高速公路隧道自动巡检系统一体化解决方案

1.概述

我国交通建设正进入一个快速发展的时期。截止2013年，已建有交通隧道3万多条，成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家。伴随客流的增长，交通设施逐渐向山区发展，由于地形和地质条件的限制，山区交通设施经常以桥梁和隧道通过。交通隧道是狭长的建筑，其中如果发生灾害，考虑到灾害特性，救援难度大，后果不可预见。

随着高速公路建设的深入，隧道管理压力也会越来越大，特别是近年山西晋济高速晋城段岩后隧道、西康高速白沙滩1号隧道等特大事故的发生，使得交通隧道的日常运维和紧急救援日益引起关注。

交通隧道运维与救援是隧道管理的重要组成部分，是隧道运营实现制度化、规范化、科学化的重要手段。隧道内设备分布广，种类、数量多，组成复杂。长期以来，人们对于隧道的运行维护一直以人工为主。如果能够对隧道的设备的运行状况自动进行长期监测，从而对隧道设备的健康状况给出评估，并制定针对性的运行维护计划，那就能根据实际情况，采取相应的养护措施，基本消除隧道的安全隐患，避免隧道出现大的事故。这就需要构建起一套能进行隧道日常监测的隧道自动巡检系统。

隧道自动巡检系统将先进的机器人技术和无损传感的物联 技术相结合，长期、实时、空间上自由连续地获得隧道内部的设备运行状态信息，分析包括隧道结构状态、设备工作状态、车辆行驶状态、路面状态、隧道气象状态在内的各种状态特征，以便了解隧道运行中因损伤或者退化而造成的改变，并利用诊断方法判断损伤的发生、位置、程度，对隧道正常运行健康状况做出评估，在危及隧道结构安全性能的临界点到来之前提早发现异常，为隧道在特殊气候、交通条件下或隧道运行状况严重异常时触发预警信号，为隧道的维修、养护与管理决策提供依据和指导。

2.系统组成及功能

隧道自动巡检系统由移动机器人子系统，传感子系统，监控管理子系统，定位子系统，紧急救援子系统组成。

移动机器人子系统主要包括行进模组、动力模组、通讯模组、定位模组、控制模组五大基础子系统，这五大子系统是保证交通机器人运行的基础，使其能延隧道自由运动，便于收集交通隧道内部运行过程中产生的各种数据。

传感子系统包括图像采集，声音传感、温湿度传感、危害气体传感、红外热成像传感、超声波传感等多种传感方式，是隧道感知的重要途径。

监控管理子系统主要负责对传感子系统收集上来的数据进行分析处理及存储，为后续大数据分析提供基础数据，同时以合适的方式呈现给用户。

定位子系统主要负责移动机器人本体的定位工作，跟踪本体的移动位置，确定重要的巡检位置，以便巡检工作无偏差。

紧急救援子系统在监测到烟雾及明火的时候，呼叫灭火机器人（另配），并根据巡检机器人提供的火灾位置信息，第一时间赶赴火灾地点进行应急消防工作。灭火机器人搭载有超细干粉灭火器，满足隧道的灭火要求。

2.1视频监控功能

智慧隧道机器人可实现可见光与红外视频图像采集功能，机器人可自动移动到指定位置，控制云台自由转动，拍摄隧道内各种设备高清图像和红外热成像，并将采集到的信息经无线局域 实时传输到主控室，在主控室的工作人员便可根据图像判断出隧道内的各种设备是否安全。

图 2 视频监控图例

2.2巡航测温功能

智能机器人搭载的红外热像仪，根据红外热成像原理，能准确检测设备运行时的表面温度。同时在后台监控界面上，准确显示当前拍摄设备的运行温度，如果温度值超出预先设定的阈值，则会发出警 。

图 3 巡航测温图

采用巡航测温的方式实现隧道测温的全覆盖，机器人一边沿着隧道行走，一边用红外热像仪对设备进行温度检测。不仅可以实现隧道测温的全覆盖，而且能有效提高机器人在隧道内巡检的效率。

2.3环境监测功能

巡检机器人携带有气体探测器与温湿度传感器，可以随时对隧道内的空气环境与温湿度进行分析并得出结果，气体分析包括检测空气含氧（O2）量浓度以及有毒与可燃气体（CO，H2S，CH4）浓度大小，同时将结果反馈给主控室的工作人员，也可人工设置 警的限值，包括低温、高温 警限值，湿度 警限值，气体浓度 警限值，超过限值后立即声光 警，以防止由于工作人员对隧道环境的误判，造成生命危险。同时机器人也可作为一个安全引导员，当有工作人员下去进行检查时机器人可在前面作一个安全引导，探知前方隧道的环境情况，提供有毒气体，温度，湿度的信息数据，一旦监测到异常情况立即发出警 提醒工作人员。

图 4 气体分析与温湿度检测流程

2.4双向语音对讲功能

交互式对讲指挥功能采用双向对讲广播系统，支持双向对讲和录音回放功能，完全满足主控室和现场的音视频实时交流。

当隧道内设备发生现场工作人员不能解决的非常规问题时，通过综合隧道智能机器人的视频设备和语音设备可实现现场工作人员与远端专家的即时交互，由专家来指导和监督现场工作人员，实现正确规范的操作，有助于问题的现场解决。此时，机器人将伴随现场的工作人员进行工作。此外，机器人搭载的补光设备可在光线较差的地下空间提供照明，位于地面的工作人员也可以通过机器人，向正在施工的工作人员运送必要的物品和工具。同时机器人也肩负着现场操作过程中隧道环境的实时监测，一旦出现异常则进入应急状态，疏散工作人员并向后台发出警 。

2.5自主巡检功能

机器人可进行定时巡检、定点巡检、定任务巡检等多种巡检方式。常用的定点巡检可以根据指定的路径和指定的巡检目标点进行自动匀速巡检，只需要设定巡检路径并启动自动巡检即可使机器人自动完成一次巡检。机器人搭载高清摄像机、高灵敏红外热成像仪、拾音器、有害气体传感器、烟雾传感器、温湿度传感器、光照传感器等多种检测设备，自动对各种设备如电缆接头、接地箱、集水井、隧道井体、各种给排水管道等隧道内设施以及辅助设备的外观检查、温度诊断、气体检测等工作。巡检过程中机器人每到一个巡检工作位置，能自动准确停车探测，做完规定的动作后再按照路径自动往下一个巡检目标点前进，并不需要人为操作控制，完成巡检作业，并自动记录并保存所采集到的数据至管理平台,按需生成巡检分析 告。

图 5 常规巡检

2.6遥控巡检功能

除机器人自动进行例行巡检外，还可以通过人工遥控巡检的方式对机器人进行实时遥控。该项应用模式适用于运维人员以及管理单位需要对某类设备的状态进行锁定与监测，尤其对于在机器人自主巡检过程中如检测到设备、环境状态异常并向运维人员告警时，运维人员可以在第一时间操控机器人快速到达异常设备位置，及时对异常设备进行查看并核实 警信息，以便迅速制定响应策略。

运维人员对机器人的遥控操作具有最大的操作优先级。系统进入遥控巡检模式后，机器人将中止正在执行的其他任务，按人工遥控指令实现机器人在可调速度下的前进、后退，升降机上下移动及云台全方位旋转配合双视摄像机的镜头变倍调节等功能。可保证系统在第一时间到达指定位置，获取设备与环境的状态数据与可视图像，确保设备安全运行。

2.7应急处理功能

机器人在日常巡视过程中，当检测到隧道内环境、设备、安防情况等出现异常或出现火灾、管道爆裂、人员伤亡等事故时，能迅速做出反应并发出警 ，锁定设备故障和事故发生所在位置，通知后台运维人员及时采取措施。同时，机器人本体与其他在线监测设备实现协调联动。当其他在线监测设备发现异常情况时，机器人可第一时间前往事发地点，对现场情况进行初步判断，采集现场环境信息和设备运行信息，避免运维人员在不明确隧道内具体状况的情况下，进入事发区域，保障人员的安全。事故发生时，机器人自动进入应急状态。工作人员可以控制机器人携带有必要的急救物品和应急设备。若隧道内有被困人员时，机器人可开启搭载的指示灯，指引被困工作人员朝安全的方向离开事故现场。智慧隧道机器人还搭载有语音交互设备，可以作为一个临时指挥平台，被困人员可通过这个指挥平台与主控室的工作人员取得联系，采取逃生措施。

2.8垂直爬坡功能

隧道在设计过程中，会遇到倒虹口设计，该类设计导致机器人需要保证可以大角度爬坡能力。本方案中，若遇到此情况，会在爬坡处安装金属齿条结构，机器人通过齿轮齿条结构设计，可以平稳安全的实现爬坡。

智能挂轨机器人最大爬坡能力可达 90°。机器人在经过弯道、坡道等特定位置，在靠近这些路段前 10 米处，机器人读取位置信息，机器人自动减速慢行，以保证机器人安全通过特殊路段， 通过特殊路段后，待机器人通过特殊路段开始自动提速正常巡检速度（1m/s）运行。

图 6 爬坡设计应用图

2.9火灾监测与消防

智能机器人除了搭载有红外热像仪，还搭载有烟雾检测设备，可协同对隧道内的火灾进行监控预警。当机器人发现火源后，立即发出警 ，提醒后台人员采取应急措施，同时调动系统配套的消防机器人。消防机器人根据巡检机器人提供的火灾位置信息，第一时间赶赴火灾地点进行应急消防工作。灭火机器人搭载有超细干粉灭火器，满足电力隧道的灭火要求。

巡检机器人与消防灭火机器人采用分离控制方式，保证在出现突发事故时，两者可以灵活行动，随机应变，调高应急效率。因此消防灭火机器人具备独立的控制系统、通信系统、结构和运行能力。当系统发现火情时，灭火机器人能与固定式消防设备实现协调联动，实行范围性火势控制措施。消防灭火机器人依靠自带的火源识别系统，能够自动识别火源，并快速到达火源位置，精确瞄准火点，同时可自动控制超细干粉灭火装置，当发生火灾时能够起到快速灭火功能。火灾预警到完成灭火过程如下图所示。

图 7 消防灭火过程

同时灭火机器人也允许采用人工遥控的方式来进行远程灭火工作，运维人员仅需在远端控制，期间机器人将提供准确的现场图像及多种环境信息，将在多方数据及安全控制下对火场实现精确投弹灭火。完成灭火后，经巡检机器人会对隧道内情况进行检查，确认安全后方可让运维人员进入事发地点。

2.10自身安全防护功能

智能机器人采用超声波停障系统，对障碍物和隧道内工作人员进行探测，遇到障碍会停障并 警。同时在结构上增加防护，防止碰撞造成人员或者设备损伤，与超声波停障系统构筑双重安全保障，在超声波停障系统失效情况下防止与障碍物的激烈碰撞，并进行系统安全 警并在明显位置安装有闪动警示灯，提醒隧道内工作人员注意。

2.11自主充电功能

挂轨式智慧隧道机器人本体自带电池电量检测电路，且可人工设置电量 警下限，一旦机器人检测到电池电量低于设置值时则会自动停止当前巡检任务，同时发出警 ，之后自主运行到充电点进行充电。

图8 机器人充电

3.施工方案

隧道自动巡检系统终端部分可安装在隧道的侧面，如下图所示：

通常安装在人行维修通道的上方，以便于检修。

供电及通讯部分如下图所示：

4设备清单

4.1巡检机器人本体

含运动底盘、主控模块、电源模块、防护模块、导航模块、软件模块

参数：

4.2视频监控模块

含高清摄像机、补光灯、球机、视频监控软件等

参数：

4.3远程对讲模块

含对讲模块

参数：

4.4气体检测模块

含CH4、CO、H2S、O2检测传感器、分析软件

参数：

4.5温湿度检测模块

含温湿度检测传感器与分析软件

参数：

4.6通讯总成

包含板状天线、通信光纤、 络箱、接续盒、收发器

参数：