交通隧道巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形態(tài)及檢測(cè)技術(shù)綜述

鐘福祥 呂鎏棟 黃肖君 鄧迪凡 閔濟(jì)海 朱 凱

（1.浙江省交通投資集團(tuán)有限公司杭金衢分公司杭紹管理處,浙江 紹興 311800；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018；3.南京天創(chuàng)電子技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210012）

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，隧道建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，交通隧道憑借其縮短行車距離的優(yōu)點(diǎn)成為人們?nèi)粘３鲂械氖走x。相較于電纜隧道、綜合管廊等設(shè)施，交通隧道內(nèi)部空間密閉、車流量較大、建筑結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備情形復(fù)雜等，一旦發(fā)生交通事故或火災(zāi)事故，極有可能造成現(xiàn)場(chǎng)人員的重大傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。因此，為了確保交通隧道安全運(yùn)營(yíng)，需要定期對(duì)交通隧道進(jìn)行巡檢，并針對(duì)隧道進(jìn)行特定維護(hù)。通過(guò)定期巡檢和維護(hù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解除隧道內(nèi)的安全隱患，確保交通隧道的安全運(yùn)營(yíng)，減少事故風(fēng)險(xiǎn)，保障行車安全和人員安全。

目前，針對(duì)隧道巡檢，我國(guó)采取的巡檢方式多為人工巡檢，由于隧道環(huán)境陰暗、設(shè)備多且線路復(fù)雜，導(dǎo)致人工巡檢時(shí)效性差、準(zhǔn)確率低。同時(shí)，巡檢人員有一定的主觀性，巡檢結(jié)果的可信度尚需確認(rèn)。此外，人工巡檢的危險(xiǎn)系數(shù)較高，巡檢人員人身安全不能得到保障。過(guò)于依賴人工巡檢，隧道運(yùn)營(yíng)的維護(hù)成本會(huì)逐步提高，檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量和準(zhǔn)確性也不能得到保證。在事故發(fā)生后，不能及時(shí)準(zhǔn)確地了解事故現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置時(shí)效性差，容易造成二次事故。巡檢機(jī)器人通常配備各類傳感器、攝像頭以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，能夠通過(guò)自主操控或遠(yuǎn)程操控對(duì)機(jī)器設(shè)備、隧道環(huán)境等進(jìn)行檢測(cè)和巡檢，自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)收集、現(xiàn)場(chǎng)檢查、異常檢測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能。

1 常見(jiàn)巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形態(tài)

巡檢機(jī)器人有輪式、履帶式、軌道式等多種運(yùn)動(dòng)形態(tài)。輪式巡檢機(jī)器人相較于其他機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)在于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)速度較快，適合用于平整空曠的路面，不適合用于崎嶇不平的地形。履帶式機(jī)器人對(duì)路面的適應(yīng)力更強(qiáng)，可以輕松跨越諸多障礙，適合用于復(fù)雜的路面環(huán)境；但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，維護(hù)和操作成本可能較高。軌道式巡檢機(jī)器人定位精準(zhǔn)，可以按照預(yù)先設(shè)定好的路線行進(jìn)、巡檢并通過(guò)軌道滑行至事故發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信息收集，抵達(dá)固定攝像頭無(wú)法覆蓋的區(qū)域拍攝特定視角的巡檢信息，但也存在充電、行進(jìn)路線受限等問(wèn)題。

1.1 輪式巡檢機(jī)器人

張昆陽(yáng)通過(guò)控制機(jī)器人對(duì)管道內(nèi)生銹、穿孔、裂紋等情況進(jìn)行全方位巡檢，如圖1（a）所示。巴西一礦業(yè)公司探索采礦洞穴的機(jī)器人搭載攝像頭、激光雷達(dá)等多個(gè)傳感器獲取信息，并將信息傳送給專家進(jìn)行遠(yuǎn)程評(píng)估，如圖1（b）所示。黃嘉盛等設(shè)計(jì)了一款可收放輪式巡檢機(jī)器人，利用其升降手臂搭載的攝像頭從多個(gè)角度拍攝巡檢對(duì)象，如圖1（c）所示。上述案例展示了輪式巡檢機(jī)器人在巡檢領(lǐng)域中的應(yīng)用，突顯出輪式巡檢機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)和局限性。

圖1 三種常見(jiàn)的巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形態(tài)

輪式巡檢機(jī)器人采取輪子作為運(yùn)動(dòng)裝置，具有較高的運(yùn)動(dòng)速度和較好的靈活性，能夠在隧道內(nèi)部靈活轉(zhuǎn)向，適應(yīng)不同的彎道并完成巡檢任務(wù)。其輪子與路面的大面積接觸，有較大的摩擦力，適合用于隧道內(nèi)部的平整路面，可以保持相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但是，隧道內(nèi)可能存在臺(tái)階等需要跨越的障礙物，輪式巡檢機(jī)器人在面對(duì)這類情況時(shí)，其穩(wěn)定性和通過(guò)性較差。同時(shí)，輪式巡檢機(jī)器人在處理隧道內(nèi)部復(fù)雜的設(shè)備、管線、結(jié)構(gòu)等方面存在困難，狹窄的通道會(huì)限制機(jī)器人的移動(dòng)能力。此外，由于輪式巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)限制，傳感器不能安裝在其較高的位置以獲得更廣闊的視野和更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集。

1.2 履帶式巡檢機(jī)器人

Song等設(shè)計(jì)的機(jī)器人體型小巧，可以靈活地攀爬在隧道壁面收集溫度、氣體等信息，并輕松穿越隧道中各類障礙物，如圖1（d）所示。Shim等開(kāi)發(fā)的巡檢機(jī)器人可以跨越不超過(guò)5 cm的障礙物，檢查隧道洞體混凝土結(jié)構(gòu)的損壞情況，如圖1（e）所示。徐詩(shī)洋等設(shè)計(jì)了一套子機(jī)和母機(jī)協(xié)同工作的巡檢機(jī)器人，其母機(jī)的行走結(jié)構(gòu)采用履帶式結(jié)構(gòu)，行走速度快且效率高，子機(jī)搭載在其母機(jī)上，兩者配合共同進(jìn)行巡檢工作，如圖1（f）所示。

履帶式巡檢機(jī)器人能夠適應(yīng)復(fù)雜路面環(huán)境，其履帶結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上分散機(jī)器人的質(zhì)量，使機(jī)器人可以搭載更多的設(shè)備和傳感器，攜帶額外的負(fù)載設(shè)備，具有較高的承載能力。然而履帶式巡檢機(jī)器人通常需要較大容量的電池或燃料供應(yīng)以提供足夠的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)履帶行走，與其他機(jī)器人相比，能源消耗較大，后期維修和維護(hù)成本較高。由于采用履帶式結(jié)構(gòu)，行走速度相對(duì)較慢，在某些情況下會(huì)影響到巡檢任務(wù)的效率，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，在一些對(duì)噪聲敏感的環(huán)境中，易造成干擾或不便。

1.3 軌道式巡檢機(jī)器人

蘇州金雞湖隧道和漁洋山隧道的巡檢均采用了軌道式巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人能夠通過(guò)其搭載的可見(jiàn)光攝像頭檢測(cè)隧道內(nèi)的逃生門和設(shè)備箱門開(kāi)閉、裝飾板是否脫落等，同時(shí)結(jié)合紅外攝像頭實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的火源檢測(cè)，搭配定向喇叭可以在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)播放固定的語(yǔ)音內(nèi)容或緊急疏散提示等語(yǔ)音，如圖1（g）所示。浙江馬岙嶺隧道的巡檢使用的軌道式巡檢機(jī)器人能夠在隧道全線范圍內(nèi)移動(dòng)并連續(xù)采集、傳輸、存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的車輛違停、火災(zāi)事故等異常情況，如圖1（h）所示。上海文一路隧道的巡檢使用的機(jī)器人，通過(guò)搭載的檢測(cè)設(shè)備可以針對(duì)隧道路面、襯砌漏水及行車車輛進(jìn)行監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確識(shí)別路面異物、襯砌病害以及車輛異常行為等，如圖1（i）所示。

軌道式巡檢機(jī)器人可以有效利用隧道空間，避免機(jī)器人與其他機(jī)電設(shè)備或障礙物發(fā)生碰撞，提供更大的活動(dòng)空間，實(shí)現(xiàn)高速和連續(xù)地運(yùn)行，不受路面條件的限制，以便機(jī)器人自由行走和進(jìn)行巡檢；可以幫助維護(hù)人員更好地管理和維護(hù)隧道，提高了隧道使用的安全性和可靠性。在設(shè)計(jì)時(shí)軌道式巡檢機(jī)器人，采用了特定的軌道系統(tǒng)，其路徑是預(yù)先設(shè)定好的，按照預(yù)先設(shè)定路徑巡檢，能夠確保巡檢目標(biāo)區(qū)域全覆蓋。但是軌道式巡檢機(jī)器人在遇到障礙物或不規(guī)則地形時(shí)，需要人工干預(yù)來(lái)完成巡檢任務(wù)。此外，軌道的清潔、檢修和維護(hù)會(huì)涉及一定的人力和時(shí)間成本，在出現(xiàn)故障或損壞后，需要及時(shí)修復(fù)和維護(hù)。

2 巡檢機(jī)器人適用的檢測(cè)技術(shù)

視覺(jué)、紅外、三維激光和超聲波檢測(cè)技術(shù)及其傳感器在機(jī)器人中的布置和作用各不相同。巡檢機(jī)器人通過(guò)搭載視覺(jué)、紅外、三維激光和超聲波等傳感器獲得距離、溫度和濃度等關(guān)鍵信息，后續(xù)對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠使巡檢機(jī)器人更全面地了解工作環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、安全問(wèn)題及潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此巡檢機(jī)器人能夠輔助操作人員，在各種環(huán)境中自主、高效地執(zhí)行巡檢任務(wù)，特別是在危險(xiǎn)或惡劣環(huán)境中，大大減少人為干預(yù)的需要。

2.1 視覺(jué)檢測(cè)

在交通隧道中，視覺(jué)檢測(cè)是一項(xiàng)利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的方法，用于監(jiān)測(cè)和分析交通隧道內(nèi)或周圍出現(xiàn)的各種問(wèn)題、危險(xiǎn)和異常情況。這一技術(shù)依賴于攝像頭和圖像處理算法，通過(guò)實(shí)時(shí)分析和識(shí)別隧道內(nèi)的圖像，提供快速而準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。目前，該技術(shù)主要應(yīng)用于火災(zāi)和煙霧檢測(cè)、隧道照明問(wèn)題檢測(cè)、隧道結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)、道路標(biāo)線狀態(tài)檢測(cè)以及交通事故和交通擁堵檢測(cè)等方面。目前，該技術(shù)大多應(yīng)用主要集中在檢測(cè)火焰并觸發(fā)報(bào)警的基礎(chǔ)階段，在確定火源位置和準(zhǔn)確評(píng)估火災(zāi)熱釋放速率方面的算法存在欠缺。Chen等在火災(zāi)和煙霧檢測(cè)方面，提出一種基于多特征融合的視頻火焰檢測(cè)方法，采用高斯混合模型來(lái)提取運(yùn)動(dòng)物體，通過(guò)火焰顏色濾波算法區(qū)分真正的火焰和類似火焰的物體[9]。Zhao等提出一種基于Mask R-CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的方法，包括特征提取、區(qū)域建議生成和水分標(biāo)記識(shí)別等步驟，用于檢測(cè)盾構(gòu)隧道襯砌上的水分痕跡，通過(guò)對(duì)訓(xùn)練好的Mask R-CNN模型進(jìn)行測(cè)試，可以計(jì)算出水分標(biāo)記區(qū)域[10]。

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到火災(zāi)和煙霧，并進(jìn)一步對(duì)火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)中的火勢(shì)大小進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè)。然而，這些技術(shù)容易受到現(xiàn)場(chǎng)光照和背景等因素的影響，導(dǎo)致誤報(bào)或漏報(bào)情況的發(fā)生，因此需要不斷優(yōu)化和調(diào)整該類算法和參數(shù)，彌補(bǔ)火焰定位與識(shí)別方面算法的缺失以提高其準(zhǔn)確性和可靠性。

2.2 紅外檢測(cè)

紅外檢測(cè)是一種非接觸的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)測(cè)量物體表面輻射的紅外輻射能量來(lái)獲取物體的溫度信息，其在隧道工程上的應(yīng)用多集中在隧道病害檢測(cè)及火災(zāi)檢測(cè)兩方面。馬學(xué)志等總結(jié)了幾種國(guó)內(nèi)外常用的襯砌漏水檢測(cè)方法，并通過(guò)朔黃鐵路的工程應(yīng)用實(shí)踐表明紅外技術(shù)的檢測(cè)速度快且準(zhǔn)確率高，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出滲漏水位置并計(jì)算滲漏水的區(qū)域面積[11]。常程在公路隧道中同時(shí)安裝了光纖光柵火災(zāi)測(cè)溫系統(tǒng)和紅外火焰探測(cè)器系統(tǒng)，將兩種系統(tǒng)所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路隧道火災(zāi)的快速、準(zhǔn)確探測(cè)[12]。

紅外檢測(cè)能夠在不損傷物體表面的情況下實(shí)時(shí)地獲取被測(cè)物體熱分布情況，在隧道墻體表面、火災(zāi)檢測(cè)、電力設(shè)備熱管理等環(huán)境中對(duì)脆弱材料或靈敏設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。但對(duì)于某些特殊材料或表面涂層，紅外檢測(cè)的效果可能受到限制，檢測(cè)結(jié)果會(huì)受到一定影響。

2.3 三維激光檢測(cè)

三維激光檢測(cè)技術(shù)是一種通過(guò)高速激光掃描被測(cè)物體表面并獲取其各點(diǎn)坐標(biāo)、反射率和顏色等信息，并將這些數(shù)據(jù)輸出為點(diǎn)云圖，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)的三維模型重建。

三維激光檢測(cè)技術(shù)在交通隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)方面有很大的應(yīng)用潛力。例如，尹恒等使用三維激光掃描技術(shù)對(duì)華鎣山隧道進(jìn)行掃描，得到了隧道的點(diǎn)云模型，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和拼接等步驟，可以生成完整的隧道表面模型，獲得高精度的隧道幾何信息。通過(guò)獲得的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行路面破損測(cè)量和隧道變形監(jiān)測(cè)，解決現(xiàn)有病害隧道測(cè)量方法耗時(shí)耗力、精度低下等問(wèn)題[13]。李宗平等提出三維激光掃描技術(shù)一次掃描即可準(zhǔn)確建立隧道三維矢量模型，精確得到隧道的整體變形和輪廓信息，并以桐廬隧道為例，研究三維激光掃描技術(shù)在山嶺隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，得出其可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道三維變形、支護(hù)侵限、二次襯砌厚度的評(píng)估，大幅提升隧道數(shù)據(jù)采集與分析的效率[14]。

與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，三維激光檢測(cè)具有高效、精確、非接觸等優(yōu)勢(shì)，能夠大幅提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，配合隧道巡檢機(jī)器人在巡檢過(guò)程中及時(shí)了解結(jié)構(gòu)的變化，以便采取必要的維護(hù)和修復(fù)措施。這使得其成為眾多領(lǐng)域中變形監(jiān)測(cè)的首選技術(shù)，包括土木工程、隧道工程、建筑工程等。

2.4 超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)可以用來(lái)發(fā)現(xiàn)交通隧道內(nèi)部的一些缺陷，利用超聲波在材料中傳播的基本特性，由接收探頭接收從物體表面缺陷處反射回來(lái)的超聲波或透過(guò)被檢物體后的透射波，以此檢測(cè)被檢物體部件是否存在缺陷，并進(jìn)行缺陷定位。

全朝紅介紹了超聲脈沖回波法對(duì)隧道襯砌混凝土質(zhì)量檢測(cè)的方法、原理及實(shí)際應(yīng)用效果，測(cè)試結(jié)果表明，超聲波脈沖回波法可以通過(guò)頻譜、振幅及反射波的相位分辨空洞、裂隙和不密實(shí)處，能迅速、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)隧道襯砌內(nèi)部的缺陷[15]。Joshua利用一個(gè)搭載4×12干點(diǎn)接觸傳感器陣列的低頻檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量隧道襯砌混凝土厚度及鋼筋厚度與間距，對(duì)所得結(jié)果及該設(shè)備在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的定位兩方面進(jìn)行討論[16]。

超聲波檢測(cè)通過(guò)分析超聲波在物體中的傳播時(shí)間、幅值和頻譜等參數(shù)來(lái)確定材料的內(nèi)部缺陷、結(jié)構(gòu)變化及材料特性等。但由于被測(cè)物體的材料和幾何形狀等受到限制，復(fù)雜的幾何形狀和表面粗糙度會(huì)對(duì)超聲波的傳播和信號(hào)解讀產(chǎn)生影響，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。目前的超聲波檢測(cè)算法多依賴于人工分析和經(jīng)驗(yàn)判斷，因此可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)開(kāi)發(fā)自動(dòng)辨別不同類型缺陷的算法，提高缺陷識(shí)別自動(dòng)化檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性，減少主觀因素帶來(lái)的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

交通隧道是承載、提供車輛通行的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施，與電力、管廊等隧道相比，斷面更大，車輛和人員密度較高，需要更高的安全標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)急措施來(lái)應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)破壞、異常事件、隧道火災(zāi)、交通事故等各種情況。巡檢機(jī)器人可以在隧道日常巡檢與應(yīng)急處置過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

目前，機(jī)器人的硬件技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但相關(guān)算法和軟件方面還存在改進(jìn)空間，缺少針對(duì)交通隧道場(chǎng)景中火災(zāi)定位與火場(chǎng)感知相關(guān)的算法和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，具體而言需要達(dá)到以下效果：在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，通過(guò)巡檢機(jī)器人對(duì)起火點(diǎn)進(jìn)行定位，識(shí)別出火源熱釋放速率和火勢(shì)大小，并在應(yīng)急處置過(guò)程中快速將獲取到的關(guān)鍵信息實(shí)時(shí)上傳至指揮中心，及時(shí)向救援人員提供現(xiàn)場(chǎng)狀況、人員安全和救援決策等重要信息。機(jī)器人需要能夠有效處理和存儲(chǔ)獲取到的大量數(shù)據(jù)的能力。此外，為了保證交通隧道相關(guān)檢測(cè)算法的可靠性和一致性，還需要進(jìn)行算法的驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化工作，并開(kāi)展相關(guān)研究，建立適用于交通隧道檢測(cè)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)方法，促進(jìn)相關(guān)算法的應(yīng)用和推廣。