基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輔助監(jiān)理機(jī)器人設(shè)計(jì)

霍海鋒 包爾恒

摘?要：建筑監(jiān)理行業(yè)對(duì)重點(diǎn)工序的監(jiān)控主要采用人工旁站記錄的方式，工作強(qiáng)度大且容易產(chǎn)生懈怠心理導(dǎo)致監(jiān)控不到位。研發(fā)一種基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的服務(wù)型機(jī)器人，通過(guò)WIFI及3G/4G通信方式保證現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的有效傳輸，將視音頻信號(hào)實(shí)時(shí)推送到授權(quán)人員移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)工序不間斷監(jiān)控，以及施工過(guò)程監(jiān)控錄像可回溯。機(jī)器人采用不間斷電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)外接電源的長(zhǎng)時(shí)獨(dú)立工作。數(shù)字直傳遙控技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在工程師控制下自主移動(dòng)至監(jiān)控點(diǎn)。該類機(jī)器人可減輕現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師的體力勞動(dòng)，提高工作效率和可靠性。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù);服務(wù)型機(jī)器人;WIFI;3G/4G;移動(dòng)終端;輔助監(jiān)理

中圖分類號(hào)：TN919.85;TP242.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Design of Robot Aided Supervision Based on Mobile Internet Technology

Huo Haifeng?Bao Erheng

Department of Automation Engineering，Guangdong Polytechnic of Water Resources

and Electric Engineering?GuangdongGuangzhou?510925

Abstract：Onsite supervision with human is used currently in the key procedure of construction supervision，this method leads to hard work and slack psychology which may cause the lack of supervision.A kind of service robot based on mobile internet technology is designed.By using WIFI and 3G/4G communications，supervisory data are transmitted effectively.Video and sound are pushed realtime to mobile terminals of authorized persons.This helps to realize uninterrupted supervision for the key courses onsite，and review of the video records.The robot with mobile uninterrupted power system can work independently for a long time without external power supply.Digital direct transmission allows engineer to remote control the robot to the supervisory spot.This kind of robot can reduce the physical works，and help the improve the efficiency and reliability.

Key words：mobile internet technology;service robot;WIFI;3G/4G;remote terminal;aided supervision

在傳統(tǒng)的建筑施工現(xiàn)場(chǎng)行業(yè)，通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的信息技術(shù)，如BIM技術(shù)、無(wú)人機(jī)、智能硬件等，與現(xiàn)場(chǎng)一線業(yè)務(wù)深度融合，提高現(xiàn)場(chǎng)崗位作業(yè)和管理效率，進(jìn)而解決數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性和及時(shí)性問(wèn)題[1]。然而，目前監(jiān)理行業(yè)仍然主要采用以人員駐場(chǎng)，對(duì)重點(diǎn)工序、部位進(jìn)行巡查、旁站的工作方式，不僅需要大量的監(jiān)理人員，而且監(jiān)理人員即使經(jīng)常巡查工地，也不能保證24小時(shí)不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)。

為了提高工程監(jiān)理質(zhì)量，減輕監(jiān)理工程師工作強(qiáng)度，本文介紹基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)器人設(shè)計(jì)，通過(guò)集成遠(yuǎn)程監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集與傳輸、移動(dòng)互聯(lián)APP程序?qū)崟r(shí)監(jiān)控等技術(shù)，輔助現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行24小時(shí)不間斷監(jiān)控，并且能做到監(jiān)控過(guò)程可回溯，為事件處理提供翔實(shí)證據(jù)。

1 施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理特點(diǎn)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足

根據(jù)規(guī)范要求，工地現(xiàn)場(chǎng)要求有視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)，在工地出入口、辦公區(qū)域、材料堆放區(qū)域等重點(diǎn)區(qū)域安裝攝像頭，用于施工現(xiàn)場(chǎng)的安防管理。傳統(tǒng)的管理模式和視頻監(jiān)控系統(tǒng)有一定不足之處。

1.1 施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理的工作特點(diǎn)

當(dāng)前建筑監(jiān)理行業(yè)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的管理，采用的是總監(jiān)理工程師配備若干專業(yè)監(jiān)理工程師派駐現(xiàn)場(chǎng)的方式。專業(yè)監(jiān)理工程師需要經(jīng)常深入施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡查，檢查施工過(guò)程中的安全、質(zhì)量工作。對(duì)于重點(diǎn)部位的施工、關(guān)鍵工序、隱蔽工程等重要施工環(huán)節(jié)，專業(yè)監(jiān)理工程師還需要旁站，監(jiān)督其施工過(guò)程，避免出現(xiàn)違反操作規(guī)程，影響工程質(zhì)量的情況。因此，專業(yè)監(jiān)理工程師的工作強(qiáng)度比較大。另外，對(duì)于一些需要連續(xù)作業(yè)的重點(diǎn)施工過(guò)程，要求旁站的時(shí)間較長(zhǎng)，難免使人產(chǎn)生懈怠心理，監(jiān)控不到位。

1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足

現(xiàn)有的建筑工地視頻監(jiān)控系統(tǒng)比較成熟，基本采用固定機(jī)位+有線網(wǎng)絡(luò)，即使采用無(wú)線WIFI形式，其接入范圍也是小于50米。常規(guī)的建筑施工現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足：（1）現(xiàn)有建筑工地視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視靈活度小。一般此類視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用商用攝像頭，固定機(jī)位安裝，有線連接及傳輸，監(jiān)控點(diǎn)固定。對(duì)于隨著工程進(jìn)度變化的區(qū)域不一定監(jiān)控到位。（2）人機(jī)交互方式單一。此類系統(tǒng)大多采用視頻信號(hào)直接采集存儲(chǔ)于視頻錄像機(jī)，再顯示到監(jiān)控屏幕。（3）信號(hào)接入方式不夠多樣。此類系統(tǒng)大部分使用有線直連、局域網(wǎng)連接方式，使用WIFI接入時(shí)需要使設(shè)備處于WIFI信號(hào)覆蓋區(qū)。（4）設(shè)備供電不夠可靠。施工現(xiàn)場(chǎng)在建設(shè)中前期一般都是臨時(shí)電源，并且電力線路很多也是臨時(shí)搭建，導(dǎo)致設(shè)備的供電可靠性不高。

1.3 施工現(xiàn)場(chǎng)的其他情況

施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)設(shè)施多，大多數(shù)施工通道是臨時(shí)搭建，工作區(qū)域灰塵較大，作業(yè)范圍狹小，各工種交叉重疊情況經(jīng)常發(fā)生。因此施工現(xiàn)場(chǎng)防塵、防雨、防碰撞的要求會(huì)比較高。

2 基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的輔助監(jiān)理機(jī)器人設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理要求、現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)及環(huán)境深入分析，本文提出基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輔助服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。（1）多種人機(jī)交互接入方式;（2）低照度紅外高清一體攝像機(jī)，3G/4G+WIFI雙模傳輸圖像;（3）設(shè)計(jì)不間斷電源供電模塊;（4）履帶底盤承載高防護(hù)等級(jí)機(jī)身。

2.1 機(jī)器人硬件功能

輔助監(jiān)理機(jī)器人主要由核心控制系統(tǒng)、高清一體攝像機(jī)、不間斷電源系統(tǒng)、遙控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等四部分組成。核心控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視音頻數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及多通道通信;高清一體攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控以及低照度紅外照射;移動(dòng)不間斷電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整機(jī)穩(wěn)壓、變壓與直流供電;遙控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在操作人員直接數(shù)傳或3G/4G遠(yuǎn)程遙控指揮下靈活移動(dòng)[2]。

2.2 機(jī)器人主要工作方式

該機(jī)器人能夠在監(jiān)理工程師的遙控指揮下，進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)指定位置，高清一體攝像機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)采集到核心控制系統(tǒng)，核心控制系統(tǒng)處理視音頻信號(hào)，存儲(chǔ)在本地硬盤，并能通過(guò)3G/4G或者WIFI信號(hào)將實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻或者歷史錄像通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給移動(dòng)終端。機(jī)器人帶有GPS衛(wèi)星定位功能，能夠真實(shí)準(zhǔn)確反映施工現(xiàn)場(chǎng)位置。監(jiān)理工程師可通過(guò)手機(jī)APP或者電腦客戶端，登錄服務(wù)器接入端口，控制機(jī)器人監(jiān)視鏡頭，實(shí)時(shí)觀察施工現(xiàn)場(chǎng)情況，并能查詢歷史錄像[3]。機(jī)器人內(nèi)置不間斷電源系統(tǒng)，能夠在無(wú)外接電源前提下連續(xù)工作20小時(shí)以上，見圖1。

2.3 數(shù)據(jù)處理及傳輸

在機(jī)器人的核心控制系統(tǒng)，主要集成視音頻處理及鏡頭控制模塊、本地存儲(chǔ)及管理模塊、通信處理模塊以及多種通信接口。高清一體攝像機(jī)將1080P高清視頻信號(hào)采集到核心控制系統(tǒng)，由核心控制系統(tǒng)進(jìn)行解碼處理，并按視頻文件格式存儲(chǔ)到本地硬盤備查。同時(shí)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)通信處理模塊與外部通信。核心控制系統(tǒng)配置多種通信接口：（1）可供本地LCD監(jiān)控用的本地通信接口;（2）3G/4G的移動(dòng)通信接口;（3）WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口;（4）GPS信號(hào)接口。數(shù)字監(jiān)控信號(hào)可通過(guò)3G/4G和WIFI網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)，上傳至服務(wù)器，手機(jī)APP移動(dòng)終端或者電腦客戶端通過(guò)登錄服務(wù)器接口，建立與輔助監(jiān)理機(jī)器人的直接通信連接，獲取實(shí)時(shí)視音頻信號(hào)以及GPS位置信號(hào)，見圖2。機(jī)器人可設(shè)置優(yōu)先WIFI通道連接移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)不具備無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可自動(dòng)切換至3G/4G網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)公用通信基站與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)建立連接，保證實(shí)時(shí)信號(hào)的傳輸。

2.4 機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)

輔助監(jiān)理機(jī)器人內(nèi)部使用不間斷電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)輸入部分可接入交流220V市電，通過(guò)整流與穩(wěn)壓模塊提高輸出電源質(zhì)量，同時(shí)為3塊12V38AH的閥控式密封鉛酸蓄電池充電。當(dāng)外部交流電源失電后，可由蓄電池繼續(xù)提供工作電源。電源系統(tǒng)主機(jī)正常工作時(shí)可輸出標(biāo)準(zhǔn)交流220V及直流12V電壓，為核心控制系統(tǒng)、高清一體攝像機(jī)以及履帶電動(dòng)機(jī)提供工作電源。

2.5 機(jī)器人移動(dòng)及防護(hù)設(shè)計(jì)

考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，采用履帶式底盤可適應(yīng)多種路面情況，包括泥濘、濕滑、碎石、爬坡等。一體化機(jī)身滿足IP54防護(hù)等級(jí)，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)灰塵較大的情況，能在露天雨天條件下正常工作。另外在機(jī)身設(shè)置警示燈，起到安全防撞擊作用。機(jī)器人總重達(dá)40千克，一般人不易搬動(dòng)，另外有攝像頭遮蓋告警，起到防盜破壞作用。

3 應(yīng)用情況

輔助監(jiān)理機(jī)器人在實(shí)際建筑監(jiān)理項(xiàng)目中運(yùn)行良好，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的粉塵環(huán)境，其寬范圍電壓輸入可應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)電源的低可靠性，多模式通信接入方式使機(jī)器人保持實(shí)時(shí)在線監(jiān)控[4]。實(shí)際應(yīng)用中，使用3G/4G網(wǎng)絡(luò)接入與WIFI局域網(wǎng)（100M接口）接入對(duì)視頻圖像的傳輸清晰度和流暢性有一定影響，如下表。工程師可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)定機(jī)器人的傳輸分辨率。未來(lái)5G通信網(wǎng)絡(luò)普及之后，機(jī)器人視頻傳輸及遠(yuǎn)程遙控將更穩(wěn)定及清晰，實(shí)時(shí)性也會(huì)更好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人各模組可快速集成，多模式通信接口能靈活接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，為建筑監(jiān)理行業(yè)提供一種靈活的輔助監(jiān)理手段，既可大大減輕監(jiān)理工程師的體力勞動(dòng)，又能提高監(jiān)理效率，豐富現(xiàn)場(chǎng)記錄方式。本設(shè)計(jì)具有行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新性，可快速推廣應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：霍海鋒（1976—），男，廣西藤縣人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)集成及自動(dòng)控制技術(shù);包爾恒（1971—），男，甘肅天水人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹悄茈娫醇夹g(shù)。