隧道運(yùn)維管理機(jī)器人軌道及安裝設(shè)計(jì)

付玉強(qiáng)

（山西省交通信息通信有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，高速公路網(wǎng)日趨完善，由于部分高原地區(qū)地勢(shì)復(fù)雜，橋隧比例偏高，按照隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，在高速公路長(zhǎng)大隧道中，均配置有較為完善的與隧道結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度、車流量等因素相關(guān)的各類隧道照明、監(jiān)控、通風(fēng)、消防等系統(tǒng)。從照明和監(jiān)控設(shè)施來(lái)看，隧道中普遍安置大量的照明燈具和監(jiān)控?cái)z像機(jī)。按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，照明燈具間隔平均約為6.5 m，監(jiān)控?cái)z像探頭間隔約100 m。燈具按照時(shí)序、洞內(nèi)外光照度等參數(shù)進(jìn)行控制，攝像頭全天不間斷采集隧道運(yùn)行實(shí)時(shí)視頻信息，實(shí)時(shí)傳輸至隧道管理站或信息監(jiān)控中心，服務(wù)于路網(wǎng)運(yùn)行管理和應(yīng)急指揮調(diào)度、應(yīng)急救援工作。

由于山西省高速公路建設(shè)特點(diǎn)，道路運(yùn)輸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中重載貨車比例很高，隧道中尾氣、煙塵較多，隧道整體運(yùn)行環(huán)境惡劣。隧道中燈具、攝像機(jī)等照明、監(jiān)控設(shè)施設(shè)備容易被油煙、煙塵、尾氣污損，設(shè)備使用效果和壽命受影響嚴(yán)重。山西省高速公路整體通行量、隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素決定了在高速公路運(yùn)營(yíng)中，隧道相關(guān)附屬設(shè)施的保養(yǎng)與維護(hù)工作危險(xiǎn)性較高。同時(shí)，諸多保養(yǎng)和維護(hù)工作需要封閉道路才能夠進(jìn)行，這些實(shí)際問(wèn)題都成為高速公路日常運(yùn)營(yíng)中各級(jí)路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理者必然會(huì)面對(duì)的挑戰(zhàn)與困難。

按照隧道設(shè)施養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范要求，隧道附屬設(shè)施均需定期進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)、保養(yǎng)、維修。但隧道設(shè)施定期清潔通常需要封閉交通，借助高空作業(yè)車完成，工作效率低、花費(fèi)高、危險(xiǎn)性大，同時(shí)容易造成道路擁堵，既減少了經(jīng)濟(jì)收入，又給車輛通行造成不便，事故發(fā)生率也急劇上升。同時(shí)，在日常運(yùn)行管理中，隧道通行狀態(tài)主要通過(guò)人工巡查進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，無(wú)法做到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的監(jiān)控，并且難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)一些變化較快的病害特征，與病害發(fā)展實(shí)際情況不符。特別是隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，無(wú)法第一時(shí)間準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場(chǎng)情況，在隧道內(nèi)溫度、毒氣濃度等多種因素不明確情況下，救援人員難以突入搶險(xiǎn)。隧道發(fā)生異常事件或突發(fā)緊急事件時(shí)，如何能夠第一時(shí)間有效、準(zhǔn)確掌握隧道運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況已成為高速公路運(yùn)營(yíng)管理單位亟待解決的一大難題。

如何將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到高速公路隧道管理運(yùn)維中，也成為交通研究領(lǐng)域十分關(guān)注的課題。2001年，Amir Shapiro等人提出一種四足機(jī)器人的設(shè)想[1]，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析。2005年，Agostino De Santis等人在意大利政府項(xiàng)目“國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃”中提交了一種交通隧道內(nèi)軌道式消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)[2]，這種機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)交通隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，機(jī)器人可以代替消防人員通過(guò)固定導(dǎo)軌直接到達(dá)著火點(diǎn)進(jìn)行滅火工作。2006年，Seung-Nam Yu等人設(shè)計(jì)了一種輪式機(jī)器人[3]，通過(guò)將機(jī)器人組件置于鉸接式升降平臺(tái)上，并將該平臺(tái)安裝于輪式車輛上，采用多個(gè)超聲波傳感器與攝像頭共同工作，可以實(shí)現(xiàn)人工控制下隧道內(nèi)部墻壁損傷遠(yuǎn)程探傷和修復(fù)功能。2011年，J.G.Victores等人[4]提出了一種用于交通隧道內(nèi)壁修復(fù)的隧道施工機(jī)器人，將這種機(jī)器人設(shè)置在無(wú)人駕駛的卡車上，并通過(guò)該卡車上搭載的電腦實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。2009年，姜蕓、付莊等人提出了一種履帶式機(jī)器人的改進(jìn)方案[5]，這種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的履帶式機(jī)器人便于攜帶，并有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。1980年，日本就成功研制出變電站巡檢機(jī)器人并投入使用[6]，該機(jī)器人采用紅外熱技術(shù)、圖像采集技術(shù)，可以在路邊軌道上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2012年，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所成功研制了軌道式巡檢機(jī)器人[7]，主要針對(duì)電網(wǎng)企業(yè)中的變電站巡檢工作。移動(dòng)巡檢系統(tǒng)采用單排軌道，移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用跨座式機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)能夠適應(yīng)多種惡劣天氣狀況，同時(shí)具有移動(dòng)速度快、定位準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)。綜上所述，軌道機(jī)器人在各行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，但在公路隧道運(yùn)營(yíng)管理中，受隧道環(huán)境、施工難度等因素制約，特種機(jī)器人仍處于理論研究階段。

1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理示意如圖1所示，在隧道兩側(cè)各安裝一條軌道，在軌道兩側(cè)配置充電站，可對(duì)機(jī)器人自動(dòng)充電，每1 km軌道安裝1個(gè)移動(dòng)平臺(tái)于軌道梁上。根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求在移動(dòng)平臺(tái)上配備照明燈清潔毛刷、監(jiān)控云臺(tái)及語(yǔ)音對(duì)講模塊等。機(jī)器人本體包括移動(dòng)平臺(tái)和功能平臺(tái)兩部分，其中移動(dòng)平臺(tái)包括兩套獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，二者各有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，當(dāng)兩者之一出現(xiàn)故障，可由另一組帶動(dòng)移動(dòng)到便于維修和更換的位置。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖

考慮到隧道內(nèi)無(wú)線信號(hào)的衰減，擬采用傳輸距離較遠(yuǎn)，抗干擾能力較強(qiáng)的5.8 GHz頻段無(wú)線網(wǎng)橋與機(jī)器人進(jìn)行通訊。通訊系統(tǒng)采用AP覆蓋方式搭建，每200 m放置一個(gè)AP熱點(diǎn)，AP熱點(diǎn)與遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng)通過(guò)光纜連接，機(jī)器人攜帶無(wú)線路由與AP熱點(diǎn)無(wú)線連接。另外隧道內(nèi)的巡檢人員和車輛也可以通過(guò)AP網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行通訊和定位。機(jī)器人在隧道內(nèi)的定位采用AP熱點(diǎn)定位、RFID定位、機(jī)器人里程計(jì)3種方式相結(jié)合。AP熱點(diǎn)定位和RFID定位為絕對(duì)式定位，機(jī)器人里程計(jì)定位為相對(duì)式定位（增量式定位）。

2 軌道及附件設(shè)計(jì)

隧道運(yùn)維管理機(jī)器人在軌道上運(yùn)行來(lái)完成隧道巡檢、照明燈清潔和應(yīng)急指揮等任務(wù)。由于隧道通車，在隧道空間內(nèi)形成一個(gè)限界空間，機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)不能夠進(jìn)入此限界空間。同時(shí)，隧道照明燈安裝于隧道側(cè)壁上方。為了滿足清潔照明燈的任務(wù)要求，機(jī)器人需要運(yùn)行于照明燈斜上方空間內(nèi)。由此，提出設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 軌道整體設(shè)計(jì)方案示意圖

隧道內(nèi)壁上方安裝支架，將軌道安裝在固定支架上，機(jī)器人以懸吊的形式，通過(guò)輪式行走機(jī)構(gòu)在軌道上運(yùn)行。在軌道設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)軌道的工作環(huán)境（尤其是隧道溫度變化）、受力特點(diǎn)以及成型工藝，選擇合適的軌道截面形狀、軌道尺寸、軌道材質(zhì)以及安裝方法，保證機(jī)器人能夠在軌道上安全可靠運(yùn)行。

2.1 軌道工作環(huán)境分析及軌道鋪設(shè)方案

隧道地處山區(qū)，四季溫差較大，隧道內(nèi)四季溫度變化范圍在-20℃至30℃之間，溫差高達(dá)50℃。由于軌道為金屬材質(zhì)，具有熱脹冷縮的性質(zhì)，所以軌道在長(zhǎng)度方向上會(huì)伴隨溫度的升高而伸長(zhǎng)，溫度下降而縮短。伸縮長(zhǎng)度滿足式（1）：

式中：△L為伸縮量，m；λ為金屬線膨脹系數(shù)，℃-1；L0為溫度變化前的初始長(zhǎng)度；T1、T0分別為變化后的溫度和初始溫度，℃。

若采用無(wú)縫鋁合金軌道，假設(shè)隧道全長(zhǎng)1 km，在-20℃～40℃溫差作用下，全長(zhǎng)1 km的軌道整體收縮量將會(huì)達(dá)到1.41 m。這樣被固定的軌道在溫度作用下其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大伸縮應(yīng)力，容易導(dǎo)致軌道產(chǎn)生不可預(yù)知的彎曲形變，使得機(jī)器人在軌道上無(wú)法正常運(yùn)行。為了防止軌道因內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生變形，需要對(duì)軌道進(jìn)行更復(fù)雜的安裝固定，這樣增加了軌道在隧道內(nèi)鋪設(shè)的施工難度和施工成本。采用定長(zhǎng)軌道有縫銜接的形式，如圖3所示，將一定長(zhǎng)度的軌道通過(guò)吊扣銜接起來(lái)，吊扣作為軌道的支座，允許軌道兩端能夠在吊扣內(nèi)自由移動(dòng)，并在吊扣內(nèi)為軌道端部預(yù)留出軌道伸縮縫，伸縮縫寬度為t，當(dāng)溫度降低時(shí)，軌道縮短，伸縮縫寬度t增大，當(dāng)溫度升高時(shí)，軌道伸長(zhǎng)，伸縮縫寬度t減小，當(dāng)溫度上升到最高溫度時(shí)，收縮縫寬度減小到伸縮縫設(shè)計(jì)值ts。在軌道鋪設(shè)時(shí)，根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境溫度，選擇具體的施工伸縮縫設(shè)計(jì)值。通過(guò)預(yù)留伸縮縫的形式，軌道不會(huì)因外部環(huán)境溫度變化而在軌道內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)大的伸縮應(yīng)力，保證了機(jī)器人在軌道上正常運(yùn)行的同時(shí)，提高了軌道的承載性能，降低施工難度和施工成本。

圖3 軌道鋪設(shè)方案示意圖

2.2 軌道材料、成型工藝及長(zhǎng)度選擇

軌道伸縮量的大小，不僅與環(huán)境溫度變化量有關(guān)，也與單根軌道自身長(zhǎng)度成正比，單根軌道越長(zhǎng)，意味著相鄰軌道之間需要預(yù)留出來(lái)的伸縮縫就越大，機(jī)器人在低溫時(shí)運(yùn)行到軌道伸縮縫處產(chǎn)生的顛簸就會(huì)越大，機(jī)器人對(duì)軌道和支架吊點(diǎn)作用的沖擊載荷就會(huì)越大。同時(shí)，過(guò)長(zhǎng)的單根軌道也會(huì)增加軌道的生產(chǎn)難度和運(yùn)輸成本。單根軌道越短，也意味著支架間距越小，軌道需要的支架和吊扣的數(shù)量就會(huì)越多，造成施工成本上升。因此，需要選擇一個(gè)合適的軌道長(zhǎng)度，使整個(gè)隧道內(nèi)軌道接縫的數(shù)量和接縫的大小適合機(jī)器人的運(yùn)行。

機(jī)器人及軌道均以懸吊形式在隧道側(cè)上方空間工作，選較輕質(zhì)的軌道既有利于提高軌道及其安裝結(jié)構(gòu)的安全性，也有利于降低施工難度和施工成本，擬采用鋁合金作為軌道材料。結(jié)合鋁型材的生產(chǎn)工藝，參考工業(yè)鋁型材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，選擇單根軌道長(zhǎng)度為6 m，根據(jù)式（1）可知在-20℃～30℃溫差下，采用鋁合金材質(zhì)的軌道伸縮量為8.5 mm。

2.3 軌道及附件受力分析

軌道通過(guò)支架懸吊于隧道上方，機(jī)器人運(yùn)行于軌道上，軌道受到的載荷分為動(dòng)載荷和靜載荷兩類，靜載荷為軌道自身重力施加在軌道上的載荷，動(dòng)載荷主要由機(jī)器人在軌道運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人自重對(duì)軌道形成的載荷，并且機(jī)器人和軌道之間的摩擦力、機(jī)器人工作負(fù)載、沖擊震動(dòng)以及隧道風(fēng)等都會(huì)對(duì)軌道形成擾動(dòng)。

2.4 軌道及附件截面設(shè)計(jì)及靜力仿真

結(jié)合軌道的功能、受力特點(diǎn)、軌道生產(chǎn)工藝等方面，軌道截面采用工字型截面，工字形上翼緣與吊扣配合，使軌道能夠在吊扣中自由移動(dòng)。工字型的下緣可以用來(lái)為機(jī)器人提供行走平面和導(dǎo)向平面。

通過(guò)對(duì)軌道的受力分析可知，軌道受到的載荷類型為彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切和局部垂向拉伸等載荷的組合，工字型截面具有良好的抗彎、抗扭性能，并且截面剪切應(yīng)力分布均勻。為了使軌道能夠在保證強(qiáng)度、剛度的同時(shí)，具有較輕的質(zhì)量，軌道采用具有內(nèi)部支撐的薄壁結(jié)構(gòu)，使軌道截面能夠在一定面積下獲得較大截面慣性矩。

3 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

圖4 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)方案

如圖4所示，每個(gè)機(jī)器人分體均有兩個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，每個(gè)移動(dòng)平臺(tái)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)導(dǎo)向輪。驅(qū)動(dòng)輪為超級(jí)人造膠材質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗沖擊性能，能保證機(jī)器人在軌道上行駛平穩(wěn)；導(dǎo)向輪的特殊結(jié)構(gòu)不僅能在機(jī)器人行駛過(guò)程中起到導(dǎo)向作用，還能在遇到?jīng)_擊的時(shí)候保證機(jī)器人始終不脫軌，在保證安全的同時(shí)也避免了對(duì)軌道的二次沖擊，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

圖5 移動(dòng)平臺(tái)的拆卸過(guò)程

每個(gè)移動(dòng)平臺(tái)與機(jī)器人本體之間通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接，保證機(jī)器人能順利地轉(zhuǎn)彎。在兩個(gè)移動(dòng)平臺(tái)之間的機(jī)器人本體上安裝了滑線集電器，當(dāng)機(jī)器人行駛到充電區(qū)域內(nèi)，通過(guò)滑線集電器進(jìn)行充電。

為保證機(jī)器人在軌道的任何位置都能順利地安裝和拆卸，如圖5所示，移動(dòng)平臺(tái)單邊驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪可以整體移動(dòng)。當(dāng)將緊固螺釘解除之后，單邊驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪可整體向外移動(dòng)，使得兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪間距變大，從而使機(jī)器人可以整體從軌道上取下來(lái)，反之即為安裝過(guò)程。在保證安全的前提下，提高了安裝和后期維護(hù)的效率，降低了維護(hù)成本。

4 軌道安裝施工方案

4.1 軌道安裝程序

4.2 機(jī)器人移動(dòng)軌道安裝方案

軌道采用“工”形鋁合金軌道，在隧道兩側(cè)線纜盒架上方每隔2 m架設(shè)一個(gè)軌道安裝架和軌道吊扣，每根軌道通過(guò)4個(gè)軌道吊扣進(jìn)行固定，軌道與吊扣之間采用穿插式連接，以解決由于熱脹冷縮現(xiàn)象引起的軌道長(zhǎng)度變化問(wèn)題。軌道安裝位置如圖6所示。

圖6 軌道安裝位置示意圖

軌道吊扣與隧道內(nèi)壁通過(guò)軌道安裝架進(jìn)行安裝，單個(gè)軌道安裝架與隧道內(nèi)壁通過(guò)膨脹螺栓連接，與吊扣通過(guò)螺絲連接。安裝過(guò)程中需要保證吊扣的水平度及軌道安裝的直線度。軌道安裝方案如圖7所示。

圖7 軌道安裝方案示意圖

4.2.1 劃定高速標(biāo)線

從隧道入洞口開(kāi)始，到隧道出洞口位置，在設(shè)計(jì)高度，與路面平行，劃定高度標(biāo)線。在直線軌道安裝每隔30 m的距離，以2 m為間距，劃定垂直方向位置標(biāo)線，高度標(biāo)線與垂直標(biāo)線交叉點(diǎn)即為直軌吊架安裝孔中心位置。

4.2.2 直線軌道安裝

在高度標(biāo)線和垂直標(biāo)線的交叉點(diǎn)，用直軌吊架安裝孔定位模板，確認(rèn)安裝吊架的準(zhǔn)確位置，安裝直軌吊架如圖8所示。在直軌上，每隔2 m距離，穿一個(gè)吊扣架。穿好吊扣架的直軌，通過(guò)吊扣架的2個(gè)螺絲孔位，暫時(shí)固定到吊架上，固定好所有直軌。直線吊架與吊扣架如圖9所示。

圖8 直軌安裝示意圖

圖9 直線吊架與吊扣架示意圖

逐個(gè)松動(dòng)吊架與吊扣架的固定螺絲，調(diào)整整個(gè)軌道平直。整個(gè)軌道平直，沒(méi)有明顯凸起、凹陷后，擰緊吊架與吊扣架的固定螺絲。在吊架與吊扣架平面連接處，4個(gè)點(diǎn)，把吊架與吊扣架點(diǎn)焊死。

4.2.3 彎軌安裝

緊急停車帶、隧道出入洞口彎軌由彎軌專用吊架與吊架扣固定。彎軌吊架與吊扣架如圖10所示。

圖10 彎軌吊架與吊扣架示意圖

a）彎軌軌道固定方式。彎軌吊架由中間吊架及兩端吊架組成，中間吊架為彎軌專用吊架（采用與直軌吊架相同的錨固螺栓），兩端吊架為直軌吊架。

b）定義隧道直軌平面為A平面，隧道直軌轉(zhuǎn)向緊急停車帶墻面為B平面，緊急停車帶直軌段為C平面。先安裝AB平面彎軌。在A平面段，距離路面6.38 m的位置，暫時(shí)固定一個(gè)直軌吊架1。吊架上端安裝孔的位置由圖11確認(rèn)（其中，垂直標(biāo)線在高度標(biāo)線上距AB平面交線40 cm)。把吊扣架穿到彎軌1上，按照?qǐng)D11暫時(shí)確認(rèn)彎軌1位置，暫時(shí)把吊扣架固定到直軌1吊架上。彎軌彎曲的位置，暫時(shí)通過(guò)隧道頂部吊鋼絲或者工人托住。按照B平面寬度，確認(rèn)彎軌預(yù)留長(zhǎng)度。在地面切割好彎軌位置后，再重新安裝到位。同時(shí)確認(rèn)彎軌專用吊架2安裝位置。

圖11 緊急停車帶吊架示意圖

c）按照上一步確認(rèn)的彎軌1在B面的預(yù)留長(zhǎng)度，確認(rèn)彎軌2在B面的預(yù)留長(zhǎng)度，固定彎軌2吊架及彎軌2。安裝好的彎軌1，彎軌2要保證連接處平整，整個(gè)軌道平直。

4.2.4 調(diào)整軌道平直性

表1 軌道安裝間隙參考表

直線導(dǎo)軌和彎軌安裝完成后，逐個(gè)松動(dòng)吊架與吊扣架的固定螺絲，調(diào)整整個(gè)軌道平直。整個(gè)軌道平直，沒(méi)有明顯凸起、凹陷后，擰緊吊架與吊扣架的固定螺絲。在吊架與吊扣架平面連接處，把吊架與吊扣架點(diǎn)焊焊死。

由于軌道采用定長(zhǎng)軌道有縫銜接的連接方式，軌道在安裝過(guò)程中需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度預(yù)留軌道之間的安裝間隙，如表1所示。