无人机地铁隧道安全巡检方面应用

下面是小编为大家整理的无人机地铁隧道安全巡检方面应用,供大家参考。

　

　 无人机在地铁隧道安全巡检方面的应用

　摘 要：目前隧道巡检工作存在效率低，精度不高等问题。基于此环境下通过研究相关文献和资料发现无人机在地铁隧道巡检中的优势。无人机可用于隧道综合监控，为设施管理和养护提供决策依据，预期实现人工智能专家系统故障诊断和大数据病害趋势预测。

　关键词：地铁隧道;安全巡检;无人机

　 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地鐵隧道巡检现状

　 改革开放以来，我国地铁迅速发展。地铁隧道巡检最初是以人工巡检为主。上个世纪九十年代开始后慢慢发展成自动化设备检测，但是它仍然离不开人工。虽然现在巡检方向往全自动化智能检测的方向发展，但是还是没有很好的方式代替人工。但是人工巡检不仅消耗大量的人

　 力物力，且人会受环境状态、人自身状态等一些因素影响，存在检测设备盲点多、信息误报和漏报、人工漏巡等问题和一定的安全隐患，智能化程度低，巡检效率差，且上述检测只能针对地铁隧道的某一参数进行测量，比如隧道形变量、轨道损伤等，所以就导致地铁隧道内各类安全事故时有发生[1]。加上地铁隧道周围地质情况复杂、地下管道与线路密集，而且还容易受到地表的建筑和交通的影响。而它们主要的分布部位在环缝、纵缝、手孔、螺栓、注浆孔、管片开裂等部位;主要分布区段是断头井、旁通道及泵站、小半径曲线、易发生险情或有不良地质条件的地方。这些通通给巡检工作增加了许多难度。

　 1.2巡检措施

　 1.2.1人工巡检

　 巡检管理人员给相关巡检部门下达巡检任务，巡检部门再给每个巡检人员下达巡检任务。巡检人员按照巡检规定的时间及地点巡检，当发现线路中某个设备发生故障或存在安全隐患时，记录在纸上待巡检完成后通过短信或者邮件发送至主管部门。主管部门按照故障的等级再安排复查或发布修复指令。

　 1.2.2自动化监测设备

　 除人工巡检之外，还有自动化监测设备，主要利用全站仪[2]、水准仪、收敛仪等测量设备进行数据采集。但是这一类设备必须布设好监测基准点及监测点[3]，和选择好相应的自动监测系统。

　 1.2.3智能巡检机器人

　 目前已经有研究单位尝试用智能巡检机器人代替传统的人工巡检，解决人工巡检存在的不足，但由于种种原因，未被广泛采用。比如说“奔跑的兔子”这款机器人具有全天候智能化巡检、人工智能专家系统故障诊断、大数据隧道病害趋势预测等技术特点[4]。

　 1.2.4巡检措施优缺点比较[5]

　 1.3无人机巡检应用现状

　 无人机应用于巡检方面大概始于 2009年。首先是在电力方面目前主要应用于配电线路巡检的无人机机型有固定翼无人机、无人直升机以及多悬翼无人机[6]，已有方法有红外测温技术[7]和基于三维激光扫描技术法人输电路无人机巡检方法[8]等。此后无人机在巡检方面的应用不断扩大，如油气管道、河流、交通道路和通信基站等，并且因为无人机巡检具有需求迫切、发展快速、政策好、系统性强、无行业寡头、无行业垄断等特点，为巡检提供了自动、智能、高效的技术手段，有潜力革新巡检技术，形成巡检新格局，是智能化巡检潮流和新的增长

　 点。随着无人机巡检技术的创新和应用的推进，无人机巡检将作为常态化手段逐步实现管理的精细化，各单位、供应商、服务商分工将更加明确，分析手段将逐步完善，并形成从前端硬件到中间服务到后端软件的全产业链，最终形成从作业任务到分析报告的全过程[9]无人机巡检应用领域越来越广阔，相信其在地铁隧道中的巡检也会在未来的某一天实现。

　 二、无人机巡检

　 针对目前巡检措施的不足，我们提出了一种无人机巡检方式。就是在隧道内部铺设引导线，使四轴飞行器沿着引导线对隧道进行巡检。将引导线铺设在隧道右侧墙壁，当引导线与地面的高度发生变化时，四轴飞行器的飞行高度也会发生相应的变化。并且，隧道内部光照条件比较差，使用普通的引导线可能无法被检测出来，因此，使用两条平行的 LED 灯条作为引导线。灯条之间的距离已知，灯条上 LED 灯的间隔也是固定的，通过检测灯条的光照使四轴飞行器沿着灯条的方向进行巡检。每个灯条都按照流水灯的方式运行，灯条上每次都只有 4个LED 灯会亮起，其余灯熄灭，而且每个灯条上的亮灯顺序是同步的。这样，每个时刻都会有 4个 LED 灯亮起，并且这 4个 LED 灯正好位于矩形的 4 个顶点。

　 传感器系统与控制器之间通过总线相连，IMU 通过 SPI总线与控制器连接，位置传感器通过 UART 串口总线与控制器相连;对于通信系统而言，也是通过 UART 串口总线与控制器连接;动力系统中，只有电子调速器与主控制器通过 PWM 波的输出接口与控制器相连;机架只是提供系统的搭载平台;检测设备有专用的处理器，处理后的数据再通过 UART串口总线与控制器连接。

　 选用 STM32F407 芯片，其内核是 ARM 公司的 cortex-M4 架构，主频最高可以达到168MHz，满足整个飞行控制控系统的处理需求。芯片外设丰富，拥有多组 SPI接口、UART 接口、I2C 接口以及定时器的 PWM 波输出接口，满足控制器与传感器系统、通信系统以及动力系统的通信需求。STM32F407 芯片本身集成了 1MB的 flash存储以及 196B的 SRAM，不需要外接存储器也满足飞行器控制系统的代码存储。

　 动力系统为整个四轴飞行器提供飞行所需的动力，包括电子调速器、无刷电机以及螺旋桨。电子调速器是用来控制无刷电机转速的设备，其输入是 PWM波信号，输出是三相脉冲直流，通过输出端的三根线与无刷电机的连接方式，可以控制无刷电机的转动方向，通过改变输出电流的大小即可控制无刷电机的转速。本文选用好盈的铂金 30A电调，其输入可以支持 2 到6 节锂电池组，输出的持续电流可以达到 30A，短时间内最大电流可以达到 40A，输入信号的频率为 50Hz 到 432Hz。无刷电机选用的飓风的 U2814 系列，其 KV 值为 900，配合 1045 的螺旋桨以及 4ss 电池，整个动力系统的最大载重可以达到 4.92Kg，满足整个巡检四轴飞行器的需求。

　 传感器系统用来测量四轴飞行器的飞行状态，包括进行姿态解算的惯性导航系统（IMU）、磁强计以及进行位置解算的位置传感器。惯性导航系统采用的是 MPU6500，通过

　 SPI总线接口与控制器进行通信，角速度的测量范围可以达到每秒 2000 度，加速度测量范围可以达到 16G。磁强计采用的是 HMC5983，测量范围可以达到 8.1Ga，通信总线为 SPI或者I2C，采用 SPI总线进行通信。位置传感器采用的是超声波传感器和机载激光雷达的组合，超声波传感器可以通过声波的反射机制，得到四轴飞行器距离地面的高度，采用的超声波型号为 KS109，通过 UART 串口与控制器进行通信，最大能测量的离地距离为 10m;激光雷达可以通过对周围环境进行二维建模得到四轴飞行器在室内环境中水平方向的位置。

　 通信系统是四轴飞行器和 PC机以及航模手之间进行通信的装置，包括数传、遥控器以及遥控器接收机。数传是连接四轴飞行器和 PC 机的一套发送接收装置。遥控器及接收机是航模手用来遥控四轴飞行器的装置，在紧急情况发生时可进行人工干预。

　 检测系统用来实现主动引导的巡检方式并将数据发给飞行控制系统以及 PC端，主要包括用来检测的摄像头、进行数据处理的处理器以及数据传输的 Wi Fi模块。处理器采用的是英特尔的 NUC 小型计算机，基本满足数据采样以及计算的实时性要求。

　 2.1无人机巡检的意义

　 地铁隧道巡检工作主要包括隧道裂缝检测、隧道变形检测和隧道侵限检测等，而工作时间一般是在地铁非运营期间进行的，只有每天的凌晨 0 点至 5 点短短几个小时，时间紧，任务重。如果巡检时间尽可能的缩短就可以为维修工作提供更多的时间，而无人机巡检就可以很好的做到，并且它高效、省时、可控性好，精度也高。它的同时数据也可以很好的保存下来，以供日后反复观察和使用，发现一些细小的变化和规律。

　 1）保障地铁交通系统正常运行

　 地铁可以有效的缓解陆上交通，减少大气污染，也是人们出行的重要交通方式之一。地铁的核心部分就是隧道，隧道巡检可以有效的发现问题，掌握隧道的任何变化，能根据巡检数据很好的解决问题。保障地铁正常运行，为人民提供保障，为国家提供力量，为我们成为社会主义强国作出重要贡献。

　 2）预测地铁隧道结构变形程度，并依据其决定是否要采取保护措施，确定经济合理的保护措施提高依据[10]。

　 3）建立预警机制，避免安全事故造成不必要的损失

　 “千里之堤，溃于蚁穴”。事故的发生，往往不是因为什么大的问题，而是微小细节，不轻易的忽视。高效的巡检可以很好的为我们避免经济的浪费，人员的伤亡，悲剧的发生。

　 三、结论

　 为解决目前人工巡检工作的不足，本文提出一种新的无人机巡检方式，在隧道铺设导线，引导无人机飞行巡检。希望可以推动更加高效安全的巡检技术应用发展的契机，促进隧道信息化建设，实现地铁的安全运营，缓解交通压力。但在这条路上依旧困难重重，任重而道远。

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