CN115506852B - 隧道用全自动防护设备及防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道安全的报警装置与智能机器人技术领域，特别涉及一种隧道用全自动防护设备及防护方法，防护设备包括滑轨和智能机器人；滑轨架设在隧道内的侧壁或者顶部；智能机器人安装在滑轨上且能够沿滑轨移动，智能机器人包括摄像头、图像处理模块、判断模块和通信模块。防护方法包括：在隧道内的侧壁或者顶部架设滑轨，在滑轨上安装能够沿滑轨移动智能机器人；采用智能机器人实时采集隧道内部的实况图像；对实况图像进行处理和识别；根据处理识别结果判断是否存在安全问题；将警示信息发送至预先绑定的管理终端。采用本发明可以在无人值守的情况下，做到对隧道进行全天候监测，避免突发性安全问题，降低行车风险，减少损失。

Description

隧道用全自动防护设备及防护方法

技术领域

本发明涉及隧道安全的报警装置与智能机器人技术领域，特别涉及一种隧道用全自动防护设备及防护方法。

背景技术

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道和军事隧道等。其中，交通隧道用于人车通行，交通隧道包括城市交通隧道、山地公路和/或铁路隧道和水底隧道等，交通隧道安全性非常重要。

交通隧道多数没有专人值守，相关维护管理单位只会定期或者不定期地派人去现场检查隧道情况以排除安全隐患。但是，对于突发性的情况（例如突发水灾、火灾或者山体滑坡等）无法及时掌握相关信息并进行安全预警。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种隧道用全自动防护设备，包括滑轨和智能机器人；

滑轨架设在隧道内的侧壁或者顶部；

智能机器人安装在滑轨上且能够沿滑轨移动，智能机器人包括摄像头、图像处理模块、判断模块和通信模块，摄像头用于实时采集隧道内部的实况图像；图像处理模块用于对实况图像进行处理和识别；判断模块用于根据处理识别结果判断是否存在安全问题；通信模块用于将警示信息发送至预先绑定的管理终端。

可选的，还包括显示屏，显示屏与智能机器人通信连接，显示屏安装在隧道的两端入口外侧，显示屏用于接收并显示智能机器人发送的警示信息。

可选的，还包括光伏电板和蓄电池，光伏电板安装在隧道外部用于利用太阳能发电，蓄电池分别与光伏电板和智能机器人电连接，蓄电池用于储存光伏电板发出的电能以及给智能机器人供应电能。

可选的，滑轨包括两个开口向下的电力槽，电力槽的内顶面通过绝缘支架卡接有铜排，铜排的下端面外露；

两个电力槽之间设有开口向上的移动导槽，移动导槽中间设有导轨；

智能机器人底部设有与移动导槽配合且对导轨形成夹持的夹持板，夹持板之间安装有滚动轮，滚动轮配置有驱动机构；

智能机器人的下端两侧设置有L型线缆管，线缆管内敷设有电源线，L型线缆管的下端头设有向上的凸台，凸台上固定有取电机构，取电机构上端与铜排的下端面接触取电，取电机构底部与电源线电连接。

可选的，取电机构包括绝缘套筒、内孔板、弹簧、接线柱和触头，内孔板固定在绝缘套筒内，接线柱位于绝缘套筒内且穿过内孔板，接线柱的顶部与触头固定连接，弹簧位于绝缘套筒内的内孔板和触头之间且套设在接线柱上；

触头远离接线柱侧用于和铜排的下端面接触取电，接线柱的远离触头端用于与电源线电连接。

本发明还提供了一种隧道用全自动防护方法，包括：

在隧道内的侧壁或者顶部架设滑轨，在滑轨上安装能够沿滑轨移动智能机器人；

采用智能机器人实时采集隧道内部的实况图像；对实况图像进行处理和识别；

根据处理识别结果判断是否存在安全问题；

将警示信息发送至预先绑定的管理终端。

可选的，在同一隧道内设置多个组网通信连接的智能机器人，且选择其中一个智能机器人为主控智能机器人，主控智能机器人用于将警示信息发送至预先绑定的管理终端；

在同一隧道内设置多条滑轨，每条滑轨上至少安装有一个智能机器人；滑轨沿隧道分段设置。

可选的，对实况图像进行处理和识别的方法如下：

对实况图像进行预处理，包括过滤处理和增强处理；

从预处理后的实况图像中提取特征数据，通过特征数据分析识别车辆信息、隧道地面信息与裂缝信息；

根据裂缝信息与存储的历史裂缝信息比对，识别裂缝变化情况或者塌陷情况；

根据识别出的车辆信息和隧道地面信息，进行图像切割得到排除车辆图像的隧道地面图像；

对隧道地面图像进行光谱分析，确定隧道地面是否存在积水、火情或者泥浆。

可选的，若处理识别结果发现隧道存在裂缝变化或者塌陷异常，或者存在积水、火情或者泥浆，则判断隧道存在安全问题。

可选的，对隧道地面图像进行光谱分析时，针对不同安全问题进行分类识别，具体为：

若分析结果属于第一种情况，表示隧道存在积水安全问题；若分析结果属于第二种情况，表示隧道存在火情安全问题；若分析结果属于第三种情况，表示隧道存在泥石流安全问题。

本发明的隧道用全自动防护设备及防护方法，通过在在隧道内架设滑轨，并在滑轨上设置可以沿滑轨移动的智能机器人，实时采集隧道内部的实况图像，实况图像指反映隧道地面情况、行车情况以及隧道壁面情况的实时图像，智能机器人沿滑轨移动能够对隧道进行全线监测；再对实况图像进行处理分析和识别，通过识别了解隧道是否存在相关的安全问题，例如突发车祸、水灾、火灾、塌陷或者山体滑坡等，若存在相关安全问题则通过通信将警示信息发送至预先绑定的管理终端；将滑轨和智能机器人设置在隧道内的侧壁或者顶部，可以防止防护设备遭遇碰撞或者水浸，提高设备的安全性；采用本发明，在无人值守的情况下，能够做到全天候监测以便及时掌握各种突发性的安全问题，及时提供安全防范警示，避免突发性安全问题造成重大人员或者财产损失，降低行车风险，减少损失。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中一种隧道用全自动防护设备示意图；

图2为本发明隧道用全自动防护设备实施例采用的智能机器人与显示器、光伏电板和蓄电池的连接示意图；

图3为本发明隧道用全自动防护设备实施例中智能机器人采用的取电机构示意图；

图4为本发明实施例中一种隧道用全自动防护方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种隧道用全自动防护设备，包括滑轨1和智能机器人2；

滑轨1架设在隧道内的侧壁或者顶部；

智能机器人2安装在滑轨1上且能够沿滑轨1移动，智能机器人2包括摄像头201、图像处理模块202、判断模块203和通信模块204，摄像头201用于实时采集隧道内部的实况图像；图像处理模块202用于对实况图像进行处理和识别；判断模块203用于根据处理识别结果判断是否存在安全问题；通信模块204用于将警示信息发送至预先绑定的管理终端。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在在隧道内架设滑轨，并在滑轨上设置可以沿滑轨移动的智能机器人，实时采集隧道内部的实况图像，实况图像指反映隧道地面情况、行车情况以及隧道壁面情况的实时图像，智能机器人沿滑轨移动能够对隧道进行全线监测；再对实况图像进行处理分析和识别，通过识别了解隧道是否存在相关的安全问题，例如突发车祸、水灾、火灾、塌陷或者山体滑坡等，若存在相关安全问题则通过通信将警示信息发送至预先绑定的管理终端；将滑轨和智能机器人设置在隧道内的侧壁或者顶部，可以防止防护设备遭遇碰撞或者水浸，提高设备的安全性；采用本方案，在无人值守的情况下，能够做到全天候监测以便及时掌握各种突发性的安全问题，及时提供安全防范警示，避免突发性安全问题造成重大人员或者财产损失，降低行车风险，减少损失。

在一个实施例中，如图2所示，还包括显示屏10，显示屏10与智能机器人2通信连接，显示屏10安装在隧道的两端入口外侧，显示屏10用于接收并显示智能机器人2发送的警示信息。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在隧道的两端入口外侧设置显示屏，采用显示屏接收并显示智能机器人发送的警示信息，能够对通行车辆进行即时警示，在隧道出现险情时，提醒行车人员避免驶入，绕道避险。

在一个实施例中，如图2所示，还包括光伏电板20和蓄电池30，光伏电板20安装在隧道外部用于利用太阳能发电，蓄电池30分别与光伏电板20和智能机器人2电连接，蓄电池30用于储存光伏电板20发出的电能以及给智能机器人2供应电能。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置光伏电板和蓄电池，充分利用太阳能，可以降低防护设备的市电消耗，甚至完全采用太阳能发电支持，实现设备运行的环保。

在一个实施例中，如图1所示，滑轨1包括两个开口向下的电力槽，电力槽的内顶面通过绝缘支架11卡接有铜排3，铜排3的下端面外露；

两个电力槽之间设有开口向上的移动导槽，移动导槽中间设有导轨12；

智能机器人2底部设有与移动导槽配合且对导轨12形成夹持的夹持板21，两块夹持板21之间安装有滚动轮22，滚动轮22配置有驱动机构23；

智能机器人2的下端两侧设置有L型的线缆管4，线缆管4内敷设有电源线5，线缆管4的下端头设有向上的凸台41，凸台41上固定有取电机构6，取电机构6上端与铜排3的下端面接触取电，取电机构6底部与电源线5电连接；

如图1和3所示，取电机构6包括绝缘套筒61、内孔板62、弹簧65、接线柱63和触头64，内孔板62固定在绝缘套筒61内，接线柱63位于绝缘套筒61内且穿过内孔板62，接线柱63的顶部与触头64固定连接，弹簧65位于绝缘套筒61内的内孔板62和触头64之间且套设在接线柱63上；

触头64远离接线柱63侧用于和铜排3的下端面接触取电，接线柱63的远离触头端用于与电源线5电连接。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在滑轨设置电力槽，用于敷设铜排给智能机器人输送电力，在支持智能机器人灵活移动的基础上，有利于保障智能机器人的持续性电力需求；电力槽的开口向下，能够有效保护铜排，实现防水防尘，提高电力安全；铜排可以通过电缆与市电或者光伏发电的蓄电池电连接，或者通过设置的切换机构同时连接市电和光伏发电的蓄电池，设置移动导槽和导轨，配合夹持板对导轨的夹持，可以保障智能机器人移动的平稳性，智能机器人通过驱动机构带动滚动轮在导轨上滚动实现移动；通过设置取电机构实现智能机器人从铜排上取电，取电机构分别设置在智能机器人两侧，对于滑轨形成夹持，能够进一步确保智能机器人的平稳性。

在一个实施例中，取电机构安装有红外线温度传感器，红外线温度传感器用于检测铜排表面温度；

智能机器人接收红外线温度传感器检测的铜排表面温度，并根据铜排表面温度进行存储，铜排表面温度即触头的工作温度，设定触头的工作温度段划分及各温度段单位时长内的损耗系数；

智能机器人设有运算模块，运算模块采用以下算法评估触头剩余寿命：

上式中，表示触头的剩余寿命；表示触头在标准工作温度下的设计寿命；表示触头在第个温度段工作单位时长的损耗系数；表示触头在第个温度段工作的累计时长；

若触头剩余寿命小于寿命阈值，则发出更换警示信息。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过检测铜排表面温度，由于触头与铜排紧密接触，铜排表面温度即可作为触头的工作温度；智能机器人移动时，触头在铜排表面滑动，触头与铜排相互摩擦，会存在磨损，磨损情况是决定触头寿命主要因素；不同温度情况，同样时长的磨损会存在差异，根据设定的触头在不同温度段工作单位时长的损耗系数，采用上式评估触头在标准工作温度下的剩余寿命；若触头剩余寿命小于寿命阈值，则发出更换警示信息，提醒及时更换，从而避免触头损耗造成智能机器人取电异常，影响其稳定工作。

如图4所示，本发明实施例提供了一种隧道用全自动防护方法，包括：

S100：在隧道内的侧壁或者顶部架设滑轨，在滑轨上安装能够沿滑轨移动智能机器人；

S200：采用智能机器人实时采集隧道内部的实况图像；对实况图像进行处理和识别；

S300：根据处理识别结果判断是否存在安全问题；

S400：将警示信息发送至预先绑定的管理终端。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在在隧道内架设滑轨，并在滑轨上设置可以沿滑轨移动的智能机器人，实时采集隧道内部的实况图像，实况图像指反映隧道地面情况、行车情况以及隧道壁面情况的实时图像，智能机器人沿滑轨移动能够对隧道进行全线监测；再对实况图像进行处理分析和识别，通过识别了解隧道是否存在相关的安全问题，例如突发车祸、水灾、火灾、塌陷或者山体滑坡等，若存在相关安全问题则通过通信将警示信息发送至预先绑定的管理终端；将滑轨和智能机器人设置在隧道内的侧壁或者顶部，可以防止防护设备遭遇碰撞或者水浸，提高设备的安全性；还可以在隧道的两端入口设置显示器显示警示信息；采用本方案，在无人值守的情况下，能够做到全天候监测以便及时掌握各种突发性的安全问题，及时提供安全防范警示，避免突发性安全问题造成重大人员或者财产损失，降低行车风险，减少损失。

在一个实施例中，在同一隧道内设置多个组网通信连接的智能机器人，且选择其中一个智能机器人为主控智能机器人，主控智能机器人用于将警示信息发送至预先绑定的管理终端；

在同一隧道内设置多条滑轨，每条滑轨上至少安装有一个智能机器人；滑轨可以沿隧道分段设置。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在同一隧道内设置多个组网通信连接的智能机器人，可以形成一定的冗余备用，也可以对同一位置采用多个智能机器人进行监控，将不同智能机器人拍摄的实况图像进行对照验证，提高判断的准确性；通过设置多条滑轨，支持多个智能机器人的移动；在多个智能机器人选定一个作为主控智能机器人，统一与管理终端进行通信，可以对每个智能机器人进行编号管理，避免通信信号管理发生混乱。

在一个实施例中，在S200步骤中，对实况图像进行处理和识别的方法如下：

对实况图像进行预处理，包括过滤处理和增强处理；

从预处理后的实况图像中提取特征数据，通过特征数据分析识别车辆信息、隧道地面信息与裂缝信息；

根据裂缝信息与存储的历史裂缝信息比对，识别裂缝变化情况或者塌陷情况；

根据识别出的车辆信息和隧道地面信息，进行图像切割得到排除车辆图像的隧道地面图像；

对隧道地面图像进行光谱分析，确定隧道地面是否存在积水、火情或者泥浆。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过预处理，进行图像噪声过滤，防止图像噪声干扰；通过增加处理提高图像质量和可识别性；通过特征数据提取进行车辆信息、隧道地面信息与裂缝信息的识别；采用存储的历史裂缝信息比对了解裂缝变化情况或者塌陷情况，可以进一步采用包围盒算法进行分析，得到裂缝或者塌陷的轮廓图像，使用坐标对轮廓图像进行分析得到裂缝或者塌陷的尺寸、范围及定位，并以此界定风险等级，采用包围盒算法可以简化运算，加速运算过程，提高效率；根据物体的光谱物理特性差异，通过光谱分析确定隧道地面是否存在积水、火情或者泥浆，可以简化分析过程，防止识别偏差，提高识别精度；通过图像切割，排除车辆图像对光谱分析的影响，降低图像分析的数据处理量，提高数据处理速度与效率。

在一个实施例中，在S300步骤中，若处理识别结果发现隧道存在裂缝变化或者塌陷异常，或者存在积水、火情或者泥浆，则判断隧道存在安全问题。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案根据实况图像的处理识别情况，对于隧道是否存在安全隐患进行判断；可以安全隐患的类型进行区分，为防灾减灾提供精确判断，以便能够快速做出有针对性强的有力措施，进行救援和险情排除。

在一个实施例中，对隧道地面图像进行光谱分析时，针对不同安全问题进行分类识别，具体为：

若分析结果属于第一种情况，表示隧道存在积水安全问题；若分析结果属于第二种情况，表示隧道存在火情安全问题；若分析结果属于第三种情况，表示隧道存在泥石流安全问题。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过对不同安全问题设定不同条件进行分类识别，可以在光谱分析情况下准确区分积水、火情或者泥浆情况，对应提供更具体的风险类型警示信息。

在一个实施例中，智能机器人的图像处理模块对隧道地面图像进行光谱分析时，采用以下公式计算隧道地面图像的对比度：

上式中，表示隧道地面图像与预存的正常隧道地面图像的对比度；表示隧道地面图像的像素坐标；表示隧道地面图像的像素坐标点处的色度值；表示预存的正常隧道地面图像各像素点的平均色度值；表示隧道地面图像的像素坐标点处的亮度值；表示预存的正常隧道地面图像各像素点的平均亮度值；和分别表示图像的色度权重和亮度权重；

若计算得到的对比度高于预设阈值，则表示隧道存在积水、火情或者泥浆（泥石流）的安全问题；

其中，可以进一步设定第一阈值范围、第二阈值范围和第三阈值范围，分别对应于第一种情况、第二种情况和第三种情况；将计算得到的对比度分别与第一阈值范围、第二阈值范围和第三阈值范围对比，确定计算得到的对比度所属的阈值范围，从而界定安全问题来自积水、火情或者泥浆（泥石流）。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用实况图像中隧道地面图像与预存的正常隧道地面图像的对比度计算，将计算结果与预设阈值进行比对，从而识别安全问题的存在，甚至得到安全问题的类型，通过量化计算，可能提高结果的客观性和可靠性，避免人为等不利因素的干扰，提高结果的可信度；本方案采用的公式计算简单，可操作性强，数据计算量小，速度快，能够减少控制能耗。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种隧道用全自动防护设备，其特征在于，包括滑轨和智能机器人；

滑轨架设在隧道内的侧壁或者顶部；

智能机器人安装在滑轨上且能够沿滑轨移动，智能机器人包括摄像头、图像处理模块、判断模块和通信模块，摄像头用于实时采集隧道内部的实况图像；图像处理模块用于对实况图像进行处理和识别；判断模块用于根据处理识别结果判断是否存在安全问题；通信模块用于将警示信息发送至预先绑定的管理终端；

智能机器人的图像处理模块对隧道地面图像进行光谱分析时，采用以下公式计算隧道地面图像的对比度：

上式中，表示隧道地面图像与预存的正常隧道地面图像的对比度；表示隧道地面图像的像素坐标；表示隧道地面图像的像素坐标点处的色度值；表示预存的正常隧道地面图像各像素点的平均色度值；表示隧道地面图像的像素坐标点处的亮度值；表示预存的正常隧道地面图像各像素点的平均亮度值；和分别表示图像的色度权重和亮度权重；

若计算得到的对比度高于预设阈值，则表示隧道存在积水、火情或者泥浆的安全问题；

滑轨包括两个开口向下的电力槽，电力槽的内顶面通过绝缘支架卡接有铜排，铜排的下端面外露；

两个电力槽之间设有开口向上的移动导槽，移动导槽中间设有导轨；

智能机器人底部设有与移动导槽配合且对导轨形成夹持的夹持板，夹持板之间安装有滚动轮，滚动轮配置有驱动机构；

智能机器人的下端两侧设置有L型线缆管，线缆管内敷设有电源线，L型线缆管的下端头设有向上的凸台，凸台上固定有取电机构，取电机构上端与铜排的下端面接触取电，取电机构底部与电源线电连接；

取电机构包括绝缘套筒、内孔板、弹簧、接线柱和触头，内孔板固定在绝缘套筒内，接线柱位于绝缘套筒内且穿过内孔板，接线柱的顶部与触头固定连接，弹簧位于绝缘套筒内的内孔板和触头之间且套设在接线柱上；

触头远离接线柱侧用于和铜排的下端面接触取电，接线柱的远离触头端用于与电源线电连接；

取电机构安装有红外线温度传感器，红外线温度传感器用于检测铜排表面温度；

智能机器人接收红外线温度传感器检测的铜排表面温度，并根据铜排表面温度进行存储，铜排表面温度即触头的工作温度，设定触头的工作温度段划分及各温度段单位时长内的损耗系数；

智能机器人设有运算模块，运算模块采用以下算法评估触头剩余寿命：

上式中，表示触头的剩余寿命；表示触头在标准工作温度下的设计寿命； 表示触头在第个温度段工作单位时长的损耗系数；表示触头在第个温度段工作的累计时长；

若触头剩余寿命小于寿命阈值，则发出更换警示信息。

2.根据权利要求1所述的隧道用全自动防护设备，其特征在于，还包括显示屏，显示屏与智能机器人通信连接，显示屏安装在隧道的两端入口外侧，显示屏用于接收并显示智能机器人发送的警示信息。

3.根据权利要求1所述的隧道用全自动防护设备，其特征在于，还包括光伏电板和蓄电池，光伏电板安装在隧道外部用于利用太阳能发电，蓄电池分别与光伏电板和智能机器人电连接，蓄电池用于储存光伏电板发出的电能以及给智能机器人供应电能。

4.一种隧道用全自动防护方法，其特征在于，采用权利要求1所述隧道用全自动防护设备，包括：

在隧道内的侧壁或者顶部架设滑轨，在滑轨上安装能够沿滑轨移动智能机器人；

采用智能机器人实时采集隧道内部的实况图像；对实况图像进行处理和识别；

根据处理识别结果判断是否存在安全问题；

将警示信息发送至预先绑定的管理终端。

5.根据权利要求4所述的隧道用全自动防护方法，其特征在于，在同一隧道内设置多个组网通信连接的智能机器人，且选择其中一个智能机器人为主控智能机器人，主控智能机器人用于将警示信息发送至预先绑定的管理终端；

在同一隧道内设置多条滑轨，每条滑轨上至少安装有一个智能机器人；滑轨沿隧道分段设置。

6.根据权利要求4所述的隧道用全自动防护方法，其特征在于，对实况图像进行处理和识别的方法如下：

对实况图像进行预处理，包括过滤处理和增强处理；

从预处理后的实况图像中提取特征数据，通过特征数据分析识别车辆信息、隧道地面信息与裂缝信息；

根据裂缝信息与存储的历史裂缝信息比对，识别裂缝变化情况或者塌陷情况；

根据识别出的车辆信息和隧道地面信息，进行图像切割得到排除车辆图像的隧道地面图像；

对隧道地面图像进行光谱分析，确定隧道地面是否存在积水、火情或者泥浆。

7.根据权利要求6所述的隧道用全自动防护方法，其特征在于，若处理识别结果发现隧道存在裂缝变化或者塌陷异常，或者存在积水、火情或者泥浆，则判断隧道存在安全问题。

8.根据权利要求6所述的隧道用全自动防护方法，其特征在于，对隧道地面图像进行光谱分析时，针对不同安全问题进行分类识别，具体为：

若分析结果属于第一种情况，表示隧道存在积水安全问题；若分析结果属于第二种情况，表示隧道存在火情安全问题；若分析结果属于第三种情况，表示隧道存在泥石流安全问题。

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