷達(dá)、激光測距、機(jī)器視覺等技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外主要隧道檢測系統(tǒng)大都運(yùn)用了上述技術(shù)，采用情況如表1所示。

表1 隧道檢測設(shè)備技術(shù)對(duì)比

由于受固定雷達(dá)技術(shù)的限制，各檢測系統(tǒng)檢測速度大都較慢，雖然可以檢測到隧道裂縫、滲漏水、形變等基本病害，但檢測覆蓋面仍不夠廣。

2.3 隧道病害檢測存在的主要問題

我國隧道檢測技術(shù)起步較晚，而在鐵路檢測方面還處在傳統(tǒng)人工檢測階段，且隧道檢測車在公路隧道檢測方面也只有少量應(yīng)用，與國外相比較為落后。

目前，國內(nèi)隧道檢測車存在以下幾方面的不足：

（1）只檢測隧道內(nèi)壁表面，無法檢測襯砌內(nèi)裂縫的深度、鋼筋缺少、空洞等病害；

（2）無法檢測軌下路基病害；

（3）移動(dòng)速度慢（鐵路隧道檢測車）。

同樣，在國內(nèi)隧道檢測技術(shù)應(yīng)用方面，也存在一些不足，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）缺少快速檢測且能將檢測反饋信息較好融合的設(shè)備，數(shù)據(jù)來源以及每個(gè)指標(biāo)的信息鏈不夠豐富；

（2）檢測、監(jiān)測成套技術(shù)尚未形成體系，沒有建立數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)測、評(píng)估、預(yù)警等功能的集成化平臺(tái)；

（3）缺少危害預(yù)警等級(jí)分類，沒有對(duì)重點(diǎn)檢測、周期檢測和日常檢測項(xiàng)目進(jìn)行區(qū)分；

（4）檢測效率低，檢測手段不規(guī)范；

（5）制度不完善，沒有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 智能隧道檢測車

為提高檢測效率及檢測水平，智能隧道檢測車應(yīng)涵蓋移動(dòng)雷達(dá)技術(shù)和基于機(jī)器視覺的光學(xué)成像、激光測距系統(tǒng)，并需達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)。

（1）自動(dòng)檢測：可對(duì)隧道進(jìn)行連續(xù)掃描，并在線實(shí)時(shí)記錄掃描數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化、智能化。

（2）精度要求：數(shù)碼圖像清晰度不低于1 080 p，襯砌厚度誤差10%以內(nèi)，漏水水源誤差20%以內(nèi)，裂縫精度0.2 mm以下，變形精度0.2 mm，定位精度0.5‰。

（3）移動(dòng)速度：為不影響隧道運(yùn)營和軌道交通隧道檢測的速度與準(zhǔn)確性以及滿足車輛長途運(yùn)行的需求，智能隧道檢測車檢測速度需達(dá)60～100 km/h。

（4）探測深度：探測軌底3 m內(nèi)以及隧道襯砌2.5 m內(nèi)的病害情況，可以有效探測到襯砌內(nèi)的裂縫、空洞以及滲漏水等狀態(tài)。

3.1 移動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)

移動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)是由以探地雷達(dá)基本原理為前提、結(jié)合八通道時(shí)序控制電路形成的八通道探地雷達(dá)系統(tǒng)，選用具有良好時(shí)域脈沖輻射特性的典型超寬帶天線的隧道襯砌超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)，以及基于Windows 10平臺(tái)的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、處理分析軟件系統(tǒng)組成。

3.1.1 探地雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的脈沖源通過發(fā)射天線發(fā)射超寬帶脈沖信號(hào)，信號(hào)以電磁波形式在路基介質(zhì)結(jié)構(gòu)層中傳播時(shí)發(fā)生反射，反射回來的電磁波由接收天線接收。

反射波經(jīng)過不同路基介質(zhì)傳播，脈沖信號(hào)幅度出現(xiàn)不同程度的衰減，其中包含大量的路基剖面的結(jié)構(gòu)信息。當(dāng)連續(xù)測量時(shí)，可以得到一幅連續(xù)的路基剖面探地雷達(dá)圖。本次采用的探地雷達(dá)工作原理如圖3所示，時(shí)序控制電路模塊控制著脈沖源模塊的觸發(fā)、步進(jìn)采樣模塊和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）模塊之間的同步，每路單通道系統(tǒng)產(chǎn)生的4路信號(hào)中，2路信號(hào)用來觸發(fā)脈沖源和采樣頭模塊，另外2路信號(hào)作為采集卡的同步和觸發(fā)信號(hào)。

圖3 脈沖式探地雷達(dá)系統(tǒng)原理圖

3.1.2 八通道探地雷達(dá)系統(tǒng)

探地雷達(dá)系統(tǒng)主要由時(shí)序控制電路模塊、脈沖源模塊、發(fā)射天線與接收天線、采樣模塊與ADC轉(zhuǎn)換模塊以及數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成。多通道探地雷達(dá)與單通道探地雷達(dá)的區(qū)別在于前者具有多組相關(guān)的時(shí)序控制電路、脈沖源模塊和收發(fā)天線等，形成多個(gè)輸入、輸出通道。選用多通道探測可以提升探測精度和快速跟蹤性能。

基于探地雷達(dá)的基本工作原理以及目前探地雷達(dá)系統(tǒng)中主流的超寬帶信號(hào)采樣方法，本文結(jié)合八通道時(shí)序控制電路在等效采集系統(tǒng)中的作用，畫出八通道探地雷達(dá)系統(tǒng)框圖，如圖4所示。

圖4中主控單元是1個(gè)八通道的時(shí)序控制電路板。單通道的探地雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分，即八通道的時(shí)序控制電路、信號(hào)采樣模塊以及恢復(fù)信號(hào)輸出模塊。

圖4 八通道探地雷達(dá)系統(tǒng)框圖

當(dāng)每個(gè)單通道系統(tǒng)工作時(shí)，由八通道的時(shí)序控制電路模塊產(chǎn)生4路有嚴(yán)格時(shí)序的觸發(fā)信號(hào)，分別是同步信號(hào)（SYNC）、AD觸發(fā)信號(hào)（AD_TRIG）、采樣觸發(fā)信號(hào)（SAMPLING_TRIG）和脈沖觸發(fā)信號(hào)（PLUSE_TRIG）。其中PLUSE_TRIG作為脈沖源的觸發(fā)信號(hào)，脈沖源產(chǎn)生的窄脈沖輸出信號(hào)作為發(fā)射天線和接收天線（T/R）的激勵(lì)信號(hào)輸入到天線中，地層探測輸出的信號(hào)經(jīng)過接收天線輸入到采樣頭模塊，采樣還原后的信號(hào)再輸入到數(shù)據(jù)（AD）采集卡中，AD采集卡在 SYNC和AD_TRIG作用下將采樣頭傳來的采樣還原信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。

整個(gè)多通道探地雷達(dá)項(xiàng)目系統(tǒng)重要組成模塊的功能如下。

（1）時(shí)序控制電路。對(duì)于每路單通道系統(tǒng)產(chǎn)生4路周期方波信號(hào)，其中2路分別用來觸發(fā)脈沖源和采樣頭模塊，另外2路信號(hào)作為采集卡的同步和觸發(fā)信號(hào)。

（2）脈沖源電路。基于階躍恢復(fù)二極管脈沖產(chǎn)生技術(shù)與非線性傳輸線脈沖前沿加速方法，產(chǎn)生ns量級(jí)前沿脈沖信號(hào)，作為探地雷達(dá)天線的激勵(lì)信號(hào)。

（3）超寬帶天線。超寬帶天線主要可以分為4種類型，分別為空間互補(bǔ)結(jié)構(gòu)天線、多模諧振天線、漸變結(jié)構(gòu)天線、加載天線，但不論哪種形式的天線 ，遵循的第一設(shè)計(jì)原則都是寬頻帶。

3.1.3 隧道襯砌超寬帶雷達(dá)

在探地雷達(dá)工作系統(tǒng)中，天線作為關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)電磁波的有效輻射和接收。超寬帶天線一般在200 MHz、400 MHz、900 MHz頻段中，不同的天線頻率對(duì)應(yīng)的測量深度以及分辨率不同，從而使得系統(tǒng)能夠適用于不同的工作環(huán)境?；趯?duì)系統(tǒng)工作性能的實(shí)際需求，探地雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)要求主要有以下幾點(diǎn)：

（1）由于源信號(hào)是超寬帶的窄脈沖信號(hào)，天線的頻帶要和源匹配，探地雷達(dá)天線應(yīng)該是超寬帶天線；

（2）除頻域輻射性能以外，探地雷達(dá)天線還應(yīng)該具有良好的時(shí)域脈沖輻射特性；

（3）為保證系統(tǒng)的整體性，探地雷達(dá)天線應(yīng)該具有簡單、輕便、易集成的結(jié)構(gòu)。

基于以上分析，在探地雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)該選用具有良好時(shí)域脈沖輻射特性的典型超寬帶天線，理論上可以傳輸保型性好、拖尾小的時(shí)域脈沖信號(hào)。但在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，要考慮天線耦合饋電部分的阻抗匹配特性、天線工作頻段與源信號(hào)的匹配關(guān)系、天線結(jié)構(gòu)末端引起的反射等因素，這些都會(huì)對(duì)天線的時(shí)域特性造成影響。

對(duì)200 MHz天線在CST仿真軟件的環(huán)境下進(jìn)行測試。回波損耗是傳輸線端口的反射波功率與入射波功率之比，一般用其反映天線的匹配特性，以對(duì)數(shù)形式的絕對(duì)值來表示，單位是dB。天線增益則是用來衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力。200 MHz天線的回波損耗如圖5所示，工作頻帶覆蓋180～640 MHz，相對(duì)帶寬255%，符合超寬帶的要求，該天線的增益如圖6所示，在工作頻帶內(nèi)，主輻射方向的增益從1.8 dB逐漸提升至 6 dB。

圖5 200 MHz時(shí)域脈沖輻射天線回波損耗曲線圖

圖6 200 MHz時(shí)域脈沖輻射天線主輻射方向增益隨頻率變化曲線圖

天線具有超寬帶的輻射性能，在工作頻帶內(nèi)增益高，前后比大，方向性好。時(shí)域測試結(jié)果同樣表明該天線具有拖尾短、震蕩低的優(yōu)點(diǎn)，可以運(yùn)用到隧道襯砌超寬帶雷達(dá)收發(fā)子系統(tǒng)的開發(fā)中。

3.1.4 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、處理分析軟件系統(tǒng)

該軟件系統(tǒng)在一定程度上建立集數(shù)據(jù)采集、預(yù)測、分析、預(yù)警等功能為一體的集成化平臺(tái)，解決數(shù)據(jù)鏈單一，反饋信息融合性差等問題。

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集軟件基于Windows10平臺(tái)。該軟件應(yīng)具有雷達(dá)數(shù)據(jù)八通道實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、顯示及數(shù)據(jù)回放功能，實(shí)現(xiàn)每秒1 000次的異步輸入 / 輸出（I / O），滿足探地雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的需求。

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)分析處理軟件基于Windows10平臺(tái)，采用C#編程語言，編譯環(huán)境為visual studio 2019，支持Microsoft Excel文件導(dǎo)出。如圖7、圖8所示，該軟件具有去零偏、自適應(yīng)去背景、濾波、信號(hào)放大、希爾伯特變換、預(yù)測反褶積、頻率增益、偏移處理等算法，且可以實(shí)現(xiàn)不同算法之間的處理結(jié)果對(duì)比。

圖7 放大+去背景處理結(jié)果

圖8 放大+去背景+算術(shù)運(yùn)算處理結(jié)果

3.2 圖像檢測系統(tǒng)

目前光學(xué)成像、激光測距系統(tǒng)相對(duì)成熟，國內(nèi)企業(yè)、機(jī)構(gòu)均有應(yīng)用。綜合國內(nèi)外隧道檢測車的特點(diǎn)，基于機(jī)器視覺的隧道襯砌裂縫自動(dòng)圖像檢測系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：自動(dòng)圖像采集；自動(dòng)對(duì)焦；自適應(yīng)照明；自適應(yīng)路面起伏；圖像陣列自適應(yīng)隧道拱頂弧度；自動(dòng)標(biāo)定；自動(dòng)定位圖像位置；自動(dòng)圖像處理；自動(dòng)圖像分析，測算裂縫參數(shù)；利用AI技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)各種形態(tài)的裂縫進(jìn)行分類、分析，預(yù)測未來的可能災(zāi)害。

4 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益評(píng)估

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

智能隧道檢測車可以填補(bǔ)目前包括公路隧道、鐵路隧道、城市軌道交通隧道、軍事用途山體隧道等檢測市場的空缺。且當(dāng)前檢測車市場需求巨大，前景廣闊，以每座隧道檢測周期為1年計(jì)，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀，如表2所示。

表2 隧道市場規(guī)模測算表 億元

4.2 社會(huì)效益

智能隧道檢測車的社會(huì)效益主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）提升行業(yè)科技水平、管理水平，推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。通過技術(shù)升級(jí)，提高隧道檢測水平，保證檢測的深度和質(zhì)量；推動(dòng)隧道管理從被動(dòng)維修轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)預(yù)防，從事后應(yīng)急轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑疤幹?；將隱患消滅在萌芽狀態(tài)，減少隧道突發(fā)事件的發(fā)生。

（2）改變目前隧道檢測的現(xiàn)狀。智能隧道檢測車采用多項(xiàng)新技術(shù)，從根本上改進(jìn)以往隧道檢測的落后技術(shù)手段，節(jié)約大量檢測成本，最大限度降低對(duì)交通的影響；保證檢測人員的人身安全，降低檢測人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；為養(yǎng)護(hù)管理提供直接的數(shù)據(jù)和依據(jù)，極大提高檢測的精度和工作效率，為研究分析病害變化提供便利。

（3）引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，發(fā)揮輻射帶動(dòng)作用，對(duì)隧道檢測設(shè)備的升級(jí)換代具有極強(qiáng)的示范效應(yīng)。

5 結(jié)論

綜上所述，針對(duì)目前隧道檢測技術(shù)的不足，本文提出運(yùn)用移動(dòng)雷達(dá)技術(shù)和基于機(jī)器視覺的光學(xué)成像系統(tǒng)的解決方案。基于該檢測系統(tǒng)的智能隧道檢測車適用于隧道的各種復(fù)雜檢測環(huán)境，且在提升檢測性能的同時(shí)不增加建設(shè)成本，明確隧道檢測應(yīng)以智能化、信息化為新技術(shù)的導(dǎo)向來滿足當(dāng)前的市場需求。