CN111510640A - 一种交通隧道竖井的巡检系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交通隧道竖井的巡检系统，包括导引绳、巡检平台、升降动力装置、探测仪器和控制处理设备；导引绳为表面粗糙的金属绳，用于为巡检平台的升、降进行导向和牵引；升降动力装置与巡检平台相连接，安装在导引绳上，用于将巡检平台固定在导引绳上，还用于为巡检平台提供升、降动力；探测仪器安装在巡检平台上，用于对竖井的结构状况进行探测；控制处理设备分别与升降动力装置、探测仪器电连接，用于控制升降动力装置带动巡检平台升、降；控制处理设备，还用于控制探测仪器进行探测、接收和存储探测数据；本发明可以解决竖井巡检系统结构较为复杂，系统造价成本较高，巡检时系统处理图像识别运算复杂的技术问题。

Description

一种交通隧道竖井的巡检系统

技术领域

本发明涉及对建筑物进行探测的技术领域，具体涉及一种交通隧道竖井的巡检系统。

背景技术

目前在特长公路或铁路隧道等交通隧道工程中，通常会设置竖井或斜井用于隧道运营通风及防灾救援。对于这些竖井、斜井，在建成投入运营后，需要定期对其进行检查或检测，以确定竖井、斜井的结构状况，比如井壁有无裂缝、井内有无漏水等。对于这类井的结构状况进行巡检，传统的做法主要通过技术人员走到具体位置进行目测检查。由于竖井垂直向下，深度短则一两百米，深则一两千米，井壁光滑；即便沿井壁设置爬梯，由于竖井太深，也不便于人工巡检。

现有技术中提供了一种竖井的巡检系统，该巡检系统将竖井在纵向上分段划分，每一段内均配置一个巡检机器人，使得每个巡检机器人能够负责各自区域内的巡检任务。当需要对井筒的纵向进行监测时，每一个巡检机器人沿着钢丝绳纵向攀爬，通过摄像头采集井筒纵向图像；当需要对井筒的周向进行监测时，系统控制各巡检机器人停止运动悬停在钢丝绳上，启动钢丝绳移动系统，带动钢丝绳上的各巡检机器人采集井筒周向图像。

上述技术方案使用了多个巡检机器人，系统造价成本较高；同时在对井筒的周向进行监测时，需要通过钢丝绳移动系统的运动，带动钢丝绳上的各巡检机器人采集井筒周向图像，需要加设机械传动部分，结构较为复杂；在图像采集方面相当于使用了一个360°的摄像头进行图像采集，图像识别的算法也较为复杂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种交通隧道竖井的巡检系统，以解决现有技术中存在的竖井巡检系统结构较为复杂，系统造价成本较高，巡检时系统处理图像识别运算复杂的技术问题。

本发明采用的技术方案是，一种交通隧道竖井的巡检系统，包括导引绳、巡检平台、升降动力装置、探测仪器和控制处理设备；

导引绳为表面粗糙的金属绳，沿竖井的轴线布置在井内，用于为巡检平台的升、降进行导向和牵引；

巡检平台的顶部和底部各有一个圆孔，导引绳穿过两个圆孔；

升降动力装置与巡检平台相连接，安装在导引绳上，用于将巡检平台固定在导引绳上，还用于为巡检平台提供升、降动力；

探测仪器安装在巡检平台上，用于对竖井的结构状况进行探测；

控制处理设备与升降动力装置电连接，用于控制升降动力装置带动巡检平台升、降；控制处理设备还与探测仪器电连接，用于控制探测仪器进行探测，还用于接收和存储探测数据。

进一步的，巡检平台包括上层圆板、下层圆板、平衡支架、套筒和支撑杆；上层圆板和下层圆板直径相等、且上下相间设置，上层圆板和下层圆板通过多个支撑杆连接；套筒通过多个平衡支架与上层圆板连接，并位于上层圆板的中心正上方处；上层圆板和下层圆板的中心处分别设置圆孔。

进一步的，下层圆板的下方安装有防风罩，防风罩与下层圆板相连接。

进一步的，探测仪器包括图像采集器，平衡支架沿上层圆板的周向均匀间隔的设置有4个；图像采集器的数量为4个，4个图像采集器分别安装在4个平衡支架与上层圆板的连接处；套筒上还安装有照明灯。

进一步的，竖井的井口安装有十字形标志物，图像采集器通过单目视觉识别，以十字形标志物进行标定。

进一步的，探测仪器包括探地雷达扫描仪，探地雷达扫描仪安装在下层圆板上。

进一步的，升降动力装置包括电机、齿轮和传动夹具，电机安装在上层圆板上，通过滑触线供电；传动夹具安装在导引绳上，齿轮与电机驱动连接，齿轮安装在传动夹具上且齿面与导引绳相啮合。

进一步的，还包括固定装置，固定装置包括金属条和地锚；金属条为十字形金属条，安装在竖井井口；十字形金属条的中心与位于竖井井口中心点；地锚安装在竖井井底，锚定点位于竖井井底中心点；

进一步的，表面粗糙的金属绳为平面股钢丝绳；平面股钢丝绳安装在十字形金属条中心和所述锚定点之间；安装时调整平面股钢丝绳为紧绷状态。

进一步的，控制处理设备与升降动力装置、探测仪器的电连接方式为无线连接。

进一步的，还包括中继器，中继器安装在竖井的井口。

由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：

1.巡检平台由上、下两层圆板，平衡支架和支撑杆组成，体积较小，结构简单，拆卸组装施工方便。在巡检过程中基本不占用竖井空间、不影响竖井的通风及防灾救援功能。

2.整个巡检系统的造价成本较低，预算不超过3万元。

3.在巡检平台上使用4个摄像头，并使用照明灯提供光源照明；每个摄像头分别对应某一个方向90度范围的检测，可以实现对竖井井壁无遗漏扫描。相比360度的摄像头，可以减少算法在计算观测点方向上的运算量，节约系统开发成本。

4.使用安装在井口的十字形金属条作为标志物，摄像头使用单目视觉识别进行标定后，可以将拍摄到的图像像素坐标转换为实际空间坐标，这样有利于操作人员确定发生表面渗漏水、掉块的井壁实际位置点。

5.在下层圆板的下方安装有一防风罩，可以减小气流对平台的冲击振动。防风罩与套筒、平衡支架、上层圆板、支撑杆和下层圆板形成一个整体，在平面股钢丝绳紧绷的状态下，可以充分保证巡检平台吊挂在平面股钢丝绳上的稳定性。

6.当巡检平台下降到离井口300米的时候，操作人员在井口将中继器安装到平面股钢丝绳上，通过中继器的一次中继后，就可以把位于竖井井底的探测仪器信号有效的传输给井口处的工控机。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的巡检平台结构图。

图2为本发明的巡检系统安装布置图。

附图标记:

1-上层圆板，2-下层圆板，3-平衡支架，4-套筒，5-支撑杆，6-圆孔，7-防风罩，8-导引绳，9-图像采集器，10-探地雷达扫描仪，11-电机，12-齿轮，13-传动夹具，14-滑触线，15-金属条，16-地锚，17-竖井井壁，18-竖井井口，19-滑触线外接电源，20-照明灯。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

如图1所示和图2所示，本发明提供一种交通隧道竖井的巡检系统，包括导引绳8、巡检平台、升降动力装置、探测仪器和控制处理设备；

导引绳8为表面粗糙的金属绳，用于为巡检平台的升、降进行导向和牵引；

巡检平台的顶部和底部各有一个圆孔6，导引绳8穿过两个圆孔6；

升降动力装置与巡检平台相连接，安装在导引绳8上，用于将巡检平台固定在导引绳8上，还用于为巡检平台提供升、降动力；

探测仪器安装在巡检平台上，用于对竖井的结构状况进行探测；

控制处理设备与升降动力装置电连接，用于控制升降动力装置带动巡检平台升、降；控制处理设备还与探测仪器电连接，用于控制探测仪器进行探测，还用于接收和存储探测数据。

进一步的，巡检平台包括上层圆板1、下层圆板2、平衡支架3、套筒4和支撑杆5；上层圆板1和下层圆板2直径相等、且上下相间设置，上层圆板1和下层圆板2通过多个支撑杆5连接；套筒4通过多个平衡支架3与上层圆板1连接，并位于上层圆板1的中心正上方处；上层圆板1和下层圆板2的中心处分别设置圆孔6。

以下对实施例1工作原理进行详细说明：

在交通隧道的竖井进行土建过程时，在井底预留安装有地锚16。地锚16锚定了一股表面粗糙的金属绳，具体的，金属绳优选为平面股钢丝绳。平面股钢丝绳是指用多根或多股细钢丝拧成的挠性绳索。地锚16锚定平面股钢丝绳的锚定点位于竖井井底中心点。平面股钢丝绳从井底一直拉到井口，并将平面股钢丝绳固定在井口，供后续使用。

当交通隧道投入使用一段时期后，需要对交通隧道竖井进行巡检时，将巡检平台放入竖井中。具体的，先松开固定在井口的平面股钢丝绳端头，将平面股钢丝绳从巡检平台的下层圆板2中心的圆孔6穿过，再继续向上穿过上层圆板1中心的圆孔6，最后再穿过上层圆板1上方的套筒4，将巡检平台挂在平面股钢丝绳上。在本实施例中，如图1所示，选用的上、下层圆板2是直径为1米，厚为3mm的钢板。两层圆板之间的间距是1米，用4根φ22螺纹钢筋支撑杆5以焊接的方式连接上、下两层圆板。上、下两层圆板的底部焊接有加强钢筋，使用4根φ22螺纹钢筋呈十字交叉，在交叉点制成圆孔6形状，上、下层圆板2中心的圆孔6、螺纹钢筋十字交叉点的圆孔6直径均为4cm。

上层圆板1以焊接的方式连接有4个平衡支架3，平衡支架3是φ22螺纹钢筋。这4个平衡支架3的相交连接点在上层圆板1的正上方中心处，焊接连接在一起，相交连接点距离上层圆板1的垂直距离为0.5米。在4个平衡支架3的相交连接点处以焊接连接的方式设有1个套筒4，套筒4的内径为4cm，外径5cm，高为10cm，套筒4作为整个巡检平台的平衡控制点。

通常情况下，交通隧道的竖井直径一般是5到12米，整个巡检平台按上述结构进行装配，体积较小，相较于竖井5到12米的直径，巡检平台在巡检过程中基本不占用竖井空间、不影响竖井的通风及防灾救援功能。

平面股钢丝绳作为巡检平台的导引绳8，用于为巡检平台的升、降进行导向和牵引。巡检系统包括有一升降动力装置，在本实施例中升降动力装置包括电机11、齿轮12和传动夹具13，电机11、齿轮12和传动夹具13依顺次相连接。升降动力装置的电机11安装在上层圆板1上，这样升降动力装置就通过电机11与巡检平台相连接在一起。升降动力装置的传动夹具13安装在平面股钢丝绳上，将巡检平台固定在平面股钢丝绳上。升降动力装置的电机11通过滑触线14供电，便于巡检平台在连续移动的过程中供电持续不间断，滑触线外接电源19设置在井口外，单独供电。在竖井井口旁边不远处，架设一工作区域，放置有巡检系统的控制处理设备，在本实施例中控制处理设备可选用工控机。工控机与升降动力装置的电机11电连接，用于控制电机11转动驱动齿轮12转动，齿轮12转动带动传动夹具13与导引绳8进行啮合传动，从而带动巡检平台升、降。在本实施例中，电机11选用伺服微电机，工控机通过远程操作伺服微电机的运转，从而控制巡检平台的升、降。

当巡检平台挂在平面股钢丝绳上后，平面股钢丝绳不能一直悬空，在需要将平面股钢丝绳调整为紧绷状态。在竖井的井口和井底分别设有固定装置，固定装置包括金属条15和地锚16。在本实施例中，金属条15为I16工字钢，以十字形交叉的方式安装在竖井井口。十字形金属条的中心位于竖井井口中心点。地锚16安装在竖井井底，锚定点位于竖井井底中心点。安装时将巡检平台传过并挂在平面股钢丝绳上后，将平面股钢丝绳用力向井口方向拉紧，然后将平面股钢丝绳的一端固定系在十字形金属条的中心，调整平面股钢丝绳为紧绷状态，为巡检平台的升、降提供稳定的反作用力。

巡检平台上安装有探测仪器，在本实施例中，配有2种探测仪器，分别是图像采集器9和探地雷达扫描仪10。图像采集器9用于对竖井井壁衬砌表面渗漏水、掉块等情况进行拍照、录像；探地雷达扫描仪10，用于检测竖井裂缝、空洞等结构性问题。图像采集器9和探地雷达扫描仪10分别与工控机相连接，连接的方式优选是无线通信连接，优选大功率WIFI模块进行通信。工控机通过远程操作探地雷达扫描仪10的旋转以及图像采集器9的聚焦。

在本实施例中，图像采集器9使用摄像头，如图1所示，安装在上层圆板1与平衡支架3的连接处，每个连接处安装有1个摄像头，一共有4个摄像头。平衡支架3沿上层圆板1的周向均匀间隔的设置，每隔90度设置1个平衡支架3。位于连接处的每个摄像头分别对应某一个方向90度范围的检测，可以实现对竖井井壁无遗漏扫描。每个摄像头只用负责自己对应90度范围的图像采集，而每个摄像头因为其固定的安装位置，将拍摄到的图像传输给工控机后，工控机不需要通过算法拼接图像就可以直接得出某一个摄像头拍摄图像中，渗漏水所对应的竖井井壁实际位置。相比360度的摄像头，可以极大的减少算法在计算观测点方向上的运算量，减少巡检系统在这个方面软件的开发成本，可以节约数万元研发经费，而多使用的3个摄像头，一般情况下，每个摄像头成本就几百元，大大节省了整个巡检系统的成本。在竖井中没有灯光照明，为了取得更好的图像拍摄效果，在摄像头的上方、套筒4上安装有照明灯20，在本实施例中照片灯使用LED灯，给摄像头提供照明，使摄像头能在光照的情况下拍摄出清晰的图像。照明灯20通过滑触线14进行供电。

在本实施例中，探地雷达扫描仪10安装在下层圆板2上，采用360°旋转探地雷达扫描仪10，在工控机的控制下，对竖井裂缝、空洞等结构性问题进行探测。

通过上述技术方案，巡检系统可以方便的对竖井井壁衬砌表面渗漏水、掉块等情况，以及竖井裂缝、空洞等结构性问题进行巡检。整个巡检系统造价成本包括：结构件方面主要有2个圆形不锈钢板、若干工字钢、若干φ22螺纹钢筋、1个套筒，上述结构件材料久加工成本约为800元；4个海康威视工业CCD摄像头约2000元；1台研华工控机约5000元，1台探地雷达约2万元；而平面股钢丝绳和地锚是交通隧道施工时就预留了的，不重复计入成本，这样整个巡检系统的造价成本不超过3万元。巡检系统中的系统平台体积较小，结构简单，拆卸组装施工方便。在巡检过程中基本不占用竖井空间、不影响竖井的通风及防灾救援功能。

实施例2

在实施例1中的巡检平台设置有4个摄像头，分别对应某一个方向90度范围的检测，因井壁是一个曲面，其拍摄出来的图像传输给工控机后，现场的操作人员看到的也是一个有一定弧度的竖井井壁图像，而摄像头的位置的固定的，所以操作人员不能很好的通过图像较为精确的定位发生表面渗漏水、掉块的井壁位置点。

为解决上述技术问题，在实施例1的基础上进一步优化，采用以下技术方案：竖井的井口安装有十字形标志物，图像采集器9通过单目视觉识别，以十字形标志物进行标定。具体的在本实施例中，使用安装在井口的十字形金属条作为标志物，安装在上层圆板1的4个摄像头的拍摄范围可以拍到十字形金属条与井壁的固定连接处。该固定连接处通过地脚螺栓螺纹连接，将地脚螺栓作为检测点进行检测。摄像头使用单目视觉识别进行标定后，可以将拍摄到的图像像素坐标转换为实际空间坐标，这样有利于操作人员确定发生表面渗漏水、掉块的井壁实际位置点。

实施例3

因为竖井的深度，浅的有两三百米，深的能达到五六百米。在进行实际巡检的过程中，竖井的底部会有风从竖井底部往井口吹，在风速较大的情况下，会吹动挂在平面股钢丝绳的巡检平台，使巡检平台左右摇晃，影响探测仪器的探测效果。为解决上述技术问题，在实施例1的基础上进一步优化，在下层圆板2的下方安装有一防风罩7。防风罩7采用1mm厚的钢板围合成圆锥形，与下层圆板2固定连接，比如采用焊接的方式。防风罩7的锥顶开有1个4cm的圆孔6，用于平面股钢丝绳穿入。通过使用防风罩7，可以减小气流对平台的冲击振动。防风罩7与套筒4、平衡支架3、上层圆板1、支撑杆5和下层圆板2形成一个整体，在平面股钢丝绳紧绷的状态下，可以充分保证巡检平台吊挂在平面股钢丝绳上的稳定性。

实施例4

一般情况下，大功率WIFI模块的传输距离是300-400米，对于一些深度较深的竖井，比如五六百米的竖井，当巡检平台下降到接近井底时，探测仪器的探测结果无法很好的传输到井口。为解决上述技术问题，在实施例1、实施例2或实施例3的基础上进一步优化，在巡检系统中增加1个中继器，当巡检平台下降到离井口300米的时候，操作人员在井口将中继器安装到平面股钢丝绳上，安装方式可以使用夹持安装。这样，通过中继器的一次中继后，就可以把位于竖井井底的探测仪器信号有效的传输给井口处的工控机。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种交通隧道竖井的巡检系统，其特征在于：包括导引绳(8)、巡检平台、升降动力装置、探测仪器和控制处理设备；

所述导引绳(8)为表面粗糙的金属绳，沿竖井的轴线布置在井内，用于为所述巡检平台的升、降进行导向和牵引；

所述巡检平台的顶部和底部各有一个圆孔(6)，所述导引绳(8)穿过两个所述圆孔(6)；

所述升降动力装置与所述巡检平台相连接，安装在导引绳(8)上，用于将所述巡检平台固定在导引绳(8)上，还用于为所述巡检平台提供升、降动力；

所述探测仪器安装在所述巡检平台上，用于对所述竖井的结构状况进行探测；

所述控制处理设备与所述升降动力装置电连接，用于控制升降动力装置带动巡检平台升、降；所述控制处理设备还与所述探测仪器电连接，用于控制探测仪器进行探测，还用于接收和存储探测数据。

2.根据权利要求1所述一种交通隧道竖井的巡检系统，其特征在于，所述巡检平台包括：上层圆板(1)、下层圆板(2)、平衡支架(3)、套筒(4)和支撑杆(5)；所述上层圆板(1)和下层圆板(2)直径相等、且上下相间设置，上层圆板(1)和下层圆板(2)通过多个所述支撑杆(5)连接；所述套筒(4)通过多个所述平衡支架(3)与上层圆板(1)连接，并位于所述上层圆板(1)的中心正上方处；所述上层圆板(1)和下层圆板(2)的中心处分别设置所述圆孔(6)。

3.根据权利要求2所述一种交通隧道竖井的巡检系统，其特征在于：所述下层圆板(2)的下方安装有防风罩(7)，所述防风罩(7)与所述下层圆板(2)相连接。

4.根据权利要求2所述一种交通隧道竖井的巡检系统，其特征在于：所述探测仪器包括图像采集器(9)，所述平衡支架(3)沿上层圆板(1)的周向均匀间隔的设置有4个；所述图像采集器(9)的数量为4个，4个所述图像采集器(9)分别安装在4个所述平衡支架(3)与上层圆板(1)的连接处；所述套筒(4)上还安装有照明灯(20)。

5.根据权利要求4所述一种交通隧道竖井的巡检系统，其特征在于：所述竖井的井口安装有十字形标志物，所述图像采集器(9)通过单目视觉识别，以所述十字形标志物进行标定。

6.根据权利要求1所述一种交通隧道竖井的巡检系统，其特征在于：所述探测仪器包括探地雷达扫描仪(10)，所述探地雷达扫描仪(10)安装在下层圆板(2)上。

7.根据权利要求2所述一种交通隧道竖井的巡检系统，其特征在于：所述升降动力装置包括电机(11)、齿轮(12)和传动夹具(13)，所述电机(11)安装在所述上层圆板(1)上，通过滑触线(14)供电；所述传动夹具(13)安装在导引绳(8)上，所述齿轮(12)与电机(11)驱动连接，齿轮(12)安装在传动夹具(13)上且齿面与导引绳(8)相啮合。

8.根据权利要求1所述一种交通隧道竖井的巡检系统，其特征在于：还包括固定装置，所述固定装置包括金属条(15)和地锚(16)；所述金属条(15)为十字形金属条，安装在竖井井口；所述十字形金属条的中心位于竖井井口中心点；所述地锚(16)安装在竖井井底，锚定点位于竖井井底中心点；

所述表面粗糙的金属绳为平面股钢丝绳；所述平面股钢丝绳安装在所述十字形金属条中心和所述锚定点之间；安装时调整平面股钢丝绳为紧绷状态。

9.根据权利要求1所述一种交通隧道竖井的巡检系统，其特征在于：所述控制处理设备与升降动力装置、探测仪器的电连接方式为无线连接。

10.根据权利要求9所述一种交通隧道竖井的巡检系统，其特征在于：还包括中继器，所述中继器安装在所述竖井的井口。

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