地鐵站機(jī)房智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

侯娜

摘 要：現(xiàn)今以IT平臺為依托，大數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過不斷完善管理和優(yōu)化程序，提升運(yùn)營水平已成為主要趨勢。本文首先分析地鐵站機(jī)房智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，然后探討系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，以期為地鐵站機(jī)房智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：智能巡檢機(jī)器人;地鐵機(jī)房;磁導(dǎo)航系統(tǒng);模塊化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP242;TP308文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）32-0029-03

Design and Application of Intelligent Inspection

Robot for Subway Station Room

HOU Na

（China Railway Seven Bureau Group Electrical Engineering Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Nowadays， based on IT platform and big data， it has become the main trend to improve the operation level by constantly improving management and optimization procedures. Firstly， this paper analysed the scheme design of the intelligent patrol robot system in the machine room of the Metro station， and then discussed the hardware circuit design and software design of the system， in order to provide reference for the application of the intelligent patrol robot system in the machine room of the Metro station.

Keywords：intelligent patrol robot;subway engine room;magnetic navigation system;modular design

1 研究背景

通常鐵路配電室、配電所、繼電柜室、機(jī)房等采用7×24h專人值守的方式，工作人員需按時(shí)巡查機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施，并對基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查核對分析。這種耗時(shí)費(fèi)力的方式，導(dǎo)致工作效率低下，巡檢標(biāo)準(zhǔn)化程度也相對難以得到保證。機(jī)房設(shè)備數(shù)量大、類型多，需要巡檢人員具有相當(dāng)?shù)膶I(yè)知識背景，新進(jìn)人員必然需要相當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行培訓(xùn)和實(shí)習(xí)，而地鐵站數(shù)量繁多且不斷增加，現(xiàn)有熟練工種數(shù)量往往跟不上高速發(fā)展的需求。而提高監(jiān)測手段、提升綜合管控效率，引進(jìn)智能巡檢機(jī)器人必將成為解決這一問題的最佳方案。

應(yīng)用于鐵路及地鐵站室內(nèi)工作區(qū)（機(jī)房、繼電柜室、配電室及配電所等）的巡檢機(jī)器人：擁有可升降1.8區(qū)間并360°任意水平角度旋轉(zhuǎn)的紅外熱成像和高清視頻雙視結(jié)合技術(shù)的機(jī)頭;采用全模塊化高封閉式機(jī)器人，無需維護(hù)，全自動化充電、自動化作業(yè)，出現(xiàn)問題部件可直接更換相應(yīng)模塊，簡單快捷高效，且可以自由添加開發(fā)各種新功能;能按照提前規(guī)劃的巡查線路自主行走;可以對機(jī)房各類數(shù)據(jù)分別搜集并集中處理，定期對各種設(shè)備儀表進(jìn)行巡檢，集中排查，發(fā)現(xiàn)故障后及時(shí)通知后端處理并記錄，也可以對接機(jī)房出入管理系統(tǒng)，部分替代人工隨工監(jiān)督。很多原本需要人工處理的工作，被智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)取代后，不但節(jié)省了人工成本，還避免了漏檢、檢測不仔細(xì)等情況，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)房管理自動化。

這些看似簡單的功能，想要通過機(jī)器人全部完美實(shí)現(xiàn)并沒有想象中那么簡單。而相對地鐵機(jī)房工作的特殊要求，機(jī)器人需要進(jìn)行更復(fù)雜、更精細(xì)的工作。比如，機(jī)器人需要在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)房中自如穿行，并達(dá)到一定的移動速度，機(jī)房工作人員往來，通道寬度有限，機(jī)器人需要對運(yùn)動物體有良好的避障能力[1]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

此方案先期模擬規(guī)劃城際場信號繼電器區(qū)和京廣場信號繼電器區(qū)的機(jī)器人（自動/手動遙控）巡檢任務(wù)。配置1～2臺巡檢AGV和1套自動充電樁，巡檢AGV機(jī)器可每天自動巡檢并將巡檢情況報(bào)送至上位機(jī)，也可手動控制AGV巡檢機(jī)器人去檢查某個位置的繼電器柜工作情況。AGV巡檢機(jī)器人配置可升降攝像裝置，當(dāng)需要檢查對面電器柜工作情況時(shí)，機(jī)器人攝像裝置自動旋轉(zhuǎn)一定角度實(shí)現(xiàn)拍攝功能。機(jī)器人磁軌路徑規(guī)劃見圖1。

該繼電器智能巡檢機(jī)器人對繼電器柜室內(nèi)外設(shè)備進(jìn)行自主巡檢與數(shù)據(jù)采集;機(jī)器人室便于為機(jī)器人提供充電及儲存;通過無線通信系統(tǒng)，將巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至本地監(jiān)控后臺，完成數(shù)據(jù)的分析處理及預(yù)警、告警等功能;通過遠(yuǎn)程集控后臺實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程集控管理。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

對智能循跡機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，將系統(tǒng)分為主控系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動模塊、速度控制檢測模塊、電源管理模塊、圖像采集模塊、存儲及顯示模塊，對各個模塊進(jìn)行器件選型及相應(yīng)的硬件電路設(shè)計(jì)。

其中，電機(jī)驅(qū)動模塊選用德國MOTEC 100W直流伺服+驅(qū)動器+CANopen通信。該直流電機(jī)驅(qū)動器件具有很高的集成度，能提供足夠的輸出能力，同時(shí)在能耗和運(yùn)行性能方面具備良好的優(yōu)勢。CANopen通信的信號驅(qū)動具有諸多優(yōu)勢：①物理層非常穩(wěn)定;②數(shù)據(jù)鏈路層可靠，因?yàn)橄啾绕渌锌偩€，只有CAN可以達(dá)到漢明間距（Hamming Distanz）為6，能檢測報(bào)文里多達(dá)5個隨機(jī)引入的位錯誤及15位突發(fā)性錯誤;③靈活，兼容性高;④可互操作性高;⑤CAN產(chǎn)品尺寸小，節(jié)省空間;⑥支持冗余備用。

作為智能機(jī)器人“眼睛”的圖像采集模塊，關(guān)鍵作用是要獲取更多質(zhì)量好的路況信息。

數(shù)字圖像采集方法是利用大分辨率數(shù)字?jǐn)z像頭直接輸出數(shù)字信號，直接讀取傳感器的數(shù)字輸出。

電源電路模塊的設(shè)計(jì)對整塊電路的供電是否穩(wěn)定起著決定性作用，除了要分別為各個電路提供穩(wěn)定的電源電壓外，同時(shí)也需要防止受到自身電路和其他電路的噪聲干擾和電磁干擾。含固定頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路，輸出電壓穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)完成的智能車整體實(shí)物如圖2所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制策略是智能機(jī)器人設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。若智能機(jī)器人的運(yùn)行速度過快，則會導(dǎo)致智能機(jī)器人來不及反應(yīng)而沖出軌道。通過加入速度控制單元，使機(jī)器人的運(yùn)行速度和運(yùn)行狀態(tài)得以控制。若機(jī)器人發(fā)現(xiàn)有彎道，則會減速運(yùn)行，如智能機(jī)器人向左偏離軌道，則控制左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到機(jī)器人直線行駛。

4.1 磁導(dǎo)航系統(tǒng)流程

磁導(dǎo)航是一項(xiàng)應(yīng)用性非常好的技術(shù)，主要通過測量路徑上的磁場信號來獲取車輛自身相對于目標(biāo)跟蹤路徑之間的位置偏差，從而實(shí)現(xiàn)車輛的控制及導(dǎo)航。磁導(dǎo)航具有很高的測量精度及良好的重復(fù)性，磁導(dǎo)航不易受光線變化等的影響。在運(yùn)行過程中，磁傳感系統(tǒng)具有較高的可靠性和魯棒性。磁條一旦鋪設(shè)好后，維護(hù)費(fèi)用非常低，使用壽命長，且增設(shè)、變更路徑較容易。

系統(tǒng)整體軟件流程如圖3所示。

安全輔助單元主要包括障礙物接觸緩沖器、接近監(jiān)測裝置、警示裝置、緊急停止按鈕，主要為了避免機(jī)器人之間、機(jī)器人與周圍物體以及機(jī)器人與人之間的碰撞，是確保機(jī)器人安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)。

警示裝置包括警示燈和警示蜂鳴器，用以提醒應(yīng)用現(xiàn)場的人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)正在靠近的機(jī)器人并采取相應(yīng)的措施。操作位置及檢修位置均配置緊急停止按鈕。緊急停止按鈕用以在緊急情況下中斷機(jī)器人的運(yùn)行，為便于緊急情況下操作，磁導(dǎo)航小車在地面控制中心、小車車用遙控器和小車車身兩側(cè)設(shè)置紅色的急停按鈕。當(dāng)緊急停止按鈕按下后，機(jī)器人切斷一切設(shè)備的動力供給，啟動制動器并報(bào)警，在排除緊急停止原因之前機(jī)器人維持停止?fàn)顟B(tài)。

4.2 圖像攝取收集

頭部成像端部具有自動升降功能，可升降最大高度1.8m，可檢測最高位置2.2m，旋轉(zhuǎn)360°;還具有端部旋轉(zhuǎn)功能：根據(jù)現(xiàn)場需要檢測對面電器柜式，端部檢測裝置可旋轉(zhuǎn)360°實(shí)現(xiàn)水平任意角度的檢測。根據(jù)現(xiàn)場需要，攝像頭端部可升降，可旋轉(zhuǎn)，適應(yīng)1.8m高度內(nèi)對稱擺放的電器柜巡檢。智能巡檢機(jī)器人成品圖見圖4。

4.3 圖像的處理

所有故障信息發(fā)生時(shí)間及試驗(yàn)進(jìn)程的歷史記錄可在計(jì)算機(jī)上查詢;軟件設(shè)置具備工程密碼，需要專業(yè)人員可進(jìn)入。巡檢點(diǎn)ID，即在地圖中設(shè)置的機(jī)器人工作站點(diǎn)，一個巡檢點(diǎn)包含多個監(jiān)視點(diǎn)。

“巡檢統(tǒng)計(jì)”模塊分為“數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)”和“曲線圖”兩個界面。

①數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)部分以每個儀表名稱（監(jiān)視點(diǎn)ID）為主鍵，包括巡檢時(shí)間、監(jiān)測數(shù)值、儀表屬性（量程，類型）、云臺拍攝的圖片路徑。

篩選功能：用戶可根據(jù)監(jiān)視點(diǎn)ID、儀表類型、巡檢時(shí)間篩選出對應(yīng)的數(shù)據(jù)，也可根據(jù)需求進(jìn)行打印，導(dǎo)出Excel表格和PDF文檔。

②曲線圖：曲線顯示部分以每個巡檢點(diǎn)為主鍵，顯示每個巡檢點(diǎn)下的監(jiān)視點(diǎn)數(shù)據(jù)。巡檢時(shí)間為橫軸，監(jiān)測數(shù)值為縱軸。

5 結(jié)語

地鐵各類機(jī)房機(jī)器煩瑣，各種儀表數(shù)量頗多，加之準(zhǔn)確率、排查率和安全性要求極高，人工巡查很難保證完全不出錯漏，而且對巡檢人員職業(yè)知識和專業(yè)性要求很高，需要其有相應(yīng)的工作經(jīng)驗(yàn)及責(zé)任感，且需要多人24h不間斷輪流巡查，各項(xiàng)成本也相應(yīng)較高。而應(yīng)用于鐵路及地鐵站室內(nèi)工作區(qū)（機(jī)房、繼電柜室、配電室、配電所等）的巡檢機(jī)器人：擁有可升降1.8區(qū)間且360°任意水平角度旋轉(zhuǎn)的紅外熱成像和高清視頻雙視結(jié)合技術(shù)的機(jī)頭;采用全模塊化高封閉式機(jī)器人，無需維護(hù)，全自動化充電、自動化作業(yè)，對出現(xiàn)問題的部件可直接更換相應(yīng)模塊，簡單快捷高效，且可以自由添加開發(fā)各種新功能;機(jī)器人替代人工巡查既可以大大降低各項(xiàng)成本，也能通過各項(xiàng)功能和系統(tǒng)提高準(zhǔn)確率和排查率，從而進(jìn)一步確保地鐵系統(tǒng)的安全運(yùn)營。

在今后的發(fā)展過程中，要為機(jī)器人執(zhí)行模塊添加更多新功能，如在巡檢過程中，使機(jī)器人實(shí)時(shí)感知機(jī)房內(nèi)的溫濕度，并能很“聰明”地將數(shù)據(jù)分析消化，然后自動繪制出熱能分布圖和濕度分布圖。

此外，未來更會突破每臺主機(jī)只能操作一臺機(jī)器人的限制，可以一臺主機(jī)同時(shí)監(jiān)控超過20臺巡視機(jī)器人，可同時(shí)在該主機(jī)上對其所控制的所有巡查機(jī)器人進(jìn)行信息錄入與問題篩檢。不斷改進(jìn)和強(qiáng)化機(jī)器人巡查系統(tǒng)，使其替代人工巡查，將是未來地鐵機(jī)房巡查的必然趨勢。未來地鐵運(yùn)營業(yè)將因此更加安全可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉順明.機(jī)房低壓供配電系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)[J].中國金融電腦，2009（3）：84-88.