摘要 隨著公路隧道的不斷建設(shè)，傳統(tǒng)的公路隧道施工質(zhì)量檢測效率不佳、范圍有限、成本高昂的弊端愈發(fā)凸顯，難以滿足檢查要求。該研究以大龍山隧道為研究對象，提出了應(yīng)用智能檢測機器人對隧道施工階段進行質(zhì)量控制檢測工作的檢測方法，通過機器人掃描隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，測量隧道內(nèi)輪廓的點云三維坐標、圖像和紋理等信息。并通過SLAM GO POST軟件對點云數(shù)據(jù)和圖像進行了建模分析，在得到隧道形狀和位置信息的同時，提高了測量工作效率。工程實踐結(jié)果表明：智能檢測機器人在隧道施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用，能夠滿足隧道質(zhì)量檢測的精度要求，檢測結(jié)果驗證了該方法具有合理高效、成本低廉、作業(yè)方式靈活等特點，使隧道施工質(zhì)量檢測實現(xiàn)智能化、信息化，可以作為一種有效的隧道內(nèi)輪廓測量方式，服務(wù)于交通工程設(shè)計與施工。

關(guān)鍵詞 智能檢測機器人；隧道施工；三維點云；質(zhì)量控制

中圖分類號 U415 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0018-04

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，我國地下工程的修建規(guī)模和數(shù)量已達世界之最，地下建筑技術(shù)飛速發(fā)展[1]。隨著公路的不斷建設(shè)，對公路隧道進行形變檢測變得尤其重要[2]，隧道施工的質(zhì)量直接影響隧道的耐久性，對隧道施工質(zhì)量檢測問題需要采用更加復雜的方式[3-5]。事后解決質(zhì)量問題需要花費大量的時間和費用，在隧道施工過程中快速檢測施工質(zhì)量可以降低整修的費用和時間?；趥鹘y(tǒng)的全站儀，進行隧道開挖、支護、二次襯砌斷面的檢測，不僅浪費大量的人力、物力，且采集數(shù)據(jù)較少，導致檢測只能反映隧道內(nèi)局部現(xiàn)象，不能及時發(fā)現(xiàn)形變造成的重大安全隱患[6]。移動式三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，為隧道測量提供了新的解決方案[7-8]。國內(nèi)外學者提出了改進測量技術(shù)的方案，Yu等[9]在研究中通過全站儀和地面激光掃描儀對隧道襯砌進行了形變監(jiān)測，但其方法仍受到數(shù)據(jù)獲取效率低的限制。首都師范大學集成多個設(shè)備采集隧道橫斷面點云數(shù)據(jù)[10]，使用傳感器較少，采集簡單方便，但是只通過里程定位橫斷面獲取所得的相對點云數(shù)據(jù)無法顯示隧道的曲線形狀，失去了隧道真實幾何形態(tài)和絕對坐標。Dongfeng等[11]使用地面激光雷達對隧道進行了三維激光掃描和變形監(jiān)測，但應(yīng)用范圍有限，不能應(yīng)用到開挖隧道和不規(guī)則隧道。

盡管這些研究在隧道施工驗收和結(jié)構(gòu)健康檢測領(lǐng)域取得了顯著進展，但大多數(shù)方法仍存在測量效率低、數(shù)據(jù)處理復雜、應(yīng)用場景受限等問題。相比之下，該研究基于智能檢測機器人測量技術(shù)，能夠有效克服上述挑戰(zhàn)。智能檢測機器人通過掃描隧道內(nèi)輪廓結(jié)構(gòu)，獲取隧道初期支護和二次襯砌的內(nèi)輪廓數(shù)據(jù)。并通過SLAM GO POST軟件自動解算，實時獲取隧道內(nèi)輪廓特征的形狀和位置信息，大大提高了測量工作的效率和精度。這一創(chuàng)新技術(shù)不僅簡化了操作流程，還擴展了應(yīng)用范圍，尤其在隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高效測量和建模中具有獨特優(yōu)勢。

1 工程概況

該課題依托安徽省安慶市宜秀區(qū)楊橋鎮(zhèn)大龍山1號、2號隧道，設(shè)計采用分離式隧道方案。1號隧道右線長1 668 m，左線長1 672 m，為長隧道；大龍山2號右線長2 432 m，左線長2 426 m，為長隧道。根據(jù)《天天高速公路無為至安慶段詳細地質(zhì)勘察報告》，大龍山隧道圍巖分級大部分被劃分為III、IV和V等級。

在隧道施工過程中，智能檢測機器人配合SLAM100在隧道施工環(huán)節(jié)獲取的點云、全息影像信息，詳細記錄了隧道構(gòu)造物、周邊環(huán)境的實景信息，經(jīng)過軟件系統(tǒng)的自動化處理、加工，為隧道質(zhì)量檢測大數(shù)據(jù)分析提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隧道施工質(zhì)量檢測流程如圖1所示。

2 智能檢測機器人系統(tǒng)組成及技術(shù)原理

2.1 SLAM100技術(shù)簡介

SLAM100是飛馬機器人推出的移動式激光雷達掃描儀，如圖2所示，該系統(tǒng)具有360°旋轉(zhuǎn)云臺，可形成270°×360°點云覆蓋，結(jié)合行業(yè)級SLAM算法，可在無光照、無GPS條件下獲取周圍環(huán)境高精度、高精細度的三維點云數(shù)據(jù)。

SLAM100選用三顆500萬像素自動采集攝像頭，可形成寬200°、高100°超寬視場角，在光照條件下同時獲取紋理信息，生產(chǎn)彩色點云和局部全景圖。SLAM100采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)置控制和存儲系統(tǒng)，內(nèi)置可更換鋰電池，一鍵式啟動作業(yè)，使數(shù)據(jù)獲取更加高效、便捷。SLAM100可選用SLAM GO手機App軟件，查看和管理工程，自動與云端工程信息同步顯示，進行實時SLAM拼圖和實時預覽，進行固件升級和設(shè)備維護等操作。基于飛馬無人機管家SLAM GO POST軟件模塊，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理、彩色點云生產(chǎn)、數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)優(yōu)化、瀏覽和量測等功能。如圖3所示。

（1）測距

目前我們所使用到的激光雷達傳感器多為脈沖式，使用TOF測量原理完成距離測量，使用高精度編碼盤實現(xiàn)角度測量。

TOF（Time of flight），飛行時間法，即通過計算激光發(fā)出到測量物體反射后回到激光器內(nèi)的激光的飛行時間，乘以光的速度除以2計算得到，屬于主動式測量，所以不需要外部光照。

測量距離：

distance=c?t 2 （1）

其中，c為光速（m/s），?t為激光發(fā)出和接收的時間差（s）。

（2）測角

使用高精度編碼度盤可以獲取高精度的水平角度φ（°），結(jié)合固定的垂直角度?（°），通過極坐標計算公式可以計算得到以激光器中心為原點的xyz值。

2.2 智能檢測機器人技術(shù)簡介

智能檢測機器人體身為2 m×1 m×1.5 m（長×寬×高），自身攜帶電源、光源、雷達、供電設(shè)備、導線、拓展接口、NFC、激光傳感器、旋轉(zhuǎn)云臺、相機、無線網(wǎng)、遙控器等設(shè)備組成一體式結(jié)構(gòu)。如圖4所示。智能檢測機器人由履帶制動是考慮隧道內(nèi)部環(huán)境不規(guī)則，可能有斜坡或松散的地面，履帶可以適應(yīng)各種地面條件，提供更好的穩(wěn)定性。

2.3 隧道質(zhì)量檢測工作原理

在隧道質(zhì)量檢測工作過程中，不乏大型機器或碎石可能對檢測人員造成傷害，隧道施工環(huán)境十分復雜，且工作效率低，因此在檢測過程中，智能檢測機器人可以通過遠程遙控進入隧道，遙控距離可達數(shù)公里，可完全滿足實驗需求，不需要檢測人員進入隧道，保護人員安全。隧道內(nèi)部環(huán)境可通過智能檢測機器人上的兩個?？低旸S-2DC4C122IMW-DE 20/F1 S6監(jiān)控設(shè)備，詳細信息如表1所示。500萬監(jiān)控全彩球機，每個球機包含兩個監(jiān)控和兩個補光燈，可以360°觀看機器人周邊環(huán)境，前端有兩顆500萬像素固定監(jiān)控和四個補光燈，當機器人在遠程作業(yè)時，可將前方視野傳送給遠程遙控器SIYI。

準備階段，檢測工作人員可在隧道洞口外進行操作，打開智能檢測機器人電源，連接遙控器SIYI，展示機器人前方畫面，并通過手機和電腦連接機器人的無線網(wǎng)，打開iVMS客戶端連接機器人的?？低暻驒C，顯示機器人四周畫面，之后打開SLAM 100顯示綠燈并閃爍，打開手機SLAM GO軟件連接SLAM 100，按照手機提示，附近避免有人員走動，并開啟一分鐘內(nèi)應(yīng)靜止不動，待機器人顯示燈閃爍時表示準備完畢，如圖5所示。

工作階段，檢測人員通過遙控器SIYI控制機器人進入隧道，為保證人員安全，智能檢測機器人沿隧道初期支護架橋危險區(qū)段勻速向前行，并記錄隧道三維點云數(shù)據(jù)和隧道內(nèi)輪廓照片發(fā)送至手機和電腦，提供后臺工作人員使用。如圖6所示。此外，在進洞時需注意，在特征、紋理豐富區(qū)域獲取的數(shù)據(jù)一般情況下SLAM GO會有良好的解算結(jié)果，針對長直隧道無明顯特征等環(huán)境，為了保證w27cLf1E4bap+AwR/ZZQJw==解算精度，可以在前方無明顯特征時暫停SLAM GO，并重新靜置一分鐘后繼續(xù)前進，從而提高解算精度。

3 工程實際應(yīng)用

3.1 作業(yè)情況和效率

在智能檢測機器人系統(tǒng)對隧道整體進行質(zhì)量檢測的過程中，共掃描了大龍山3個隧道6個洞口全局的點云數(shù)據(jù)，并有照片和視頻記錄，分別為大龍山1號隧道出口，2號隧道進口和2號隧道的出口的左、右洞的初期支護和二次襯砌。隧道施工方法包括分部開挖法、臺階法、全斷面法等多種開挖形式，對隧道整體采用機器人系統(tǒng)一體式采集作業(yè)方法。智能檢測機器人的數(shù)據(jù)收集速度較快（0.4 m/s）。由于智能檢測機器人在無明顯特征時需要手機控制SLAM GO暫停，且開啟后靜置1 min，因此當前方?jīng)]有移動物體時再開始采集，采集過程中，盡量讓智能檢測機器人沿著中心線前進，因此智能檢測機器人是將隧道分階段檢測。隧道內(nèi)部機器繁多，環(huán)境復雜，靜置時間內(nèi)無法避免有物體移動，需要多次嘗試，因此機器人在遇到特殊情況時，應(yīng)對措施時間較慢，根據(jù)隧道曲線段的長度情況，在每個作業(yè)時段耗時約1 h，每個作業(yè)段1人即可采集完成。在檢測過程中，總檢測路段5 215 m，總時長244 min，其中1號隧道出口用時75 min，2號隧道進口用時86 min，2號隧道出口用時83 min。具體工作內(nèi)容如表2所示。

3.2 成果展示

由《大龍山隧道施工圖設(shè)計文件》可知，該文研究智能檢測機器人在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用，隧道二次襯砌高程為7.261 m，初期支護高程7.821 m。如圖7和圖8分別為大龍山1號隧道ZK102+567～ZK102+677和ZK102+358.2～ZK102+439施工段POS解算圖，隨機取樣，示例圖9為隧道二次襯砌高程坐標展示圖，圖9隧道斷面二次襯砌施工高程dZ=7.264 m，高于《大龍山隧道施工圖設(shè)計文件》規(guī)定3 mm，隧道滿足施工技術(shù)規(guī)范[12]。

4.3 數(shù)據(jù)解算精度

由于智能檢測機器人外業(yè)作業(yè)的優(yōu)勢，掃描完成后，先利用SLAM GO POST軟件進行POS解算，直接解算得到地方坐標系的點云數(shù)據(jù)，如表3所示為1號隧道出口左洞46～48測段高程誤差表，采集的點云數(shù)據(jù)的精度基本等同于全站儀的測量精度，點云整體精度可控制在5 mm內(nèi)。說明機器人采集的點云數(shù)據(jù)精度能滿足隧道質(zhì)量測量的要求。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面，由于SLAM數(shù)據(jù)無須拼接和坐標轉(zhuǎn)換，效率比傳統(tǒng)激光雷達掃描儀更高。

綜上，智能檢測機器人的整體作業(yè)效率比傳統(tǒng)全站儀、掃描儀要高，整體作業(yè)過程更簡便。

4 結(jié)語

該研究所采用基于智能檢測機器人和激光雷達掃描的隧道質(zhì)量檢測技術(shù)，能夠準確有效測量出隧道初期支護及二次襯砌的輪廓坐標，該方法首先使智能檢測機器人與電腦手機等設(shè)備共聯(lián)，再開始掃描隧道內(nèi)輪廓，獲得點云數(shù)據(jù)采集，根據(jù)隧道點云的空間分布特征、點云的形態(tài)和顏色特征通過SLAM GO POST軟件對隧道點云數(shù)據(jù)進行自動解算，最后得出隧道特征區(qū)域的距離和角度信息，整個實驗過程1人即可完成采集，方便高效。實驗結(jié)果表明，該研究解算的點云整體精度可控制在5 mm內(nèi)，總掃描路段5 215 m，總用時244 min，智能檢測機器人的整體作業(yè)效率比傳統(tǒng)全站儀、掃描儀要高，整體作業(yè)過程更簡便。實現(xiàn)了大面積、高密度的三維點云數(shù)據(jù)采集，這一創(chuàng)新技術(shù)不僅簡化了操作流程，還擴展了應(yīng)用范圍，為隧道質(zhì)量檢測提供一種新的數(shù)字化技術(shù)手段，尤其在隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高效測量中具有獨特優(yōu)勢。

此外，智能檢測機器人面對隧道無明顯特征情況時，應(yīng)對措施時間較慢，技術(shù)仍需改進。

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收稿日期2024-08-24

作者簡介：方平洋（1988—），男，本科，工程師，研究方向：土木工程。

基金項目：中交第三公路工程局有限公司科技研究項目“機器人和數(shù)字孿生技術(shù)的圍巖穩(wěn)定性快速分析系統(tǒng)研究”（SGJLGSKY-2024-03）。