中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
當(dāng)?shù)罔F在狹長而漆黑的隧道里穿梭，有沒有那么一剎那，你會對車廂外狹長而漆黑的隧道產(chǎn)生一絲恐懼：隧道中其實(shí)有很多潛伏的危險，隨時可能阻斷你的行程？
事實(shí)上，由于外力干擾和管片老化，地鐵隧道掉塊、錯臺、滲漏、裂縫的情況都曾發(fā)生。為了讓旅程不再危險，北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部副教授鮑艷輔導(dǎo)的“隧道之眼”科研團(tuán)隊一直致力于通過現(xiàn)代測繪手段和土木工程技術(shù)相結(jié)合的方式，研發(fā)智能化檢測手段和檢測方法。
如今，他們的項目“隧道之眼-地鐵隧道智能檢測系統(tǒng)”已經(jīng)通過行業(yè)鑒定并在部分城市的地鐵線路隧道上進(jìn)行了實(shí)際檢驗(yàn)，為地鐵安全護(hù)航。
創(chuàng)新“體檢”方法和手段，讓地鐵運(yùn)營維護(hù)更安全便捷
鮑艷原本的專業(yè)是現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展及運(yùn)用。隨著近些年學(xué)科交叉融合趨勢的發(fā)展，在學(xué)校統(tǒng)一安排下，她所在的城市建設(shè)學(xué)部將現(xiàn)代技術(shù)嫁接到傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科上，力爭在前沿學(xué)科、交叉學(xué)科建設(shè)方面取得新突破。
在學(xué)部的大力支持和團(tuán)隊的協(xié)作配合下，鮑艷也將研究領(lǐng)域擴(kuò)大到工程領(lǐng)域，通過招收工程專業(yè)研究生、申請工程領(lǐng)域新測繪技術(shù)運(yùn)用的課題等方式，力爭用現(xiàn)代測繪技術(shù)對傳統(tǒng)工程進(jìn)行賦能，取得科研和應(yīng)用的新突破。
地鐵隧道病害檢測的現(xiàn)代化技術(shù)和方法就是她的重點(diǎn)研究課題之一。
近年來，隨著國家大力倡導(dǎo)和技術(shù)日趨成熟，我國城市軌道交通建設(shè)發(fā)展勢頭迅猛。截至2020年底，我國城市軌道交通運(yùn)營總里程達(dá)7545.5km，其中新增運(yùn)營里程1240.3km。鮑艷敏銳地發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)營里程快速攀升，確保地鐵隧道安全的傳統(tǒng)人工檢測方式顯得越來越力不從心。
確立研究課題前，鮑艷多次單獨(dú)或帶隊到地鐵運(yùn)維檢修現(xiàn)場調(diào)研。
與寬敞明亮的地鐵站臺不同，隧道不僅空間有限、通風(fēng)條件較差，而且缺乏外部光源，狹長的隧道中只有亮度極低的燈光為檢修人員正常行進(jìn)提供最基本的保障。若是發(fā)生管片掉塊、滲漏、裂縫等病害，只能依靠自帶的強(qiáng)光手電進(jìn)行照明。不僅如此由于地鐵的軌道情況復(fù)雜，經(jīng)常伴有大量管線，因此局部漏電等問題很難避免，不僅檢修人員巡檢時必須穿絕緣鞋，而且累了也絕不允許坐下，否則極有可能遇到生命危險。
并且，目前國內(nèi)絕大部分的地鐵隧道安全檢測仍然依靠原始的人工方式，不僅巡檢工人們需要隨身攜帶大量的專業(yè)工具，而且由于外部環(huán)境惡劣、作業(yè)空間逼仄，即便相關(guān)人員極為認(rèn)真地使用卡尺、塞尺等專業(yè)工具進(jìn)行測量，所得到也只能為近似數(shù)據(jù)，作為判斷病害的依據(jù)精度太低，誤差較大。
不僅如此，由于隧道檢修必須在地鐵停運(yùn)的3小時左右“天窗期”內(nèi)進(jìn)行，因此這種人工檢測的方法只能采取抽檢方式，無法做到應(yīng)檢盡檢，對于地鐵這種位于地下、行駛速度極快的交通工具而言，一旦未能發(fā)生安全隱患而導(dǎo)致病害發(fā)生，必然導(dǎo)致嚴(yán)重后果。
鮑艷清楚地記得，一次檢修結(jié)束后，檢修人員發(fā)現(xiàn)有一瓶水落在隧道里。隧道里各種電路、管線錯雜，一瓶水是極大的安全隱患。一旦被疾駛的地鐵撞破溢出，不但影響正常運(yùn)營，還可能造成嚴(yán)重?fù)p失。所有在場人員立即重新穿上絕緣鞋、反光背心，戴上安全帽返回隧洞尋找。大家在昏暗的環(huán)境中爭分奪秒，好不容易趕在地鐵恢復(fù)運(yùn)營前找到這瓶水并帶了出來。雖然危險最終被排除了，但大家回想起來還是心有余悸。這也讓鮑艷堅定了研制出一種方便迅捷的隧道檢測方法、為檢修人員減輕工作負(fù)擔(dān)的初心。
但與此同時，目前國內(nèi)最先進(jìn)的檢測手段，是花費(fèi)巨資從國外引進(jìn)的人力檢測機(jī)器，但是這個機(jī)器不但成本很高，而且存在復(fù)雜隧道情況測不準(zhǔn)、精度不理想、出報告慢等諸多不足，只有立足自身實(shí)際進(jìn)行科研攻關(guān)，才能改變地鐵隧道安全檢測工作中的種種不足，讓全國近8000km長的地鐵隧道實(shí)現(xiàn)檢測智能化、運(yùn)維智慧化。
按照現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范，全國軌道運(yùn)營強(qiáng)制性檢查的市場估值在每年700億元左右，隨著運(yùn)營里程的增加，這個數(shù)字還有望增長。拋開經(jīng)濟(jì)效益不說，如果真能通過科學(xué)研究實(shí)現(xiàn)檢測手段的國產(chǎn)化和自主化，那么就可以打破國外產(chǎn)品在隧道機(jī)器檢測技術(shù)上的壟斷，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)技術(shù)突圍。
鮑艷和團(tuán)隊下定決心：做下去，義無反顧地做下去。
及時調(diào)整思路，真正解決問題的方法才是好方法
為了把項目做扎實(shí)，課題正式立項前，鮑艷帶團(tuán)隊深入地鐵隧道開展實(shí)地體驗(yàn)，親眼看一看隧道環(huán)境的惡劣、動手試一試人工檢測的繁雜。
李文海是鮑艷團(tuán)隊的資深成員，從2019年起就頻繁往返于實(shí)驗(yàn)室和地鐵隧道之間。第一次下隧道的情景，他回想起來仍歷歷在目：半夜12：00，地鐵已停止運(yùn)營。喧囂的地下大動脈終于迎來一天中最安靜的時刻。李文海和同學(xué)扛上三維激光掃描儀、工業(yè)相機(jī)、計算機(jī)等設(shè)備，跟著老師來到地鐵站。與白天的行人如織相比，此時的地鐵站簡直是另一個世界：人員嚴(yán)格管控，未得到批準(zhǔn)，連一片紙也不能下隧道。李文海他們按規(guī)定穿戴好后站成一排，聽安全員宣讀下隧操作規(guī)定并在上面簽名。這張帶有簽名的規(guī)定作為安全責(zé)任憑證，被管理人員回收存檔。第一次經(jīng)歷這些，李文海覺得有些繁瑣。正當(dāng)他準(zhǔn)備下隧時，師兄?jǐn)r住了他。原來手續(xù)還沒完，下隧的人和設(shè)備必須拍張照，等工作結(jié)束時還要對著照片檢查一遍，確認(rèn)隧道內(nèi)無遺失物后才可放行。下隧前的這一系列準(zhǔn)備工作完成后，時間已經(jīng)到了凌晨1：00。要知道，為了確保安全，凌晨3：00是他們結(jié)束實(shí)驗(yàn)的最后時限。在每一次都只有2個小時的時間內(nèi)，他們必須爭分奪秒才能完成實(shí)驗(yàn)項目。和他們一起下隧洞的還有地鐵檢修人員。他們也同樣要在這段時間內(nèi)完成相當(dāng)長度的隧洞檢查維護(hù)，工作難度之大不難想象。
察看現(xiàn)場環(huán)境、查閱相關(guān)資料、分組科研攻關(guān)、實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)、不斷改進(jìn)算法……經(jīng)過一年多的探索，鮑艷帶團(tuán)隊逐漸摸索出一套利用架站式三維激光掃描儀進(jìn)行地鐵隧道病害檢測的有效方法。這種方法依托現(xiàn)有成熟設(shè)備，結(jié)合團(tuán)隊獨(dú)創(chuàng)算法，可以有效對隧洞病害進(jìn)行檢測、預(yù)防且費(fèi)用較低。用戶單位出具的使用報告也表明，他們的方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，市場前景廣闊。
不過，中國幅員遼闊、地區(qū)差異顯著，每個城市的軌道交通都有不同的特點(diǎn)。目前這種檢測方式雖然可行，但與巨大的市場需求量相比、與快速精準(zhǔn)檢測的要求相比還存在很不足。鮑艷決定，繼續(xù)深化研究，攻克基于移動式三維激光掃描技術(shù)的難題。
從字面上看，固定與移動仿佛只是一詞之差，但是內(nèi)行都知道，這不僅意味著使用的硬件設(shè)備不同、掃描方式不同，由此帶來的數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)識別、數(shù)據(jù)分析、病害確定等核心算法全都要做根本性的改變，難度之大不亞于重新開始一個新的項目。
為了驗(yàn)證自己的看法、堅定團(tuán)隊的信心，鮑艷利用參加行業(yè)研討交流的機(jī)會，向中國城市軌道交通協(xié)會委員會副主任、北京市軌道交通學(xué)會常務(wù)副會長楊廣武求證。楊廣武詳細(xì)聽取項目介紹、查看實(shí)驗(yàn)資料后表示贊同：“由于地鐵隧道的特殊環(huán)境和檢測時間受限等特性，雖然移動式激光掃描方法難度更大，但與固定架站式相比，不僅效率高，而且應(yīng)用的廣泛性、便利性、精確度也會大大提高。”
得到權(quán)威的肯定，鮑艷再次組織團(tuán)隊成員座談交流，大家再一次堅定信心：做下去，義無反顧地做下去。
攻克移動掃描技術(shù)難關(guān)，做地鐵隧道檢測技術(shù)的執(zhí)牛耳者
科學(xué)研究和排兵布陣一樣，不能光埋頭研究，還要了解對手、掌握戰(zhàn)場態(tài)勢。為了研制出適合國情的先進(jìn)檢測方法，鮑艷積極與國內(nèi)多個城市的軌道交通指揮部門聯(lián)系，介紹項目的情況和特色，爭取現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)機(jī)會。她還通過科研合作單位拓展實(shí)驗(yàn)渠道，為團(tuán)隊爭取到了很多寶貴的機(jī)會。團(tuán)隊的技術(shù)不僅在北方較好地質(zhì)結(jié)構(gòu)下得到驗(yàn)證，也在多水、少石的南方城市得到檢驗(yàn)。
由固定架站式三維激光掃描方法轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿邮郊す鈷呙璺椒ǎ布匦逻x取、集成的難度不算大，關(guān)鍵是數(shù)據(jù)處理的算法需要全部重新編寫。固定架站式設(shè)備一次掃描可以得到一定的球面區(qū)域數(shù)據(jù)，移動式設(shè)備掃描出的數(shù)據(jù)呈螺旋線狀軌跡，數(shù)據(jù)特征的不同導(dǎo)致提取算法完全不同，大部分軟件需要重新開發(fā)。團(tuán)隊成員為了開發(fā)出合適的算法，紛紛查找文獻(xiàn)、上網(wǎng)檢索、請教名師，并且為了從根源上保證自主可控，他們還利用業(yè)余時間自學(xué)相關(guān)編程語言，以沖鋒的姿態(tài)行進(jìn)在科研一線。
實(shí)驗(yàn)過程中，團(tuán)隊成員常常遇到這樣那樣的困難：在隧道里辛辛苦苦半天收集來的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入計算機(jī)后半天不見動靜，原來設(shè)定程序時將精度值設(shè)得過高，超出了計算機(jī)的處理能力；由于缺乏實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接而布放的標(biāo)靶位置不合理，受到現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境干擾后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法有效拼接，難以形成整體報告；沒有考慮隧道實(shí)際施工與設(shè)計圖紙的偏差，“偷懶”按圖紙開發(fā)的算法在現(xiàn)場檢測無效，數(shù)據(jù)獲取普遍產(chǎn)生誤差……大家通過實(shí)踐明白了一個道理：無論多么優(yōu)秀的設(shè)計，無論考慮得多么周全，在現(xiàn)場實(shí)際操作過程中也無法杜絕問題。
就這樣，用實(shí)際行動踐行著“不息為體、日新為道”的北工大校訓(xùn)精神，團(tuán)隊取得了一個又一個扎實(shí)的進(jìn)步：基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取盾構(gòu)隧道管片張開量的方法申請國家發(fā)明專利，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取圓形盾構(gòu)隧道中軸線高程的方法申請國家發(fā)明專利，基于移動點(diǎn)云數(shù)據(jù)的智能分析盾構(gòu)隧道環(huán)間錯臺量的方法申請國家發(fā)明專利……每申請一個新的專利，就意味著他們的創(chuàng)新創(chuàng)造又上了一個臺階、項目的技術(shù)含量又加重了一分。
艱苦的努力終見成效——“隧道之眼-地鐵隧道智能檢測系統(tǒng)”。
這套系統(tǒng)通過里程計記錄里程信息、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)解決自行駛機(jī)器人行駛中的定姿定位，協(xié)同三維激光掃描儀掃描隧道，使采集的多源數(shù)據(jù)位于同一時空基準(zhǔn)；融合具有自主知識產(chǎn)權(quán)的四個點(diǎn)云解譯算法模塊能自動識別地鐵隧道病害，為地鐵隧道建設(shè)全生命周期健康檢測提供詳盡資料。它的檢測效率比人工檢測方法提高數(shù)十倍，病害識別率達(dá)90%以上，節(jié)省了大量人力、物力。
目前，該項目已經(jīng)在數(shù)條國內(nèi)城市地鐵隧道安全檢測中發(fā)揮了實(shí)際作用。當(dāng)檢修工人們看到這套設(shè)備只由一人輔助操作，十幾分鐘就可以完成他們以往多人數(shù)小時才能完成的工作時，既驚訝又高興。擺放自行走機(jī)器人、裝上掃描儀、連上計算機(jī)、按下按鈕……就這樣輕松幾個步驟，他們再也不用辛辛苦苦在昏暗隧道中小心翼翼地一邊巡檢、一邊還要注意自身安全。短短幾分鐘時間，連綿不斷的數(shù)據(jù)就在計算機(jī)屏幕上顯示出來。僅用一天時間，海量的數(shù)據(jù)就能被徹底解讀并形成可視化的檢測報告，真正實(shí)現(xiàn)隧道檢測手段的信息化、數(shù)字化、智能化。
攻關(guān)成功后，鮑艷和團(tuán)隊的努力仍在繼續(xù)。她們致力于讓更多的地鐵人和地鐵項目知道這項技術(shù)、信任這項技術(shù)、運(yùn)用這項技術(shù)，把科研成果寫在祖國的每一條地鐵隧道里……
