文章針對(duì)隧道巡檢問題，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道巡檢裝置，該裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)并傳輸數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)。通過多軸自由度相機(jī)和氣體檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道內(nèi)部環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)，并采用無線通信模塊確保數(shù)據(jù)傳輸。相較于傳統(tǒng)人工巡檢，該裝置自動(dòng)化程度高，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了效率，減少了事故概率。綜合測(cè)試驗(yàn)證了其可靠性和穩(wěn)定性，為提升隧道安全管理水平和效率提供了技術(shù)支持。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能巡檢；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；監(jiān)控平臺(tái)

U456.3A351233

作者簡介：

周忠瑤（1988—），碩士，工程師，主要從事高速公路機(jī)電工程項(xiàng)目建設(shè)管理工作。

0" 引言

隨著我國公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，高速公路的隧道數(shù)量持續(xù)增加。當(dāng)前，我國高速公路隧道主要采用人工巡檢方式。盡管這種方式具有一定的便利性，如設(shè)備操作簡單、巡檢流程靈活以及問題處理及時(shí)等，但在實(shí)踐中卻面臨諸多挑戰(zhàn)。由于隧道內(nèi)車流密集、空間有限且環(huán)境質(zhì)量較差，使設(shè)備的日常維護(hù)和事故排查工作變得異常困難。這不僅增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，還導(dǎo)致巡檢效率低下、效果不佳。如果工作人員未能及時(shí)進(jìn)行巡檢，可能無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)柜設(shè)備故障、緊急通話設(shè)備損壞、消防設(shè)備被盜等緊急狀況，進(jìn)而引發(fā)隧道內(nèi)的事故而無法及時(shí)處理。此外，在高速公路隧道這樣的復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行人工巡檢，工作人員的人身安全難以得到充分保障。因此，研發(fā)更加高效、安全的公路隧道巡檢技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。通過引入先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)手段，提高隧道巡檢的自動(dòng)化和智能化水平，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高巡檢效率，并確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，保障隧道運(yùn)營的安全性和可靠性。

本文探討了采用智能巡檢機(jī)器裝置在復(fù)雜、危險(xiǎn)的高速公路隧道環(huán)境中替代人工巡檢的方案。智能巡檢機(jī)器裝置能夠?qū)λ淼纼?nèi)的設(shè)備狀態(tài)、車輛行駛狀態(tài)和路面狀況進(jìn)行長期、實(shí)時(shí)且連續(xù)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化巡檢。通過實(shí)施相應(yīng)的維護(hù)、維修和管理措施，可以有效排除隧道安全隱患，降低事故發(fā)生率，并減少由此帶來的生命和財(cái)產(chǎn)損失。一旦隧道內(nèi)部發(fā)生突發(fā)情況，智能巡檢機(jī)器裝置還能迅速響應(yīng)，第一時(shí)間處理事故，以減輕損失。

1" 發(fā)展現(xiàn)狀及問題分析

1.1" 發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，高速公路隧道智能巡檢裝置的發(fā)展迅速演進(jìn)，運(yùn)用了多種先進(jìn)技術(shù)，包括智能傳感器、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、機(jī)器人巡檢等。這些技術(shù)的應(yīng)用大幅提升了隧道內(nèi)部參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，能夠及時(shí)識(shí)別隧道內(nèi)的異常情況，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷。成健等［1］設(shè)計(jì)了一款電纜式隧道巡檢裝置，該裝置由底盤、機(jī)械臂和攝像頭等部分組成，采用履帶輪臂式結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、爬坡、越障礙物等功能。黃雙得等［2］設(shè)計(jì)研發(fā)了一種架空式巡檢機(jī)器人，其整體結(jié)構(gòu)涵蓋軌道、導(dǎo)向、傳動(dòng)和制動(dòng)等關(guān)鍵組成部分。在軌道方面，該設(shè)計(jì)采用了經(jīng)過改良的工字梁軌道，材料選用了高強(qiáng)度的鋁合金，以確保機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中具備穩(wěn)固的支撐和導(dǎo)向。傳動(dòng)系統(tǒng)采用齒輪齒條傳動(dòng)，提高了巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。劉旭等［3］提出了一種創(chuàng)新的可升降式智能巡檢裝置，主要包括巡視車、移動(dòng)升降平臺(tái)、巡視軌道、監(jiān)測(cè)設(shè)備和顯示裝置等組成。其中，顯示裝置在系統(tǒng)中充當(dāng)信息接收和指令發(fā)送的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，用于準(zhǔn)確掌控巡視車的行進(jìn)和攝像頭的方向調(diào)整等核心功能。移動(dòng)升降平臺(tái)的任務(wù)是精準(zhǔn)控制小車的升降過程，使其能夠順暢移動(dòng)到指定的軌道，完成巡視檢測(cè)任務(wù)。該設(shè)計(jì)的核心在于通過各個(gè)組成部分的有機(jī)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)智能巡檢裝置的高效運(yùn)行和操作的靈活性。

然而，盡管巡檢機(jī)器人的研發(fā)取得了進(jìn)展，但目前市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品較多都不滿足高速公路隧道這類特殊環(huán)境的需求，如更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程管理的智能化以及對(duì)多種隧道環(huán)境下的適應(yīng)性等。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)更全面、智能化且適應(yīng)不同隧道特性的高速公路隧道智能巡檢裝置成為迫切的需求和挑戰(zhàn)。

1.2" 問題分析

全國各地的主要地形特點(diǎn)各有不同，有丘陵、平原、山地或者其他類型的地貌。其中，丘陵地形所在地的地勢(shì)變化多端、錯(cuò)綜復(fù)雜。這種獨(dú)特的地貌條件，使得在構(gòu)建高速公路時(shí)，必須通過大量建設(shè)隧道來穿越這些復(fù)雜地形。然而，隧道的封閉性特質(zhì)使得其在人員進(jìn)行設(shè)備巡檢時(shí)，存在較為嚴(yán)重的交通安全隱患。因此，為了確保在設(shè)備復(fù)檢時(shí)隧道行車的安全，自動(dòng)巡檢裝置的研發(fā)成為了高速公路隧道運(yùn)維的核心任務(wù)。然而，在隧道中應(yīng)用自動(dòng)巡檢設(shè)備時(shí)，存在一些技術(shù)難點(diǎn)。

（1）由于隧道環(huán)境的特殊性，許多設(shè)備都是獨(dú)立運(yùn)作的，因此在收集和匯總設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)需要耗費(fèi)大量的人力資源。同時(shí)，市場上大多數(shù)隧道機(jī)電設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用有線方式，這不僅導(dǎo)致了線路的復(fù)雜性，還存在有線束縛的問題，給操作帶來不便［4］。為了避免有線束縛，可以通過使用Lora、Zigbee、BLE等無線通信方式，完成數(shù)據(jù)的傳輸［5-6］。當(dāng)巡檢裝置到達(dá)待檢設(shè)備區(qū)域時(shí)，通過無線模塊發(fā)出指令至待檢設(shè)備，待檢設(shè)備回傳狀態(tài)數(shù)據(jù)完成檢查。

（2）目前，市場上現(xiàn)有的隧道巡檢產(chǎn)品數(shù)量較少，且大多數(shù)采用履帶和滾輪式的方式進(jìn)行移動(dòng)，這種設(shè)計(jì)需要占用隧道兩側(cè)的應(yīng)急橫道，若應(yīng)急橫道上存在障礙物，則巡檢機(jī)器人需要進(jìn)入隧道內(nèi)部才能完成越障動(dòng)作，這無疑增加了安全隱患。為了解決這類問題，可以選擇在隧道壁上安裝軌道，避免占用應(yīng)急橫道，減少因障礙物導(dǎo)致裝置無法前行的可能。

（3）目前市場上多數(shù)巡檢設(shè)備沒有可視化的平臺(tái)，在后期管理中存在不便。因此，可以設(shè)計(jì)一種基于該巡檢裝置的可視化平臺(tái)，便于后續(xù)運(yùn)維管理使用。

高速公路隧道智能巡檢裝置的設(shè)計(jì)研究/周忠瑤，李小勇

2" 改進(jìn)方法及設(shè)計(jì)

本文提出了一種隧道智能巡檢裝置的設(shè)計(jì)方案。該智能巡檢裝置由巡檢小車、終端數(shù)傳模塊、巡視軌道和隧道巡檢監(jiān)測(cè)平臺(tái)等部分組成。在隧道壁上安裝巡視軌道，并將巡檢小車部署在高速公路隧道的左右洞壁上，由隧道所屬的收費(fèi)站進(jìn)行監(jiān)控和管理。隧道巡檢監(jiān)測(cè)平臺(tái)用于管理和匯總巡檢小車所采集的數(shù)據(jù)，對(duì)此進(jìn)行分析和處理，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

考慮到履帶和滾輪式設(shè)計(jì)可能擋住隧道兩側(cè)的應(yīng)急橫道，本次設(shè)計(jì)中巡視小車采用沿著隧道頂部鋪設(shè)的鋁合金軌道運(yùn)行的方式。這樣的設(shè)計(jì)不僅避免了占用應(yīng)急橫道，還能使巡檢小車在隧道內(nèi)部進(jìn)行快速、高效的巡檢。在實(shí)際工程實(shí)施時(shí)，還可以根據(jù)隧道現(xiàn)場地形設(shè)計(jì)和預(yù)制相應(yīng)的彎曲度和坡度軌道，以適應(yīng)不同隧道的巡檢需求。

巡檢小車硬件集成由自由度相機(jī)、藍(lán)牙通信模塊、氣體檢測(cè)器、ROS開發(fā)板、傳動(dòng)裝置和電源等模塊組成。自由度相機(jī)具備多軸自由度的拍攝功能，用于識(shí)別設(shè)備和軌道位置和捕捉突發(fā)情況。該相機(jī)能捕捉多角度、多方向圖像，擴(kuò)展了小車的視野和圖像獲取能力。藍(lán)牙通信模塊用于與終端數(shù)傳模塊進(jìn)行無線通信，使小車能夠遠(yuǎn)程接收終端數(shù)傳模塊傳來數(shù)據(jù)。氣體檢測(cè)器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)汽車尾氣含量，及時(shí)檢測(cè)并報(bào)告有害氣體濃度異常情況，并根據(jù)隧道內(nèi)氣體濃度，控制隧道內(nèi)排氣裝置。ROS開發(fā)板作為核心處理器，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)。電源模塊提供穩(wěn)定的電力支持，確保各設(shè)備正常運(yùn)行。這些硬件組件的集成增強(qiáng)了巡檢小車的視覺感知、通信能力和安全監(jiān)測(cè)功能，為其在不同環(huán)境中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

終端數(shù)傳模塊用于隧道設(shè)備的無線數(shù)據(jù)傳輸，有些傳統(tǒng)設(shè)備沒有無線接口，因此將待檢設(shè)備的數(shù)據(jù)通過485或232總線傳輸至終端數(shù)傳模塊，終端數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝成幀后，通過BLE mesh技術(shù)無線傳輸至巡檢小車。終端數(shù)傳模塊由STM32主控板、485轉(zhuǎn)換模塊、232轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊組成，通過將接收到的總線數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、處理后，統(tǒng)一協(xié)議格式并通過藍(lán)牙模塊傳輸，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸功能。

通過隧道巡檢監(jiān)測(cè)平臺(tái)，隧道巡檢機(jī)器人得以獨(dú)立運(yùn)行。監(jiān)控中心的工作人員可以實(shí)時(shí)查看巡檢小車的巡檢狀態(tài)以及周圍環(huán)境信息。此外，監(jiān)控中心還能接收工作人員的指令，自動(dòng)向巡檢小車發(fā)送巡檢任務(wù)。這種先進(jìn)的配置不僅提高了隧道巡檢的效率，還增強(qiáng)了安全性，顯著降低了人工巡檢的風(fēng)險(xiǎn)。遠(yuǎn)程集控中心平臺(tái)采納MVC架構(gòu)。這種軟件設(shè)計(jì)模式常見于Web應(yīng)用程序開發(fā)，包括模型、視圖、控制器三部分分層結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于降低開發(fā)復(fù)雜度、增進(jìn)代碼復(fù)用，并有利于后續(xù)的測(cè)試與維護(hù)工作。本次設(shè)計(jì)的用戶界面由以下模塊組成：

（1）用戶登錄。用戶首先需要通過賬號(hào)和密碼完成登錄，以確保系統(tǒng)的安全性和用戶權(quán)限控制。登錄成功后，用戶可以進(jìn)入系統(tǒng)的主界面。

（2）設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。用戶可以查看隧道內(nèi)巡檢設(shè)備所獲取的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，包括各設(shè)備的工作狀態(tài)、溫度、濕度、電壓等。通過圖表、數(shù)字等形式直觀地展示，方便用戶全面了解設(shè)備的運(yùn)行情況。

（3）設(shè)備待處理提示。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并向用戶發(fā)送提醒信息，以便用戶及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。提醒信息可以通過彈窗、手機(jī)短信、電子郵件等多種方式進(jìn)行提示，保證用戶及時(shí)獲得設(shè)備異常情況的通知。

（4）歷史數(shù)據(jù)查詢。用戶可以選擇設(shè)定時(shí)間范圍，查詢歷史數(shù)據(jù)，包括設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)會(huì)將歷史數(shù)據(jù)保存在云服務(wù)器中，用戶可以通過該模塊方便地獲取和分析歷史數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的評(píng)估和改進(jìn)。

3" 試驗(yàn)測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證隧道巡檢裝置的實(shí)用性，分別在試驗(yàn)室和園區(qū)隧道模擬測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)室主要關(guān)注系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、無線通信距離、設(shè)備運(yùn)動(dòng)情況以及環(huán)境參數(shù)獲取等功能。隧道模擬測(cè)試點(diǎn)則主要用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體性測(cè)試。

在試驗(yàn)室測(cè)試中，通過對(duì)比自由度相機(jī)拍攝的圖像與實(shí)際場景，驗(yàn)證了圖像捕捉的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)成功捕獲了多個(gè)角度、多方向的圖像，確保了對(duì)隧道內(nèi)部細(xì)節(jié)的全面監(jiān)測(cè)。針對(duì)終端數(shù)傳模塊的無線通信功能進(jìn)行了測(cè)試，評(píng)估了其在不同距離下的傳輸性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在600 m的范圍內(nèi)，數(shù)傳模塊能夠穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，確保了與巡檢小車的有效通信。在設(shè)備運(yùn)動(dòng)情況的測(cè)試中，對(duì)巡檢小車沿著鋁合金軌道運(yùn)行的穩(wěn)定性和靈活性進(jìn)行了驗(yàn)證。通過多次模擬巡檢，確認(rèn)了小車在高速公路隧道環(huán)境中的平穩(wěn)運(yùn)行和靈活轉(zhuǎn)向能力，保證了巡檢任務(wù)的順利執(zhí)行。

在園區(qū)內(nèi)的隧道模擬測(cè)試點(diǎn)更貼近真實(shí)隧道環(huán)境，對(duì)裝置進(jìn)行了全面的性能測(cè)試，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和有效性。進(jìn)行了對(duì)不同類型地形的測(cè)試，包括傾斜、彎道和不同材質(zhì)的軌道，以評(píng)估巡檢小車在復(fù)雜軌道下的運(yùn)行表現(xiàn)，如圖2所示。在實(shí)際測(cè)試中，巡檢小車能夠穩(wěn)定適應(yīng)各種材質(zhì)的軌道，有效地保持良好的運(yùn)行軌跡，且巡檢小車內(nèi)置相機(jī)能夠清晰捕捉現(xiàn)場畫面，精準(zhǔn)識(shí)別設(shè)備位置，拍攝畫面如圖3所示。在設(shè)備采集區(qū)域內(nèi)，巡檢小車能夠與部署在機(jī)柜設(shè)備附近的終端數(shù)傳模塊建立通信，且穩(wěn)定地采集當(dāng)前區(qū)域設(shè)備的狀態(tài)值。此外，本次測(cè)試評(píng)估了裝置在高流量情況下的巡檢效率，并對(duì)其智能導(dǎo)航功能進(jìn)行了測(cè)試。在不同的測(cè)試情景下，驗(yàn)證了巡檢小車數(shù)據(jù)采集的一致性和準(zhǔn)確性。無論是在靜止?fàn)顟B(tài)下還是在運(yùn)動(dòng)中，裝置都能夠穩(wěn)定地采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性。

在隧道巡檢監(jiān)測(cè)平臺(tái)的驗(yàn)證過程中，重點(diǎn)聚焦于用戶界面的設(shè)計(jì)和各功能模塊的實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。界面設(shè)計(jì)遵循直觀易用、簡潔明了、友好化的原則，確保用戶能夠迅速理解界面的功能和操作方式，同時(shí)避免信息過載和混亂。驗(yàn)證表明，用戶登錄模塊安全可靠，實(shí)現(xiàn)了系

統(tǒng)的安全性和權(quán)限控制；設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊通過圖表、數(shù)字等直觀方式展示設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用戶能全面了解設(shè)備狀態(tài)；設(shè)備待處理信息提示模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備異常情況并多途徑提示用戶，確保用戶及時(shí)獲悉設(shè)備狀況；歷史數(shù)據(jù)查詢模塊可方便地獲取和分析歷史數(shù)據(jù)以評(píng)估設(shè)備狀態(tài)和改進(jìn)?？傮w而言，這些功能模塊的成功實(shí)現(xiàn)保障了平臺(tái)為用戶提供便捷操作和全面監(jiān)測(cè)的能力，同時(shí)確保了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，提高了隧道運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

4" 結(jié)語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)與巡檢檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種用于高速公路隧道的巡檢裝置。該裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)，并將巡檢情況傳輸至隧道巡檢監(jiān)測(cè)平臺(tái)。此外，還考慮了隧道內(nèi)部環(huán)境的復(fù)雜性以及設(shè)備的獨(dú)立運(yùn)作情況。通過巡檢小車配備的多軸自由度相機(jī)和氣體檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道內(nèi)部環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)和感知。同時(shí)，巡檢小車與終端數(shù)傳模塊的無線通信，使設(shè)備數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸和匯總，擺脫了傳統(tǒng)有線傳輸方式的局限性和不便。相較于傳統(tǒng)的人工巡檢方式，該裝置實(shí)現(xiàn)了高效的自動(dòng)化巡檢，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了巡檢效率，并大幅降低了因人工巡檢而導(dǎo)致事故的概率。

在一系列綜合測(cè)試中，驗(yàn)證了隧道智能巡檢裝置在各種復(fù)雜環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性，這些測(cè)試結(jié)果為該裝置在實(shí)際隧道巡檢工作中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障，有助于提高隧道安全管理水平和效率。

綜上所述，本研究提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道巡檢裝置不僅具備實(shí)用性和可靠性，還突顯了現(xiàn)代交通管理系統(tǒng)在技術(shù)創(chuàng)新和自動(dòng)化應(yīng)用方面的追求和實(shí)踐，為未來智慧交通系統(tǒng)的研究和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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20240320