張 偉

（中鐵一局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)建成隧道的數(shù)量已是全球第一，并且在建的隧道仍數(shù)量較多，將來(lái)必將面臨巨大的隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)壓力。隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)采用人工檢測(cè)，不僅檢測(cè)作業(yè)強(qiáng)度大，檢測(cè)效率低，檢測(cè)結(jié)果主觀性強(qiáng)，還存在較大的安全隱患，而采用隧道機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)，不僅能夠極大地減少檢測(cè)人員，有效地提升檢測(cè)效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道缺陷，還有利于降低隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)成本。本文介紹了幾種常見(jiàn)的機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)，并分析了機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)有待完善的地方，以促進(jìn)機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)在隧道檢測(cè)中的普及和應(yīng)用。

1 隧道養(yǎng)護(hù)人工檢測(cè)的弊端

目前隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)大多是由檢測(cè)人員采用有計(jì)劃的、定期的、全范圍覆蓋的人工檢測(cè)方法，主要由檢測(cè)人員手持儀器檢測(cè)或者肉眼直接觀察，識(shí)別隧道結(jié)構(gòu)存在的缺陷，并對(duì)這些缺陷進(jìn)行評(píng)級(jí)。人工檢測(cè)的方法，不僅檢測(cè)過(guò)程緩慢，檢測(cè)作業(yè)強(qiáng)度大，檢測(cè)效率低下，所需現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員較多且密集，還由于檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性受檢測(cè)員的經(jīng)驗(yàn)和疲勞程度的影響，因而檢測(cè)結(jié)果還存在主觀性強(qiáng)的弊端。此外，由于隧道內(nèi)布滿灰塵、缺乏自然光，加之隧道在運(yùn)行過(guò)程中可能存在的危險(xiǎn)性，甚至還會(huì)有鉛和石棉等有毒有害物質(zhì)的存在，致使檢測(cè)人員處于極度不衛(wèi)生、極度不安全的環(huán)境中工作，因而存在極大的安全隱患[1-3]。

2 機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)

機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)配置了先進(jìn)的攝像機(jī)、激光、聲納等部件，可獲得更為精確、高效的檢測(cè)數(shù)據(jù)，不僅可以精確地開(kāi)展檢測(cè)工作，高效率地完成檢測(cè)任務(wù)，而且還能代替檢測(cè)人員在危險(xiǎn)的環(huán)境中完成檢測(cè)任務(wù)。常見(jiàn)的機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)有機(jī)器人攝像檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器人沖擊檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器人鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)以及全自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)。

2.1 機(jī)器人攝像檢測(cè)系統(tǒng)

機(jī)器人攝像檢測(cè)系統(tǒng)是一種利用自動(dòng)行走的機(jī)器人、攝像機(jī)和圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和分析的系統(tǒng)。它利用圖像采集、圖像處理和數(shù)據(jù)分析等手段，對(duì)隧道缺陷的位置、形狀和尺寸等進(jìn)行檢測(cè)和分析。帶攝像頭的隧道檢測(cè)機(jī)器人如圖1所示，該機(jī)器人使用差速驅(qū)動(dòng)輪裝置與墻壁保持恒定距離，在行進(jìn)中利用攝像機(jī)拍攝隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的照片。攝像機(jī)安裝在防振裝置上，可穩(wěn)定拍攝圖像。機(jī)器人緩慢通過(guò)隧道并進(jìn)行拍攝，收集完所有的圖像后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法進(jìn)行缺陷分析得出檢測(cè)結(jié)果。

2.2 機(jī)器人沖擊檢測(cè)系統(tǒng)

機(jī)器人沖擊檢測(cè)系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)械手機(jī)器人系統(tǒng)、一輛用作基礎(chǔ)平臺(tái)的八噸卡車(chē)、隧道橫截面測(cè)量系統(tǒng)、用于測(cè)量撞擊位置的電子測(cè)距儀、帶有五個(gè)錘子的撞擊裝置、一臺(tái)將機(jī)器人提升到天花板高度的升降機(jī)，最后是控制這些部件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 機(jī)器人沖擊隧道檢測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)在檢測(cè)過(guò)程中使用了沖擊聲學(xué)方法，使用液壓錘沖擊混凝土墻，將沖擊聲轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行分析，可以用來(lái)分析隧道結(jié)構(gòu)的缺陷，主要包括混凝土襯砌的剝落和內(nèi)部的空洞情況。為了保持穩(wěn)定的姿態(tài)，卡車(chē)在非機(jī)動(dòng)車(chē)輪上安裝了支腿。該系統(tǒng)只需要1名檢測(cè)員、1名操作員和1名駕駛員共3人就可進(jìn)行隧道缺陷的檢測(cè)及診斷，檢測(cè)作業(yè)效率和準(zhǔn)確性都非常高。

2.3 機(jī)器人鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)

針對(duì)隧道側(cè)壁鉆孔檢測(cè)而研發(fā)的鉆孔機(jī)器人系統(tǒng)具有體型小、重量輕、適應(yīng)復(fù)雜隧道狀況等特點(diǎn)，主要通過(guò)機(jī)械化起重機(jī)鉆孔，進(jìn)而檢測(cè)襯砌后方的缺陷。它通過(guò)旋轉(zhuǎn)和敲擊隧道表面的襯砌混凝土的方式，完成直徑為33mm的混凝土高速鉆孔，分析襯砌厚度和后空腔高度[4]。鉆孔機(jī)器人隧道檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 鉆孔機(jī)器人隧道檢測(cè)系統(tǒng)

2.4 全自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)

全自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)完全不需要人員進(jìn)入隧道內(nèi)部就可以進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，而且該系統(tǒng)還可無(wú)需直接人工操作就可進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)，提升了隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)的安全性。全自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)主要由安裝在車(chē)輛上的起重機(jī)頂端的機(jī)械臂組成，利用3D攝像機(jī)拍攝并結(jié)合自動(dòng)化的操作程序，高效、精確、安全地實(shí)施檢測(cè)。該系統(tǒng)基于激光遙測(cè)儀捕獲的深度測(cè)量的視覺(jué)伺服，以及通過(guò)特定任務(wù)控制軟件協(xié)調(diào)面向操作的制動(dòng)器，允許機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行該過(guò)程[5]。全自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的測(cè)試場(chǎng)景如圖4所示。

圖4 全自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人在隧道中測(cè)試

3 機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)有待完善的方面

用機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)替代人工檢測(cè)，其優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，但局限于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展所處的階段，機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)還有一些方面有待進(jìn)一步技術(shù)攻關(guān)以及完善。

3.1 有待實(shí)現(xiàn)無(wú)需操作人員進(jìn)入隧道作業(yè)

應(yīng)用隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)大大減少了檢測(cè)人員的數(shù)量以及進(jìn)入隧道的頻次，但是部分機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)因?yàn)槠浔旧淼募夹g(shù)局限以及操作需要，仍需要一個(gè)或多個(gè)操作員進(jìn)入隧道開(kāi)展養(yǎng)護(hù)檢測(cè)工作，仍存在較大的安全隱患。因此，發(fā)展無(wú)人現(xiàn)場(chǎng)操控的隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)是未來(lái)的主要發(fā)展方向之一。

3.2 有待提高檢測(cè)的全面性和精確性

盡管機(jī)器人系統(tǒng)可以提供大量的檢測(cè)圖片及檢測(cè)數(shù)據(jù)，但在某些特殊情況下，這些圖片和數(shù)據(jù)仍然可能無(wú)法對(duì)隧道進(jìn)行全面評(píng)估。這是由于機(jī)器人系統(tǒng)受到各個(gè)部件本身的質(zhì)量和技術(shù)水平以及計(jì)算機(jī)算法的限制導(dǎo)致無(wú)法捕捉到某些細(xì)微的缺陷或特殊的情況，這種情況下仍需要結(jié)合人工檢測(cè)的方法進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，以彌補(bǔ)機(jī)器人系統(tǒng)的局限性。因此，還有待進(jìn)一步提高機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的全面性和精確性。

3.3 有待突破通信條件的限制

在較長(zhǎng)的隧道使用有線遠(yuǎn)程操作時(shí)，就可能會(huì)受到電纜長(zhǎng)度以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的限制，影響機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)范圍。而對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)，信號(hào)強(qiáng)度衰減也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，如果在較長(zhǎng)或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的隧道向控制站無(wú)線傳輸大量數(shù)據(jù)，就需要高帶寬的通信鏈路來(lái)支撐。大部分的隧道都位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，怎樣突破通訊條件的限制，對(duì)普及機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)的應(yīng)用是至關(guān)重要的。

3.4 有待實(shí)現(xiàn)在隧道運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行同步檢測(cè)

目前部分機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)在作業(yè)時(shí)仍需要封閉隧道相關(guān)區(qū)域，會(huì)造成通行不便并帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要開(kāi)發(fā)出能夠在檢測(cè)過(guò)程中不封閉隧道區(qū)域的機(jī)器人系統(tǒng)，從而大大降低因檢測(cè)導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，常見(jiàn)的機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)有機(jī)器人攝像檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器人沖擊檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器人鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)以及全自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)。用機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)代替人工進(jìn)行隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)的好處是顯而易見(jiàn)的，不僅能夠極大地減少檢測(cè)人員，有效地提升檢測(cè)效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道缺陷，還有利于降低隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)成本。但局限于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展所處的階段，機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)還有待實(shí)現(xiàn)無(wú)需操作人員進(jìn)入隧道作業(yè)，有待提高檢測(cè)的全面性和精確性，有待突破通信條件的限制，有待實(shí)現(xiàn)在隧道運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行同步檢測(cè)，因此，需要科研人員和技術(shù)應(yīng)用工程師共同合作，聯(lián)合攻關(guān)，持續(xù)優(yōu)化，研發(fā)出性能更好、技術(shù)更強(qiáng)、操作方便、價(jià)格便宜的機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人隧道養(yǎng)護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)的普及和應(yīng)用。