付玉強

（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)地勢復雜，橋隧比例偏高，按照隧道設(shè)計規(guī)范，在高速公路長大隧道中，均配置有較為完善的與隧道結(jié)構(gòu)、長度、車流量等因素相關(guān)的各類隧道照明、監(jiān)控、通風、消防等系統(tǒng)。從照明和監(jiān)控設(shè)施來看，隧道中普遍安置大量的照明燈具和監(jiān)控攝像機。按照國家相關(guān)標準設(shè)置，照明燈具間隔平均約為6.5 m，監(jiān)控攝像探頭間隔約100 m。燈具按照時序、洞內(nèi)外光照度等參數(shù)進行控制，攝像頭全天不間斷采集隧道運行實時視頻信息，實時傳輸至隧道管理站或信息監(jiān)控中心，服務(wù)于路網(wǎng)運行管理和應(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，道路運輸結(jié)構(gòu)復雜，中重載貨車比例很高，隧道中尾氣、煙塵較多，隧道整體運行環(huán)境惡劣。隧道中燈具、攝像機等照明、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重。山西省高速公路整體通行量、隧道結(jié)構(gòu)特點等因素決定了在高速公路運營中，隧道相關(guān)附屬設(shè)施的保養(yǎng)與維護工作危險性較高。同時，諸多保養(yǎng)和維護工作需要封閉道路才能夠進行，這些實際問題都成為高速公路日常運營中各級路網(wǎng)運營管理者必然會面對的挑戰(zhàn)與困難。

按照隧道設(shè)施養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范要求，隧道附屬設(shè)施均需定期進行系統(tǒng)的維護、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、花費高、危險性大，同時容易造成道路擁堵，既減少了經(jīng)濟收入，又給車輛通行造成不便，事故發(fā)生率也急劇上升。同時，在日常運行管理中，隧道通行狀態(tài)主要通過人工巡查進行現(xiàn)場監(jiān)測，無法做到實時、準確、全面的監(jiān)控，并且難以及時發(fā)現(xiàn)一些變化較快的病害特征，與病害發(fā)展實際情況不符。特別是隧道發(fā)生火災(zāi)時，無法第一時間準確獲取現(xiàn)場情況，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。隧道發(fā)生異常事件或突發(fā)緊急事件時，如何能夠第一時間有效、準確掌握隧道運行現(xiàn)場實際情況已成為高速公路運營管理單位亟待解決的一大難題。

如何將機器人技術(shù)應(yīng)用到高速公路隧道管理運維中，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器人的設(shè)想[1]，并對其運動結(jié)構(gòu)進行了理論分析。2005年，Agostino De Santis等人在意大利政府項目“國家行動計劃”中提交了一種交通隧道內(nèi)軌道式消防機器人的設(shè)計[2]，這種機器人的優(yōu)點是當交通隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，機器人可以代替消防人員通過固定導軌直接到達著火點進行滅火工作。2006年，Seung-Nam Yu等人設(shè)計了一種輪式機器人[3]，通過將機器人組件置于鉸接式升降平臺上，并將該平臺安裝于輪式車輛上，采用多個超聲波傳感器與攝像頭共同工作，可以實現(xiàn)人工控制下隧道內(nèi)部墻壁損傷遠程探傷和修復功能。2011年，J.G.Victores等人[4]提出了一種用于交通隧道內(nèi)壁修復的隧道施工機器人，將這種機器人設(shè)置在無人駕駛的卡車上，并通過該卡車上搭載的電腦實現(xiàn)對機器人的控制。2009年，姜蕓、付莊等人提出了一種履帶式機器人的改進方案[5]，這種經(jīng)過改進的履帶式機器人便于攜帶，并有更強的環(huán)境適應(yīng)能力。1980年，日本就成功研制出變電站巡檢機器人并投入使用[6]，該機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行，實現(xiàn)對變電站信息的實時監(jiān)測。2012年，中科院沈陽自動化研究所成功研制了軌道式巡檢機器人[7]，主要針對電網(wǎng)企業(yè)中的變電站巡檢工作。移動巡檢系統(tǒng)采用單排軌道，移動機構(gòu)采用跨座式機構(gòu)，系統(tǒng)能夠適應(yīng)多種惡劣天氣狀況，同時具有移動速度快、定位準確、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點。綜上所述，軌道機器人在各行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，但在公路隧道運營管理中，受隧道環(huán)境、施工難度等因素制約，特種機器人仍處于理論研究階段。

1 機器人整體結(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，可對機器人自動充電，每1 km軌道安裝1個移動平臺于軌道梁上。根據(jù)現(xiàn)實需求在移動平臺上配備照明燈清潔毛刷、監(jiān)控云臺及語音對講模塊等。機器人本體包括移動平臺和功能平臺兩部分，其中移動平臺包括兩套獨立的運行系統(tǒng)，二者各有兩個驅(qū)動輪帶動平臺移動，當兩者之一出現(xiàn)故障，可由另一組帶動移動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)無線信號的衰減，擬采用傳輸距離較遠，抗干擾能力較強的5.8 GHz頻段無線網(wǎng)橋與機器人進行通訊。通訊系統(tǒng)采用AP覆蓋方式搭建，每200 m放置一個AP熱點，AP熱點與遠程指揮系統(tǒng)通過光纜連接，機器人攜帶無線路由與AP熱點無線連接。另外隧道內(nèi)的巡檢人員和車輛也可以通過AP網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進行通訊和定位。機器人在隧道內(nèi)的定位采用AP熱點定位、RFID定位、機器人里程計3種方式相結(jié)合。AP熱點定位和RFID定位為絕對式定位，機器人里程計定位為相對式定位（增量式定位）。

2 軌道及附件設(shè)計

隧道運維管理機器人在軌道上運行來完成隧道巡檢、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)形成一個限界空間，機器人在執(zhí)行任務(wù)時不能夠進入此限界空間。同時，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，機器人需要運行于照明燈斜上方空間內(nèi)。由此，提出設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 軌道整體設(shè)計方案示意圖

隧道內(nèi)壁上方安裝支架，將軌道安裝在固定支架上，機器人以懸吊的形式，通過輪式行走機構(gòu)在軌道上運行。在軌道設(shè)計時，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，保證機器人能夠在軌道上安全可靠運行。

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)，所以軌道在長度方向上會伴隨溫度的升高而伸長，溫度下降而縮短。伸縮長度滿足式（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度；T1、T0分別為變化后的溫度和初始溫度，℃。

若采用無縫鋁合金軌道，假設(shè)隧道全長1 km，在-20℃～40℃溫差作用下，全長1 km的軌道整體收縮量將會達到1.41 m。這樣被固定的軌道在溫度作用下其內(nèi)部會產(chǎn)生較大伸縮應(yīng)力，容易導致軌道產(chǎn)生不可預知的彎曲形變，使得機器人在軌道上無法正常運行。為了防止軌道因內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生變形，需要對軌道進行更復雜的安裝固定，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。采用定長軌道有縫銜接的形式，如圖3所示，將一定長度的軌道通過吊扣銜接起來，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，并在吊扣內(nèi)為軌道端部預留出軌道伸縮縫，伸縮縫寬度為t，當溫度降低時，軌道縮短，伸縮縫寬度t增大，當溫度升高時，軌道伸長，伸縮縫寬度t減小，當溫度上升到最高溫度時，收縮縫寬度減小到伸縮縫設(shè)計值ts。在軌道鋪設(shè)時，根據(jù)實際施工環(huán)境溫度，選擇具體的施工伸縮縫設(shè)計值。通過預留伸縮縫的形式，軌道不會因外部環(huán)境溫度變化而在軌道內(nèi)部產(chǎn)生過大的伸縮應(yīng)力，保證了機器人在軌道上正常運行的同時，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度成正比，單根軌道越長，意味著相鄰軌道之間需要預留出來的伸縮縫就越大，機器人在低溫時運行到軌道伸縮縫處產(chǎn)生的顛簸就會越大，機器人對軌道和支架吊點作用的沖擊載荷就會越大。同時，過長的單根軌道也會增加軌道的生產(chǎn)難度和運輸成本。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)量就會越多，造成施工成本上升。因此，需要選擇一個合適的軌道長度，使整個隧道內(nèi)軌道接縫的數(shù)量和接縫的大小適合機器人的運行。

機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)鋁型材的標準規(guī)格，選擇單根軌道長度為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

軌道通過支架懸吊于隧道上方，機器人運行于軌道上，軌道受到的載荷分為動載荷和靜載荷兩類，靜載荷為軌道自身重力施加在軌道上的載荷，動載荷主要由機器人在軌道運行時，機器人自重對軌道形成的載荷，并且機器人和軌道之間的摩擦力、機器人工作負載、沖擊震動以及隧道風等都會對軌道形成擾動。

2.4 軌道及附件截面設(shè)計及靜力仿真

結(jié)合軌道的功能、受力特點、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。工字型的下緣可以用來為機器人提供行走平面和導向平面。

通過對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度、剛度的同時，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 機器人移動平臺方案設(shè)計

圖4 機器人移動平臺方案

如圖4所示，每個機器人分體均有兩個移動平臺，每個移動平臺有兩個驅(qū)動輪，兩個導向輪。驅(qū)動輪為超級人造膠材質(zhì)，具有較強的抗沖擊性能，能保證機器人在軌道上行駛平穩(wěn)；導向輪的特殊結(jié)構(gòu)不僅能在機器人行駛過程中起到導向作用，還能在遇到?jīng)_擊的時候保證機器人始終不脫軌，在保證安全的同時也避免了對軌道的二次沖擊，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

圖5 移動平臺的拆卸過程

每個移動平臺與機器人本體之間通過轉(zhuǎn)軸連接，保證機器人能順利地轉(zhuǎn)彎。在兩個移動平臺之間的機器人本體上安裝了滑線集電器，當機器人行駛到充電區(qū)域內(nèi)，通過滑線集電器進行充電。

為保證機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，移動平臺單邊驅(qū)動輪和導向輪可以整體移動。當將緊固螺釘解除之后，單邊驅(qū)動輪和導向輪可整體向外移動，使得兩個驅(qū)動輪間距變大，從而使機器人可以整體從軌道上取下來，反之即為安裝過程。在保證安全的前提下，提高了安裝和后期維護的效率，降低了維護成本。

4 軌道安裝施工方案

4.1 軌道安裝程序

4.2 機器人移動軌道安裝方案

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)一個軌道安裝架和軌道吊扣，每根軌道通過4個軌道吊扣進行固定，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)象引起的軌道長度變化問題。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)壁通過軌道安裝架進行安裝，單個軌道安裝架與隧道內(nèi)壁通過膨脹螺栓連接，與吊扣通過螺絲連接。安裝過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 劃定高速標線

從隧道入洞口開始，到隧道出洞口位置，在設(shè)計高度，與路面平行，劃定高度標線。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線，高度標線與垂直標線交叉點即為直軌吊架安裝孔中心位置。

4.2.2 直線軌道安裝

在高度標線和垂直標線的交叉點，用直軌吊架安裝孔定位模板，確認安裝吊架的準確位置，安裝直軌吊架如圖8所示。在直軌上，每隔2 m距離，穿一個吊扣架。穿好吊扣架的直軌，通過吊扣架的2個螺絲孔位，暫時固定到吊架上，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

逐個松動吊架與吊扣架的固定螺絲，調(diào)整整個軌道平直。整個軌道平直，沒有明顯凸起、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個點，把吊架與吊扣架點焊死。

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，暫時固定一個直軌吊架1。吊架上端安裝孔的位置由圖11確認（其中，垂直標線在高度標線上距AB平面交線40 cm)。把吊扣架穿到彎軌1上，按照圖11暫時確認彎軌1位置，暫時把吊扣架固定到直軌1吊架上。彎軌彎曲的位置，暫時通過隧道頂部吊鋼絲或者工人托住。按照B平面寬度，確認彎軌預留長度。在地面切割好彎軌位置后，再重新安裝到位。同時確認彎軌專用吊架2安裝位置。

圖11 緊急停車帶吊架示意圖

c）按照上一步確認的彎軌1在B面的預留長度，確認彎軌2在B面的預留長度，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

直線導軌和彎軌安裝完成后，逐個松動吊架與吊扣架的固定螺絲，調(diào)整整個軌道平直。整個軌道平直，沒有明顯凸起、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，把吊架與吊扣架點焊焊死。

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