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當?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：隧道中其實有很多潛伏的危險，隨時可能阻斷你的行程？
事實上，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)大學城市建設學部副教授鮑艷輔導的“隧道之眼”科研團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行了實際檢驗，為地鐵安全護航。
創(chuàng)新“體檢”方法和手段，讓地鐵運營維護更安全便捷
鮑艷原本的專業(yè)是現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展及運用。隨著近些年學科交叉融合趨勢的發(fā)展，在學校統(tǒng)一安排下，她所在的城市建設學部將現(xiàn)代技術(shù)嫁接到傳統(tǒng)優(yōu)勢學科上，力爭在前沿學科、交叉學科建設方面取得新突破。
在學部的大力支持和團隊的協(xié)作配合下，鮑艷也將研究領(lǐng)域擴大到工程領(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)工程進行賦能，取得科研和應用的新突破。
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研究課題之一。
近年來，隨著國家大力倡導和技術(shù)日趨成熟，我國城市軌道交通建設發(fā)展勢頭迅猛。截至2020年底，我國城市軌道交通運營總里程達7545.5km，其中新增運營里程1240.3km。鮑艷敏銳地發(fā)現(xiàn)，隨著運營里程快速攀升，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，鮑艷多次單獨或帶隊到地鐵運維檢修現(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，只能依靠自帶的強光手電進行照明。不僅如此由于地鐵的軌道情況復雜，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)人員極為認真地使用卡尺、塞尺等專業(yè)工具進行測量，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的3小時左右“天窗期”內(nèi)進行，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)生安全隱患而導致病害發(fā)生，必然導致嚴重后果。
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，不但影響正常運營，還可能造成嚴重損失。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運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擔的初心。
但與此同時，目前國內(nèi)最先進的檢測手段，是花費巨資從國外引進的人力檢測機器，但是這個機器不但成本很高，而且存在復雜隧道情況測不準、精度不理想、出報告慢等諸多不足，只有立足自身實際進行科研攻關(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長的地鐵隧道實現(xiàn)檢測智能化、運維智慧化。
按照現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范，全國軌道運營強制性檢查的市場估值在每年700億元左右，隨著運營里程的增加，這個數(shù)字還有望增長。拋開經(jīng)濟效益不說，如果真能通過科學研究實現(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)品在隧道機器檢測技術(shù)上的壟斷，實現(xiàn)國產(chǎn)技術(shù)突圍。
鮑艷和團隊下定決心：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，課題正式立項前，鮑艷帶團隊深入地鐵隧道開展實地體驗，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。
李文海是鮑艷團隊的資深成員，從2019年起就頻繁往返于實驗室和地鐵隧道之間。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。李文海和同學扛上三維激光掃描儀、工業(yè)相機、計算機等設備，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：人員嚴格管控，未得到批準，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。正當他準備下隧時，師兄攔住了他。原來手續(xù)還沒完，下隧的人和設備必須拍張照，等工作結(jié)束時還要對著照片檢查一遍，確認隧道內(nèi)無遺失物后才可放行。下隧前的這一系列準備工作完成后，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)束實驗的最后時限。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驗項目。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)完成相當長度的隧洞檢查維護，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)、實驗獲取數(shù)據(jù)、不斷改進算法……經(jīng)過一年多的探索，鮑艷帶團隊逐漸摸索出一套利用架站式三維激光掃描儀進行地鐵隧道病害檢測的有效方法。這種方法依托現(xiàn)有成熟設備，結(jié)合團隊獨創(chuàng)算法，可以有效對隧洞病害進行檢測、預防且費用較低。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，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。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。
為了驗證自己的看法、堅定團隊的信心，鮑艷利用參加行業(yè)研討交流的機會，向中國城市軌道交通協(xié)會委員會副主任、北京市軌道交通學會常務副會長楊廣武求證。楊廣武詳細聽取項目介紹、查看實驗資料后表示贊同：“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)場實驗機會。她還通過科研合作單位拓展實驗渠道，為團隊爭取到了很多寶貴的機會。團隊的技術(shù)不僅在北方較好地質(zhì)結(jié)構(gòu)下得到驗證，也在多水、少石的南方城市得到檢驗。
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?，硬件重新選取、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)特征的不同導致提取算法完全不同，大部分軟件需要重新開發(fā)。團隊成員為了開發(fā)出合適的算法，紛紛查找文獻、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)余時間自學相關(guān)編程語言，以沖鋒的姿態(tài)行進在科研一線。
實驗過程中，團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云數(shù)據(jù)，導入計算機后半天不見動靜，原來設定程序時將精度值設得過高，超出了計算機的處理能力；由于缺乏實操經(jīng)驗，為進行點云數(shù)據(jù)拼接而布放的標靶位置不合理，受到現(xiàn)場復雜環(huán)境干擾后，點云數(shù)據(jù)無法有效拼接，難以形成整體報告；沒有考慮隧道實際施工與設計圖紙的偏差，“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……大家通過實踐明白了一個道理：無論多么優(yōu)秀的設計，無論考慮得多么周全，在現(xiàn)場實際操作過程中也無法杜絕問題。
就這樣，用實際行動踐行著“不息為體、日新為道”的北工大校訓精神，團隊取得了一個又一個扎實的進步：基于點云數(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、慣性導航系統(tǒng)解決自行駛機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；融合具有自主知識產(chǎn)權(quán)的四個點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)揮了實際作用。當檢修工人們看到這套設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。擺放自行走機器人、裝上掃描儀、連上計算機、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)、運用這項技術(shù)，把科研成果寫在祖國的每一條地鐵隧道里……
