1．目的及意义

近几十年，经济快速发展，公路的建设里程数越来越高^[1]，有资料显示我国的70%的国土面积是山地或者丘陵。在这种背景下，隧道作为提高土地利用率的建设措施，修建量不断增多。但因为它作为地下建筑结构，所处的工程地质条件复杂，加上隧道内施工条件差，设计不合理等因素的影响，绝大多数隧道工程都存在不同程度的危害^[2]。2006年的波士顿Big Dig天花板陷落事件^[3]，2012年东京的Sasago隧道坍塌事件都是由于隧道结构的改变造成的，这一系列的事件给社会造成了极大的负面影响，也造成了巨大的经济损失以及人员伤亡^[4]。隧道虽然方便了人们的出行，但是在方便出行前，我们更应考虑的是隧道的安全问题。所以，为了及时发现隧道的安全隐患，需要对隧道进行检测和维修。据统计，截至2013年底，我国已有11359座，约9605.6km的公路隧道进入养护期^[5]。需要检测和维修的隧道多且长。但目前，国内隧道检测与养护工作都由人工完成^[6]。检测工人的检测任务重，工作量大，效率低。另一方面，修建时间较长的隧道有着照明不足，寒冷潮湿，灰尘较多等缺陷，甚至存在坍塌和瓦斯爆炸等事故的威胁^[7]。这些无疑都对隧道的检测和维修工作增加了难度。

为了能对隧道进行高效，详尽，安全的自动化检测，国内外进行了大量的相关研究。如图1.1（a）所示，YuS N等人设计了一个可移动的平台，并装备了CCD摄像机拍取连续的照片来对隧道进行拍摄，当拍摄完毕后，通过机器视觉算法，检测隧道的裂缝 ^[8-10]。F. Yao等人做了类似的工作，并加装了21个超声传感器和6个摄像头，实验表明当设备以20mm/s移动时，能够检测出隧道内壁14mm以上的变形^{[11, 12]}。如图1.1（b）所示，日本搭建了一个以8吨卡车作为底座，装备机械手，隧道断面测量仪器，电子测距仪等设备的隧道检测系统，并通过锤击隧道，收集隧道的声音反应来判断隧道是否安全^[13]。如图1.1（c）所示，IRIS Hyrail将探地雷达传感器安装在汽车前搭建的伸缩片上，用探地雷达位置装置旋转探地雷达的位置，使其可以探测隧道的两侧和上方的部分，并编写获取和处理探地雷达数据的程序^[14]。瑞士的工程师Colas则为了防止隧道进一步的破坏设计了新的系统，这个系统配置了不同的机械臂和刷子，通过清洁隧道的方式来延长隧道的寿命^[15]。

（a） （b）

（c）

图1.1 隧道检测的相关研究

（a）用摄像头检测隧道的系统^[8-10] （b）采用冲击声法的隧道检测系统^[13]