公路隧道智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：U456.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.059文章編號(hào)：1673-4874（2025）04-0212-03

0 引言

隨著全球交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，公路隧道的數(shù)量不斷增加，成為交通網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分[1。然而，隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，易受自然災(zāi)害、火災(zāi)、交通事故等多種因素的影響，造成嚴(yán)重的安全隱患。因此，對(duì)隧道進(jìn)行定期巡檢和維護(hù)變得尤為重要。傳統(tǒng)的人工巡檢方式效率低下、成本高昂、危險(xiǎn)性大，無法滿足現(xiàn)代交通安全管理的需求。

在此背景下，智能化巡檢機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。通過先進(jìn)的傳感技術(shù)、人工智能算法和自動(dòng)化控制技術(shù)，巡檢機(jī)器人能夠高效、準(zhǔn)確地完成隧道內(nèi)的巡檢任務(wù)，提高隧道的安全性和管理水平2。本文旨在設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于公路隧道的智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，為隧道安全管理提供一種創(chuàng)新的解決方案。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

公路隧道智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程包括數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和反饋，確保隧道環(huán)境的安全和運(yùn)營的高效。詳見圖1。

圖1系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

1. 1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)由機(jī)器人本體、各種傳感器模塊和通信設(shè)備組成。機(jī)器人本體包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制模塊和充電模塊。各類傳感器模塊，如氣體傳感器、高清攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)和激光雷達(dá)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集隧道內(nèi)的各種數(shù)據(jù)。通信模塊則確保機(jī)器人與管理中心之間的數(shù)據(jù)傳輸暢通。

整個(gè)硬件系統(tǒng)通過各傳感器模塊的協(xié)同工作，使巡檢機(jī)器人沿軌道運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集隧道內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行摹９芾碇行牡牟僮魅藛T通過前端界面實(shí)時(shí)查看機(jī)器人的位置、狀態(tài)和采集到的各種數(shù)據(jù)，確保對(duì)隧道情況的全面掌控。

1.2軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括機(jī)器人底層框架、數(shù)據(jù)處理模塊和用戶界面。機(jī)器人底層框架基于ROS2，實(shí)現(xiàn)了各硬件模塊之間的高效通信和協(xié)調(diào)工作3；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)；用戶界面為操作人員提供了友好的交互平臺(tái)。

管理中心通過軟件系統(tǒng)下達(dá)巡檢任務(wù)，機(jī)器人操作系統(tǒng)接收任務(wù)并進(jìn)行解析，控制機(jī)器人按照預(yù)定路線和策略執(zhí)行巡檢任務(wù)。傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和存儲(chǔ)。AI事件檢測模塊利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析圖像和傳感器數(shù)據(jù)，識(shí)別異常情況并發(fā)出警報(bào)。數(shù)據(jù)處理模塊將分析結(jié)果和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過通信模塊傳回管理中心，用戶界面顯示最新的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和分析結(jié)果，供操作人員進(jìn)行決策和干預(yù)。

2硬件設(shè)計(jì)

在整體硬件系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，本節(jié)進(jìn)一步詳細(xì)闡述各關(guān)鍵部件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與功能特點(diǎn)。硬件設(shè)計(jì)緊密圍繞隧道巡檢作業(yè)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性、信息感知精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求展開，確保設(shè)備在多變的隧道環(huán)境中高效運(yùn)行。如圖2所示，巡檢機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)包括攝像模塊、激光雷達(dá)模塊、空氣傳感器模塊、緊急通信與廣播語音模塊等。

圖2巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1智能工控機(jī)

智能工控機(jī)是隧道巡檢機(jī)器人的核心控制單元，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、任務(wù)調(diào)度和系統(tǒng)管理。其由高性能處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備和接口組成。工控機(jī)的主要功能是實(shí)時(shí)處理各種傳感器的數(shù)據(jù)，執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，并協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作。其強(qiáng)大的計(jì)算能力確保機(jī)器人能夠在復(fù)雜的隧道環(huán)境中高效、可靠地運(yùn)行。

2.2高清及紅外攝像機(jī)模塊

高清及紅外攝像機(jī)模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)控隧道內(nèi)部情況。高清攝像機(jī)提供高分辨率圖像，能清晰捕捉隧道內(nèi)的細(xì)節(jié)；紅外攝像機(jī)在光線不足或完全黑暗的環(huán)境中仍能工作，提供熱成像圖像，檢測環(huán)境和物體溫度。此模塊由云臺(tái)、高清攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、圖像處理單元和數(shù)據(jù)傳輸接口組成，功能是全天候監(jiān)測隧道內(nèi)部的情況，幫助檢測結(jié)構(gòu)損壞、識(shí)別障礙物并監(jiān)控環(huán)境變化。

2.3激光雷達(dá)模塊

激光雷達(dá)模塊用于檢測隧道內(nèi)的形變或異物。模塊通過發(fā)射激光束并接收反射回來的信號(hào)，測量隧道內(nèi)的物體距離和形狀，生成二維點(diǎn)云圖。激光雷達(dá)模塊的功能是精準(zhǔn)檢測隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)變化，識(shí)別并定位潛在的安全隱患，如突出或凹陷的結(jié)構(gòu)、掉落的物體或其他障礙物，確保巡檢過程中的安全性和準(zhǔn)確性。

2.4空氣傳感器模塊

空氣傳感器模塊用于監(jiān)測隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量，包括溫度、濕度和有害氣體濃度。其由溫濕度傳感器、氣體傳感器和數(shù)據(jù)處理單元組成。空氣傳感器模塊的功能是實(shí)時(shí)檢測隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，對(duì)一氧化碳、二氧化碳和其他有害氣體的濃度進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在的安全隱患，如火災(zāi)、煙霧或有害氣體泄漏，保障隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量和安全性。

2.5AI事件檢測模塊

AI事件檢測模塊利用人工智能技術(shù)分析視頻和傳感器數(shù)據(jù)，檢測異常事件。其由AI處理器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和數(shù)據(jù)接口組成，通過訓(xùn)練和部署深度學(xué)習(xí)模型，能夠識(shí)別各種異常情況，如火災(zāi)、煙霧、人員入侵或設(shè)備故障等。AI事件檢測模塊的功能是實(shí)時(shí)分析傳感器和攝像頭的數(shù)據(jù)，自動(dòng)檢測并報(bào)警，提高隧道巡檢的智能化水平和響應(yīng)速度，減少人工監(jiān)控的工作量。

2.6緊急通信與廣播語音模塊

緊急通信與廣播語音模塊用于緊急情況下的雙向通信和廣播通知。其由麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、通信接口和控制單元組成。這個(gè)模塊的主要功能是確保在緊急情況下，隧道內(nèi)的人員或車輛能夠與管理中心保持實(shí)時(shí)對(duì)講通話，同時(shí)能夠通過廣播系統(tǒng)向隧道內(nèi)的所有人員發(fā)布緊急通知和指令。緊急通信與廣播語音模塊保障信息的快速傳達(dá)，提高應(yīng)急響應(yīng)的效率和救援效果。

3軟件管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件管理平臺(tái)由前端系統(tǒng)和后端系統(tǒng)兩部分組成，各自承擔(dān)不同的功能和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。前端系統(tǒng)基于SpringBoot架構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的可維護(hù)性和獨(dú)立開發(fā)能力。前端使用Rosbridge消息傳遞機(jī)制實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人之間的通信，確保數(shù)據(jù)采集和指令控制的實(shí)時(shí)性。Netty技術(shù)用于平臺(tái)與前端頁面之間的實(shí)時(shí)消息反饋，使操作人員可以即時(shí)獲得機(jī)器人的狀態(tài)信息，并進(jìn)行必要的操作。

后端系統(tǒng)基于ROS2實(shí)現(xiàn)消息傳遞機(jī)制，簡化了機(jī)器人各部件之間的通信過程。后端系統(tǒng)整合了隧道巡檢機(jī)器人的各個(gè)部件和傳感器，提供底層框架，實(shí)現(xiàn)集中控制和數(shù)據(jù)采集并供外部管理平臺(tái)或工具的調(diào)用接口，使用戶可以遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測隧道巡檢機(jī)器人，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和高效性。

前后端系統(tǒng)通過高效的通信機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和命令傳遞，前端系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)和用戶指令通過ROS-bridge和Netty傳輸?shù)胶蠖讼到y(tǒng)，后端系統(tǒng)進(jìn)行處理后，執(zhí)行相應(yīng)的操作并返回結(jié)果給前端。使用戶通過前端界面實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作隧道巡檢機(jī)器人，確保系統(tǒng)的高效運(yùn)行和管理。

3.2系統(tǒng)管理平臺(tái)功能

系統(tǒng)管理平臺(tái)的主要功能是對(duì)多臺(tái)隧道巡檢機(jī)器人進(jìn)行管理、控制和數(shù)據(jù)采集。平臺(tái)提供了直觀的用戶界面，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作界面，使操作人員能夠高效地管理和控制機(jī)器人，如圖3所示。

在管理界面中，用戶可以下發(fā)自動(dòng)化巡檢任務(wù)，采集隧道中路面狀況、隧道設(shè)施、環(huán)境狀況、安全狀況等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。事件分析結(jié)果和關(guān)鍵數(shù)據(jù)會(huì)顯示在界面上，便于操作人員進(jìn)行分析和決策。通過機(jī)器人控制模塊，用戶可以實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的前進(jìn)、后退、抓拍、調(diào)整視角和開啟警報(bào)燈等操作，確保機(jī)器人能夠有效地執(zhí)行巡檢任務(wù)。

界面上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前機(jī)器人的狀態(tài)信息，包括速度、電量、電機(jī)狀態(tài)、傳感器狀態(tài)等，確保操作人員能夠隨時(shí)掌握機(jī)器人的運(yùn)行狀況。通過實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)模塊，用戶可以查看隧道內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度、甲烷濃度、PM2.5、PM10等環(huán)境數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理潛在的安全隱患。

圖3隧道巡檢機(jī)器人管理平臺(tái)主界面示例圖

4 應(yīng)用效果分析

在思防高速公路上，長度為1000m的捂銀山隧道的左右洞，各部署了一套隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)（見圖4）。經(jīng)過6個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行，該系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一切正常，表現(xiàn)出高穩(wěn)定性和可靠性。

圖4隧道巡檢機(jī)器人運(yùn)行示例圖

隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)在提高巡檢效率和精確度方面表現(xiàn)優(yōu)越。傳統(tǒng)的人工巡檢方式效率低下且容易遺漏潛在的安全隱患，管理人員在隧道中巡檢也存在一定安全隱患4，而智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)通過自動(dòng)化和智能化的巡檢任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境的全面監(jiān)控。機(jī)器人系統(tǒng)能夠快速檢測隧道內(nèi)的路面狀況、設(shè)施、環(huán)境和安全狀況，并提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析和報(bào)告，顯著提升了巡檢效率和精確度。

隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)顯著提升了隧道的安全性。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，機(jī)器人能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)的異常情況，例如異物侵入、火災(zāi)、煙霧等，并迅速發(fā)出警報(bào)通知管理中心。操作人員能夠通過系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)查看機(jī)器人的狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行應(yīng)急處理。這種實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警機(jī)制有效減少了安全事故的發(fā)生，保障了隧道的運(yùn)營安全。

隧道巡檢機(jī)器人的運(yùn)行數(shù)據(jù)也展示了其穩(wěn)定性能：巡檢速度可調(diào)范圍為 0～1.5m/s 具備IP53防水防塵等級(jí)，能夠在 -10^°C～50^°C 的環(huán)境溫度下正常工作，待機(jī)時(shí)間 gt;24 h，續(xù)航時(shí)間 ，充滿電續(xù)航距離 gt;60km 充電時(shí)間 lt;6h 其功能包括主動(dòng)避障、自動(dòng)充電、自動(dòng)設(shè)備巡檢、手動(dòng)巡檢和自動(dòng)設(shè)備拍照。

隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)通過提高巡檢頻率和精確度，降低了運(yùn)維成本，并顯著提升了隧道的安全性和可靠性[5]。該系統(tǒng)的成功運(yùn)行為隧道管理和維護(hù)提供了一種高效、安全、經(jīng)濟(jì)的解決方案，具有重要的推廣價(jià)值。

5結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并分析了應(yīng)用于公路隧道的智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，通過詳細(xì)介紹其硬件設(shè)計(jì)、軟件管理平臺(tái)及實(shí)際應(yīng)用效果，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性能。隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的成功部署和運(yùn)行，顯著提升了隧道巡檢效率和安全性，可以替代對(duì)隧道中部分固定機(jī)電設(shè)備的功能，節(jié)省人工巡檢時(shí)間及成本，提高了安全性及可靠性，實(shí)現(xiàn)降本增效，證明了智能化技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施管理中的重要作用。

隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)在捂銀山隧道的應(yīng)用，為智能化隧道巡檢提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和示范。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)在更多的交通基礎(chǔ)設(shè)施中得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步提升交通安全管理水平，保障人民的出行安全。

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