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高速公路隧道智能巡检装置的设计研究

2024-10-14 76 上传者：管理员

摘要：文章针对隧道巡检问题，设计了一种基于物联网技术的隧道巡检装置，该装置能实时监测设备状态并传输数据至远程监测平台。通过多轴自由度相机和气体检测器，实现了对隧道内部环境的全面监测，并采用无线通信模块确保数据传输。相较于传统人工巡检，该装置自动化程度高，降低了劳动强度，提高了效率，减少了事故概率。综合测试验证了其可靠性和稳定性，为提升隧道安全管理水平和效率提供了技术支持。

关键词：
人工巡检
智能巡检
物联网技术
状态监测
监控平台
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随着我国公路建设的蓬勃发展，高速公路的隧道数量持续增加。当前，我国高速公路隧道主要采用人工巡检方式。尽管这种方式具有一定的便利性，如设备操作简单、巡检流程灵活以及问题处理及时等，但在实践中却面临诸多挑战。由于隧道内车流密集、空间有限且环境质量较差，使设备的日常维护和事故排查工作变得异常困难。这不仅增加了劳动强度，还导致巡检效率低下、效果不佳。如果工作人员未能及时进行巡检，可能无法及时发现机柜设备故障、紧急通话设备损坏、消防设备被盗等紧急状况，进而引发隧道内的事故而无法及时处理。此外，在高速公路隧道这样的复杂环境中进行人工巡检，工作人员的人身安全难以得到充分保障。因此，研发更加高效、安全的公路隧道巡检技术已成为当务之急。通过引入先进的检测设备和技术手段，提高隧道巡检的自动化和智能化水平，可以降低劳动强度、提高巡检效率，并确保及时发现潜在问题，保障隧道运营的安全性和可靠性。

本文探讨了采用智能巡检机器装置在复杂、危险的高速公路隧道环境中替代人工巡检的方案。智能巡检机器装置能够对隧道内的设备状态、车辆行驶状态和路面状况进行长期、实时且连续的监测，及时发现异常情况，实现高效的自动化巡检。通过实施相应的维护、维修和管理措施，可以有效排除隧道安全隐患，降低事故发生率，并减少由此带来的生命和财产损失。一旦隧道内部发生突发情况，智能巡检机器装置还能迅速响应，第一时间处理事故，以减轻损失。

1、发展现状及问题分析

1.1发展现状

近年来，高速公路隧道智能巡检装置的发展迅速演进，运用了多种先进技术，包括智能传感器、数据处理分析系统、机器人巡检等。这些技术的应用大幅提升了隧道内部参数的实时监测能力，能够及时识别隧道内的异常情况，并实现远程监控和故障诊断。成健等[1]设计了一款电缆式隧道巡检装置，该装置由底盘、机械臂和摄像头等部分组成，采用履带轮臂式结构，可以实现转向、爬坡、越障碍物等功能。黄双得等[2]设计研发了一种架空式巡检机器人，其整体结构涵盖轨道、导向、传动和制动等关键组成部分。在轨道方面，该设计采用了经过改良的工字梁轨道，材料选用了高强度的铝合金，以确保机器人在运动过程中具备稳固的支撑和导向。传动系统采用齿轮齿条传动，提高了巡检机器人的运动精度和稳定性。刘旭等[3]提出了一种创新的可升降式智能巡检装置，主要包括巡视车、移动升降平台、巡视轨道、监测设备和显示装置等组成。其中，显示装置在系统中充当信息接收和指令发送的关键节点，用于准确掌控巡视车的行进和摄像头的方向调整等核心功能。移动升降平台的任务是精准控制小车的升降过程，使其能够顺畅移动到指定的轨道，完成巡视检测任务。该设计的核心在于通过各个组成部分的有机协作，实现智能巡检装置的高效运行和操作的灵活性。

然而，尽管巡检机器人的研发取得了进展，但目前市场上现有的产品较多都不满足高速公路隧道这类特殊环境的需求，如更精准的数据分析、远程管理的智能化以及对多种隧道环境下的适应性等。因此，设计一个更全面、智能化且适应不同隧道特性的高速公路隧道智能巡检装置成为迫切的需求和挑战。

1.2问题分析

全国各地的主要地形特点各有不同，有丘陵、平原、山地或者其他类型的地貌。其中，丘陵地形所在地的地势变化多端、错综复杂。这种独特的地貌条件，使得在构建高速公路时，必须通过大量建设隧道来穿越这些复杂地形。然而，隧道的封闭性特质使得其在人员进行设备巡检时，存在较为严重的交通安全隐患。因此，为了确保在设备复检时隧道行车的安全，自动巡检装置的研发成为了高速公路隧道运维的核心任务。然而，在隧道中应用自动巡检设备时，存在一些技术难点。

(1)由于隧道环境的特殊性，许多设备都是独立运作的，因此在收集和汇总设备数据时需要耗费大量的人力资源。同时，市场上大多数隧道机电设备在数据传输时采用有线方式，这不仅导致了线路的复杂性，还存在有线束缚的问题，给操作带来不便[4]。为了避免有线束缚，可以通过使用Lora、Zigbee、BLE等无线通信方式，完成数据的传输[5-6]。当巡检装置到达待检设备区域时，通过无线模块发出指令至待检设备，待检设备回传状态数据完成检查。

(2)目前，市场上现有的隧道巡检产品数量较少，且大多数采用履带和滚轮式的方式进行移动，这种设计需要占用隧道两侧的应急横道，若应急横道上存在障碍物，则巡检机器人需要进入隧道内部才能完成越障动作，这无疑增加了安全隐患。为了解决这类问题，可以选择在隧道壁上安装轨道，避免占用应急横道，减少因障碍物导致装置无法前行的可能。

(3)目前市场上多数巡检设备没有可视化的平台，在后期管理中存在不便。因此，可以设计一种基于该巡检装置的可视化平台，便于后续运维管理使用。

2、改进方法及设计

本文提出了一种隧道智能巡检装置的设计方案。该智能巡检装置由巡检小车、终端数传模块、巡视轨道和隧道巡检监测平台等部分组成。在隧道壁上安装巡视轨道，并将巡检小车部署在高速公路隧道的左右洞壁上，由隧道所属的收费站进行监控和管理。隧道巡检监测平台用于管理和汇总巡检小车所采集的数据，对此进行分析和处理，其系统框图如图1所示。

图1隧道巡检装置系统框图

考虑到履带和滚轮式设计可能挡住隧道两侧的应急横道，本次设计中巡视小车采用沿着隧道顶部铺设的铝合金轨道运行的方式。这样的设计不仅避免了占用应急横道，还能使巡检小车在隧道内部进行快速、高效的巡检。在实际工程实施时，还可以根据隧道现场地形设计和预制相应的弯曲度和坡度轨道，以适应不同隧道的巡检需求。

巡检小车硬件集成由自由度相机、蓝牙通信模块、气体检测器、ROS开发板、传动装置和电源等模块组成。自由度相机具备多轴自由度的拍摄功能，用于识别设备和轨道位置和捕捉突发情况。该相机能捕捉多角度、多方向图像，扩展了小车的视野和图像获取能力。蓝牙通信模块用于与终端数传模块进行无线通信，使小车能够远程接收终端数传模块传来数据。气体检测器用于实时监测隧道内汽车尾气含量，及时检测并报告有害气体浓度异常情况，并根据隧道内气体浓度，控制隧道内排气装置。ROS开发板作为核心处理器，负责整个系统的控制和协调。电源模块提供稳定的电力支持，确保各设备正常运行。这些硬件组件的集成增强了巡检小车的视觉感知、通信能力和安全监测功能，为其在不同环境中的应用提供了技术支持。

终端数传模块用于隧道设备的无线数据传输，有些传统设备没有无线接口，因此将待检设备的数据通过485或232总线传输至终端数传模块，终端数传模块将数据进行封装成帧后，通过BLE mesh技术无线传输至巡检小车。终端数传模块由STM32主控板、485转换模块、232转换模块和电源模块组成，通过将接收到的总线数据进行整合、处理后，统一协议格式并通过蓝牙模块传输，从而实现数据无线传输功能。

通过隧道巡检监测平台，隧道巡检机器人得以独立运行。监控中心的工作人员可以实时查看巡检小车的巡检状态以及周围环境信息。此外，监控中心还能接收工作人员的指令，自动向巡检小车发送巡检任务。这种先进的配置不仅提高了隧道巡检的效率，还增强了安全性，显著降低了人工巡检的风险。远程集控中心平台采纳MVC架构。这种软件设计模式常见于Web应用程序开发，包括模型、视图、控制器三部分分层结构，其优势在于降低开发复杂度、增进代码复用，并有利于后续的测试与维护工作。本次设计的用户界面由以下模块组成：

(1)用户登录。

用户首先需要通过账号和密码完成登录，以确保系统的安全性和用户权限控制。登录成功后，用户可以进入系统的主界面。

(2)设备状态实时监测。

用户可以查看隧道内巡检设备所获取的实时状态信息，包括各设备的工作状态、温度、湿度、电压等。通过图表、数字等形式直观地展示，方便用户全面了解设备的运行情况。

(3)设备待处理提示。

当设备出现异常情况时，系统会实时监测并向用户发送提醒信息，以便用户及时采取措施进行处理。提醒信息可以通过弹窗、手机短信、电子邮件等多种方式进行提示，保证用户及时获得设备异常情况的通知。

(4)历史数据查询。

用户可以选择设定时间范围，查询历史数据，包括设备状态数据和各项参数数据。系统会将历史数据保存在云服务器中，用户可以通过该模块方便地获取和分析历史数据，以便进行设备状态的评估和改进。

3、试验测试

为了进一步验证隧道巡检装置的实用性，分别在试验室和园区隧道模拟测试点进行试验测试。试验室主要关注系统的数据准确性、无线通信距离、设备运动情况以及环境参数获取等功能。隧道模拟测试点则主要用于对设备进行整体性测试。

在试验室测试中，通过对比自由度相机拍摄的图像与实际场景，验证了图像捕捉的准确性。系统成功捕获了多个角度、多方向的图像，确保了对隧道内部细节的全面监测。针对终端数传模块的无线通信功能进行了测试，评估了其在不同距离下的传输性能。试验结果显示，在600 m的范围内，数传模块能够稳定传输数据，确保了与巡检小车的有效通信。在设备运动情况的测试中，对巡检小车沿着铝合金轨道运行的稳定性和灵活性进行了验证。通过多次模拟巡检，确认了小车在高速公路隧道环境中的平稳运行和灵活转向能力，保证了巡检任务的顺利执行。

在园区内的隧道模拟测试点更贴近真实隧道环境，对装置进行了全面的性能测试，确保其在实际应用中的可靠性和有效性。进行了对不同类型地形的测试，包括倾斜、弯道和不同材质的轨道，以评估巡检小车在复杂轨道下的运行表现，如图2所示。在实际测试中，巡检小车能够稳定适应各种材质的轨道，有效地保持良好的运行轨迹，且巡检小车内置相机能够清晰捕捉现场画面，精准识别设备位置，拍摄画面如图3所示。在设备采集区域内，巡检小车能够与部署在机柜设备附近的终端数传模块建立通信，且稳定地采集当前区域设备的状态值。此外，本次测试评估了装置在高流量情况下的巡检效率，并对其智能导航功能进行了测试。在不同的测试情景下，验证了巡检小车数据采集的一致性和准确性。无论是在静止状态下还是在运动中，装置都能够稳定地采集环境数据，并确保数据传输的稳定性和完整性。

图2巡检小车轨道测试现场图

图3巡检小车相机拍摄示例图

在隧道巡检监测平台的验证过程中，重点聚焦于用户界面的设计和各功能模块的实现，如图4所示。界面设计遵循直观易用、简洁明了、友好化的原则，确保用户能够迅速理解界面的功能和操作方式，同时避免信息过载和混乱。验证表明，用户登录模块安全可靠，实现了系统的安全性和权限控制；设备状态实时监测模块通过图表、数字等直观方式展示设备运行数据，使用户能全面了解设备状态；设备待处理信息提示模块实时监测设备异常情况并多途径提示用户，确保用户及时获悉设备状况；历史数据查询模块可方便地获取和分析历史数据以评估设备状态和改进。总体而言，这些功能模块的成功实现保障了平台为用户提供便捷操作和全面监测的能力，同时确保了系统的可扩展性和稳定性，提高了隧道运行的安全性和稳定性。

图4隧道巡检监测平台示例图

4、结语

本文基于物联网与巡检检测技术，设计了一种用于高速公路隧道的巡检装置。该装置能够实时监测隧道内设备的状态，并将巡检情况传输至隧道巡检监测平台。此外，还考虑了隧道内部环境的复杂性以及设备的独立运作情况。通过巡检小车配备的多轴自由度相机和气体检测器，实现了对隧道内部环境的全面监测和感知。同时，巡检小车与终端数传模块的无线通信，使设备数据能够实时传输和汇总，摆脱了传统有线传输方式的局限性和不便。相较于传统的人工巡检方式，该装置实现了高效的自动化巡检，降低了工作人员的劳动强度，提高了巡检效率，并大幅降低了因人工巡检而导致事故的概率。

在一系列综合测试中，验证了隧道智能巡检装置在各种复杂环境下的可靠性和稳定性，这些测试结果为该装置在实际隧道巡检工作中的应用提供了坚实的技术保障，有助于提高隧道安全管理水平和效率。

综上所述，本研究提出的基于物联网技术的隧道巡检装置不仅具备实用性和可靠性，还突显了现代交通管理系统在技术创新和自动化应用方面的追求和实践，为未来智慧交通系统的研究和应用奠定了坚实的基础。

文章来源:周忠瑶,李小勇.高速公路隧道智能巡检装置的设计研究[J].西部交通科技,2024,(10):123-125+182.