高速公路隧道智能巡檢裝置的設(shè)計研究

文章針對隧道巡檢問題，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道巡檢裝置，該裝置能實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)并傳輸數(shù)據(jù)至遠程監(jiān)測平臺。通過多軸自由度相機和氣體檢測器，實現(xiàn)了對隧道內(nèi)部環(huán)境的全面監(jiān)測，并采用無線通信模塊確保數(shù)據(jù)傳輸。相較于傳統(tǒng)人工巡檢，該裝置自動化程度高，降低了勞動強度，提高了效率，減少了事故概率。綜合測試驗證了其可靠性和穩(wěn)定性，為提升隧道安全管理水平和效率提供了技術(shù)支持。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能巡檢；狀態(tài)監(jiān)測；監(jiān)控平臺

U456.3A351233

作者簡介：

周忠瑤（1988—），碩士，工程師，主要從事高速公路機電工程項目建設(shè)管理工作。

0" 引言

隨著我國公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，高速公路的隧道數(shù)量持續(xù)增加。當前，我國高速公路隧道主要采用人工巡檢方式。盡管這種方式具有一定的便利性，如設(shè)備操作簡單、巡檢流程靈活以及問題處理及時等，但在實踐中卻面臨諸多挑戰(zhàn)。由于隧道內(nèi)車流密集、空間有限且環(huán)境質(zhì)量較差，使設(shè)備的日常維護和事故排查工作變得異常困難。這不僅增加了勞動強度，還導致巡檢效率低下、效果不佳。如果工作人員未能及時進行巡檢，可能無法及時發(fā)現(xiàn)機柜設(shè)備故障、緊急通話設(shè)備損壞、消防設(shè)備被盜等緊急狀況，進而引發(fā)隧道內(nèi)的事故而無法及時處理。此外，在高速公路隧道這樣的復雜環(huán)境中進行人工巡檢，工作人員的人身安全難以得到充分保障。因此，研發(fā)更加高效、安全的公路隧道巡檢技術(shù)已成為當務(wù)之急。通過引入先進的檢測設(shè)備和技術(shù)手段，提高隧道巡檢的自動化和智能化水平，可以降低勞動強度、提高巡檢效率，并確保及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，保障隧道運營的安全性和可靠性。

本文探討了采用智能巡檢機器裝置在復雜、危險的高速公路隧道環(huán)境中替代人工巡檢的方案。智能巡檢機器裝置能夠?qū)λ淼纼?nèi)的設(shè)備狀態(tài)、車輛行駛狀態(tài)和路面狀況進行長期、實時且連續(xù)的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，實現(xiàn)高效的自動化巡檢。通過實施相應(yīng)的維護、維修和管理措施，可以有效排除隧道安全隱患，降低事故發(fā)生率，并減少由此帶來的生命和財產(chǎn)損失。一旦隧道內(nèi)部發(fā)生突發(fā)情況，智能巡檢機器裝置還能迅速響應(yīng)，第一時間處理事故，以減輕損失。

1" 發(fā)展現(xiàn)狀及問題分析

1.1" 發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，高速公路隧道智能巡檢裝置的發(fā)展迅速演進，運用了多種先進技術(shù)，包括智能傳感器、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、機器人巡檢等。這些技術(shù)的應(yīng)用大幅提升了隧道內(nèi)部參數(shù)的實時監(jiān)測能力，能夠及時識別隧道內(nèi)的異常情況，并實現(xiàn)遠程監(jiān)控和故障診斷。成健等［1］設(shè)計了一款電纜式隧道巡檢裝置，該裝置由底盤、機械臂和攝像頭等部分組成，采用履帶輪臂式結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、爬坡、越障礙物等功能。黃雙得等［2］設(shè)計研發(fā)了一種架空式巡檢機器人，其整體結(jié)構(gòu)涵蓋軌道、導向、傳動和制動等關(guān)鍵組成部分。在軌道方面，該設(shè)計采用了經(jīng)過改良的工字梁軌道，材料選用了高強度的鋁合金，以確保機器人在運動過程中具備穩(wěn)固的支撐和導向。傳動系統(tǒng)采用齒輪齒條傳動，提高了巡檢機器人的運動精度和穩(wěn)定性。劉旭等［3］提出了一種創(chuàng)新的可升降式智能巡檢裝置，主要包括巡視車、移動升降平臺、巡視軌道、監(jiān)測設(shè)備和顯示裝置等組成。其中，顯示裝置在系統(tǒng)中充當信息接收和指令發(fā)送的關(guān)鍵節(jié)點，用于準確掌控巡視車的行進和攝像頭的方向調(diào)整等核心功能。移動升降平臺的任務(wù)是精準控制小車的升降過程，使其能夠順暢移動到指定的軌道，完成巡視檢測任務(wù)。該設(shè)計的核心在于通過各個組成部分的有機協(xié)作，實現(xiàn)智能巡檢裝置的高效運行和操作的靈活性。

然而，盡管巡檢機器人的研發(fā)取得了進展，但目前市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品較多都不滿足高速公路隧道這類特殊環(huán)境的需求，如更精準的數(shù)據(jù)分析、遠程管理的智能化以及對多種隧道環(huán)境下的適應(yīng)性等。因此，設(shè)計一個更全面、智能化且適應(yīng)不同隧道特性的高速公路隧道智能巡檢裝置成為迫切的需求和挑戰(zhàn)。

1.2" 問題分析

全國各地的主要地形特點各有不同，有丘陵、平原、山地或者其他類型的地貌。其中，丘陵地形所在地的地勢變化多端、錯綜復雜。這種獨特的地貌條件，使得在構(gòu)建高速公路時，必須通過大量建設(shè)隧道來穿越這些復雜地形。然而，隧道的封閉性特質(zhì)使得其在人員進行設(shè)備巡檢時，存在較為嚴重的交通安全隱患。因此，為了確保在設(shè)備復檢時隧道行車的安全，自動巡檢裝置的研發(fā)成為了高速公路隧道運維的核心任務(wù)。然而，在隧道中應(yīng)用自動巡檢設(shè)備時，存在一些技術(shù)難點。

（1）由于隧道環(huán)境的特殊性，許多設(shè)備都是獨立運作的，因此在收集和匯總設(shè)備數(shù)據(jù)時需要耗費大量的人力資源。同時，市場上大多數(shù)隧道機電設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸時采用有線方式，這不僅導致了線路的復雜性，還存在有線束縛的問題，給操作帶來不便［4］。為了避免有線束縛，可以通過使用Lora、Zigbee、BLE等無線通信方式，完成數(shù)據(jù)的傳輸［5-6］。當巡檢裝置到達待檢設(shè)備區(qū)域時，通過無線模塊發(fā)出指令至待檢設(shè)備，待檢設(shè)備回傳狀態(tài)數(shù)據(jù)完成檢查。

（2）目前，市場上現(xiàn)有的隧道巡檢產(chǎn)品數(shù)量較少，且大多數(shù)采用履帶和滾輪式的方式進行移動，這種設(shè)計需要占用隧道兩側(cè)的應(yīng)急橫道，若應(yīng)急橫道上存在障礙物，則巡檢機器人需要進入隧道內(nèi)部才能完成越障動作，這無疑增加了安全隱患。為了解決這類問題，可以選擇在隧道壁上安裝軌道，避免占用應(yīng)急橫道，減少因障礙物導致裝置無法前行的可能。

（3）目前市場上多數(shù)巡檢設(shè)備沒有可視化的平臺，在后期管理中存在不便。因此，可以設(shè)計一種基于該巡檢裝置的可視化平臺，便于后續(xù)運維管理使用。

高速公路隧道智能巡檢裝置的設(shè)計研究/周忠瑤，李小勇

2" 改進方法及設(shè)計

本文提出了一種隧道智能巡檢裝置的設(shè)計方案。該智能巡檢裝置由巡檢小車、終端數(shù)傳模塊、巡視軌道和隧道巡檢監(jiān)測平臺等部分組成。在隧道壁上安裝巡視軌道，并將巡檢小車部署在高速公路隧道的左右洞壁上，由隧道所屬的收費站進行監(jiān)控和管理。隧道巡檢監(jiān)測平臺用于管理和匯總巡檢小車所采集的數(shù)據(jù)，對此進行分析和處理，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

考慮到履帶和滾輪式設(shè)計可能擋住隧道兩側(cè)的應(yīng)急橫道，本次設(shè)計中巡視小車采用沿著隧道頂部鋪設(shè)的鋁合金軌道運行的方式。這樣的設(shè)計不僅避免了占用應(yīng)急橫道，還能使巡檢小車在隧道內(nèi)部進行快速、高效的巡檢。在實際工程實施時，還可以根據(jù)隧道現(xiàn)場地形設(shè)計和預制相應(yīng)的彎曲度和坡度軌道，以適應(yīng)不同隧道的巡檢需求。

巡檢小車硬件集成由自由度相機、藍牙通信模塊、氣體檢測器、ROS開發(fā)板、傳動裝置和電源等模塊組成。自由度相機具備多軸自由度的拍攝功能，用于識別設(shè)備和軌道位置和捕捉突發(fā)情況。該相機能捕捉多角度、多方向圖像，擴展了小車的視野和圖像獲取能力。藍牙通信模塊用于與終端數(shù)傳模塊進行無線通信，使小車能夠遠程接收終端數(shù)傳模塊傳來數(shù)據(jù)。氣體檢測器用于實時監(jiān)測隧道內(nèi)汽車尾氣含量，及時檢測并報告有害氣體濃度異常情況，并根據(jù)隧道內(nèi)氣體濃度，控制隧道內(nèi)排氣裝置。ROS開發(fā)板作為核心處理器，負責整個系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)。電源模塊提供穩(wěn)定的電力支持，確保各設(shè)備正常運行。這些硬件組件的集成增強了巡檢小車的視覺感知、通信能力和安全監(jiān)測功能，為其在不同環(huán)境中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

終端數(shù)傳模塊用于隧道設(shè)備的無線數(shù)據(jù)傳輸，有些傳統(tǒng)設(shè)備沒有無線接口，因此將待檢設(shè)備的數(shù)據(jù)通過485或232總線傳輸至終端數(shù)傳模塊，終端數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)進行封裝成幀后，通過BLE mesh技術(shù)無線傳輸至巡檢小車。終端數(shù)傳模塊由STM32主控板、485轉(zhuǎn)換模塊、232轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊組成，通過將接收到的總線數(shù)據(jù)進行整合、處理后，統(tǒng)一協(xié)議格式并通過藍牙模塊傳輸，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸功能。

通過隧道巡檢監(jiān)測平臺，隧道巡檢機器人得以獨立運行。監(jiān)控中心的工作人員可以實時查看巡檢小車的巡檢狀態(tài)以及周圍環(huán)境信息。此外，監(jiān)控中心還能接收工作人員的指令，自動向巡檢小車發(fā)送巡檢任務(wù)。這種先進的配置不僅提高了隧道巡檢的效率，還增強了安全性，顯著降低了人工巡檢的風險。遠程集控中心平臺采納MVC架構(gòu)。這種軟件設(shè)計模式常見于Web應(yīng)用程序開發(fā)，包括模型、視圖、控制器三部分分層結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢在于降低開發(fā)復雜度、增進代碼復用，并有利于后續(xù)的測試與維護工作。本次設(shè)計的用戶界面由以下模塊組成：

（1）用戶登錄。用戶首先需要通過賬號和密碼完成登錄，以確保系統(tǒng)的安全性和用戶權(quán)限控制。登錄成功后，用戶可以進入系統(tǒng)的主界面。

（2）設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測。用戶可以查看隧道內(nèi)巡檢設(shè)備所獲取的實時狀態(tài)信息，包括各設(shè)備的工作狀態(tài)、溫度、濕度、電壓等。通過圖表、數(shù)字等形式直觀地展示，方便用戶全面了解設(shè)備的運行情況。

（3）設(shè)備待處理提示。當設(shè)備出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)會實時監(jiān)測并向用戶發(fā)送提醒信息，以便用戶及時采取措施進行處理。提醒信息可以通過彈窗、手機短信、電子郵件等多種方式進行提示，保證用戶及時獲得設(shè)備異常情況的通知。

（4）歷史數(shù)據(jù)查詢。用戶可以選擇設(shè)定時間范圍，查詢歷史數(shù)據(jù)，包括設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和各項參數(shù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)會將歷史數(shù)據(jù)保存在云服務(wù)器中，用戶可以通過該模塊方便地獲取和分析歷史數(shù)據(jù)，以便進行設(shè)備狀態(tài)的評估和改進。

3" 試驗測試

為了進一步驗證隧道巡檢裝置的實用性，分別在試驗室和園區(qū)隧道模擬測試點進行試驗測試。試驗室主要關(guān)注系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準確性、無線通信距離、設(shè)備運動情況以及環(huán)境參數(shù)獲取等功能。隧道模擬測試點則主要用于對設(shè)備進行整體性測試。

在試驗室測試中，通過對比自由度相機拍攝的圖像與實際場景，驗證了圖像捕捉的準確性。系統(tǒng)成功捕獲了多個角度、多方向的圖像，確保了對隧道內(nèi)部細節(jié)的全面監(jiān)測。針對終端數(shù)傳模塊的無線通信功能進行了測試，評估了其在不同距離下的傳輸性能。試驗結(jié)果顯示，在600 m的范圍內(nèi)，數(shù)傳模塊能夠穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，確保了與巡檢小車的有效通信。在設(shè)備運動情況的測試中，對巡檢小車沿著鋁合金軌道運行的穩(wěn)定性和靈活性進行了驗證。通過多次模擬巡檢，確認了小車在高速公路隧道環(huán)境中的平穩(wěn)運行和靈活轉(zhuǎn)向能力，保證了巡檢任務(wù)的順利執(zhí)行。

在園區(qū)內(nèi)的隧道模擬測試點更貼近真實隧道環(huán)境，對裝置進行了全面的性能測試，確保其在實際應(yīng)用中的可靠性和有效性。進行了對不同類型地形的測試，包括傾斜、彎道和不同材質(zhì)的軌道，以評估巡檢小車在復雜軌道下的運行表現(xiàn)，如圖2所示。在實際測試中，巡檢小車能夠穩(wěn)定適應(yīng)各種材質(zhì)的軌道，有效地保持良好的運行軌跡，且巡檢小車內(nèi)置相機能夠清晰捕捉現(xiàn)場畫面，精準識別設(shè)備位置，拍攝畫面如圖3所示。在設(shè)備采集區(qū)域內(nèi)，巡檢小車能夠與部署在機柜設(shè)備附近的終端數(shù)傳模塊建立通信，且穩(wěn)定地采集當前區(qū)域設(shè)備的狀態(tài)值。此外，本次測試評估了裝置在高流量情況下的巡檢效率，并對其智能導航功能進行了測試。在不同的測試情景下，驗證了巡檢小車數(shù)據(jù)采集的一致性和準確性。無論是在靜止狀態(tài)下還是在運動中，裝置都能夠穩(wěn)定地采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性。

在隧道巡檢監(jiān)測平臺的驗證過程中，重點聚焦于用戶界面的設(shè)計和各功能模塊的實現(xiàn)，如圖4所示。界面設(shè)計遵循直觀易用、簡潔明了、友好化的原則，確保用戶能夠迅速理解界面的功能和操作方式，同時避免信息過載和混亂。驗證表明，用戶登錄模塊安全可靠，實現(xiàn)了系

統(tǒng)的安全性和權(quán)限控制；設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測模塊通過圖表、數(shù)字等直觀方式展示設(shè)備運行數(shù)據(jù)，使用戶能全面了解設(shè)備狀態(tài)；設(shè)備待處理信息提示模塊實時監(jiān)測設(shè)備異常情況并多途徑提示用戶，確保用戶及時獲悉設(shè)備狀況；歷史數(shù)據(jù)查詢模塊可方便地獲取和分析歷史數(shù)據(jù)以評估設(shè)備狀態(tài)和改進?？傮w而言，這些功能模塊的成功實現(xiàn)保障了平臺為用戶提供便捷操作和全面監(jiān)測的能力，同時確保了系統(tǒng)的可擴展性和穩(wěn)定性，提高了隧道運行的安全性和穩(wěn)定性。

4" 結(jié)語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)與巡檢檢測技術(shù)，設(shè)計了一種用于高速公路隧道的巡檢裝置。該裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測隧道內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)，并將巡檢情況傳輸至隧道巡檢監(jiān)測平臺。此外，還考慮了隧道內(nèi)部環(huán)境的復雜性以及設(shè)備的獨立運作情況。通過巡檢小車配備的多軸自由度相機和氣體檢測器，實現(xiàn)了對隧道內(nèi)部環(huán)境的全面監(jiān)測和感知。同時，巡檢小車與終端數(shù)傳模塊的無線通信，使設(shè)備數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳輸和匯總，擺脫了傳統(tǒng)有線傳輸方式的局限性和不便。相較于傳統(tǒng)的人工巡檢方式，該裝置實現(xiàn)了高效的自動化巡檢，降低了工作人員的勞動強度，提高了巡檢效率，并大幅降低了因人工巡檢而導致事故的概率。

在一系列綜合測試中，驗證了隧道智能巡檢裝置在各種復雜環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性，這些測試結(jié)果為該裝置在實際隧道巡檢工作中的應(yīng)用提供了堅實的技術(shù)保障，有助于提高隧道安全管理水平和效率。

綜上所述，本研究提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道巡檢裝置不僅具備實用性和可靠性，還突顯了現(xiàn)代交通管理系統(tǒng)在技術(shù)創(chuàng)新和自動化應(yīng)用方面的追求和實踐，為未來智慧交通系統(tǒng)的研究和應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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20240320