机器人在隧道养护检测中的应用

张 伟

（中铁一局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

当前，我国建成隧道的数量已是全球第一，并且在建的隧道仍数量较多，将来必将面临巨大的隧道养护检测压力。隧道养护检测采用人工检测，不仅检测作业强度大，检测效率低，检测结果主观性强，还存在较大的安全隐患，而采用隧道机器人检测系统，不仅能够极大地减少检测人员，有效地提升检测效率，及时发现隧道缺陷，还有利于降低隧道养护检测成本。本文介绍了几种常见的机器人隧道养护检测系统，并分析了机器人隧道养护检测系统有待完善的地方，以促进机器人隧道养护检测系统在隧道检测中的普及和应用。

1 隧道养护人工检测的弊端

目前隧道养护检测大多是由检测人员采用有计划的、定期的、全范围覆盖的人工检测方法，主要由检测人员手持仪器检测或者肉眼直接观察，识别隧道结构存在的缺陷，并对这些缺陷进行评级。人工检测的方法，不仅检测过程缓慢，检测作业强度大，检测效率低下，所需现场检测人员较多且密集，还由于检测结果的准确性受检测员的经验和疲劳程度的影响，因而检测结果还存在主观性强的弊端。此外，由于隧道内布满灰尘、缺乏自然光，加之隧道在运行过程中可能存在的危险性，甚至还会有铅和石棉等有毒有害物质的存在，致使检测人员处于极度不卫生、极度不安全的环境中工作，因而存在极大的安全隐患[1-3]。

2 机器人隧道养护检测系统

机器人隧道养护检测系统配置了先进的摄像机、激光、声纳等部件，可获得更为精确、高效的检测数据，不仅可以精确地开展检测工作，高效率地完成检测任务，而且还能代替检测人员在危险的环境中完成检测任务。常见的机器人隧道养护检测系统有机器人摄像检测系统、机器人冲击检测系统、机器人钻孔检测系统以及全自动检测机器人系统。

2.1 机器人摄像检测系统

机器人摄像检测系统是一种利用自动行走的机器人、摄像机和图像处理技术实现自动检测和分析的系统。它利用图像采集、图像处理和数据分析等手段，对隧道缺陷的位置、形状和尺寸等进行检测和分析。带摄像头的隧道检测机器人如图1所示，该机器人使用差速驱动轮装置与墙壁保持恒定距离，在行进中利用摄像机拍摄隧道内部结构的照片。摄像机安装在防振装置上，可稳定拍摄图像。机器人缓慢通过隧道并进行拍摄，收集完所有的图像后再进行数据处理，最后通过计算机视觉算法进行缺陷分析得出检测结果。

2.2 机器人冲击检测系统

机器人冲击检测系统包括工业机械手机器人系统、一辆用作基础平台的八吨卡车、隧道横截面测量系统、用于测量撞击位置的电子测距仪、带有五个锤子的撞击装置、一台将机器人提升到天花板高度的升降机，最后是控制这些部件的计算机系统，如图2所示。

图2 机器人冲击隧道检测系统

该系统在检测过程中使用了冲击声学方法，使用液压锤冲击混凝土墙，将冲击声转换为电信号，然后对其进行分析，可以用来分析隧道结构的缺陷，主要包括混凝土衬砌的剥落和内部的空洞情况。为了保持稳定的姿态，卡车在非机动车轮上安装了支腿。该系统只需要1名检测员、1名操作员和1名驾驶员共3人就可进行隧道缺陷的检测及诊断，检测作业效率和准确性都非常高。

2.3 机器人钻孔检测系统

针对隧道侧壁钻孔检测而研发的钻孔机器人系统具有体型小、重量轻、适应复杂隧道状况等特点，主要通过机械化起重机钻孔，进而检测衬砌后方的缺陷。它通过旋转和敲击隧道表面的衬砌混凝土的方式，完成直径为33mm的混凝土高速钻孔，分析衬砌厚度和后空腔高度[4]。钻孔机器人隧道检测系统如图3所示。

图3 钻孔机器人隧道检测系统

2.4 全自动检测机器人系统

全自动检测机器人系统完全不需要人员进入隧道内部就可以进行自动化检测，而且该系统还可无需直接人工操作就可进行远程检测，提升了隧道养护检测的安全性。全自动检测机器人系统主要由安装在车辆上的起重机顶端的机械臂组成，利用3D摄像机拍摄并结合自动化的操作程序，高效、精确、安全地实施检测。该系统基于激光遥测仪捕获的深度测量的视觉伺服，以及通过特定任务控制软件协调面向操作的制动器，允许机器人系统自动执行该过程[5]。全自动检测机器人系统的测试场景如图4所示。

图4 全自动检测机器人在隧道中测试

3 机器人隧道养护检测系统有待完善的方面

用机器人隧道养护检测系统替代人工检测，其优势是显而易见的，但局限于当前技术发展所处的阶段，机器人隧道养护检测系统还有一些方面有待进一步技术攻关以及完善。

3.1 有待实现无需操作人员进入隧道作业

应用隧道养护检测机器人系统大大减少了检测人员的数量以及进入隧道的频次，但是部分机器人检测系统因为其本身的技术局限以及操作需要，仍需要一个或多个操作员进入隧道开展养护检测工作，仍存在较大的安全隐患。因此，发展无人现场操控的隧道养护检测机器人系统应是未来的主要发展方向之一。

3.2 有待提高检测的全面性和精确性

尽管机器人系统可以提供大量的检测图片及检测数据，但在某些特殊情况下，这些图片和数据仍然可能无法对隧道进行全面评估。这是由于机器人系统受到各个部件本身的质量和技术水平以及计算机算法的限制导致无法捕捉到某些细微的缺陷或特殊的情况，这种情况下仍需要结合人工检测的方法进行全面评价，以弥补机器人系统的局限性。因此，还有待进一步提高机器人隧道养护检测系统检测的全面性和精确性。

3.3 有待突破通信条件的限制

在较长的隧道使用有线远程操作时，就可能会受到电缆长度以及数据传输系统的限制，影响机器人系统的作业范围。而对于无线通信系统，信号强度衰减也是一个关键问题，如果在较长或结构复杂的隧道向控制站无线传输大量数据，就需要高带宽的通信链路来支撑。大部分的隧道都位于偏远地区，怎样突破通讯条件的限制，对普及机器人隧道养护检测的应用是至关重要的。

3.4 有待实现在隧道运营期间进行同步检测

目前部分机器人检测系统在作业时仍需要封闭隧道相关区域，会造成通行不便并带来较大的经济损失。因此，有必要开发出能够在检测过程中不封闭隧道区域的机器人系统，从而大大降低因检测导致的经济损失。

4 结束语

综上所述，常见的机器人隧道养护检测系统有机器人摄像检测系统、机器人冲击检测系统、机器人钻孔检测系统以及全自动检测机器人系统。用机器人隧道养护检测系统代替人工进行隧道养护检测的好处是显而易见的，不仅能够极大地减少检测人员，有效地提升检测效率，及时发现隧道缺陷，还有利于降低隧道养护检测成本。但局限于当前技术发展所处的阶段，机器人隧道养护检测系统还有待实现无需操作人员进入隧道作业，有待提高检测的全面性和精确性，有待突破通信条件的限制，有待实现在隧道运营期间进行同步检测，因此，需要科研人员和技术应用工程师共同合作，联合攻关，持续优化，研发出性能更好、技术更强、操作方便、价格便宜的机器人检测系统，从而实现机器人隧道养护检测系统的普及和应用。