萬(wàn)浪

（貴州中交貴黔高速公路發(fā)展有限公司，貴州 貴陽(yáng) 551404）

智能巡檢機(jī)器人隧道檢測(cè)系統(tǒng)主要是將機(jī)器人本體作為其核心要素，通過(guò)各種聲像、光效采集設(shè)備以及自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備，替代傳統(tǒng)的人工隧道巡檢，對(duì)隧道展開全自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)以及智能化的故障診斷，能夠?qū)λ淼纼?nèi)的實(shí)際環(huán)境變化狀況和存在的安全隱患進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警提醒，同時(shí)，對(duì)隧道后期可能會(huì)出現(xiàn)的隱患進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)于狂風(fēng)暴雨這樣的極端惡劣天氣以及在隧道內(nèi)部出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時(shí)，會(huì)在后臺(tái)系統(tǒng)第一時(shí)間提出警示信號(hào)，提醒相關(guān)工作人員，能夠給高速公路的隧道巡檢和常規(guī)管理工作提供決策上的信息數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)需求分析

本文主要針對(duì)高速公路隧道日常維修和巡檢工作，設(shè)計(jì)出智能巡檢機(jī)器人，該智能巡檢系統(tǒng)能夠隨時(shí)隨地針對(duì)高速公路內(nèi)部的實(shí)際狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)化檢測(cè)記錄，并在第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，對(duì)高速公路內(nèi)部隧道的火災(zāi)、異常入侵、交通事故等事件，要求該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地標(biāo)注出危險(xiǎn)事件出現(xiàn)的具體方位，為相關(guān)的應(yīng)急處理人員提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，有效降低人工、物力資源和資金的投入，為了促進(jìn)智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)展現(xiàn)出其在智能巡檢上的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)，替代傳統(tǒng)的人工巡檢，促進(jìn)巡檢工作實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和效率的雙重提升，實(shí)現(xiàn)高速公路隧道的動(dòng)態(tài)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)異常和危險(xiǎn)事故時(shí)能夠在第一時(shí)間報(bào)警，下文設(shè)計(jì)了一款基于高速公路隧道的智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，巡檢需求如下：

（1）為了能夠進(jìn)一步搭載相應(yīng)的電子監(jiān)測(cè)設(shè)備，智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)需要擁有能夠添加不同功能模塊的關(guān)節(jié)區(qū)域。

（2）能夠更加方便快捷地通過(guò)彎曲半徑大于等于公路隧道道路機(jī)械設(shè)計(jì)半徑的彎曲導(dǎo)軌。

（3）設(shè)計(jì)出來(lái)的智能巡檢隧道機(jī)器人能夠保障其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，動(dòng)力源設(shè)計(jì)科學(xué)合理，避免巡檢機(jī)器人由于外界因素的影響而導(dǎo)致導(dǎo)軌摩擦力突然變大，在導(dǎo)軌上無(wú)法繼續(xù)前進(jìn)。

（4）續(xù)航能力長(zhǎng)，能夠在隧道內(nèi)行走較長(zhǎng)的時(shí)間和距離，同時(shí)，能夠在沒(méi)電時(shí)自主進(jìn)行充電。

2 系統(tǒng)框架

基于智能巡檢機(jī)器人的高速隧道維護(hù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中共包含四個(gè)部分，系統(tǒng)框架如圖1。

圖1 基于智能巡檢機(jī)器人的高速隧道維護(hù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)框架

（1）智能巡檢機(jī)器人帶有多類檢測(cè)傳感器， 涵蓋了CO／VI檢測(cè)器、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器、能見度檢測(cè)器、聲光報(bào)警器、火災(zāi)探測(cè)器等，能夠在隧道內(nèi)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，如溫度濕度突然升高或減小、含氧度突然降低、出現(xiàn)易燃易爆炸以及有毒氣體、出現(xiàn)火災(zāi)、交通意外事物等現(xiàn)象，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

（2）滑行軌道，無(wú)線動(dòng)力模塊存在的主要作用就是，能夠?qū)⒀矙z機(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)中收集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)胶蠖斯芾硐到y(tǒng)平臺(tái)中。

（3）通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線動(dòng)力模塊存在的主要作用就是能夠?qū)⒀矙z機(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)中收集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)胶蠖斯芾硐到y(tǒng)平臺(tái)中。

（4）端管理平臺(tái)。針對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)展開智能化的綜合分析，通過(guò)數(shù)據(jù)分析結(jié)果為相關(guān)管理人員的決策提供導(dǎo)向和依據(jù)。

通常狀況下，智能巡檢機(jī)器人可分為軌道式巡檢機(jī)器人以及履帶式巡檢機(jī)器人，對(duì)于巡檢機(jī)器人類型的選擇，可以綜合高速公路隧道內(nèi)的實(shí)際狀況，保障機(jī)器人在日常巡檢工作中不會(huì)影響隧道內(nèi)的交通狀況。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)

在高速公路隧道中的各類安全事故中，存在有毒和危害氣體是導(dǎo)致出現(xiàn)安全事故的重要原因之一，若是日常巡檢以及安全防護(hù)不到位置，很容易出現(xiàn)隧道安全隱患事故。在高速公路的隧道內(nèi)存在的有害物體，主要為二氧化碳、一氧化碳以及甲烷等，依照氣體在化學(xué)性質(zhì)上的特征，可以將其劃分為有毒氣體以及可燃?xì)怏w。對(duì)于一些里程數(shù)校長(zhǎng)的高速公路隧道，有害氣體通常分布的不是特別均勻，因此，每隔一段距離就需要設(shè)置出一個(gè)有毒氣體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，也是因?yàn)橹悄苎矙z工作需要在某個(gè)時(shí)間內(nèi)掌握隧道內(nèi)數(shù)個(gè)點(diǎn)位的有害氣體實(shí)際濃度水平，以此來(lái)幫助相關(guān)管理人員更加精準(zhǔn)地做出決策。

在高速公路隧道的實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中，智能巡檢機(jī)器人可以根據(jù)其設(shè)定的導(dǎo)軌，在高速公路隧道內(nèi)快速地進(jìn)行移動(dòng)，動(dòng)態(tài)化地對(duì)隧道內(nèi)的有毒氣體及其分布狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)性的檢測(cè)，若是隧道內(nèi)的有毒氣體濃度值超過(guò)了報(bào)警閥值，那么，智能巡檢系統(tǒng)后臺(tái)則會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，并通知相關(guān)的管理人員進(jìn)行確認(rèn)。

3.2 異常事件識(shí)別

3.2.1 火災(zāi)識(shí)別

如圖2所示，該圖就是通過(guò)智能巡檢機(jī)器人中的火災(zāi)檢測(cè)算法，針對(duì)隧道內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)的地方生成了熱成像圖，其中圖a就是火災(zāi)的原始熱成像圖，圖中的深色區(qū)域即為高溫區(qū)域，圖b是在圖a的基礎(chǔ)條件下，獲得紅黃區(qū)域的質(zhì)心位置，十字標(biāo)記直接標(biāo)注出火焰的質(zhì)心位置，圖c是在圖a的基礎(chǔ)條件下，針對(duì)整個(gè)畫面進(jìn)行了灰度處理，同時(shí)，對(duì)高溫彩色區(qū)域展開灰度補(bǔ)償處理后所得到的圖片，在圖b以及圖c的基礎(chǔ)條件下，通過(guò)運(yùn)用質(zhì)心區(qū)域生長(zhǎng)法，能夠獲得火焰區(qū)域的整體外形狀況，也就是圖d，隨后通過(guò)已經(jīng)巡檢完成的CNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)檢測(cè)模型，針對(duì)其中的連續(xù)針火焰特征展開更加精準(zhǔn)的判斷和分析，若是最終的判斷分析結(jié)果和火焰特征符合一致，可以用方塊對(duì)火焰區(qū)域展開詳細(xì)標(biāo)記，同時(shí)，對(duì)火災(zāi)的實(shí)際報(bào)警信息進(jìn)行輸出。

圖2 火災(zāi)圖像處理過(guò)程

3.2.2 路面異物檢測(cè)

本文中的智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)所使用到的路面異物檢測(cè)方式為路面異物點(diǎn)云檢測(cè)，檢測(cè)算法主要有兩部分，分別為在線測(cè)試模塊和離線巡檢模塊。

以離線巡檢模塊為例，首先，需要隧道巡檢人員，通過(guò)點(diǎn)云的空間分布構(gòu)造檢測(cè)點(diǎn)，自身具備的若干個(gè)局部點(diǎn)云特點(diǎn)，在其中獲得不同點(diǎn)云的真實(shí)特征向量。其次，通過(guò)弱分類器，根據(jù)之前所獲得的不同點(diǎn)云特征真實(shí)向量，將其構(gòu)造成為弱路面點(diǎn)標(biāo)簽，隨后根據(jù)已完成的弱標(biāo)簽，對(duì)其進(jìn)行柵格化操作理，同時(shí)，構(gòu)建出標(biāo)明弱分類標(biāo)簽的柵格統(tǒng)計(jì)特征。最后，可以利用條件隨機(jī)場(chǎng)，對(duì)全部柵格展開更加細(xì)致化的深度分析，預(yù)測(cè)出最佳的柵格路面高度，將其建立為強(qiáng)路面點(diǎn)標(biāo)簽，這樣就可以獲取到強(qiáng)路面點(diǎn)分類，并將從強(qiáng)路面點(diǎn)分類作為樣本，輸入支持向量機(jī)路面異物分類模型，最后就能夠獲得一個(gè)路面異物預(yù)測(cè)模型，可以將其使用在隧道內(nèi)的在線地面點(diǎn)云檢測(cè)中。

3.2.3 行人入侵檢測(cè)

在高速公路的隧道中，會(huì)有不同類型的車輛，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也存在一定的差異性，因此，隧道內(nèi)的交通狀況相對(duì)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，同時(shí)，也沒(méi)有非常準(zhǔn)確的內(nèi)在規(guī)律。一些傳統(tǒng)隧道巡檢中的行人檢測(cè)算法在出現(xiàn)場(chǎng)景的突然變化時(shí)，很容易出現(xiàn)檢測(cè)錯(cuò)誤的問(wèn)題，而智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)則能夠有效解決這一問(wèn)題，如圖3，在該智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)中，主要使用的是基于ROI分解的行人檢測(cè)模式。首先，需要針對(duì)圖像的顏色、圖像亮度和其方向特點(diǎn)進(jìn)行獲取，隨后通過(guò)金字塔濾波來(lái)獲得個(gè)特征的尺度空間表示，隨后運(yùn)用中央強(qiáng)化、周邊抑制的計(jì)算方式，對(duì)不同尺度空間的特征差異展開進(jìn)一步的精準(zhǔn)計(jì)量，進(jìn)一步展開歸一化的處理，對(duì)各個(gè)特征進(jìn)行統(tǒng)一合并，最終能夠獲得一個(gè)ROI的總顯著圖，最后基于ROI通過(guò)行人分類器對(duì)其展開深度檢測(cè)。

圖3 基于ROI分解的行人檢測(cè)法

3.3 智能視頻監(jiān)控

在高速公路的隧道內(nèi)，應(yīng)該保障360度無(wú)死角的監(jiān)控覆蓋，若是在隧道內(nèi)出現(xiàn)了異常事故，智能巡檢設(shè)備能夠直接運(yùn)行到事故出現(xiàn)地點(diǎn)的正上方，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況進(jìn)行精準(zhǔn)的查看，能夠幫助相關(guān)人員對(duì)事故進(jìn)行正確處理，從多個(gè)維度來(lái)獲取證據(jù)，并通知相關(guān)的救援人員對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行疏導(dǎo)和處理。通過(guò)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，也能夠?qū)Ω咚俟匪淼纼?nèi)的實(shí)際設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行確認(rèn)，進(jìn)一步解放勞動(dòng)力，減少巡檢人員的日常工作總量和工作強(qiáng)度。

3.4 通信傳輸功能

在整個(gè)隧道的智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中，無(wú)線通信功能模塊是其中的重點(diǎn)組成內(nèi)容，也是保障隧道內(nèi)部實(shí)際狀態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)的關(guān)鍵所在。無(wú)線網(wǎng)橋的數(shù)據(jù)傳輸形式主要為無(wú)線（微波），通過(guò)無(wú)線來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，其中存在的5.8G無(wú)線網(wǎng)橋，能夠在環(huán)境惡劣、施工較為艱難，里程較長(zhǎng)的兩個(gè)地區(qū)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸時(shí)，局域網(wǎng)的最快速度能夠高達(dá)150Mbps，對(duì)于一些遠(yuǎn)距離無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，不管是傳輸語(yǔ)音、傳輸視頻還是傳輸數(shù)據(jù)，都具備非常明顯的優(yōu)勢(shì)，在建設(shè)工程量上也比較小，施工周期較短、成本花費(fèi)較少。

由于隧道在結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜和特殊，很容易衰減信號(hào)，因此，要想讓隧道內(nèi)部所有位置有無(wú)線通信的存在，需要保障隧道內(nèi)部的無(wú)線通信信號(hào)充足，相關(guān)技術(shù)人員可以運(yùn)用5.8G無(wú)線網(wǎng)橋來(lái)構(gòu)建高速公路的隧道智能巡檢機(jī)器人無(wú)線通信模塊，通過(guò)對(duì)無(wú)線網(wǎng)橋的有效使用，實(shí)現(xiàn)了巡檢數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)傳輸，也能讓報(bào)警信號(hào)及時(shí)回傳到后臺(tái)終端系統(tǒng)中，包括設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)、隧道內(nèi)的異常狀況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)警信息等，隨時(shí)都可以上傳到巡檢機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)的云端服務(wù)器中。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)建立高速公路隧道內(nèi)的智能巡檢機(jī)器人維護(hù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠使巡檢效率變得更高，巡檢功能也變得更加豐富多樣，檢測(cè)覆蓋性更強(qiáng)，促使隧道巡檢工作的質(zhì)量和效率全面提升，另外，智能巡檢系統(tǒng)也能夠?yàn)橄嚓P(guān)的管理部門提供決策上的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于預(yù)防隧道風(fēng)險(xiǎn)以及安全隱患具備非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。