無人機在地鐵隧道安全巡檢方面的應(yīng)用

王宗婷　李六葉　何穎怡　梁月梅

摘 要：目前隧道巡檢工作存在效率低，精度不高等問題。基于此環(huán)境下通過研究相關(guān)文獻和資料發(fā)現(xiàn)無人機在地鐵隧道巡檢中的優(yōu)勢。無人機可用于隧道綜合監(jiān)控，為設(shè)施管理和養(yǎng)護提供決策依據(jù)，預(yù)期實現(xiàn)人工智能專家系統(tǒng)故障診斷和大數(shù)據(jù)病害趨勢預(yù)測。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道;安全巡檢;無人機

Abstract： At present， the tunnel inspection work has the problems of low efficiency and low accuracy. Based on this environment， through researching relevant literature and data， the advantages of drones in metro tunnel inspections were discovered. Unmanned aerial vehicles can be used for comprehensive tunnel monitoring to provide decision-making basis for facility management and maintenance. It is expected to realize artificial intelligence expert system fault diagnosis and big data disease trend prediction.

Keywords： subway tunnel; safety inspection; unmanned aerial vehicle

一、引言

1.1地鐵隧道巡檢現(xiàn)狀

改革開放以來，我國地鐵迅速發(fā)展。地鐵隧道巡檢最初是以人工巡檢為主。上個世紀(jì)九十年代開始后慢慢發(fā)展成自動化設(shè)備檢測，但是它仍然離不開人工。雖然現(xiàn)在巡檢方向往全自動化智能檢測的方向發(fā)展，但是還是沒有很好的方式代替人工。但是人工巡檢不僅消耗大量的人力物力，且人會受環(huán)境狀態(tài)、人自身狀態(tài)等一些因素影響，存在檢測設(shè)備盲點多、信息誤報和漏報、人工漏巡等問題和一定的安全隱患，智能化程度低，巡檢效率差，且上述檢測只能針對地鐵隧道的某一參數(shù)進行測量，比如隧道形變量、軌道損傷等，所以就導(dǎo)致地鐵隧道內(nèi)各類安全事故時有發(fā)生[1]。加上地鐵隧道周圍地質(zhì)情況復(fù)雜、地下管道與線路密集，而且還容易受到地表的建筑和交通的影響。而它們主要的分布部位在環(huán)縫、縱縫、手孔、螺栓、注漿孔、管片開裂等部位;主要分布區(qū)段是斷頭井、旁通道及泵站、小半徑曲線、易發(fā)生險情或有不良地質(zhì)條件的地方。這些通通給巡檢工作增加了許多難度。

1.2巡檢措施

1.2.1人工巡檢

巡檢管理人員給相關(guān)巡檢部門下達巡檢任務(wù)，巡檢部門再給每個巡檢人員下達巡檢任務(wù)。巡檢人員按照巡檢規(guī)定的時間及地點巡檢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)線路中某個設(shè)備發(fā)生故障或存在安全隱患時，記錄在紙上待巡檢完成后通過短信或者郵件發(fā)送至主管部門。主管部門按照故障的等級再安排復(fù)查或發(fā)布修復(fù)指令。

1.2.2自動化監(jiān)測設(shè)備

除人工巡檢之外，還有自動化監(jiān)測設(shè)備，主要利用全站儀[2]、水準(zhǔn)儀、收斂儀等測量設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集。但是這一類設(shè)備必須布設(shè)好監(jiān)測基準(zhǔn)點及監(jiān)測點[3]，和選擇好相應(yīng)的自動監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2.3智能巡檢機器人

目前已經(jīng)有研究單位嘗試用智能巡檢機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢，解決人工巡檢存在的不足，但由于種種原因，未被廣泛采用。比如說“奔跑的兔子”這款機器人具有全天候智能化巡檢、人工智能專家系統(tǒng)故障診斷、大數(shù)據(jù)隧道病害趨勢預(yù)測等技術(shù)特點[4]。

1.2.4巡檢措施優(yōu)缺點比較[5]

1.3無人機巡檢應(yīng)用現(xiàn)狀

無人機應(yīng)用于巡檢方面大概始于2009年。首先是在電力方面目前主要應(yīng)用于配電線路巡檢的無人機機型有固定翼無人機、無人直升機以及多懸翼無人機[6]，已有方法有紅外測溫技術(shù)[7]和基于三維激光掃描技術(shù)法人輸電路無人機巡檢方法[8]等。此后無人機在巡檢方面的應(yīng)用不斷擴大，如油氣管道、河流、交通道路和通信基站等，并且因為無人機巡檢具有需求迫切、發(fā)展快速、政策好、系統(tǒng)性強、無行業(yè)寡頭、無行業(yè)壟斷等特點，為巡檢提供了自動、智能、高效的技術(shù)手段，有潛力革新巡檢技術(shù)，形成巡檢新格局，是智能化巡檢潮流和新的增長點。隨著無人機巡檢技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用的推進，無人機巡檢將作為常態(tài)化手段逐步實現(xiàn)管理的精細化，各單位、供應(yīng)商、服務(wù)商分工將更加明確，分析手段將逐步完善，并形成從前端硬件到中間服務(wù)到后端軟件的全產(chǎn)業(yè)鏈，最終形成從作業(yè)任務(wù)到分析報告的全過程[9]無人機巡檢應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣闊，相信其在地鐵隧道中的巡檢也會在未來的某一天實現(xiàn)。

二、無人機巡檢

針對目前巡檢措施的不足，我們提出了一種無人機巡檢方式。就是在隧道內(nèi)部鋪設(shè)引導(dǎo)線，使四軸飛行器沿著引導(dǎo)線對隧道進行巡檢。將引導(dǎo)線鋪設(shè)在隧道右側(cè)墻壁，當(dāng)引導(dǎo)線與地面的高度發(fā)生變化時，四軸飛行器的飛行高度也會發(fā)生相應(yīng)的變化。并且，隧道內(nèi)部光照條件比較差，使用普通的引導(dǎo)線可能無法被檢測出來，因此，使用兩條平行的LED燈條作為引導(dǎo)線。燈條之間的距離已知，燈條上LED 燈的間隔也是固定的，通過檢測燈條的光照使四軸飛行器沿著燈條的方向進行巡檢。每個燈條都按照流水燈的方式運行，燈條上每次都只有4個LED燈會亮起，其余燈熄滅，而且每個燈條上的亮燈順序是同步的。這樣，每個時刻都會有4個LED燈亮起，并且這4個LED燈正好位于矩形的4個頂點。

傳感器系統(tǒng)與控制器之間通過總線相連，IMU通過SPI總線與控制器連接，位置傳感器通過UART串口總線與控制器相連;對于通信系統(tǒng)而言，也是通過UART串口總線與控制器連接;動力系統(tǒng)中，只有電子調(diào)速器與主控制器通過PWM波的輸出接口與控制器相連;機架只是提供系統(tǒng)的搭載平臺;檢測設(shè)備有專用的處理器，處理后的數(shù)據(jù)再通過 UART串口總線與控制器連接。

選用STM32F407芯片，其內(nèi)核是ARM公司的cortex-M4架構(gòu)，主頻最高可以達到168MHz，滿足整個飛行控制控系統(tǒng)的處理需求。芯片外設(shè)豐富，擁有多組SPI接口、UART 接口、I2C接口以及定時器的PWM波輸出接口，滿足控制器與傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及動力系統(tǒng)的通信需求。STM32F407芯片本身集成了1MB的flash存儲以及196B的SRAM，不需要外接存儲器也滿足飛行器控制系統(tǒng)的代碼存儲。

動力系統(tǒng)為整個四軸飛行器提供飛行所需的動力，包括電子調(diào)速器、無刷電機以及螺旋槳。電子調(diào)速器是用來控制無刷電機轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其輸入是PWM波信號，輸出是三相脈沖直流，通過輸出端的三根線與無刷電機的連接方式，可以控制無刷電機的轉(zhuǎn)動方向，通過改變輸出電流的大小即可控制無刷電機的轉(zhuǎn)速。本文選用好盈的鉑金30A電調(diào)，其輸入可以支持2到6節(jié)鋰電池組，輸出的持續(xù)電流可以達到30A，短時間內(nèi)最大電流可以達到40A，輸入信號的頻率為50Hz到432Hz。無刷電機選用的颶風(fēng)的U2814系列，其KV值為900，配合1045的螺旋槳以及4ss電池，整個動力系統(tǒng)的最大載重可以達到4.92Kg，滿足整個巡檢四軸飛行器的需求。

傳感器系統(tǒng)用來測量四軸飛行器的飛行狀態(tài)，包括進行姿態(tài)解算的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU）、磁強計以及進行位置解算的位置傳感器。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用的是MPU6500，通過SPI總線接口與控制器進行通信，角速度的測量范圍可以達到每秒2000度，加速度測量范圍可以達到16G。磁強計采用的是HMC5983，測量范圍可以達到8.1Ga，通信總線為SPI或者I2C，采用SPI總線進行通信。位置傳感器采用的是超聲波傳感器和機載激光雷達的組合，超聲波傳感器可以通過聲波的反射機制，得到四軸飛行器距離地面的高度，采用的超聲波型號為 KS109，通過UART串口與控制器進行通信，最大能測量的離地距離為10m;激光雷達可以通過對周圍環(huán)境進行二維建模得到四軸飛行器在室內(nèi)環(huán)境中水平方向的位置。

通信系統(tǒng)是四軸飛行器和PC機以及航模手之間進行通信的裝置，包括數(shù)傳、遙控器以及遙控器接收機。數(shù)傳是連接四軸飛行器和 PC機的一套發(fā)送接收裝置。遙控器及接收機是航模手用來遙控四軸飛行器的裝置，在緊急情況發(fā)生時可進行人工干預(yù)。

檢測系統(tǒng)用來實現(xiàn)主動引導(dǎo)的巡檢方式并將數(shù)據(jù)發(fā)給飛行控制系統(tǒng)以及PC端，主要包括用來檢測的攝像頭、進行數(shù)據(jù)處理的處理器以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤i Fi模塊。處理器采用的是英特爾的NUC小型計算機，基本滿足數(shù)據(jù)采樣以及計算的實時性要求。

2.1無人機巡檢的意義

地鐵隧道巡檢工作主要包括隧道裂縫檢測、隧道變形檢測和隧道侵限檢測等，而工作時間一般是在地鐵非運營期間進行的，只有每天的凌晨0點至5點短短幾個小時，時間緊，任務(wù)重。如果巡檢時間盡可能的縮短就可以為維修工作提供更多的時間，而無人機巡檢就可以很好的做到，并且它高效、省時、可控性好，精度也高。它的同時數(shù)據(jù)也可以很好的保存下來，以供日后反復(fù)觀察和使用，發(fā)現(xiàn)一些細小的變化和規(guī)律。

1）保障地鐵交通系統(tǒng)正常運行

地鐵可以有效的緩解陸上交通，減少大氣污染，也是人們出行的重要交通方式之一。地鐵的核心部分就是隧道，隧道巡檢可以有效的發(fā)現(xiàn)問題，掌握隧道的任何變化，能根據(jù)巡檢數(shù)據(jù)很好的解決問題。保障地鐵正常運行，為人民提供保障，為國家提供力量，為我們成為社會主義強國作出重要貢獻。

2）預(yù)測地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形程度，并依據(jù)其決定是否要采取保護措施，確定經(jīng)濟合理的保護措施提高依據(jù)[10]。

3）建立預(yù)警機制，避免安全事故造成不必要的損失

“千里之堤，潰于蟻穴”。事故的發(fā)生，往往不是因為什么大的問題，而是微小細節(jié)，不輕易的忽視。高效的巡檢可以很好的為我們避免經(jīng)濟的浪費，人員的傷亡，悲劇的發(fā)生。

三、結(jié)論

為解決目前人工巡檢工作的不足，本文提出一種新的無人機巡檢方式，在隧道鋪設(shè)導(dǎo)線，引導(dǎo)無人機飛行巡檢。希望可以推動更加高效安全的巡檢技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的契機，促進隧道信息化建設(shè)，實現(xiàn)地鐵的安全運營，緩解交通壓力。但在這條路上依舊困難重重，任重而道遠。

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作者簡介：王宗婷（1996-），女，漢族廣西欽州，廣西財經(jīng)學(xué)院本科生，研究方向：人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃。

李六葉（1998–），女，漢族，廣西河池，廣西財經(jīng)學(xué)院本科生，研究方向：人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃。

何穎怡（1998–），女，漢族，廣西柳州，廣西財經(jīng)學(xué)院本科生，研究方向：人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃。

梁月梅（1998-），女，漢族，廣西貴港，廣西財經(jīng)學(xué)院本科生，研究方向：人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃。

項目基金：廣西財經(jīng)學(xué)院 2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國家級立項“無人機地下巡檢――地鐵隧道監(jiān)測技術(shù)”（項目編號：201911548048）。