巡檢機器人在隧道運營中的應(yīng)用

巡檢機器人在隧道運營中的應(yīng)用摘要：本文針對當(dāng)前高速公路隧道維護大多采用人工巡檢結(jié)合視頻監(jiān)控、火災(zāi)檢測、事件檢測的自動檢測系統(tǒng)存在巡檢效率低、運營成本高的問題，闡述了高速公路隧道巡檢機器人在高速公路中運營中的應(yīng)用，重點梳理隧道巡檢機器人的關(guān)鍵技術(shù)方案和應(yīng)用情況，提出了巡檢機器人在交通隧道應(yīng)用面臨的技術(shù)問題和解決思路，展望了隧道巡檢機器人在交通隧道運營安全方面的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：巡檢機器人；隧道；隧道運營；智能巡檢隨著高速公路隧道里程和車流量的增加，隧道設(shè)備設(shè)施種類也逐漸增多，這給隧道日常維護和管理帶來較大壓力。目前隧道的運行巡檢和維護主要以人工為主，存在耗時長、效率低、易漏檢、檢測結(jié)果的準確性受限于巡檢人員的技術(shù)水平等問題，導(dǎo)致隧道管理者難以快速做出準確的判斷。另外，近年來多地發(fā)生隧道特大事故，更加凸顯隧道維護自動檢測系統(tǒng)的重要性。本文結(jié)合高速公路隧道的實際運行情況，就隧道病害檢測技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)外當(dāng)前對該方向的研究工作，介紹巡檢機器人在隧道運營檢測中的應(yīng)用情況，并對未來的發(fā)展趨勢和方向進行綜述。1高速公路隧道巡檢機器人簡介高速公路隧道巡檢機器人有別于高速公路智能巡邏機器人，其是專門針對隧道的復(fù)雜情況設(shè)計的一款巡檢機器人。該機器人主要對隧道內(nèi)設(shè)有的交通誘導(dǎo)、交通環(huán)檢、環(huán)境檢測、通風(fēng)照明、火災(zāi)報警等設(shè)備進行巡視監(jiān)測。針對交通隧道的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境特點，巡檢機器人基本采用軌道式機器人設(shè)計。常見的機器人巡檢系統(tǒng)主要由機器人本體、軌道式機器人總成、供電平臺、通信平臺和遠程控制終端組成，其中機器人本體包含視覺云臺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和行走機構(gòu)等部分。工作人員能夠?qū)崟r管理及控制機器人在線進行巡檢任務(wù)作業(yè)。供電平臺為機器人提供電力，巡檢機器人在行走機構(gòu)的作用下，在軌道上自由運動；本體上安裝有視覺相機，可實時對環(huán)境和設(shè)備進行檢測，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，再通過機器人與遠程終端之間的網(wǎng)絡(luò)部署（機器人通過無線客戶端接入隧道區(qū)域AP，與上位機通訊），將機器人巡檢畫面實時傳送到工作人員操作的控制終端上，實現(xiàn)遠程對機器人的動態(tài)進行監(jiān)控管理。2隧道機器人活動區(qū)域隧道巡檢機器人與智能巡邏機器人最大的不同在于活動區(qū)域的特殊性。隧道機器人的活動區(qū)域在隧道兩側(cè)的電纜蓋板上，能活動的區(qū)域具有路面狹長，行進道路較直，空隙、凸起較多等特點。為了讓隧道巡檢機器人在上述活動區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運行，隧道機器人系統(tǒng)自身有一套路徑檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多個光電傳感器來進行路徑檢測，主要檢測道路邊界、道路空隙、道路臺階3個方面。隧道巡檢機器人對道路邊界進行檢測時，采用2個光電傳感器，在隧道機器人機身兩側(cè)各安裝一個。隧道巡檢機器人在隧道中行使時，只開啟靠近墻壁的光電傳感器測量機器人到墻壁的距離，光電傳感器會隨時感知機器人一側(cè)到隧道壁的距離，根據(jù)光電傳感器的反饋距離，調(diào)整自身行進線路，使機器人始終與側(cè)壁的距離保持在一個安全范圍內(nèi)。隧道巡檢機器人對道路的空隙進行檢測時，主要采用安裝在機器人前端觸角結(jié)構(gòu)上的光電傳感器。光電傳感器向地面發(fā)射光信號，探測光強度的變化，當(dāng)遇到縫隙時，光強會發(fā)生變化，光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過系統(tǒng)硬件和軟件計算機器人的行走路徑。隧道巡檢機器人對道路的臺階進行檢測時，主要采用安裝在機器人前后端的光電傳感器。當(dāng)遇到臺階時，光會發(fā)生反射效應(yīng)，光信號的變化引起電信號的變化，通過系統(tǒng)自身的軟硬件，反饋給機器人本體，機器人調(diào)整行進路徑，繞開臺階。3問題與發(fā)展趨勢3.1存在的問題由于巡檢機器人可替代人工巡檢，因此在電力電站、機房、綜合管廊和煤礦隧道等行業(yè)應(yīng)用廣泛，技術(shù)相對成熟。但應(yīng)用于交通隧道巡檢存在以下問題。1）交通隧道環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致機器人運行環(huán)境的高度非結(jié)構(gòu)化在交通隧道中，存在人-車-路3部分協(xié)同工作的情況，由于環(huán)境的復(fù)雜性和車輛高速行駛的特點，首要確保機器人的安全性，因此技術(shù)方案基本都會采用軌道式機器人結(jié)構(gòu)，以解決安全，性、定位精度、環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化以及測量的穩(wěn)定性等問題。2）應(yīng)用成本問題若采用軌道方案，對需要后續(xù)安裝軌道的交通隧道，軌道和其安裝成本是巡檢機器人應(yīng)用的主要成本。同時，因供電問題，巡檢機器人的運行里程受限，且長大隧道則需要多機協(xié)作才能完成巡檢，一般3km長度需要配置1臺巡檢機器人設(shè)備。3）巡檢速度與軌道成本的矛盾當(dāng)前的巡檢機器人的速度大多在10km/h以內(nèi)，難以用于緊急狀況下的應(yīng)急使用。低速巡檢的原因有3個方面：（1）速度與軌道負載能力及成本的矛盾；（2）速度與視覺檢測精度的矛盾；（3）速度與供電能力的矛盾。4）隧道運營狀況的智能檢測技術(shù)復(fù)雜性問題巡檢機器人的主要檢測數(shù)據(jù)為圖像信息，獲取圖像信息后，需要大量依靠人工提取運行異常狀態(tài)信息。盡管當(dāng)前已有很多學(xué)者針對該需求進行研究，但對結(jié)構(gòu)病害、機電系統(tǒng)異常、交通運行異常等多方面的智能化視覺檢測，仍處于比較初期的階段，關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。5）隧道火災(zāi)情況下巡檢機器人救援難的問題隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，常常會伴隨著大量煙霧，在隧道的半封閉環(huán)境內(nèi)可見度會極低，巡檢機器人對現(xiàn)場的監(jiān)控效果也很難保障，救援行動的有效性亦將大打折扣。3.2發(fā)展趨勢綜上分析，盡管存在上述問題，但是巡檢機器人擁有替代人工、高頻次、檢測監(jiān)測一體化等優(yōu)點，能夠作為交通隧道的核心智能化平臺，解決交通隧道中各種運營問題，成為隧道中的關(guān)鍵智能化終端。但是要應(yīng)用好，需要從以下幾方面解決上述問題：1）在隧道設(shè)計階段，將巡檢機器人運行環(huán)境問題和火災(zāi)情況下的現(xiàn)場監(jiān)測與救援問題納入考量，通過預(yù)先設(shè)計解決該問題，避免后續(xù)安裝所面臨的成本、供電、運行速度等問題；2）實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)、機電設(shè)施和運行狀況中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的一體化巡檢；3）研究智能檢測的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合計算機視覺的最新成果，解決隧道環(huán)境的異常狀態(tài)智能檢測問題。4結(jié)束語隨著交通隧道車流量的迅速增加，隧道運行安全隱患和風(fēng)險也相對增加，為有效提升交通運行的安全性，需要定期對隧道進行巡檢并在突發(fā)情況下及時響應(yīng)，需要可替代人工完成隧道常規(guī)巡檢任務(wù)，降低運維人員作業(yè)風(fēng)險和勞動強度，提高隧道運營維護的自動化程度和智能化水平，節(jié)約隧道運營管理費用。參考文獻何璐佳，楊墨，毛杰勇，等.隧道機器人巡檢系