面向地下空間的智能軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)研究

黃奚芳 陳彬 陳飛　陳楠　趙天剛

摘要：為了提升隧道交通安全的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)能力和節(jié)約運(yùn)營管理，我們研制開發(fā)了一種應(yīng)用于地下空間的智能軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)及方案設(shè)計(jì)，本文詳細(xì)描述了巡檢機(jī)器人-本體設(shè)計(jì)、軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)器人的巡檢控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行5種模式的巡檢，各模式靈活切換，滿足不同的管理需求。通過環(huán)境測試以及改良后，巡檢機(jī)器人工作性能更佳，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地下空間、隧道等建設(shè)期和運(yùn)營期，研究具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：巡檢機(jī)器人;地下空間;模式切換;建設(shè)期和運(yùn)營期

一、引言

隨著IT技術(shù)的高速發(fā)展，在土木工程領(lǐng)域內(nèi)運(yùn)用高新技術(shù)手段，如智能化、機(jī)械化的裝備，監(jiān)控地下空間/隧道的狀態(tài)，并對病害預(yù)識別和預(yù)警，對地下空間是否能健康運(yùn)營管理和安全耐久使用、避免造成非必要的損失，有著至關(guān)重要的意義[1]。那么如何利用隧道智能巡檢機(jī)器人[2]及其相應(yīng)的集成化技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握、處理和發(fā)布地下空間/交通的運(yùn)行情況和預(yù)警信息，提高地下空間內(nèi)的安全應(yīng)急反應(yīng)力，同時(shí)向管理人員、司機(jī)、乘客及相關(guān)人員提供方便、快速、有效的行車安全預(yù)警信息服務(wù)[3-4]。

本文從隧道現(xiàn)場的實(shí)際需求出發(fā)，提出了一種面向地下空間的智能軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人是一款結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人和人工智能技術(shù)的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施管理智能裝備。該機(jī)器人分為巡檢機(jī)器人-本體、軌道系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)。

二、巡檢機(jī)器人-本體

巡檢機(jī)器人-本體接收遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的命令控制，驅(qū)動(dòng)相關(guān)執(zhí)行器來輸出機(jī)械機(jī)構(gòu)，同時(shí)將機(jī)械機(jī)構(gòu)的狀態(tài)、環(huán)境信息與機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)通信傳輸給遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)，將進(jìn)行相關(guān)信息處理。巡檢機(jī)器人-本體具有走行、智能感知、毫米級定位、無線充電等功能。

（一）巡檢控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化和智能化，該巡檢控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在地下空間內(nèi)自主地進(jìn)行的巡檢。機(jī)器人-本體按照管理員預(yù)先設(shè)定的模式巡檢任務(wù)，通過任務(wù)規(guī)則自動(dòng)完成對周邊環(huán)境、設(shè)備等監(jiān)測活動(dòng)。巡檢任務(wù)模式分為2種：自動(dòng)化巡檢和手動(dòng)遙控巡檢。

1.自動(dòng)化巡檢

自動(dòng)化巡檢即通過預(yù)設(shè)路線進(jìn)行巡檢任務(wù)，自動(dòng)化巡檢任務(wù)模式可自由切換，主要包含：定時(shí)任務(wù)巡檢、常規(guī)巡檢、特殊巡檢、反復(fù)巡檢和一次性巡檢。本體上配備拾音器、紅外攝像頭、氣體環(huán)境監(jiān)測等監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)行可見光拍攝、紅外光拍攝、軌道范圍內(nèi)的巡檢及周邊環(huán)境監(jiān)測等巡檢任務(wù)，并將巡檢數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和圖片數(shù)據(jù)自動(dòng)同步到遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)留檔，同時(shí)根據(jù)制式表單生成可直接上報(bào)的報(bào)表。

2.手動(dòng)遙控巡檢

除自動(dòng)化巡檢模式以外，管理員采用手動(dòng)遙控巡檢模式實(shí)時(shí)遙控機(jī)器人-本體的走行。此手動(dòng)模式適用于鎖定和監(jiān)測某一種類設(shè)備狀態(tài)，特別是在自動(dòng)化巡檢時(shí)，若檢測到設(shè)備或周邊環(huán)境有異常預(yù)警，管理員可立即用遠(yuǎn)程控制中心-手動(dòng)遙控頁面/遠(yuǎn)程遙控手柄，將機(jī)器人-本體移動(dòng)至異常位置，及時(shí)查看并核實(shí)報(bào)警的真實(shí)性，為領(lǐng)導(dǎo)和管理人員提供響應(yīng)策略支持。

（二）實(shí)時(shí)視頻系統(tǒng)

通過機(jī)器人自身攜帶的可見光攝像機(jī)，完成視頻圖像的數(shù)據(jù)采集，對隧道內(nèi)的實(shí)際狀況實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控，進(jìn)行事故現(xiàn)場查看，處理事故，并通知組織救援。

高清圖像采集系統(tǒng)——具有高清視頻和紅外視頻雙攝功能，可以360度采集圖像并實(shí)現(xiàn)對于影像的記錄。

內(nèi)置圖像算法——為智能分析處理圖像和視頻流數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并研發(fā)了高精度圖像識別算法，該算法是完全自主可控的，實(shí)現(xiàn)對于隧道實(shí)景（襯砌、路面）結(jié)構(gòu)影像展布圖拼接，支持存儲導(dǎo)出功能，從而全面掌握隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)及環(huán)境的狀態(tài)信息。

（三）隧道內(nèi)環(huán)境檢測

機(jī)器人能對氣體、溫度、濕度等環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為管理人員分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供全方面信息。智能巡檢機(jī)器人自身攜帶的環(huán)境監(jiān)測模塊，能夠監(jiān)測環(huán)境中的有害氣體、溫度、濕度、煙霧等環(huán)境信息。

移動(dòng)連續(xù)檢測隧道內(nèi)的有毒有害和易燃易爆氣體，機(jī)器人實(shí)時(shí)采集的環(huán)境信息及時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行?，為操控人員提供現(xiàn)場環(huán)境信息，當(dāng)監(jiān)測到有害氣體超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警，以提示管理人員及時(shí)處理。

（四）機(jī)器人自檢

機(jī)器人作為巡檢系統(tǒng)的主體，搭載主要的檢測設(shè)備在前端采集各類數(shù)據(jù)信息。為了保證機(jī)器人日常工作的開展，機(jī)器人在啟動(dòng)巡檢前均會進(jìn)行自檢，自檢內(nèi)容包括高清相機(jī)、電機(jī)、云臺、內(nèi)部存儲及各種傳感器等，若發(fā)現(xiàn)部件異常，則給出異常狀態(tài)指示，并將系統(tǒng)異常信息上傳至監(jiān)控后臺，方便管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，減少處理時(shí)間，提高解決故障的效率。

（五）通信系統(tǒng)

面對地下空間的長距離和大范圍的通信場景，同時(shí)考慮多種設(shè)備的無線接入需求，如：機(jī)器人-本體、IoT和移動(dòng)終端等，且還要綜合全覆蓋的通信需求。因此，首先按照500米一個(gè)點(diǎn)位在線性的地下空間布置無線通信基站，保證每個(gè)基站在一定的通信范圍內(nèi)重合，同時(shí)在線性彎曲點(diǎn)布置通信基站的點(diǎn)位;其次，為提高可靠性，采用光纖環(huán)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)地下空間內(nèi)部的無線全覆蓋通信，同時(shí)也支持通信漫游，任意點(diǎn)帶寬支持≥60Mbps，無線信號強(qiáng)度≥-50dBm。

（六）導(dǎo)航定位方式

為使管理員能獲取機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置信息，我們?yōu)闄C(jī)器人安裝了定位系統(tǒng)。對于地下空間自動(dòng)巡檢機(jī)器人來說，一套快速、精確的定位系統(tǒng)是極為重要的[5]。因?yàn)楫?dāng)機(jī)器人在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)出現(xiàn)異常狀況時(shí)，通過定位系統(tǒng)，控制平臺側(cè)可以迅速確定異常狀況所在位置，并予以排除。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人是通過RFID超高頻電子標(biāo)簽、伺服電機(jī)里程盤和定位系統(tǒng)相結(jié)合，來準(zhǔn)確獲取定位信息，以消除積累誤差，目前已做到毫米級定位，保障管理員能夠?qū)崟r(shí)獲取本體的定位信息。

（七）大容量電池充電

在機(jī)器人-本體上裝備了超大容量的鋰電池包，綜合考量電池壽命、環(huán)境和維修的便利性，將電池包設(shè)計(jì)成可拆卸的。同時(shí)為方便充電，在軌道系統(tǒng)旁多個(gè)位置安裝無線充電站為電池充電。機(jī)器人-本體的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的電量狀態(tài)，當(dāng)電量低時(shí)自動(dòng)移動(dòng)到充電站充電。

動(dòng)力電池是智能監(jiān)測機(jī)器人的能量來源。因此，在選取機(jī)器人的電池時(shí)尤為謹(jǐn)慎，結(jié)合多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，如：能量密度、充放電倍率、充放電循環(huán)次數(shù)、工作溫度范圍、有無記憶效率等，在市場范圍內(nèi)進(jìn)行篩選;同時(shí)，綜合價(jià)格、穩(wěn)定性、使用壽命、電池包大小等因素選擇。最終，還要考慮到電池尺寸、出線方式等各種因素，若市面上現(xiàn)有的鋰電池不能滿足各類要求，就需要定制了一款適配此機(jī)器人的鋰電池。

三、軌道系統(tǒng)

軌道系統(tǒng)從地下空間的實(shí)際需求出發(fā)，以簡易化和輕量化的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)簡易化安裝部署、靈活拆解。軌道設(shè)計(jì)是采用上承載，下支撐結(jié)構(gòu)，使軌道受力均衡;軌道整體結(jié)構(gòu)配合運(yùn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)置，使結(jié)構(gòu)相互吻合，達(dá)到設(shè)備不脫軌。

軌道是以鋁鑄加工制作鋁制輕型導(dǎo)軌，軌道精度達(dá)到±0.1毫米，軌道4米/根，導(dǎo)軌寬度0.048米，高度 0.077米，每根頭尾有6個(gè)固定安裝孔;軌道起點(diǎn)安裝充電裝置，用于電池包的充電，接入電源為220V，輸出電壓為48V;通過技術(shù)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，解決現(xiàn)有軌道的設(shè)備移動(dòng)速度慢的困擾，軌道設(shè)計(jì)承載時(shí)速為 0～12km/h。

四、遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡邏數(shù)據(jù)日志的上傳、分析和處理，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的監(jiān)控及檢測功能和檢測點(diǎn)清單，生成統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警報(bào)告，并回傳給后臺，為人工的后續(xù)處理和決策提供參考;巡檢數(shù)據(jù)包含隧道襯砌結(jié)構(gòu)、路面、環(huán)境信息、事故信息等。

（一）輸出自動(dòng)報(bào)表

機(jī)器人根據(jù)巡檢情況自動(dòng)匯總數(shù)據(jù)生成制式表單，在完成任一巡檢任務(wù)后管理員可直接在遠(yuǎn)程控制中心平臺上查看當(dāng)前任務(wù)報(bào)表，也可通過巡檢類型、任務(wù)名稱和時(shí)間等篩選條件查看往期報(bào)表。不同類型的巡檢會產(chǎn)生不同的報(bào)表，包括巡檢任務(wù)報(bào)表、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警記錄報(bào)表、環(huán)境信息報(bào)表等。

（二）預(yù)警與聯(lián)動(dòng)

機(jī)器人-本體在自動(dòng)化巡檢/手動(dòng)巡檢中，通過多種技術(shù)手段，如：視頻流/圖片的AI世界分析技術(shù)、數(shù)值對比分析、趨勢圖分析等，可快速、自動(dòng)化預(yù)警異常數(shù)據(jù)信息。預(yù)警異常信息通過遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)-報(bào)警界面和機(jī)器人-本體上的語音播報(bào)和警示燈報(bào)警，向遠(yuǎn)程管理人員和現(xiàn)場人員進(jìn)行預(yù)警，提醒管理人員和現(xiàn)場人員注意周邊情況，及時(shí)和快速地作出應(yīng)對，保障現(xiàn)場人員的安全。當(dāng)后臺分析數(shù)據(jù)顯示為異常時(shí)，后臺監(jiān)控軟件界面會出現(xiàn)告警信息列表，管理人員通過操作滾動(dòng)顯示告警信息。當(dāng)系統(tǒng)存在告警信息時(shí)，系統(tǒng)通過巡檢機(jī)器人告警音頻及燈光閃爍，提醒管理人員注意。

五、測試及方案調(diào)整

巡檢機(jī)器人完成設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試后，選取了1公里的隧道環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性測試。測試過程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人多次出現(xiàn)以下問題：鋰電池包出現(xiàn)快速衰減狀態(tài);發(fā)送充電指令，機(jī)器人-本體到達(dá)充電位，但未充上電。經(jīng)過反復(fù)測試論證，增加以下兩個(gè)方案來解決。

（一）滿電自斷電模式

智能軌道巡檢機(jī)器人使用大容量鋰電池，反復(fù)充滿電會降低鋰電池的壽命，為了改善這一情況，本文設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)充電邏輯方案：在“電壓值<預(yù)設(shè)最低電量”時(shí)，機(jī)器人會自動(dòng)回到充電位進(jìn)行充電;當(dāng)“電壓值>54.X”時(shí)，自動(dòng)結(jié)束充電，若無巡檢任務(wù)則原地待命。其邏輯圖如圖2所示。通過驗(yàn)證，此邏輯有效減少了電池反復(fù)充電的情況，大大降低了鋰電池的衰減。

（二）充電定位偏移調(diào)整模式

為了解決由于位置偏差導(dǎo)致未充上電，需要人工去現(xiàn)場充電情況，本文設(shè)計(jì)了一種充電定位方案，在啟動(dòng)充電模式后，系統(tǒng)會自動(dòng)檢測機(jī)器人內(nèi)置的光電開關(guān)&充電電流是否被觸發(fā)，若未觸發(fā)則會一直移動(dòng)直到充上電，并進(jìn)行預(yù)警提示提手動(dòng)遠(yuǎn)程操作。其邏輯圖見圖3所示。通過驗(yàn)證，此方案提高了充電有效性，一定程度上減少了人工充電和調(diào)試成本。

六、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種面向地下、隧道等的智能軌道巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人可前、后行走，可運(yùn)用于環(huán)境復(fù)雜的地下空間、隧道等建設(shè)期和運(yùn)營期。通過功能、性能以及環(huán)境適應(yīng)性測試，目前機(jī)器人的自動(dòng)巡檢、遙視巡檢和定期巡檢可滿足管理人員的不同階段的管理需求，實(shí)時(shí)掌握隧道內(nèi)實(shí)時(shí)信息和環(huán)境信息;此外，機(jī)器人的定位精度可達(dá)毫米級，使得管理人員能在控制中心快速確定異常狀況所在位置，及時(shí)派遣工作人員前往予以排除。遠(yuǎn)程控制中心的操作是可視化的、簡便、直觀的。該智能軌道巡檢機(jī)器人具有較好的可用性和易用性。

作者單位：黃奚芳? ? 陳彬? ? 陳飛? ? 陳楠? ? 趙天剛? ? 上海城建信息科技有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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