巡检机器人在隧道运营中的应用

巡检机器人在隧道运营中的应用摘要：本文针对当前高速公路隧道维护大多采用人工巡检结合视频监控、火灾检测、事件检测的自动检测系统存在巡检效率低、运营成本高的问题，阐述了高速公路隧道巡检机器人在高速公路中运营中的应用，重点梳理隧道巡检机器人的关键技术方案和应用情况，提出了巡检机器人在交通隧道应用面临的技术问题和解决思路，展望了隧道巡检机器人在交通隧道运营安全方面的应用前景。关键词：巡检机器人；隧道；隧道运营；智能巡检随着高速公路隧道里程和车流量的增加，隧道设备设施种类也逐渐增多，这给隧道日常维护和管理带来较大压力。目前隧道的运行巡检和维护主要以人工为主，存在耗时长、效率低、易漏检、检测结果的准确性受限于巡检人员的技术水平等问题，导致隧道管理者难以快速做出准确的判断。另外，近年来多地发生隧道特大事故，更加凸显隧道维护自动检测系统的重要性。本文结合高速公路隧道的实际运行情况，就隧道病害检测技术，结合国内外当前对该方向的研究工作，介绍巡检机器人在隧道运营检测中的应用情况，并对未来的发展趋势和方向进行综述。1高速公路隧道巡检机器人简介高速公路隧道巡检机器人有别于高速公路智能巡逻机器人，其是专门针对隧道的复杂情况设计的一款巡检机器人。该机器人主要对隧道内设有的交通诱导、交通环检、环境检测、通风照明、火灾报警等设备进行巡视监测。针对交通隧道的非结构化环境特点，巡检机器人基本采用轨道式机器人设计。常见的机器人巡检系统主要由机器人本体、轨道式机器人总成、供电平台、通信平台和远程控制终端组成，其中机器人本体包含视觉云台系统、控制系统和行走机构等部分。工作人员能够实时管理及控制机器人在线进行巡检任务作业。供电平台为机器人提供电力，巡检机器人在行走机构的作用下，在轨道上自由运动；本体上安装有视觉相机，可实时对环境和设备进行检测，经过数据处理后，再通过机器人与远程终端之间的网络部署（机器人通过无线客户端接入隧道区域AP，与上位机通讯），将机器人巡检画面实时传送到工作人员操作的控制终端上，实现远程对机器人的动态进行监控管理。2隧道机器人活动区域隧道巡检机器人与智能巡逻机器人最大的不同在于活动区域的特殊性。隧道机器人的活动区域在隧道两侧的电缆盖板上，能活动的区域具有路面狭长，行进道路较直，空隙、凸起较多等特点。为了让隧道巡检机器人在上述活动区域内稳定运行，隧道机器人系统自身有一套路径检测系统。该系统采用多个光电传感器来进行路径检测，主要检测道路边界、道路空隙、道路台阶3个方面。隧道巡检机器人对道路边界进行检测时，采用2个光电传感器，在隧道机器人机身两侧各安装一个。隧道巡检机器人在隧道中行使时，只开启靠近墙壁的光电传感器测量机器人到墙壁的距离，光电传感器会随时感知机器人一侧到隧道壁的距离，根据光电传感器的反馈距离，调整自身行进线路，使机器人始终与侧壁的距离保持在一个安全范围内。隧道巡检机器人对道路的空隙进行检测时，主要采用安装在机器人前端触角结构上的光电传感器。光电传感器向地面发射光信号，探测光强度的变化，当遇到缝隙时，光强会发生变化，光电传感器将光信号转化为电信号，经过系统硬件和软件计算机器人的行走路径。隧道巡检机器人对道路的台阶进行检测时，主要采用安装在机器人前后端的光电传感器。当遇到台阶时，光会发生反射效应，光信号的变化引起电信号的变化，通过系统自身的软硬件，反馈给机器人本体，机器人调整行进路径，绕开台阶。3问题与发展趋势3.1存在的问题由于巡检机器人可替代人工巡检，因此在电力电站、机房、综合管廊和煤矿隧道等行业应用广泛，技术相对成熟。但应用于交通隧道巡检存在以下问题。1）交通隧道环境复杂，导致机器人运行环境的高度非结构化在交通隧道中，存在人-车-路3部分协同工作的情况，由于环境的复杂性和车辆高速行驶的特点，首要确保机器人的安全性，因此技术方案基本都会采用轨道式机器人结构，以解决安全，性、定位精度、环境的非结构化以及测量的稳定性等问题。2）应用成本问题若采用轨道方案，对需要后续安装轨道的交通隧道，轨道和其安装成本是巡检机器人应用的主要成本。同时，因供电问题，巡检机器人的运行里程受限，且长大隧道则需要多机协作才能完成巡检，一般3km长度需要配置1台巡检机器人设备。3）巡检速度与轨道成本的矛盾当前的巡检机器人的速度大多在10km/h以内，难以用于紧急状况下的应急使用。低速巡检的原因有3个方面：（1）速度与轨道负载能力及成本的矛盾；（2）速度与视觉检测精度的矛盾；（3）速度与供电能力的矛盾。4）隧道运营状况的智能检测技术复杂性问题巡检机器人的主要检测数据为图像信息，获取图像信息后，需要大量依靠人工提取运行异常状态信息。尽管当前已有很多学者针对该需求进行研究，但对结构病害、机电系统异常、交通运行异常等多方面的智能化视觉检测，仍处于比较初期的阶段，关键技术亟待突破。5）隧道火灾情况下巡检机器人救援难的问题隧道内发生火灾时，常常会伴随着大量烟雾，在隧道的半封闭环境内可见度会极低，巡检机器人对现场的监控效果也很难保障，救援行动的有效性亦将大打折扣。3.2发展趋势综上分析，尽管存在上述问题，但是巡检机器人拥有替代人工、高频次、检测监测一体化等优点，能够作为交通隧道的核心智能化平台，解决交通隧道中各种运营问题，成为隧道中的关键智能化终端。但是要应用好，需要从以下几方面解决上述问题：1）在隧道设计阶段，将巡检机器人运行环境问题和火灾情况下的现场监测与救援问题纳入考量，通过预先设计解决该问题，避免后续安装所面临的成本、供电、运行速度等问题；2）实现隧道结构、机电设施和运行状况中关键环节的一体化巡检；3）研究智能检测的关键技术，结合计算机视觉的最新成果，解决隧道环境的异常状态智能检测问题。4结束语随着交通隧道车流量的迅速增加，隧道运行安全隐患和风险也相对增加，为有效提升交通运行的安全性，需要定期对隧道进行巡检并在突发情况下及时响应，需要可替代人工完成隧道常规巡检任务，降低运维人员作业风险和劳动强度，提高隧道运营维护的自动化程度和智能化水平，节约隧道运营管理费用。参考文献何璐佳，杨墨，毛杰勇，等.隧道机器人巡检系