隧道锚杆仪

来自中国城市轨道交通协会的消息显示，2020年，我国内地累计有41个城市开通城轨交通线路7141.55公里。地铁已经成为城市日常出行必不可少的交通工具，但在地铁隧道中也会出现各种“病害”，威胁着人们的出行安全。　　“当前，我国地铁隧道检测主要依赖人工检测和少量进口自动化设备，效率低、成本高，无法满足庞大的里程检测需求。”扬州大学信息工程学院(人工智能学院)副教授徐永安在接受采访时表示。　　如何高效、准确、经济地检测出地铁隧道“病害”?在“科创导师”制的“牵线搭桥”下，扬州大学信息工程学院(人工智能学院)学生张雅欣等组建了大学生科技创新团队。由导师徐永安指导，团队研发了地铁隧道三维激光检测系统。“该系统检测速度可达国外同类设备的5倍以上。”张雅欣说。　　将宝贝搬出实验室　　在初中时期，受家人的影响，张雅欣萌生了创业的想法。2019年，正在上大二的她加入徐永安课题组，并组建了自己的大学生科技创新团队，选择了地铁隧道检测研究。　　对张雅欣而言，导师不仅是科研路上的护航人，更是自己创业的榜样。记者获悉，在科技创新和科研成果转化路上，徐永安已经坚持了20多年。　　1997年，在北京举办的中国国际机床展览会上，一个摆放着国外光学测量仪的展台被观众围得水泄不通，正在攻读博士学位的徐永安也是围观者之一。　　从展会回来后，研制光学测量仪的想法一直萦绕在徐永安的脑海里。他随之改变了自己的研究方向，历经两年攻关，终于研制出国产光学测量仪。但在当时，他对科研成果转化还没有深刻的意识，便将这一宝贝成果“藏”在自己的实验室里。　　“国外的设备那么贵，你有这么好的仪器，为什么不推向市场呢?”这样的声音越来越多，终于说服徐永安将宝贝搬出实验室。2011年，徐永安参与创办了一家公司，并将自主研发的光学测量仪设备推向市场。　　当然，教书育人才是徐永安的本职工作。如何让学生在学习课本知识之外，学会创新思考，尝试自主研发技术并推动成果落地转化?20世纪90年代，扬州大学开启了“科创导师”制的探索之路，让学生在导师的指导下参与科技创新工作。　　徐永安说：“过去，学生与导师的关系，主要是学生在导师的实验室开展科研，导师对学生的毕业设计进行指导。现在，导师不但要在科研上指导学生，还要带领学生开展科创工作。”　　深入隧道后改变方法　　谈及为什么选择地铁隧道检测研究，张雅欣告诉记者，目前，国内外地铁隧道自动化检测系统大多采用1个激光点绕隧道旋转的测量技术，检测速度慢。“好比一个电动机带着一个手电筒旋转，手电筒每次照射在物体表面时只能出现一个亮斑。这意味着每次只能采集一个点，效率太低。”　　如何实现快速检测呢?经过一年多的攻关，以张雅欣为首的大学生科技创新团队研发出6条激光线扫描技术，360°环形激光线投射在隧道表面，8部每秒500帧高速数码相机实时采集隧道表面的激光线图像，并换算为隧道表面形状坐标。张雅欣解释道：“6条激光线同时工作，地铁隧道检测效率得到显著提高。”　　然而，研发过程并非一帆风顺。在徐永安的指导下，张雅欣带领团队先后前往青岛、兰州、佛山等城市的地铁公司，深入地铁隧道，开展实践调研。团队在调研中发现，地铁公司对隧道快速检测系统有着迫切的需求。　　在精准了解地铁隧道检测痛点后，张雅欣团队开始了与时间“赛跑”的测量工作。“我们只能在夜间12点到凌晨4点进入现场开展检测工作，因为这段时间地铁处于停运状态。另外，每天进入现场前的安检过程就要耗费半个多小时，实际的测量时间非常有限。”　　经过近3个月的测量，张雅欣团队发现进展缓慢，于是做出了改变测量方法的决定，希望提高检测效率。经过徐永安的点拨，团队在实验室里自建了模拟隧道。“在模拟隧道里开展实验，不但提高了实验效率，缩短了研发周期，还解决了后期新冠疫情期间实地检测的困难。”张雅欣介绍说。　　在解决了测量环境问题后，团队又遇到了由振动引起的测量误差问题。“测量车在轨道上运行会产生轻微振动，这种振动会带来一些误差。”张雅欣团队成员吴传昊告诉记者。为此，团队采用了基于特征面的方法对隧道测量数据进行纠偏，“这种方法可以大幅降低测量车振动对测量精度的影响，降低动态测量误差。”　　“该系统检测速度最高可达每小时17.1公里，是国外同类设备的5倍以上，动态精度为±1.6毫米，检测密度小于2毫米，而价格只有国外设备的70%左右。”张雅欣表示，系统还可以根据用户需求制定检测速度、密度、精度。　　徐永安透露，目前，该系统申请发明专利4项、登记软件著作权4项，通过了江苏省产品质量监督检验研究院质检，符合CMA中国计量认证标准。　　大学生创业还需多磨砺　　来自用户的消息显示，张雅欣团队研发的这套系统已在投入运营的地铁隧道进行了实地检测，在检测速度、精度以及密度方面均满足实际应用要求。目前，已有多家轨道交通公司与团队达成初步合作意向。　　张雅欣表示，下一步团队将继续对产品进行优化设计，并计划注册成立公司。“地铁里程数较大的城市，可直接购买检测系统 地铁里程数小的城市，可购买检测服务。”　　在张雅欣看来，虽然研发过程非常艰辛，但非常有意义。“一方面培养了我们解决问题的能力，另一方面还培养了我们团队建设、组织和管理的能力，对未来的创业起了铺垫作用。”　　她感叹道：“大学生参与科创，要有顽强的毅力和勤奋刻苦的精神，对团队中不同的意见要善于倾听，脚踏实地攻克每一个难关。”　　徐永安也指出，对于刚毕业的学生而言，如果没有成熟的技术积累和市场认知，可以先进入企业积累几年经验，对市场形成一定认知后再进行创业。　　在他看来，高校“孵化器”应该实现良性循环，当政府和高校投入资金等支持后，若能实现良好的产出，投入的积极性也将越来越大，反之则可能陷入不良循环。“政府和高校还应进一步研究如何解决这一矛盾。”

昝月稳在颁奖礼上　　西南交通大学教授昝月稳团队凭借“高效快速检测隧道衬砌结构状态车载探地雷达新技术”，获得国际隧道与地下空间协会(ITA)颁发的2015年度技术创新奖。　　这一被誉为隧道界“奥斯卡”的奖项今年吸引了全球103个项目参评，最终8个项目获奖。昝月稳团队的参评项目是中国今年获得的唯一奖项，也是ITA颁发的首个年度技术创新奖。这项检测技术，被ITA赞为“解决了国家铁路网隧道安全检查的重大问题，具有显著的社会效益”。　　历时14年，研制出隧道新型“体检设备”　　随着交通日益发达，地铁、公路隧道、穿山铁路隧道等地下交通在我们的生活中占有越来越大的比重。　　不过，这些隧道开始运营之后，就像人体一样，会产生生老病死等各种问题，随之出现的落石、漏水、开裂等等，会对交通和安全产生不可估量的危险。因此，需要经常对这些隧道进行“体检”。但是，目前的体检方式还依赖于人工，检测人员操纵笨重的机器一步步的检测，有时仅仅一公里的隧道，一天都检测不完。　　11月19日，国际隧道与地下空间协会在瑞士举行了一场颁奖典礼，由西南交通大学教授昝月稳、李志林等申报的“高效快速检测隧道衬砌结构状态车载探地雷达新技术”项目获得了年度技术创新大奖。这也是我国获得的唯一奖项。　　这种车载探地雷达系统大大颠覆了现在的隧道检测技术，不仅解放了人力，还将检测成本至少降低了一半。而今年10月，这种检车方法已经在成都铁路局所属的达成铁路上应用了。　　对比　　老方法　　检测人员手举天线一公里隧道一天都检测不完　　“目前，隧道的运行周期是一百年，它会不断地老化，会产生各种问题。”12月18日上午，在西南交大，昝月稳教授介绍起了他的这项研究。　　他说，隧道老化很正常，但列车在隧道运行的时候，最害怕的就是隧道掉块、漏水，掉块砸到列车，被迫停车，封锁线路十几个小时的事情都是有的。为了减少这种状况的发生，就需要经常对隧道进行体检。　　而现在平常检查隧道的方法比较“原始”，主要依靠人工，拿着手电筒在隧道走上一遍，照一下重点方位，靠人判断是否有状况发生。　　每隔一段时间，还会进行全面“体检”，通常用的是“探地雷达”，趁着列车行进的间歇，把机器开进隧道，由人工压着天线紧贴隧道墙壁，探头通过天线发射电磁波，检测人员再通过回波探测出墙下结构，分析墙面状况。这种人工检测的方法约莫需要七八个工作人员同时工作，检测时速在5公里左右，需要来回五次才能把整个隧道检测完毕。“因为检测必须在列车行进间歇进行，有时候一公里的隧道，一天都检测不完，”昝月稳说道。　　新成果　　6个探头安在列车尾部成都到西安一晚就能完成检测　　同传统人工检测使用一个探头不同，昝月稳研究的“车载探地雷达设备”是安装在一节列车车厢的尾部，上方和左右两侧共有6个探头同时探测，与此同时，它的最高时速可以高达175km，只需要两名工作人员监控系统，就可以在正常的列车运行条件下完成整条线的检测。　　“以前人工检测必须紧贴着墙壁，你看这个，安装在列车上的探头，距离墙壁的最远距离多达2.25米。”昝月稳指着图示解释说，以前的人工探测就像是照相机，而他的“车载探地雷达设备”就像是摄像机，列车一路行走，探头就能完成记录整个过程中的地质状况。“而为了保证质量，目前我们检测时列车运行时速为80公里。从成都到西安，坐在车上不用动，一晚上就可以完成整条线的检测。”　　从间歇式的5公里/时到目前的80公里/时，从原来的紧贴墙壁到现在可透过空气检测，从原来的单线检测到现在的6个探头同时检测，不仅减少了人力，还把检测费用降低到了原有的一半，昝月稳的“车载探地雷达设备”彻底地改变了国家铁路网隧道病害不能普查和定期体检的现状。这项技术不仅节省了人力成本，还降低了检测费用。2015年，这项技术在西安铁路局全面推广并在成都铁路局达成铁路上应用。　　应用　　2002年开始测试今年已应用在成都线路上　　这项技术是以昝月稳为主的科研团队从2002年开始研制，2012年，西南交通大学以此项技术申报国家发明专利，2014年4月获得国家发明专利权。　　2013年1月，这项科研项目通过铁道部科技司课题验收，2015年，这项检测技术开始在西安铁路局所管辖的线路上进行全面推广，并进行了所有线路的检测。今年10月，在成都铁路局所管辖的达成线上完成检测。　　“其实，这项技术不仅仅可以用在铁路隧道上的检测，在地铁隧道和公路隧道上，也具有广阔的应用前景。”这不，今年10月，这个项目还在广州地铁上进行了检测，测试效果也非常好。　　背后故事　　14年潜心研究　　曾背着主机显示屏徒步10公里去测试　　一个科研项目的成功，背后当然凝聚着研究人员的心血，而这项“车载探地雷达设备与技术”的成功，昝月稳整整用了14年的时间。　　2002年，作为某单位里的唯一一名博士，他辞掉安稳的科长职务，开始专心研究车载探地雷达技术。当时，研究人员少、资金短缺，他就和几个科研人员背着显示器、计算机主机、探头、天线等一整套的探测雷达系统，走上10多公里的小路，到大山中的隧道中去探测。科研经费短缺，他就自己边赚钱边研究。　　昝月稳说，因为需要跟着列车走，几天几夜吃住在车上的事情都是常有的。冬天内蒙古冷到零下28℃，那时候他就知道了手摸到铁皮要粘起来的感受。新隧道检测，里面全部是粉尘，他们就用被单把列车的车门、窗户全部蒙起来。　　不过，这些苦还不是最大的挑战。最让他们焦心的是，研究过程中机器设备的耗损，一不小心就会坏掉，三更半夜到了车站，来不及休息，就到处敲门找人去修，“没办法呀，不修好所有数据都没了，这一趟真的是白跑了，那时候半夜去敲门的状况还是很多的。”最让昝月稳印象深刻的是一次事故，列车到了陕南的一小站，山间容易起雾，设备都是放在露天的车站，早上五六点发车，一启动，接收器全部都烧了，没有办法，只能白跑一趟，回去再全部重新定做机器。　　昝月稳说，隧道的一般病态有漏水、断裂、腐蚀老化、掉块等，为保证运输隧道安全，需要对其进行病害普查，特别要对老龄隧道进行定期检查。该项目就是为铁路隧道提供“体检”的新设备与技术。

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