智能巡檢機(jī)器人在隧道養(yǎng)護(hù)管理中的應(yīng)用

黃 蔚

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來,隨著《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2018—2030年)》的正式頒布,廣西高速公路建設(shè)行業(yè)迅猛發(fā)展,到規(guī)劃期末,廣西將建成“1環(huán)12橫13縱25聯(lián)”的高速公路布局。目前,越來越多的高速公路向山區(qū)擴(kuò)展,山區(qū)特長(zhǎng)隧道的數(shù)量與日俱增。在隧道通車運(yùn)營(yíng)期間,由于襯砌質(zhì)量缺陷、外部環(huán)境惡化、養(yǎng)護(hù)管理不規(guī)范等多種原因,隧道會(huì)出現(xiàn)滲漏水、襯砌脫落、掉塊、開裂等病害,嚴(yán)重影響隧道使用壽命與交通安全[1-3]。除隧道病害外,其他突發(fā)狀況也會(huì)影響隧道交通安全,如路面拋灑物、路面積水、隧道火災(zāi)等。因此,逐漸增多的隧道,尤其是特長(zhǎng)隧道,大幅度增大了隧道的養(yǎng)護(hù)管理難度。

為解決當(dāng)前隧道養(yǎng)護(hù)管理難度大的問題,新技術(shù)、新設(shè)備逐漸被應(yīng)用到隧道養(yǎng)護(hù)管理領(lǐng)域中。本文依托賀州至巴馬高速公路(都安至巴馬段)的發(fā)瑞隧道(隧道長(zhǎng)度為5 334 m),結(jié)合《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG H12-2015)[4](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)的隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)要求,探討了智能巡檢機(jī)器人的科學(xué)原理及在特長(zhǎng)隧道的應(yīng)用。研究表明,該智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了特長(zhǎng)隧道檢測(cè)的智能化、自動(dòng)化。

1 公路隧道的養(yǎng)護(hù)管理現(xiàn)狀

1.1 隧道的養(yǎng)護(hù)管理要求

《規(guī)范》規(guī)定了隧道土建結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)工作分為日常巡查、經(jīng)常檢查、定期檢查、專項(xiàng)檢查。日常巡查通過人工與信息化結(jié)合的手段,與道路巡查同時(shí)進(jìn)行;經(jīng)常檢查要求專業(yè)隧道養(yǎng)護(hù)人員采用人工與信息化結(jié)合的手段,輔以簡(jiǎn)單的檢查工具,對(duì)隧道進(jìn)行詳細(xì)檢查,及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道病害或其他異常情況,是隧道養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵性工作;定期檢查通常由運(yùn)營(yíng)公司委托具有檢測(cè)資質(zhì)的專業(yè)團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備進(jìn)行,檢查結(jié)果的專業(yè)性、權(quán)威性好;專項(xiàng)檢查由具有檢測(cè)資質(zhì)的專業(yè)團(tuán)隊(duì)根據(jù)《規(guī)范》要求開展,檢測(cè)出特定隧道病害的詳細(xì)信息,為是否實(shí)施處治措施及如何實(shí)施處治措施提供科學(xué)合理的依據(jù)。日常巡查與經(jīng)常檢查由運(yùn)營(yíng)公司安排隧道養(yǎng)護(hù)人員執(zhí)行,是隧道養(yǎng)護(hù)管理的關(guān)鍵性檢查工作。

1.2 隧道養(yǎng)護(hù)管理工作的不足

隨著越來越多公路隧道進(jìn)入周期性養(yǎng)護(hù),各運(yùn)營(yíng)公司積累了不少的隧道養(yǎng)護(hù)管理經(jīng)驗(yàn),但日常巡查與經(jīng)常檢查工作仍存在不少缺陷,主要為:

(1)養(yǎng)護(hù)管理粗糙、時(shí)效性差。日常巡查工作一般由養(yǎng)護(hù)人員通過車輛巡查、視頻巡查等方式進(jìn)行,檢查深度一般。實(shí)際上,由于管轄的隧道數(shù)目與檢查內(nèi)容過多,大部分隧道日常巡查工作流于形式,未能完成《規(guī)范》規(guī)定的隧道洞口、襯砌、路面檢查要求,未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道病害問題及異常狀況,導(dǎo)致處治工作滯后;經(jīng)常檢查根據(jù)隧道的數(shù)量、養(yǎng)護(hù)人員配置、隧道長(zhǎng)度等,周期一般為一個(gè)季度或者半年;定期檢查根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況和功能狀況,周期為1～3年,過長(zhǎng)的檢查周期不能彌補(bǔ)日常巡查工作的缺陷,導(dǎo)致隧道存在安全缺陷。

(2)專業(yè)程度不足。我國(guó)地域遼闊,山區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜,隧道經(jīng)過的地區(qū)環(huán)境差異大,隧道養(yǎng)護(hù)管理工作具備特殊性,隨著時(shí)間的推移,隧道病害增多,養(yǎng)護(hù)難度增大。日常巡查與經(jīng)常檢查需要隧道養(yǎng)護(hù)工程師通過豐富的養(yǎng)護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)與扎實(shí)的理論基礎(chǔ),能快速定位隧道病害,制定科學(xué)合理的處治措施。但是,由于我國(guó)早期運(yùn)營(yíng)的公路隧道數(shù)量少,隧道養(yǎng)護(hù)管理難度低、工作量少,導(dǎo)致隧道養(yǎng)護(hù)基礎(chǔ)薄弱,養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)整體積累不足,高素質(zhì)的養(yǎng)護(hù)工程師數(shù)量偏少。此外,在當(dāng)前隧道大規(guī)模建設(shè)的環(huán)境下,隧道后期養(yǎng)護(hù)工作得不到重視,“重建輕養(yǎng)”的思想流行,養(yǎng)護(hù)理念落后,易形成養(yǎng)護(hù)工作被動(dòng)化的不良局面[5]。綜上所述,我國(guó)隧道養(yǎng)護(hù)管理專業(yè)程度不足,養(yǎng)護(hù)管理工作面臨一定挑戰(zhàn)。

2 智能巡檢機(jī)器人的科學(xué)技術(shù)原理

為了能較好地代替人工對(duì)復(fù)雜時(shí)空環(huán)境下的隧道進(jìn)行巡檢,本文的智能巡檢機(jī)器人以《規(guī)范》為基礎(chǔ),采用先進(jìn)的技術(shù)手段,提高養(yǎng)護(hù)管理工作的時(shí)效性與專業(yè)程度。

2.1 智能巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)組成

如圖1所示,智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要由巡檢機(jī)器人本體、軌道裝置、附屬裝置、巡檢及評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)組成。

圖1 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成示意圖

(1)巡檢機(jī)器人本體:包含巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊、多元視覺檢測(cè)系統(tǒng)等,負(fù)責(zé)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)、路面狀況的巡檢和異常狀態(tài)進(jìn)行智能檢測(cè),并將相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳回控制主機(jī)。

(2)軌道裝置:架設(shè)在檢修道上方,包含巡檢機(jī)器人運(yùn)行的軌道、軌道支撐機(jī)構(gòu)、軌道調(diào)整裝置,三者協(xié)同作用為巡檢機(jī)器人提供高檢測(cè)精度、高可靠性、高安全性的運(yùn)行環(huán)境。

(3)附屬裝置:包含巡檢機(jī)器人的無線通信模塊、電源管理模塊、維修平臺(tái)裝置等,是提供巡檢機(jī)器人運(yùn)行的保障條件。

(4)巡檢及評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng):安裝在控制主機(jī)上,包含隧道巡檢機(jī)器人的操作設(shè)置、隧道病害診斷、其他隧道異常狀況檢測(cè)和隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)等功能。隧道養(yǎng)護(hù)人員可在該系統(tǒng)軟件上控制智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行隧道巡檢、查詢巡檢記錄與診斷報(bào)告等。

2.2 智能巡檢機(jī)器人的原理

本文的智能巡檢機(jī)器人可對(duì)特長(zhǎng)及復(fù)雜隧道的結(jié)構(gòu)病害及其他異常狀態(tài)進(jìn)行自主檢測(cè)、定位,能夠智能提取隧道異常狀態(tài)和病害的多種指標(biāo),并由隧道評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)的安全評(píng)價(jià),為隧道養(yǎng)護(hù)決策提供支撐。相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是:多元視覺采集系統(tǒng)、目標(biāo)檢測(cè)與分割算法、病害診斷專家系統(tǒng)。

2.2.1 多元視覺采集系統(tǒng)

多元視覺采集系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)隧道狀態(tài)檢測(cè)的硬件基礎(chǔ)。多元視覺采集系統(tǒng)由高精度紅外傳感器、激光雷達(dá)及工業(yè)全景相機(jī)等高精度視覺測(cè)量部件組成。紅外線傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量隧道表面溫度的熱像圖,可發(fā)現(xiàn)溫度異常部位,起到隧道火災(zāi)檢測(cè)的作用;激光雷達(dá)能精確收集三維隧道環(huán)境信息,構(gòu)造精細(xì)的云圖,起到車流監(jiān)測(cè)、路面拋灑物識(shí)別等作用;工業(yè)全景相機(jī)起到隧道病害智能定位與識(shí)別的作用。

2.2.2 目標(biāo)檢測(cè)與分割算法

目標(biāo)檢測(cè)與分割算法是實(shí)現(xiàn)隧道狀態(tài)檢測(cè)的理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測(cè)與分割算法由不同尺寸的區(qū)域選擇、特征提取和目標(biāo)分類組成[6],區(qū)域選擇主要采用滑動(dòng)窗口模式,特征提取主要采用手動(dòng)模式,該算法有窗口冗余嚴(yán)重、運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差、準(zhǔn)確度差等缺陷[7]。智能巡檢機(jī)器人采用了基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)與分割算法,通過引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN),克服了滑動(dòng)窗口選擇模式、手動(dòng)特征提取的缺點(diǎn)。

基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)隧道病害的智能檢測(cè)。該算法主要分為兩階段檢測(cè)算法與單階段檢測(cè)算法,如圖2所示。兩階段檢測(cè)算法包含了兩次目標(biāo)檢測(cè)過程,雖然檢測(cè)精度高,但模型復(fù)雜、計(jì)算效率低;單階段檢測(cè)算法只進(jìn)行一次檢測(cè)過程,模型簡(jiǎn)單、效率高、實(shí)時(shí)性好[8]。智能巡檢機(jī)器人為保證實(shí)時(shí)性,采用單階段檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)隧道病害的識(shí)別,如圖3、圖4所示。

(a)兩階段檢測(cè)算法

圖3 隧道滲漏水的檢測(cè)示例圖

圖4 剝落掉塊的檢測(cè)示例圖

基于深度學(xué)習(xí)的圖像分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)病害的高級(jí)別分析。該算法能夠?qū)D像劃分為若干個(gè)超級(jí)像素,對(duì)圖像進(jìn)行高級(jí)別分析,主要為語義分割與實(shí)例分割兩種。其中,語義分割對(duì)每個(gè)像素賦予一個(gè)類別,實(shí)例分割在語義分割的基礎(chǔ)上,對(duì)像素進(jìn)一步分類,提高分割的精度與準(zhǔn)確性[9]。為了精確檢測(cè)復(fù)雜的隧道病害形態(tài)與特征參數(shù),智能巡檢機(jī)器人采用實(shí)例分割方法進(jìn)行圖像分割,分割效果如圖5所示。

圖5 隧道滲漏水的圖像分割結(jié)果示例圖

2.2.3 病害診斷專家系統(tǒng)

控制主機(jī)配備病害診斷專家系統(tǒng),該系統(tǒng)含有大量隧道病害處治領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn),能夠科學(xué)診斷隧道病害,并為隧道養(yǎng)護(hù)人員提供科學(xué)的處治方法。

3 智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用

智能巡檢機(jī)器人已在S30賀州至巴馬高速公路(都安至巴馬段)的發(fā)瑞隧道安裝使用,如圖6所示。在智能巡檢機(jī)器人安裝使用以來的半年時(shí)間內(nèi),隧道養(yǎng)護(hù)部門完全按照《規(guī)范》要求完成發(fā)瑞隧道的養(yǎng)護(hù)工作,并依照智能巡檢機(jī)器人實(shí)時(shí)隱患排除反饋處理約30起運(yùn)營(yíng)隱患問題,大幅度提高了運(yùn)營(yíng)公司對(duì)該特長(zhǎng)隧道的科學(xué)養(yǎng)護(hù)能力。從科學(xué)技術(shù)原理與實(shí)際使用效果出發(fā),歸納總結(jié)智能巡檢機(jī)器人具有以下特點(diǎn):

圖6 發(fā)瑞隧道的智能巡檢機(jī)器人安裝示例圖

(1)結(jié)構(gòu)病害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)隧道出現(xiàn)的混凝土開裂、掉塊、滲漏水、路面坑槽等結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行精細(xì)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),取代傳統(tǒng)作業(yè)中的定期檢測(cè)工作,對(duì)短時(shí)間內(nèi)病害程度加劇的情況進(jìn)行預(yù)警,防止因病害突變引發(fā)的安全事故。

(2)運(yùn)營(yíng)隱患實(shí)況排查。對(duì)路面拋灑物、路面積水等可能會(huì)影響行車安全的情況,智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行實(shí)況排查并通知養(yǎng)護(hù)人員及時(shí)處理。

(3)可進(jìn)行交通狀況遠(yuǎn)程監(jiān)控?？赏ㄟ^智能巡檢機(jī)器人隨時(shí)監(jiān)控隧道內(nèi)交通狀況,獲取擁擠程度,定位隧道內(nèi)堵點(diǎn)位置,發(fā)現(xiàn)擁堵原因。

(4)健康狀態(tài)專業(yè)評(píng)估。業(yè)內(nèi)頂級(jí)技術(shù)團(tuán)隊(duì)可遠(yuǎn)程評(píng)價(jià)隧道健康狀態(tài),支持現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)人員處理突發(fā)事件,指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)作業(yè)工作。

(5)節(jié)省養(yǎng)護(hù)人力成本。智能巡檢機(jī)器人代替人工完成隧道日常巡查、經(jīng)常檢查、定期檢查。

4 結(jié)語

綜上所述,智能巡檢機(jī)器人以《規(guī)范》為基礎(chǔ),通過多元傳感器系統(tǒng)、目標(biāo)識(shí)別與圖像分割算法等實(shí)現(xiàn)了隧道開裂、滲漏水、襯砌掉塊等病害與其他異常狀況的智能化識(shí)別與檢測(cè),克服了傳統(tǒng)隧道養(yǎng)護(hù)的缺陷,提升了隧道的科學(xué)養(yǎng)護(hù)管理水平;智能巡檢機(jī)器人可應(yīng)用于城市隧道、地鐵、戶外隧道、鐵路隧道等的安全狀態(tài)檢查,應(yīng)用范圍廣,推廣價(jià)值好。因此,面對(duì)未來更嚴(yán)峻的隧道養(yǎng)護(hù)管理,為了實(shí)現(xiàn)隧道的科學(xué)養(yǎng)護(hù)管理,應(yīng)用智能機(jī)器人對(duì)隧道進(jìn)行智能化、自動(dòng)化巡檢必將是行之有效的方法,值得不斷研究探索。