黃 震，張陳龍，傅鶴林，馬少坤，樊曉東

(1. 廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3.寬衍(北京)科技發(fā)展有限公司，北京 100089)

0 引言

作為公路、鐵路、地鐵、過水、供暖和人行的重要通道，隧道工程在社會(huì)發(fā)展中扮演了極其重要的角色[1]。以我國為例，截至2018年底，投入運(yùn)營的鐵路隧道15 117座，總里程為16 331 km；投入運(yùn)營的公路隧道17 738座，總里程為17 236 km。每年新增鐵路隧道里程1 000 km以上，新增公路隧道里程1 100 km以上；35個(gè)內(nèi)地城市投入運(yùn)營城市軌道交通總里程為5 761.4 km。圖1為近年來我國公路隧道、鐵路隧道及地鐵運(yùn)營里程發(fā)展情況。

圖1 近年來隧道發(fā)展里程Fig.1 Tunnel development mileages in recent years

運(yùn)營隧道所處環(huán)境復(fù)雜，不確定因素眾多，且隨著隧道運(yùn)營里程規(guī)模增加和服役期的增長，其結(jié)構(gòu)性能和服役安全所面臨的問題將日益突出。例如，1997年的隧道技術(shù)狀況調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示,我國運(yùn)營鐵路隧道逾5 000座，總延長2 500 km，其中失格隧道3 270座，占總數(shù)的65%，滲漏水、襯砌腐蝕裂損、仰拱或鋪底變形損壞及塌方落石是隧道失格的主要因素[2]。Yuan等[3]調(diào)查了沈陽226條公路隧道(總長約132 158 m)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明滲漏水破壞69.0%，裂隙性損傷53.1%，腐蝕性破壞49.6%，是隧道結(jié)構(gòu)劣化的主要原因；北京多條地鐵隧道運(yùn)營后出現(xiàn)了不同程度的襯砌裂縫、混凝土掉塊和壓潰等結(jié)構(gòu)裂損現(xiàn)象[4-5]。因此，如何快速準(zhǔn)確地檢測(cè)隧道結(jié)構(gòu)病害，確保隧道服役期的安全，是當(dāng)前隧道領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的基礎(chǔ)科學(xué)問題。

隧道安全檢測(cè)是分析隧道安全狀態(tài)和制訂維修養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的必要工作，而檢測(cè)技術(shù)和方法直接影響著隧道安全評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性及維護(hù)的工作量、成本和周期。近年來，隨著超聲波、電磁波、激光、傳感器、自動(dòng)化、機(jī)器視覺、軟件處理、大數(shù)據(jù)及人工智能等技術(shù)的發(fā)展，隧道檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展迎來了新的契機(jī)，基于不同原理的隧道檢測(cè)設(shè)備開始孕育而生。盡管隧道機(jī)器檢測(cè)設(shè)備發(fā)展前景良好，當(dāng)前的隧道檢測(cè)設(shè)備卻大都存在各種各樣的問題，如自動(dòng)化程度較低、功能集成度低、智能化程度低等。這些問題制約了現(xiàn)代化隧道機(jī)器檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展，作為隧道建設(shè)規(guī)模、水平都處世界領(lǐng)先地位的我國，這些問題亟待解決。

為此，本研究首先針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀中存在的不足，基于不同的隧道檢測(cè)方法剖析各類方法的特點(diǎn)。然后，分析近年來國內(nèi)外隧道機(jī)器檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r，探討隧道機(jī)器檢測(cè)系統(tǒng)在技術(shù)和功能方面存在主要問題。最后，從公鐵兩用隧道檢測(cè)、全自動(dòng)化機(jī)器人檢測(cè)、動(dòng)態(tài)智能檢測(cè)平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)和檢修一體自動(dòng)化系統(tǒng)方面對(duì)隧道檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，以期為相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的分析與研究提供參考。

1 隧道檢測(cè)方法

1.1 目測(cè)法

目測(cè)檢測(cè)是依靠人的肉眼和簡(jiǎn)單的手持檢測(cè)儀器對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)表面裂縫、滲水等損害進(jìn)行量測(cè)和比對(duì)，并通過粗略的檢測(cè)數(shù)據(jù)來量化襯砌損傷程度。目前，人工目測(cè)檢測(cè)仍廣泛存在于各類規(guī)模的隧道檢測(cè)作業(yè)中，然而，對(duì)于一些里程長和斷面大的運(yùn)營隧道，人工檢測(cè)難以適應(yīng)，且檢測(cè)結(jié)果存在主觀性和不精確性[6]。此外，作業(yè)人員需長期處于封閉和危險(xiǎn)的隧道環(huán)境中,不利于身體健康和安全[7]。

1.2 成孔檢測(cè)法

成孔檢測(cè)法是采用專業(yè)鉆機(jī)對(duì)隧道襯砌進(jìn)行鉆芯來檢測(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和內(nèi)部質(zhì)量的方法。成孔檢測(cè)法能直觀、便捷地檢測(cè)襯砌結(jié)構(gòu)混凝土厚度和裂損，但這種方法會(huì)破壞隧道襯砌結(jié)構(gòu)的完整性，且存在鋼筋密集區(qū)取樣困難的問題。

1.3 電法

電法是利用襯砌混凝土中電化學(xué)反應(yīng)引起的電位差變化來測(cè)定結(jié)構(gòu)損傷程度的方法。電位差法能有效確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕劣化的位置、類型和程度，是一種無損檢測(cè)方法。

1.4 聲波法

聲波檢測(cè)法是利用聲發(fā)生器產(chǎn)生聲波，并傳輸至隧道襯砌內(nèi)部，用聲波接收器來接收反射的聲波信號(hào)的方法。目前，聲波檢測(cè)方法已應(yīng)用于檢測(cè)隧道混凝土厚度、鋼筋分布、彈性模量、裂縫、空隙、分層和腐蝕等病害，是一種檢測(cè)速度快、成本低的檢測(cè)技術(shù)[8]。由于隧道多處于地下水豐富的巖層中或受環(huán)境噪聲的干擾，其檢測(cè)精度受到不同程度的影響[9]。

1.5 機(jī)器視覺法

機(jī)器視覺方法由于具有非接觸式的跟蹤和識(shí)別物體表面信息的功能而被應(yīng)用于物體表面檢測(cè)。機(jī)器視覺檢測(cè)方法具有高效率、高精度、可存儲(chǔ)和全斷面覆蓋等特點(diǎn)，但需要配備補(bǔ)光系統(tǒng)來對(duì)相機(jī)進(jìn)行補(bǔ)光，且對(duì)采集圖像特征的識(shí)別能力要求較高[10-11]。

1.6 電磁波法

常用的雷達(dá)檢測(cè)就是利用電磁波原理，通過向隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)射電磁波，并被差異目標(biāo)界面反射，利用雷達(dá)接收裝置接收反射波，并依據(jù)電磁波在時(shí)間和空間上的傳播特性進(jìn)行分析，從而確定隧道襯砌缺陷部位和程度。由于地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性和雷達(dá)自身電學(xué)特性的影響，雷達(dá)法探測(cè)深度受限，且分析過程依賴經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)員和繁雜的操作程序[12]。

1.7 熱成像法

紅外熱成像檢測(cè)是利用電磁輻射熱溫度場(chǎng)來判斷隧道襯砌缺陷的一種方法。其原理是憑借紅外配準(zhǔn)技術(shù)可視地呈現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)表面的溫度分布，確定襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖之間水的分布情況、圍巖地質(zhì)條件的變化和襯砌結(jié)構(gòu)缺陷。由于該方法具有較高的溫度敏感性，在低溫環(huán)境下檢測(cè)效果更佳。但該方法高清成像效率低，缺陷識(shí)別和量化難度大。

1.8 激光掃描法

激光掃描檢測(cè)是通過激光采集襯砌表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值、反射率、紋理等物理信息來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，從而確定襯砌缺陷的方法[13]。激光掃描技術(shù)能快速、準(zhǔn)確地獲取隧道襯砌的三維數(shù)據(jù)，主要用于隧道斷面變形和界限檢測(cè)，該檢測(cè)技術(shù)具有高效率、高精度及較高自動(dòng)化程度的優(yōu)勢(shì)[14]。

1.9 綜合檢測(cè)法

綜合檢測(cè)是利用移動(dòng)設(shè)備搭載便捷式檢測(cè)設(shè)備(包括超聲波、雷達(dá)、相機(jī)、激光及各類傳感器和補(bǔ)償器等)對(duì)一些隧道難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行襯砌檢測(cè)的一種方法。綜合檢測(cè)技術(shù)具有高智能化、高自動(dòng)化、多功能、高效率、復(fù)雜地形和環(huán)境的高適應(yīng)性、保護(hù)檢測(cè)作業(yè)人員安全等優(yōu)點(diǎn)。但目前綜合檢測(cè)技術(shù)還存在設(shè)備智能水平參差不齊，檢測(cè)系統(tǒng)累積誤差大，且無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化檢測(cè)的問題[15]。

隧道檢測(cè)設(shè)備的開發(fā)均是基于上述方法實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)不同功能和應(yīng)用范圍，國內(nèi)外技術(shù)人員開發(fā)了各類隧道檢測(cè)設(shè)備。對(duì)一些代表性檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r在下一節(jié)中將展開詳細(xì)描述和分析。

2 隧道機(jī)器檢測(cè)發(fā)展?fàn)顩r

2.1 成孔檢測(cè)和沖擊機(jī)器檢測(cè)

關(guān)于機(jī)械成孔檢測(cè)設(shè)備的研究，Oshima[16]描述了一種機(jī)械化起重機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于鉆孔檢查襯砌背后空洞(圖2(a))。該系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)和敲擊隧道表面的襯砌混凝土形成直徑為33 mm的高速鉆孔，高精度地檢測(cè)襯砌厚度和背后空洞高度。

Mashimo等[17]介紹了一種將機(jī)械錘擊試驗(yàn)機(jī)安裝在起重機(jī)上的方法(圖2(b))，并應(yīng)用于日本的 Tsukayam，Rebunhama，F(xiàn)ukuoka公路隧道性能檢測(cè)與維修中[18]。

圖2 成孔檢測(cè)和沖擊檢測(cè)設(shè)備Fig.2 Drilling detection and impact detection equipment

2.2 地質(zhì)雷達(dá)機(jī)器檢測(cè)

加拿大某公司生產(chǎn)的Lynx 移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可通過搭載不同車型來實(shí)現(xiàn)隧道的多功能檢測(cè)，如圖3(a)所示。該系統(tǒng)包含雙500 kHz 雷達(dá)掃描儀，2個(gè)GPS天線和慣性測(cè)量等裝置，最大掃描范圍200 m，反射率為20%，測(cè)距精度8 mm，絕對(duì)精度±5 cm，可實(shí)現(xiàn)360°掃描[19-21]。美國Penetradar研發(fā)的IRIS Hyrail隧道雷達(dá)移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[22]如圖3(b)所示。該系統(tǒng)可應(yīng)用于公路和鐵路隧道襯砌質(zhì)量和空洞檢測(cè)，在車輛前部伸縮設(shè)備上安裝探地雷達(dá)傳感器，可進(jìn)行前后收縮來避免障礙物，并可通過旋轉(zhuǎn)探地雷達(dá)的定位裝置來實(shí)現(xiàn)隧道壁側(cè)面和頂部檢測(cè)。Perpendar公司還提供了專門的軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理和GPR數(shù)據(jù)顯示。

圖3 國外探地雷達(dá)隧道檢測(cè)設(shè)備Fig.3 Foreign GPR tunnel detection equipment

我國成都西南交大研究院有限公司研制的XJ-VMGPR型車載探地雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)通過不同車載實(shí)現(xiàn)對(duì)公路和鐵路隧道的檢測(cè)，如圖4所示。該系統(tǒng)有6個(gè)相互獨(dú)立檢測(cè)通道，可1次完成6條測(cè)線的全斷面檢測(cè)，雷達(dá)天線空氣耦合距離為0.5～4.5 m，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位，線路里程寫入雷達(dá)數(shù)據(jù)，可減少數(shù)據(jù)后處理并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集，車載檢測(cè)速度為10～175 km/h[23]。

圖4 我國探地雷達(dá)鐵路隧道檢測(cè)系統(tǒng)[23]Fig.4 Chinese GPR detection system for railway tunnels

2.3 激光掃描機(jī)器檢測(cè)

德國SPACETEC研發(fā)的TS3三維激光檢測(cè)系統(tǒng)通過車載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)表面掃描，如圖5(a)所示。該系統(tǒng)能在5 km/h的行車速度下利用三維激光和紅外線對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的腐蝕、剝落、裂縫、滲漏水等病害實(shí)現(xiàn)360°無損檢測(cè)，最大識(shí)別精度為2 mm[24]。加拿大某公司研發(fā)的ARAN多功能檢測(cè)車采用掃描激光傳感器能有效實(shí)現(xiàn)隧道斷面的測(cè)量，如圖5(b)所示。該檢測(cè)系統(tǒng)還利用CAD, GIS和定位系統(tǒng)來標(biāo)定三維坐標(biāo)[25]。

圖5 激光掃描隧道檢測(cè)設(shè)備Fig.5 Laser scanning tunnel detection equipment

意大利某公司設(shè)計(jì)制造的鐵路隧道快速檢測(cè)車如圖5(c)所示。該檢測(cè)車結(jié)合激光掃描和線陣CCD相機(jī)設(shè)備，能在30 km/h速度下識(shí)別隧道結(jié)構(gòu)表面缺陷，最高精度可達(dá)1.0 mm[26]。

2.4 基于機(jī)器視覺技術(shù)的機(jī)器檢測(cè)系統(tǒng)

韓國漢陽大學(xué)開發(fā)的移動(dòng)機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)如圖6(a)所示。該系統(tǒng)由CCD相機(jī)獲取結(jié)構(gòu)表面圖像，通過圖像分析和處理來獲取裂紋信息，主要用于檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫。該設(shè)備的總體誤差率為75%～85%，識(shí)別裂紋的測(cè)量誤差≤10%[27]。瑞士Amberg公司基于線陣CCD相機(jī)研發(fā)了GRP 5000系統(tǒng)，如圖6(b)所示。該系統(tǒng)需要依靠人力驅(qū)動(dòng)，可在時(shí)速2～4 km/h下獲取高清晰的圖像，可識(shí)別寬度大于0.3 mm、長度大于1 cm的裂縫，該系統(tǒng)還配備高速激光掃描儀用于隧道界限測(cè)量[28]。瑞士某集團(tuán)研發(fā)的tCrack系統(tǒng)采用多個(gè)線陣CCD相機(jī)和光源裝置，以識(shí)別寬度大于0.3 mm的裂縫。該系統(tǒng)的最大采集速度為2.5 km/h，如圖6(c)所示[29]。

圖6 國外機(jī)器視覺隧道檢測(cè)設(shè)備Fig.6 Foreign machine vision tunnel detection equipment

我國同濟(jì)大學(xué)研制的MTI-100檢測(cè)系統(tǒng)(圖7(a))采用多個(gè)線陣CCD相機(jī)和補(bǔ)光系統(tǒng)，可在運(yùn)行時(shí)采集高清晰的隧道表面圖像。圖7(b)為檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行圖，該檢測(cè)系統(tǒng)在5 km/h設(shè)計(jì)速度下的裂縫分辨精度可達(dá)到0.3 mm，且能量化隧道襯砌裂縫、混凝土剝落和滲漏病害[30]。

MTI-100系統(tǒng)還開發(fā)了區(qū)別于傳統(tǒng)裂紋識(shí)別算法、針對(duì)于識(shí)別細(xì)小裂縫的自動(dòng)裂紋識(shí)別算法。圖7(c)為識(shí)別算法網(wǎng)格設(shè)計(jì)圖，該算法的核心設(shè)計(jì)概念基于裂紋區(qū)域和周圍環(huán)境的不同灰度，將圖像劃分為背景網(wǎng)格的局部圖像元素，避免了隧道接縫和電纜對(duì)裂縫識(shí)別的影響。識(shí)別算法會(huì)自動(dòng)選取具有周圍環(huán)境灰階谷的像素作為潛在的裂縫種子，而每個(gè)裂縫種子都有2個(gè)正方向。

圖7 國內(nèi)機(jī)器視覺隧道檢測(cè)設(shè)備Fig.7 Domestic machine vision tunnel detection equipment

上海交通大學(xué)與同濟(jì)大學(xué)基于CCD相機(jī)和激光掃描技術(shù)研發(fā)了地鐵隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)裝置，如圖7(d)所示。該裝置現(xiàn)場(chǎng)組裝和拆卸總共大約需要20 min，采集速度為5 km/h，可檢測(cè)隧道表面滲漏和識(shí)別大于27 mm的橫截面變形，面積識(shí)別精度大于0.006 m2[31]。

南京火眼猴信息科技有限公司基于機(jī)器視覺技術(shù)研發(fā)了地鐵隧道綜合檢測(cè)系統(tǒng)，如圖8所示。該視覺系統(tǒng)由6臺(tái)面陣CCD相機(jī)和光學(xué)聚焦鏡頭組成，相機(jī)掃描角度范圍為260°，相機(jī)兩側(cè)配置了2組大功率廣角LED頻閃燈作為相機(jī)的環(huán)境補(bǔ)光。該系統(tǒng)的檢測(cè)速度可達(dá)30～40 km/h，可識(shí)別、寬度≥0.2 mm、長度≥0.4 mm的裂縫，剝落和滲漏面積識(shí)別精度可達(dá)100 mm2。

圖8 隧道綜合檢測(cè)系統(tǒng)Fig.8 Comprehensive tunnel detection system

此外，該系統(tǒng)可對(duì)捕捉的襯砌圖像進(jìn)行處理，形成完整的隧道橫向圖片，既促進(jìn)計(jì)算機(jī)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別，又有利于系統(tǒng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行定位。視覺檢測(cè)系統(tǒng)后端還具有強(qiáng)大的圖像處理功能和數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，便于用戶實(shí)時(shí)查閱隧道健康狀況[32]。該地鐵隧道綜合檢測(cè)系統(tǒng)包括圖像融合、圖像預(yù)處理、病害識(shí)別和數(shù)據(jù)平臺(tái)等功能。其中圖像識(shí)別采用深度學(xué)習(xí)算法，并以Cascade R-CNN作為整體目標(biāo)檢測(cè)模型。特征提取網(wǎng)絡(luò)采用ResNext-101-FPN結(jié)構(gòu)，其中Resnext是殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(ResNet)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提升了網(wǎng)絡(luò)模型的表達(dá)能力，其中101表示深度，F(xiàn)PN表示特征金字塔網(wǎng)絡(luò)，它被引入到目標(biāo)檢測(cè)模型中來提升特征的預(yù)測(cè)效果[33]。最后損失函數(shù)采用了Focal Loss來提高目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確率[34]。

2.5 綜合檢測(cè)系統(tǒng)

歐盟研發(fā)的ROBO-SPECT檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道缺陷的半自動(dòng)化計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)，同時(shí)憑借超聲波傳感器完成對(duì)裂縫寬度值和深度值的確定，系統(tǒng)如圖9(a)所示。該綜合系統(tǒng)最大總檢測(cè)誤差為11 cm，綜合了車輛起始位置、起重機(jī)、計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)(圖9(b))、機(jī)器人激光傳感器、機(jī)器人臂和超聲波傳感器的累積誤差[35-36]。

在ROBO-SPECT系統(tǒng)重要的機(jī)械臂區(qū)域，使用分解的運(yùn)動(dòng)速率控制作為機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)對(duì)端面軌跡的跟蹤控制；機(jī)械臂端的超聲波傳感器以識(shí)別隧道襯砌表面的裂縫；激光傳感器獲取的三維點(diǎn)云能形成裂縫圖像(圖9(c))；定位系統(tǒng)能幫助對(duì)隧道裂縫進(jìn)行定位，提高了系統(tǒng)檢測(cè)效率。

圖9 ROBO-SPECT系統(tǒng)[35]Fig.9 Robo-spect system

日本研發(fā)的MIMM-R公路檢測(cè)車搭載了空氣耦合式雷達(dá)、多臺(tái)線陣CCD相機(jī)、激光掃描裝置等檢測(cè)儀器，可以對(duì)襯砌厚度、背后空洞、裂縫、滲漏及斷面變形進(jìn)行量化檢測(cè)，如圖10(a)所示。該系統(tǒng)檢測(cè)速度可達(dá)70 km/h，襯砌厚度識(shí)別精度誤差為±5 cm，襯砌空洞直徑誤差為±10 cm，斷面變形精度為1.0 mm，裂縫寬度分辨精度為0.2 mm[37]。日本Nakamura等[38]研發(fā)的隧道襯砌混凝土檢測(cè)車通過搭載機(jī)器視覺和錘擊檢測(cè)設(shè)備，可檢測(cè)隧道襯砌表面裂縫和內(nèi)部損害，如圖10(b)所示。該檢測(cè)車最大運(yùn)行速度為10 m/min，最大檢測(cè)范圍速度為130 m2/h，可識(shí)別寬度≥0.5 mm的裂縫。

圖10 國外綜合檢測(cè)系統(tǒng)Fig.10 Foreign comprehensive detection system

上海某科技公司研制的TDV-H2000檢測(cè)車如圖11(a)所示。該隧道檢測(cè)車采用激光掃描及GPS等技術(shù)對(duì)隧道缺陷的類別、程度、位置實(shí)現(xiàn)量化分析，檢測(cè)最高時(shí)速可達(dá)80 km/h，激光測(cè)距精度0.1 mm，隧道輪廓掃描精度±6 mm，裂縫寬度識(shí)別精度可達(dá)0.2 mm，襯砌剝落、滲水等區(qū)域病害識(shí)別提取面積計(jì)算精度可達(dá)1 cm2。

我國機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)有武大卓越科技有限責(zé)任公司研制的ZOYON-TFS檢測(cè)系統(tǒng)(圖11(b)～(c))。該系統(tǒng)采用卡車作為移動(dòng)平臺(tái)，搭載有線陣CCD相機(jī)、GPS系統(tǒng)、激光掃描裝置、紅外線成像儀，可以識(shí)別隧道襯砌表面裂縫、滲漏水及變形等病害特征。移動(dòng)連續(xù)檢測(cè)速率可達(dá)80 km/h，裂縫寬度和變形量的識(shí)別精度可達(dá)0.2 mm。

表1列出了上述國內(nèi)外的主要隧道檢測(cè)設(shè)備的各項(xiàng)性能。

3 機(jī)器檢測(cè)設(shè)備存在問題

3.1 半自動(dòng)化程度

目前，隧道檢測(cè)設(shè)備雖能自動(dòng)獲取隧道缺陷信息和數(shù)據(jù)，但基本上還要依靠專業(yè)作業(yè)人員進(jìn)行操作和跟蹤作業(yè)。為降低作業(yè)的危險(xiǎn)性、人員的主觀性，提高檢測(cè)的高效性、實(shí)時(shí)性和高精度，需要進(jìn)一步開發(fā)全自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，這一階段還需借助人工智能方法、大數(shù)據(jù)技術(shù)及機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖11 國內(nèi)綜合檢測(cè)系統(tǒng)Fig.11 Domestic comprehensive detection system

3.2 功能集成度

隧道檢測(cè)系統(tǒng)的多功能化是解決工作效率低和隧道健康狀態(tài)反映不及時(shí)、不全面問題的目標(biāo)方向。目前，隧道檢測(cè)設(shè)備多是基于公路或鐵路隧道環(huán)境設(shè)計(jì)的，且由于一些技術(shù)問題的限制，系統(tǒng)所搭載的檢測(cè)設(shè)備功能較單一，例如Lynx系統(tǒng)搭載的雷達(dá)只能檢測(cè)襯砌背后空洞。襯砌表觀病害、內(nèi)部損傷及圍巖狀態(tài)均是隧道運(yùn)營過程中需關(guān)注的問題。因此，應(yīng)該設(shè)計(jì)適應(yīng)不同隧道環(huán)境的檢測(cè)設(shè)備，且綜合考慮檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備優(yōu)劣性來提高隧道檢測(cè)系統(tǒng)的功能集成度，如圖12所示。

3.3 智能化程度

隧道檢測(cè)系統(tǒng)智能化主要體現(xiàn)在檢測(cè)設(shè)備的智能程度和自主程度。目前，隧道檢測(cè)系統(tǒng)智能化程度低，主要表現(xiàn)為檢測(cè)設(shè)備在隧道內(nèi)無法智能定位、智能避障、智能存儲(chǔ)、智能識(shí)別、智能傳輸、智能分析、智能評(píng)估等。部分設(shè)備在隧道缺陷識(shí)別上采用了機(jī)器學(xué)習(xí)算法來智能識(shí)別和量化缺陷，但仍需借助于人工手段進(jìn)行判別。

表1 主要隧道檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)性能對(duì)比Tab.1 Comparison of technical performance of main tunnel detection equipment

圖12 多功能隧道機(jī)器檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.12 Schematic diagram of multifunctional tunnel machine detection system

3.4 精度與速度的沖突

很多隧道檢測(cè)設(shè)備還處于研發(fā)和試驗(yàn)階段，存在設(shè)備技術(shù)和處理手段不完善的地方。例如線陣工業(yè)相機(jī)的視覺檢測(cè)系統(tǒng)在采集速度過快時(shí)，圖像容易丟失或失真。獲取1條長距離的隧道圖像，后期在圖像處理、融合、缺陷量化過程中需花費(fèi)大量時(shí)間，難以同時(shí)確保分析精度和效率。當(dāng)只對(duì)局部圖像進(jìn)行采集和檢測(cè)時(shí)，容易導(dǎo)致對(duì)隧道病害缺乏準(zhǔn)確的整體判斷[39]。因此，在檢測(cè)設(shè)備硬件和軟件系統(tǒng)方面均應(yīng)進(jìn)一步改善。

3.5 軟件和客戶端開發(fā)

后期軟件和客戶端開發(fā)滯后是現(xiàn)有隧道檢測(cè)設(shè)備存在的主要問題。后期軟件主要用來采集信息處理、量化缺陷、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和評(píng)估隧道健康狀態(tài)；客戶端則用于檢測(cè)數(shù)據(jù)可視化、隧道健康維護(hù)和信息決策。目前，隧道檢測(cè)系統(tǒng)的軟件和客戶端大多處于數(shù)據(jù)處理、量化與統(tǒng)計(jì)階段，在智能評(píng)估系統(tǒng)、客戶端隧道缺陷位置及數(shù)據(jù)可視化、工程維護(hù)應(yīng)用及產(chǎn)品商業(yè)化上還考慮欠缺，今后還需進(jìn)一步開發(fā)改進(jìn)。

4 未來展望

4.1 公鐵兩用多功能檢測(cè)設(shè)備

由于公路隧道和鐵路隧道的結(jié)構(gòu)形式不同，檢測(cè)設(shè)備通常設(shè)計(jì)成兩種不同移動(dòng)方式的裝置，這需要投入更多的人力和物力。未來可研發(fā)公鐵兩用隧道檢測(cè)車，如圖13所示。通過互換公路行走系統(tǒng)和鐵路行走系統(tǒng)來適應(yīng)不同隧道類型，同時(shí)該檢測(cè)系統(tǒng)還將搭載集成度更高的檢測(cè)裝置來實(shí)現(xiàn)多能化檢測(cè)。公鐵兩用隧道檢測(cè)車的研發(fā)將改善公鐵隧道檢測(cè)系統(tǒng)不能共用的現(xiàn)狀，但由于公路和鐵路隧道斷面尺寸和形式的不同，對(duì)檢測(cè)設(shè)備搭載方式和自適應(yīng)能力提出了更高的要求。

圖13 公鐵兩用隧道檢測(cè)車Fig.13 Highway and railway tunnel detection vehicle

4.2 全自動(dòng)智能檢測(cè)機(jī)器人

在復(fù)雜和有危害的隧道環(huán)境中，基于輪式移動(dòng)或人力的許多大型檢測(cè)設(shè)備難以識(shí)別襯砌特殊部位和隱蔽的結(jié)構(gòu)缺陷。未來對(duì)全自動(dòng)智能檢測(cè)機(jī)器人的研發(fā)將有望解決這一難題。目前，在路面和管道檢測(cè)中，基于多足和履帶的小型機(jī)器人的檢測(cè)系統(tǒng)已被研發(fā)并應(yīng)用于工程中。針對(duì)隧道檢測(cè)作業(yè)，仍需進(jìn)一步研發(fā)與應(yīng)用全自動(dòng)智能檢測(cè)機(jī)器人。未來全自動(dòng)智能檢測(cè)機(jī)器人應(yīng)具有全自動(dòng)能力，主要包括自動(dòng)行走與避障功能、智能充電與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)傳輸功能、故障報(bào)警功能及智能識(shí)別與分析功能。此外，可根據(jù)不同用途來設(shè)計(jì)這類機(jī)器人，比如根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)成履帶、多足和飛行方式的系統(tǒng)，如圖14所示。納米級(jí)機(jī)器人能識(shí)別裂縫深度和襯砌內(nèi)部損傷；類似小蜜蜂的機(jī)器人可探測(cè)火災(zāi)后隧道煙霧濃度和成分及隧道有害氣體；多足機(jī)器人可對(duì)襯砌特殊部位和隱蔽部位進(jìn)行缺陷識(shí)別；飛行機(jī)器人可測(cè)量隧道斷面變形和襯砌背后空洞情況；履帶機(jī)器人則可對(duì)道床缺陷及隧道沉降進(jìn)行快速檢測(cè)。

圖14 多功能機(jī)器人檢測(cè)示意圖Fig.14 Schematic diagram of detection using multifunctional robot

4.3 動(dòng)態(tài)智能檢測(cè)結(jié)果可視化平臺(tái)

檢測(cè)結(jié)果是用來反映隧道安全狀態(tài)和指導(dǎo)隧道維修養(yǎng)護(hù)的。如何動(dòng)態(tài)和智能地描述隧道健康狀況，是今后研究的重點(diǎn)。未來可構(gòu)建一種動(dòng)態(tài)智能的隧道三維可視化平臺(tái)，如圖15所示。該平臺(tái)能夠與某個(gè)區(qū)域或地方的隧道構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)信息化數(shù)據(jù)庫。每次隧道檢測(cè)后，隧道缺陷、變形、位置信息、圖像信息及周邊環(huán)境信息等檢測(cè)數(shù)據(jù)將自動(dòng)傳輸給數(shù)據(jù)庫。軟件平臺(tái)將隧道檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)，并在三維模型上對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行量化分析。隧道管理人員可通過客戶端查閱隧道健康狀況。該平臺(tái)具備以下功能：(1)將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字圖像；(2)動(dòng)態(tài)追蹤檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，當(dāng)某項(xiàng)數(shù)據(jù)超過允許值，會(huì)自動(dòng)報(bào)警；(3)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤損傷的演變過程，當(dāng)隧道損傷異常時(shí)，可及時(shí)提醒維護(hù)人員采取措施；(4)可依據(jù)隧道及周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息初步判斷隧道缺陷產(chǎn)生的原因，評(píng)估隧道安全狀態(tài)。

圖15 動(dòng)態(tài)智能隧道結(jié)構(gòu)三維可視化平臺(tái)Fig.15 Three-dimensional visualization platform of dynamic intelligent tunnel structure

4.4 隧道虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬三維虛擬世界的新技術(shù)，它可以提供給使用者視覺、聽覺等感官的模擬。目前，關(guān)于VR技術(shù)與隧道檢測(cè)的結(jié)合很少，尤其是在隧道病害的可視化管理上。如圖16所示，VR可憑借動(dòng)態(tài)智能檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)信息，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)時(shí)在虛擬空間中模擬出現(xiàn)實(shí)隧道的病害特征、病害的位置、程度和發(fā)展趨勢(shì)。行業(yè)專家可在任何地方通過移動(dòng)端設(shè)備及時(shí)分析存在的問題，并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維修人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，無需進(jìn)入復(fù)雜隧道就能快速做出處理。隧道結(jié)構(gòu)安全虛擬現(xiàn)實(shí)可視化管理可極大減少日常隧道檢測(cè)工作量，給隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)與修復(fù)帶來便捷。

圖16 VR技術(shù)運(yùn)用于隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)Fig.16 VR technology applied to tunnel structure detection

4.5 檢修一體自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)

對(duì)于隧道的一些表面缺陷和輕微病害，通常不會(huì)引起維修人員的重視，容易引起結(jié)構(gòu)安全隱患。同時(shí)維修程序一般在檢測(cè)完成之后啟動(dòng)，這一過程需花費(fèi)更多的時(shí)間和成本。因此，未來可研制用于檢測(cè)和維修輕微病害或表面缺陷的檢修一體的自動(dòng)化系統(tǒng)(圖17)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)維護(hù)。

圖17 檢修一體自動(dòng)化系統(tǒng)概念圖Fig.17 concept diagram of maintenance integrated automation system

該自動(dòng)化系統(tǒng)搭載隧道檢測(cè)設(shè)備，憑借視覺技術(shù)與高性能計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理，可快速完成圖像采集、數(shù)據(jù)提取與智能分析，并借助圖像定位技術(shù)對(duì)隧道病害進(jìn)行定位。車后端配有自動(dòng)化機(jī)械手臂和維修材料儲(chǔ)存?zhèn)}，機(jī)械臂根據(jù)病害定位結(jié)果對(duì)隧道表面細(xì)微裂縫和滲漏水進(jìn)行修補(bǔ)。

目前，該檢修自動(dòng)化系統(tǒng)尚存在圖像精準(zhǔn)定位能力、機(jī)械手臂靈活程度、修補(bǔ)材料快凝和黏結(jié)可靠性等問題，仍需要進(jìn)一步深入的研究。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)有隧道檢測(cè)設(shè)備大多自動(dòng)化程度低，功能集成度低，精度與速度難以同時(shí)滿足，今后隧道檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)化需憑借計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展和人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的成熟運(yùn)用，以進(jìn)一步提高隧道檢測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化程度和功能集成度。

(2)現(xiàn)有隧道檢測(cè)設(shè)備在軟件運(yùn)營和客戶端的開發(fā)方面相對(duì)滯后，不利于檢測(cè)設(shè)備使用和商業(yè)化運(yùn)營推廣，需升級(jí)隧道檢測(cè)設(shè)備的配套軟件，提高軟件的智能處理能力。

(3)隧道檢測(cè)設(shè)備智能化程度較低，在檢測(cè)過程中無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、避障、存儲(chǔ)、識(shí)別、傳輸?shù)戎悄懿僮?，可采取、改進(jìn)人工智能算法和提高設(shè)備性能來提升隧道檢測(cè)設(shè)備的智能化程度。

(4)隧道結(jié)構(gòu)機(jī)器檢測(cè)設(shè)備將朝著全自動(dòng)化、智能化、多功能化、大數(shù)據(jù)化、高效與高精度的方向發(fā)展。