交通隧道巡檢機(jī)器人運(yùn)動形態(tài)及檢測技術(shù)

陳國翠　管帥　陳冬冬　梅志慧

摘 要：隨著城市化進(jìn)程的加快，交通隧道已成為現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜多變，傳統(tǒng)人工巡檢方式難以滿足全面、高效、精準(zhǔn)的巡檢需求。近年來，機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展為隧道智能化巡檢提供了新思路。本文針對交通隧道環(huán)境特點(diǎn)，分析了隧道巡檢需求，在此基礎(chǔ)上提出了一種新型隧道巡檢機(jī)器人運(yùn)動形態(tài)及檢測技術(shù)構(gòu)建方案，通過設(shè)計(jì)運(yùn)動形態(tài)、檢測技術(shù)選型、系統(tǒng)集成、原型測試和優(yōu)化等，并對其應(yīng)用路徑進(jìn)行了探討，以期為交通隧道智能化巡檢提供參考。

關(guān)鍵詞：交通隧道 機(jī)器人 檢測技術(shù)

近年來，我國經(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，需要定期對交通隧道進(jìn)行巡檢，并針對隧道進(jìn)行特定維護(hù)。通過定期巡檢和維護(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，保障行車安全和人員安全。

1 交通隧道環(huán)境特點(diǎn)與巡檢需求分析

1.1 交通隧道環(huán)境特點(diǎn)

交通隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜多變，其具有空間狹長、光照不足、濕度大、粉塵多等特點(diǎn)，在這種環(huán)境下，隧道的結(jié)構(gòu)、其附屬設(shè)施、隧道的運(yùn)營安全等都面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工巡檢方式受制于隧道內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境，人工巡檢的工作強(qiáng)度較大，而且耗時(shí)耗力，工作效率低，人工巡檢的不確定因素多，導(dǎo)致其準(zhǔn)確性差等問題。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。在事故發(fā)生后，不能及時(shí)準(zhǔn)確地了解事故現(xiàn)場的發(fā)展態(tài)勢，現(xiàn)場應(yīng)急處置時(shí)效性差，容易造成二次事故。例如，一條五公里長的隧道每天可能需要安排3-5名巡檢人員，并且要耗時(shí)數(shù)小時(shí)以上，但是即使這樣的投入人力仍難以實(shí)現(xiàn)對隧道全方位、高精度的監(jiān)測。為解決這一問題，我們亟須引入新的技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)隧道巡檢機(jī)器的智能化與高效化。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，能夠通過自主操控或遠(yuǎn)程操控對機(jī)器設(shè)備、隧道環(huán)境等進(jìn)行檢測和巡檢，自動執(zhí)行數(shù)據(jù)收集、現(xiàn)場檢查、異常檢測和環(huán)境監(jiān)測等功能。

1.2 交通隧道機(jī)器巡檢需求分析

針對交通隧道內(nèi)部復(fù)雜多變的環(huán)境特點(diǎn)與安全運(yùn)維管理的現(xiàn)實(shí)需求，隧道機(jī)器巡檢系統(tǒng)需要具備全天候、全方位、高精度、強(qiáng)實(shí)時(shí)的綜合感知與分析能力。具體來說，巡檢機(jī)器人需要集成多源異構(gòu)傳感器（如激光雷達(dá)、高清攝像機(jī)、紅外熱像儀等），構(gòu)建“天-地-壁”一體化的隧道信息采集體系，實(shí)現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)（如路面、墻面、頂板等）、環(huán)境參數(shù)（如照度、溫濕度、CO濃度等）、交通流（如車速、車流量等）的全覆蓋無死角監(jiān)測。同時(shí)，考慮到隧道內(nèi)部光照不足（照度通常低于50lux）、濕度較大（相對濕度可達(dá)90%以上）等惡劣工況，傳感器需具備低照度、防水防塵（如IP68）等特性，并采用三防處理、模塊化布置，確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性與可靠性（如故障率低于0.1%）。此外，海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析也對系統(tǒng)的算力提出了極高要求，需要在機(jī)器人本地搭載高性能計(jì)算平臺（如單節(jié)點(diǎn)算力≥10TFLOPS），并借助5G、邊緣計(jì)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)與云端協(xié)同，構(gòu)建端－邊-云一體化的智能分析架構(gòu)，縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)延（如單幀點(diǎn)云處理時(shí)間≤0.1s）。同時(shí)，考慮到隧道事故后的應(yīng)急處置需求，巡檢機(jī)器人還需具備一定的障礙穿越、動態(tài)避障能力，并支持靈活的人機(jī)交互操作，以遠(yuǎn)程遙控或自主作業(yè)方式開展救援偵查。

2 交通隧道巡檢機(jī)器人運(yùn)動形態(tài)及檢測技術(shù)設(shè)計(jì)方案

2.1 運(yùn)動形態(tài)設(shè)計(jì)

交通隧道巡檢機(jī)器人的運(yùn)動形態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮隧道內(nèi)部復(fù)雜多變的環(huán)境條件、全方位高精度的檢測需求以及高效率長時(shí)續(xù)航的任務(wù)要求等因素。巡檢機(jī)器人有輪式、履帶式、軌道式等多種運(yùn)動形態(tài)。輪式巡檢機(jī)器人相較于其他機(jī)器人的優(yōu)勢在于其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動速度較快，適合用于平整空曠的路面，不適合用于崎嶇不平的地形。一種可行的設(shè)計(jì)思路是采用輪軌復(fù)合式運(yùn)動方案，即機(jī)器人由輪式行走機(jī)構(gòu)與軌道懸掛機(jī)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成[1]。其中，輪式行走機(jī)構(gòu)采用多輪獨(dú)立驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)全方位靈活移動，并通過主動懸掛技術(shù)確保輪地接觸面與隧道輪廓的持續(xù)貼合，保障機(jī)器人通過能力；軌道懸掛機(jī)構(gòu)固定于隧道拱頂或側(cè)壁，利用隧道內(nèi)部既有軌道（如電纜橋架）或?qū)ｉT設(shè)置的導(dǎo)軌，對輪式機(jī)構(gòu)提供支撐與導(dǎo)向，并集成供電、通信等功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的長距離移動和數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，軌道懸掛機(jī)構(gòu)還可借助機(jī)械臂、升降平臺等附屬裝置靈活調(diào)節(jié)機(jī)器人位姿，拓展檢測范圍與路徑。輪軌復(fù)合式設(shè)計(jì)在提升機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)性的同時(shí)，可顯著降低動力學(xué)復(fù)雜度，進(jìn)而減少能耗，提高續(xù)航。此外，通過模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)輪式與軌道式構(gòu)型的靈活切換與任務(wù)響應(yīng)，提升系統(tǒng)適用性。

2.2 檢測技術(shù)選型

隧道巡檢機(jī)器人的檢測技術(shù)選型應(yīng)立足于隧道內(nèi)部復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)性態(tài)與環(huán)境條件，兼顧檢測性能、數(shù)據(jù)質(zhì)量與系統(tǒng)穩(wěn)定性等要素[2]。針對隧道結(jié)構(gòu)安全的精細(xì)化檢測需求，一種可行的技術(shù)路線是多傳感器融合方案，即在機(jī)器人平臺上集成激光雷達(dá)、高清攝像機(jī)、紅外熱像儀等多源異構(gòu)傳感器，并通過深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的智能解譯與信息提取。其中，激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)隧道襯砌表面的三維重構(gòu)，點(diǎn)云密度優(yōu)于5000points/m?，深度測量精度優(yōu)于1mm；高清攝像機(jī)可獲取隧道表面的高分辨率彩色影像，像素密度達(dá)到0.5mm/pixel，可與點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)構(gòu)建高精度三維模型；紅外熱像儀可獲取隧道襯砌表面的溫度分布信息，溫差分辨率優(yōu)于0.1℃，可用于滲漏水、空洞等隱患的無損檢測。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合處理可顯著提升隧道缺陷檢測的精度與可靠性，如亞毫米級的裂縫識別（寬度測量精度達(dá)0.2mm）、毫米級的變形檢測（位移測量精度達(dá)0.5mm）等。

此外，在線實(shí)時(shí)處理對海量檢測數(shù)據(jù)提出了極高要求，需要在機(jī)器人平臺上搭載高性能嵌入式設(shè)備，并研發(fā)時(shí)效性強(qiáng)、魯棒性好的輕量化解析模型，以實(shí)現(xiàn)對隧道健康狀態(tài)的動態(tài)評估。同時(shí)，為保障檢測系統(tǒng)在隧道潮濕、粉塵等惡劣環(huán)境下的長時(shí)穩(wěn)定工作，傳感器及線纜的三防設(shè)計(jì)、模塊化布置也是必要的。

2.3 系統(tǒng)集成

隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)應(yīng)立足于機(jī)器人平臺的環(huán)境適應(yīng)性、檢測裝置的精準(zhǔn)性以及人機(jī)交互的友好性等要素，構(gòu)建一套全面感知、智能決策與自主作業(yè)于一體的移動式機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)思路可分為硬件架構(gòu)與軟件架構(gòu)兩個(gè)層面。硬件方面，應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，將機(jī)器人平臺劃分為移動機(jī)構(gòu)、供電系統(tǒng)、檢測裝置、控制單元等多個(gè)功能模塊，各模塊之間通過標(biāo)準(zhǔn)化接口（如CAN總線）實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通[3]。同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)集成后整機(jī)的空間布局優(yōu)化問題，如傳感器安裝位置、線纜布線路徑等，以期在滿足檢測性能要求（如視場范圍覆蓋率≥95%）的前提下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化集成（如控制柜體積≤0.5m?）。軟件方面，應(yīng)構(gòu)建多層級控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從感知、決策到執(zhí)行的全流程自主化。其中，感知層負(fù)責(zé)多源異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)的同步采集與融合處理，提取環(huán)境與狀態(tài)信息（如點(diǎn)云密度≥5000points/m?）；決策層接收感知層信息，調(diào)用SLAM、目標(biāo)檢測等算法模型實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航（如定位精度≤0.1m）、路徑規(guī)劃（如靜態(tài)障礙規(guī)避率100%）和任務(wù)調(diào)度（如檢測覆蓋率≥95%）；執(zhí)行層根據(jù)決策層指令，驅(qū)動機(jī)器人平臺與檢測裝置執(zhí)行相應(yīng)動作（如速度控制精度≤0.05m/s），并將執(zhí)行狀態(tài)反饋至上層，形成閉環(huán)控制。各控制層之間應(yīng)采用分布式架構(gòu)，減小節(jié)點(diǎn)計(jì)算負(fù)荷，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性（如控制周期≤50ms）。

此外，系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)還應(yīng)充分考慮人機(jī)交互因素，研發(fā)集3D可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)于一體的人機(jī)交互界面，并提供遠(yuǎn)程遙控、自主作業(yè)、人工干預(yù)等多種工作模式，以適應(yīng)不同應(yīng)用場景需求。此外，系統(tǒng)安全性、可靠性設(shè)計(jì)也不容忽視，如采用雙系統(tǒng)熱備份、定期自檢自校準(zhǔn)等方式提升系統(tǒng)魯棒性。

2.4 原型測試和優(yōu)化

隧道巡檢機(jī)器人原型測試與優(yōu)化應(yīng)立足于系統(tǒng)技術(shù)性能評估與適應(yīng)性驗(yàn)證，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力、檢測精度與準(zhǔn)確性、運(yùn)動控制穩(wěn)定性以及能效可靠性等指標(biāo)。測試方案設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場兩種環(huán)境，采用定量分析與定性評估相結(jié)合的方法。其中，實(shí)驗(yàn)室測試應(yīng)搭建與實(shí)際隧道環(huán)境相似的測試平臺，模擬隧道內(nèi)部光照（如照度≤50lux）、濕度（如相對濕度≥90%）等條件，開展機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的定量評估，如運(yùn)動控制精度（如速度控制誤差≤0.05m/s）、檢測精度（如裂縫寬度測量誤差≤0.2mm）、數(shù)據(jù)解析效率（如單幀點(diǎn)云處理時(shí)間≤0.1s）等。現(xiàn)場測試應(yīng)選取典型隧道工程，評估機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中的適應(yīng)性與可靠性，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位精度（如累積誤差≤0.5%）、長時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定性（如連續(xù)工作時(shí)間≥4h）、故障診斷與容錯(cuò)能力（如故障診斷準(zhǔn)確率≥95%）等[4]。

針對測試中發(fā)現(xiàn)的問題，應(yīng)及時(shí)開展優(yōu)化迭代，采用實(shí)物與仿真相結(jié)合的方式，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制算法、傳感器選型等方面進(jìn)行針對性改進(jìn)，如通過動力學(xué)仿真優(yōu)化運(yùn)動機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈咸匦?、引入自適應(yīng)控制算法提升系統(tǒng)魯棒性等。此外，為充分驗(yàn)證優(yōu)化效果，還應(yīng)制定科學(xué)的測試計(jì)劃，采用正交試驗(yàn)、極限工況等方法，全面評估機(jī)器人性能的提升效果[5]。

3 技術(shù)應(yīng)用路徑分析

隧道巡檢機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用路徑需立足于隧道全生命周期管理理念，與隧道規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各階段深度融合，構(gòu)建集監(jiān)測、預(yù)警、決策、處置于一體的智慧化隧道運(yùn)維體系。具體而言，在隧道建設(shè)階段，可利用機(jī)器人技術(shù)開展隧道工程質(zhì)量檢測，如襯砌完整性檢測（如空洞檢出率≥95%）、變形監(jiān)測（如收斂測量精度≤0.5mm）等，為工程驗(yàn)收提供客觀依據(jù)；在隧道運(yùn)營階段，可構(gòu)建常態(tài)化機(jī)器人巡檢機(jī)制，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部環(huán)境（如照度、CO濃度等）、交通流量（如車速、車流量等）、結(jié)構(gòu)安全（如裂縫、滲漏等）的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測（如數(shù)據(jù)更新頻率≤5min），并基于海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用故障樹分析（FTA）、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（BN）等智能診斷模型，對隧道健康狀態(tài)進(jìn)行評估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并啟動預(yù)警機(jī)制（如警報(bào)響應(yīng)時(shí)間≤1s）；在隧道養(yǎng)護(hù)階段，可依托機(jī)器人平臺，針對性地開展病害精細(xì)化檢測（如裂縫寬度測量精度≤0.1mm），并結(jié)合隧道設(shè)計(jì)圖紙、健康檔案等，利用BIM、數(shù)字孿生等技術(shù)，構(gòu)建隧道三維精細(xì)化信息模型，為制定科學(xué)養(yǎng)護(hù)方案提供決策支持（如維修方案可視化仿真驗(yàn)證）；在突發(fā)事件應(yīng)急處置階段，可迅速調(diào)度機(jī)器人趕赴事發(fā)現(xiàn)場，利用激光雷達(dá)、紅外熱像儀等開展應(yīng)急偵察（如現(xiàn)場360°三維重建），評估險(xiǎn)情（如火災(zāi)蔓延趨勢預(yù)測、煙霧毒性分析等）并引導(dǎo)救援（如最優(yōu)撤離路徑規(guī)劃），最大限度降低事故損失。例如，某特長隧道利用機(jī)器人技術(shù)開展日常巡檢，通過激光雷達(dá)掃描獲取隧道內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)（點(diǎn)云密度8000points/m?），并采用改進(jìn)的YOLO-V5模型對點(diǎn)云中的裂縫、滲漏等缺陷進(jìn)行識別（如裂縫檢出精度達(dá)98%），結(jié)合隧道健康評估模型對隧道結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行診斷（如安全等級判定準(zhǔn)確率≥95%），及時(shí)啟動應(yīng)急預(yù)案，最終將事故風(fēng)險(xiǎn)降低了80%，運(yùn)維成本降低了50%[2]。由此可以看出，機(jī)器人技術(shù)在隧道安全運(yùn)維中發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用，但是其技術(shù)成熟度與工程化應(yīng)用水平還有待進(jìn)一步提升，未來需加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，加快推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與試點(diǎn)示范，并完善隧道機(jī)器人巡檢技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為智慧隧道建設(shè)提供有力支撐。

4 結(jié)語

綜上所述，本文面向交通隧道復(fù)雜特殊的內(nèi)部環(huán)境，提出了一種集運(yùn)動控制、多源信息融合與智能分析于一體的新型隧道巡檢機(jī)器人技術(shù)方案。該方案從機(jī)器人運(yùn)動形態(tài)、多傳感器融合以及智能管理等角度進(jìn)行了系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，對提升隧道運(yùn)維智能化水平、保障安全高效運(yùn)營具有重要參考價(jià)值。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)急措施來應(yīng)對可能發(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)急處置過程中發(fā)揮重要作用。未來還需在實(shí)踐應(yīng)用中不斷優(yōu)化與完善該技術(shù)體系，并積極推動與隧道全生命周期管理的深度融合，為現(xiàn)代化交通隧道高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。

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