黃 蔚

(廣西新發(fā)展交通集團有限公司,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)擴展,山區(qū)特長隧道的數(shù)量與日俱增。在隧道通車運營期間,由于襯砌質(zhì)量缺陷、外部環(huán)境惡化、養(yǎng)護管理不規(guī)范等多種原因,隧道會出現(xiàn)滲漏水、襯砌脫落、掉塊、開裂等病害,嚴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)狀況也會影響隧道交通安全,如路面拋灑物、路面積水、隧道火災等。因此,逐漸增多的隧道,尤其是特長隧道,大幅度增大了隧道的養(yǎng)護管理難度。

為解決當前隧道養(yǎng)護管理難度大的問題,新技術(shù)、新設備逐漸被應用到隧道養(yǎng)護管理領(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(隧道長度為5 334 m),結(jié)合《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》(JTG H12-2015)[4](以下簡稱《規(guī)范》)的隧道養(yǎng)護技術(shù)要求,探討了智能巡檢機器人的科學原理及在特長隧道的應用。研究表明,該智能機器人實現(xiàn)了特長隧道檢測的智能化、自動化。

1 公路隧道的養(yǎng)護管理現(xiàn)狀

1.1 隧道的養(yǎng)護管理要求

《規(guī)范》規(guī)定了隧道土建結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護工作分為日常巡查、經(jīng)常檢查、定期檢查、專項檢查。日常巡查通過人工與信息化結(jié)合的手段,與道路巡查同時進行;經(jīng)常檢查要求專業(yè)隧道養(yǎng)護人員采用人工與信息化結(jié)合的手段,輔以簡單的檢查工具,對隧道進行詳細檢查,及時發(fā)現(xiàn)隧道病害或其他異常情況,是隧道養(yǎng)護的關(guān)鍵性工作;定期檢查通常由運營公司委托具有檢測資質(zhì)的專業(yè)團隊利用先進的技術(shù)設備進行,檢查結(jié)果的專業(yè)性、權(quán)威性好;專項檢查由具有檢測資質(zhì)的專業(yè)團隊根據(jù)《規(guī)范》要求開展,檢測出特定隧道病害的詳細信息,為是否實施處治措施及如何實施處治措施提供科學合理的依據(jù)。日常巡查與經(jīng)常檢查由運營公司安排隧道養(yǎng)護人員執(zhí)行,是隧道養(yǎng)護管理的關(guān)鍵性檢查工作。

1.2 隧道養(yǎng)護管理工作的不足

隨著越來越多公路隧道進入周期性養(yǎng)護,各運營公司積累了不少的隧道養(yǎng)護管理經(jīng)驗,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)護管理粗糙、時效性差。日常巡查工作一般由養(yǎng)護人員通過車輛巡查、視頻巡查等方式進行,檢查深度一般。實際上,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,未能及時發(fā)現(xiàn)隧道病害問題及異常狀況,導致處治工作滯后;經(jīng)常檢查根據(jù)隧道的數(shù)量、養(yǎng)護人員配置、隧道長度等,周期一般為一個季度或者半年;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,過長的檢查周期不能彌補日常巡查工作的缺陷,導致隧道存在安全缺陷。

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

2 智能巡檢機器人的科學技術(shù)原理

為了能較好地代替人工對復雜時空環(huán)境下的隧道進行巡檢,本文的智能巡檢機器人以《規(guī)范》為基礎(chǔ),采用先進的技術(shù)手段,提高養(yǎng)護管理工作的時效性與專業(yè)程度。

2.1 智能巡檢機器人的系統(tǒng)組成

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

圖1 智能巡檢機器人系統(tǒng)組成示意圖

(1)巡檢機器人本體:包含巡檢機器人驅(qū)動模塊、多元視覺檢測系統(tǒng)等,負責對隧道襯砌結(jié)構(gòu)、路面狀況的巡檢和異常狀態(tài)進行智能檢測,并將相關(guān)檢測數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡傳回控制主機。

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

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

(4)巡檢及評價軟件系統(tǒng):安裝在控制主機上,包含隧道巡檢機器人的操作設置、隧道病害診斷、其他隧道異常狀況檢測和隧道結(jié)構(gòu)安全評價等功能。隧道養(yǎng)護人員可在該系統(tǒng)軟件上控制智能巡檢機器人進行隧道巡檢、查詢巡檢記錄與診斷報告等。

2.2 智能巡檢機器人的原理

本文的智能巡檢機器人可對特長及復雜隧道的結(jié)構(gòu)病害及其他異常狀態(tài)進行自主檢測、定位,能夠智能提取隧道異常狀態(tài)和病害的多種指標,并由隧道評價系統(tǒng)實現(xiàn)對隧道運營的安全評價,為隧道養(yǎng)護決策提供支撐。相關(guān)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵是:多元視覺采集系統(tǒng)、目標檢測與分割算法、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)是實現(xiàn)隧道狀態(tài)檢測的硬件基礎(chǔ)。多元視覺采集系統(tǒng)由高精度紅外傳感器、激光雷達及工業(yè)全景相機等高精度視覺測量部件組成。紅外線傳感器負責測量隧道表面溫度的熱像圖,可發(fā)現(xiàn)溫度異常部位,起到隧道火災檢測的作用;激光雷達能精確收集三維隧道環(huán)境信息,構(gòu)造精細的云圖,起到車流監(jiān)測、路面拋灑物識別等作用;工業(yè)全景相機起到隧道病害智能定位與識別的作用。

2.2.2 目標檢測與分割算法

目標檢測與分割算法是實現(xiàn)隧道狀態(tài)檢測的理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的目標檢測與分割算法由不同尺寸的區(qū)域選擇、特征提取和目標分類組成[6],區(qū)域選擇主要采用滑動窗口模式,特征提取主要采用手動模式,該算法有窗口冗余嚴重、運算時間長、實時性差、準確度差等缺陷[7]。智能巡檢機器人采用了基于深度學習的目標檢測與分割算法,通過引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(CNN),克服了滑動窗口選擇模式、手動特征提取的缺點。

基于深度學習的目標檢測算法實現(xiàn)隧道病害的智能檢測。該算法主要分為兩階段檢測算法與單階段檢測算法,如圖2所示。兩階段檢測算法包含了兩次目標檢測過程,雖然檢測精度高,但模型復雜、計算效率低;單階段檢測算法只進行一次檢測過程,模型簡單、效率高、實時性好[8]。智能巡檢機器人為保證實時性,采用單階段檢測算法實現(xiàn)隧道病害的識別,如圖3、圖4所示。

(a)兩階段檢測算法

圖3 隧道滲漏水的檢測示例圖

圖4 剝落掉塊的檢測示例圖

基于深度學習的圖像分割技術(shù)實現(xiàn)病害的高級別分析。該算法能夠?qū)D像劃分為若干個超級像素,對圖像進行高級別分析,主要為語義分割與實例分割兩種。其中,語義分割對每個像素賦予一個類別,實例分割在語義分割的基礎(chǔ)上,對像素進一步分類,提高分割的精度與準確性[9]。為了精確檢測復雜的隧道病害形態(tài)與特征參數(shù),智能巡檢機器人采用實例分割方法進行圖像分割,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與經(jīng)驗,能夠科學診斷隧道病害,并為隧道養(yǎng)護人員提供科學的處治方法。

3 智能巡檢機器人的應用

智能巡檢機器人已在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。在智能巡檢機器人安裝使用以來的半年時間內(nèi),隧道養(yǎng)護部門完全按照《規(guī)范》要求完成發(fā)瑞隧道的養(yǎng)護工作,并依照智能巡檢機器人實時隱患排除反饋處理約30起運營隱患問題,大幅度提高了運營公司對該特長隧道的科學養(yǎng)護能力。從科學技術(shù)原理與實際使用效果出發(fā),歸納總結(jié)智能巡檢機器人具有以下特點:

圖6 發(fā)瑞隧道的智能巡檢機器人安裝示例圖

(1)結(jié)構(gòu)病害實時監(jiān)測。對隧道出現(xiàn)的混凝土開裂、掉塊、滲漏水、路面坑槽等結(jié)構(gòu)病害進行精細化實時監(jiān)測,取代傳統(tǒng)作業(yè)中的定期檢測工作,對短時間內(nèi)病害程度加劇的情況進行預警,防止因病害突變引發(fā)的安全事故。

(2)運營隱患實況排查。對路面拋灑物、路面積水等可能會影響行車安全的情況,智能巡檢機器人進行實況排查并通知養(yǎng)護人員及時處理。

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

(4)健康狀態(tài)專業(yè)評估。業(yè)內(nèi)頂級技術(shù)團隊可遠程評價隧道健康狀態(tài),支持現(xiàn)場養(yǎng)護人員處理突發(fā)事件,指導養(yǎng)護作業(yè)工作。

(5)節(jié)省養(yǎng)護人力成本。智能巡檢機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,智能巡檢機器人以《規(guī)范》為基礎(chǔ),通過多元傳感器系統(tǒng)、目標識別與圖像分割算法等實現(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別與檢測,克服了傳統(tǒng)隧道養(yǎng)護的缺陷,提升了隧道的科學養(yǎng)護管理水平;智能巡檢機器人可應用于城市隧道、地鐵、戶外隧道、鐵路隧道等的安全狀態(tài)檢查,應用范圍廣,推廣價值好。因此,面對未來更嚴峻的隧道養(yǎng)護管理,為了實現(xiàn)隧道的科學養(yǎng)護管理,應用智能機器人對隧道進行智能化、自動化巡檢必將是行之有效的方法,值得不斷研究探索。