智能施工警示機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用

何傳平

(廣西北部灣投資集團(tuán)有限公司沿海高速公路分公司，廣西 欽州 535000)

0 引言

目前在高速公路沿線施工中，傳統(tǒng)的警示與防護(hù)方法主要采用維修警示牌、反光錐桶等設(shè)施，提醒過往的車輛進(jìn)行避讓。但這些傳統(tǒng)設(shè)施還存在警示效果差的弊端，尤其在嚴(yán)重霧霾、雨霧天氣情況下，高速公路上駕駛者因視覺疲勞或不遵守交通規(guī)則等原因，導(dǎo)致沖擊施工區(qū)域，危及施工維護(hù)人員生命安全。

目前一些施工路段還采用了簡(jiǎn)易搖旗模特放置在施工區(qū)域前方，通過擺動(dòng)搖旗，有利于提升司機(jī)的關(guān)注度，對(duì)過往車輛的警示作用有所提高。但是此類搖旗模特功能結(jié)構(gòu)單一，無(wú)法滿足現(xiàn)代智慧工地的使用和管理要求。

鑒于上述現(xiàn)狀，本文結(jié)合路段施工情況和現(xiàn)代智慧化工地管理要求，設(shè)計(jì)了高速公路智能施工警示機(jī)器人。該機(jī)器人集成自由擺臂、爆閃燈、錄像拍照、測(cè)速警示、語(yǔ)音播報(bào)、遠(yuǎn)程控制、GPS北斗定位、現(xiàn)場(chǎng)溫濕度采集、無(wú)線通信等功能為一體，能有效提高對(duì)過往車輛的示警效果，并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)通行情況進(jìn)行預(yù)判，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)施工人員生命安全，保障施工維修任務(wù)的順利進(jìn)行。

1 智能施工警示機(jī)器人系統(tǒng)方案

智能施工警示機(jī)器人主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)件主要有機(jī)器人外殼、擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、報(bào)警燈、外置太陽(yáng)能充電板等。機(jī)器人底座配置有配電箱，內(nèi)部安裝有充電電路、主控電路、電池。軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)傳輸處理中心、遠(yuǎn)程管理中心及移動(dòng)端。應(yīng)用程序包括移動(dòng)端APP、PC端WEB界面和電視大屏端等。

智能施工警示機(jī)器人主要功能如下：

(1)機(jī)器人處于工作狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)上下或左右擺臂，報(bào)警燈處于頻閃狀態(tài)。

(2)機(jī)器人眼睛部位裝有500萬(wàn)像素紅外攝像機(jī)，頭部通過遠(yuǎn)程控制，自由轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行攝像、抓拍。通過4G模塊可將圖片傳輸至后臺(tái)，供管理人員查看。

(3)機(jī)器人體內(nèi)裝有溫濕度傳感器及GPS模塊，環(huán)境數(shù)據(jù)及位置數(shù)據(jù)可通過4G模塊傳至后臺(tái)。

(4)機(jī)器人底部配電箱裝有主控平臺(tái)及電池，負(fù)責(zé)整個(gè)產(chǎn)品的控制及供電。

(5)機(jī)器人身上裝有測(cè)速雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)車流量檢測(cè)，并實(shí)時(shí)上報(bào)。

(6)機(jī)器人身上安裝有喇叭及音頻模塊，可遠(yuǎn)程喊話。

智能施工警示機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 智能施工警示機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 智能施工警示機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能施工警示機(jī)器人的控制核心是控制總成，可遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)雙臂上下持續(xù)擺動(dòng)，擺動(dòng)頻率可調(diào)整，擺動(dòng)啟?？涩F(xiàn)場(chǎng)通過開關(guān)或遠(yuǎn)程通過指令控制，手臂末端可持物體能自由替換，如指揮旗或LED發(fā)光指揮棒等。此外在硬件設(shè)計(jì)上增加了很多人性化設(shè)計(jì)，如燈光示警、太陽(yáng)能供電、車流量統(tǒng)計(jì)、北斗及GPS定位、內(nèi)嵌攝像頭實(shí)時(shí)錄像、溫濕度及電源傳感監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音播報(bào)、4G/5G數(shù)據(jù)傳輸?shù)?見下頁(yè)圖2)。

圖2 硬件組成框圖

2.1 太陽(yáng)能供電

太陽(yáng)能供電部分采用便攜環(huán)保的單晶體硅材料供電，能將太陽(yáng)能輻射能通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能并存儲(chǔ)在鋰電池里，太陽(yáng)能板功率：100 W，開路電流：6.1 A，工作電壓：18 V；尺寸：(930×650×30×25) mm，工作電流：5.6 A，工作溫度：-40 ℃～85 ℃。開路電壓：21.6 V，功率公差：±3%，采用效率>18%的高效多晶電池片，材料防腐蝕、耐老化、抗沖擊、弱光性好，節(jié)能環(huán)保。

2.2 車流量檢測(cè)雷達(dá)

搭配車流計(jì)數(shù)雷達(dá)，能準(zhǔn)確獲取當(dāng)前路段車流量、車道占有率、平均車速、車型分類等；車道流量檢測(cè)精度≥95%，車道占有率檢測(cè)精度≥95%，平均車速檢測(cè)精度≥95%；車型分類不低于4型，并可自定義。獲取的車流數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)匯總上傳至云端數(shù)據(jù)中心，并可通過遠(yuǎn)程下發(fā)指令控制雷達(dá)采集數(shù)據(jù)頻率及其他配置。

2.3 ATGM336H-5N定位模塊

定位模塊采用ATGM336H-5N定位模塊。ATGM336H-5N系列模塊是高性能BDS/GNSS全星座定位導(dǎo)航模塊系列的總稱。該系列模塊產(chǎn)品都是基于中科微第四代低功耗GNSS SOC單芯片——AT6558，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國(guó)的BDS(北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))、美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO、日本的QZSS以及衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS(WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS)。AT6558是一款真正意義的六合一多模衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片，包含32個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收六個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)。本系列模塊具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)。[1]

定位模塊的主要功能是采集產(chǎn)品所在位置經(jīng)緯度信息，當(dāng)遠(yuǎn)程管理中心發(fā)起位置獲取指令時(shí)，可將產(chǎn)品當(dāng)前位置實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)中心。支持GPS+北斗BDS雙模定位，搜星速度<5 s，符合智能施工警示機(jī)器人應(yīng)用需求(見圖3)。

2.4 攝像頭模塊

產(chǎn)品頭部?jī)?nèi)嵌海思攝像頭模塊，支持?jǐn)z像及拍照模式，可配置定時(shí)拍照回傳至數(shù)據(jù)中心。該模塊為防水、防塵設(shè)計(jì)，帶夜視功能，支持自動(dòng)對(duì)焦，拍照像素500萬(wàn)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)可及時(shí)報(bào)警。該模塊具有不受距離限制、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定就可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀看、安裝施工方便、不用長(zhǎng)距離輸電等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 定位模塊功能框圖

2.5 溫濕度及電流檢測(cè)

產(chǎn)品底部?jī)?nèi)嵌溫濕度傳感器，可檢測(cè)周圍環(huán)境溫度及濕度，可配置定時(shí)采集數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)中心，或由遠(yuǎn)程管理中心下發(fā)指令實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。溫度測(cè)量范圍為-20 ℃～60 ℃，溫度測(cè)量誤差為±2 ℃；濕度測(cè)量范圍為20%～95%，濕度測(cè)量誤差為±5%。

由于智能施工警示機(jī)器人采用太陽(yáng)能供電設(shè)計(jì)，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的情況，難免會(huì)遭遇連續(xù)陰雨天氣，導(dǎo)致設(shè)備電量不足無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常功能。為此，設(shè)計(jì)中加入了霍爾電流檢測(cè)模塊，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的充放電情況，計(jì)算鋰電池剩余電量，當(dāng)電量較低時(shí)可遠(yuǎn)程提醒管理員更換電池或者手動(dòng)充電，并可設(shè)置進(jìn)入低功耗模式。

2.6 語(yǔ)音播報(bào)

語(yǔ)音播報(bào)采用KT403A解碼芯片。該芯片可連接喇叭現(xiàn)場(chǎng)控制播放指定音頻，或由遠(yuǎn)程管理中心下發(fā)音頻文件播放，音頻可控制音量，自動(dòng)循環(huán)播放。KT403A MP3音頻解碼芯片是一個(gè)提供串口控制的語(yǔ)音芯片，完美地集成了MP3、WAV、WMA的硬解碼，同時(shí)軟件支持SD卡驅(qū)動(dòng)和USB驅(qū)動(dòng)，支持FAT16、FAT32文件系統(tǒng)。該芯片通過簡(jiǎn)單的串口指令即可完成播放指定的音樂，以及選擇播放模式等功能。無(wú)須繁瑣地底層操作，使用方便、穩(wěn)定可靠是此款產(chǎn)品的最大特點(diǎn)[2]。見圖4。

圖4 KT401A芯片框架圖

芯片為SOC方案，集成了一個(gè)16位的MCU，以及一個(gè)專門針對(duì)音頻解碼的DSP，采用硬解碼的方式，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和音質(zhì)。小巧的封裝尺寸更加方便嵌入警示機(jī)器人內(nèi)部。

2.7 4G無(wú)線傳輸模塊

4G無(wú)線模塊采用E840-TTL-4G04物聯(lián)網(wǎng)串口透?jìng)鱀TU通信數(shù)據(jù)傳輸至全網(wǎng)通GPRS/3G/MQTT 4G傳輸模塊。該產(chǎn)品軟件功能完善，覆蓋絕大多數(shù)常規(guī)應(yīng)用場(chǎng)景。E840-TTL-4G04是為實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，模塊使用2.0 mm排針方便客戶設(shè)備集成，使用+5 V～+18 V寬電壓供電。該模塊支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信4G卡，通信與LED指示采用兼容電平(+3.3 V～+5 V)，具有抗干擾能力，適合使用在一些電磁干擾強(qiáng)的環(huán)境當(dāng)中，如一些電力行業(yè)當(dāng)中。E840-TTL-4G04的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，可實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)雙向透?jìng)?，可將警示機(jī)器人采集數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，接收遠(yuǎn)程管理中心下發(fā)指令。模塊支持全網(wǎng)通(移動(dòng)、聯(lián)通2/3/4G，電信4G)五模4G模塊，支持MQTT標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，支持物聯(lián)網(wǎng)卡、SIM卡，支持自定義MAC地址、心跳包，支持IOT技術(shù)。[3]

3 智能施工警示機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能施工警示機(jī)器人系統(tǒng)軟件主要分為管理中心軟件和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器軟件。其中，后臺(tái)服務(wù)器軟件的主要功能有：用于接收各4G節(jié)點(diǎn)智能示警機(jī)器人采集后上報(bào)的數(shù)據(jù)源，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類儲(chǔ)存，根據(jù)自定義數(shù)據(jù)分析后，導(dǎo)出可視化數(shù)據(jù)，并提供標(biāo)準(zhǔn)化接口供前端軟件應(yīng)用，且服務(wù)器集成了視頻推流和錄像功能，用于監(jiān)控及操作已實(shí)地應(yīng)用的智能施工警示機(jī)器人。

系統(tǒng)的主要功能分為：自動(dòng)警示、遠(yuǎn)程控制、信息采集分析等。根據(jù)軟件功能設(shè)計(jì)了軟件拓?fù)鋱D(見圖5)。

圖5 智能施工警示機(jī)器人系統(tǒng)軟件拓?fù)鋱D

軟件拓?fù)鋱D主要含有警示機(jī)器人設(shè)備、4G通信模塊、服務(wù)器、管理中心和用戶端。用戶端主要功能有：可單獨(dú)或批量遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器人下發(fā)相應(yīng)智能模塊指令，并監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)機(jī)器人位置及狀態(tài)。

要實(shí)現(xiàn)上述軟件的功能，除了保證視頻推流功能外，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收發(fā)并處理是關(guān)鍵。后臺(tái)服務(wù)端通過4G網(wǎng)關(guān)服務(wù)器進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)通信通過加密的MQTT服務(wù)會(huì)話主題，能夠有效解決數(shù)據(jù)并發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和安全性等問題。

移動(dòng)端界面主要有手機(jī)APP和微信小程序，可實(shí)時(shí)更新查看當(dāng)前設(shè)備的剩余電量、現(xiàn)場(chǎng)溫濕度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在危險(xiǎn)路段或維修路段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)搖擺機(jī)械臂、打開聲光報(bào)警燈、語(yǔ)音播報(bào)等多類型警示提醒。通過移動(dòng)端應(yīng)用軟件可實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)如發(fā)生交通事故或其他緊急情況下遠(yuǎn)程下發(fā)指令控制機(jī)器人擺臂運(yùn)動(dòng)啟停及其他智能硬件的功能操作，便于管理，節(jié)省運(yùn)維人力。實(shí)現(xiàn)智能硬件采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并可將數(shù)據(jù)上傳至云端管理中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析整理后通過接口共享給第三方應(yīng)用，用于上一級(jí)管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)處置決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)提升車主的高速公路使用體驗(yàn)。

4 智能施工警示機(jī)器人的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

目前智能施工警示機(jī)器人已完成樣機(jī)測(cè)試階段，并在廣西沿海高速公路現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)用，相比傳統(tǒng)的施工封道搖旗機(jī)器人，增加了很多智能化、人性化設(shè)置，可遠(yuǎn)程監(jiān)控施工環(huán)境的安全性，安全員可在手機(jī)或者中心查看施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，且提示通行車輛效果明顯，增加了語(yǔ)音播報(bào)提示施工區(qū)域減速慢行，在危險(xiǎn)路段或維修路段進(jìn)行多類型加強(qiáng)提醒，在現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)搖擺機(jī)械臂，達(dá)到警示目的，避免施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生交通事故。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前高速公路施工存在安全隱患的需求進(jìn)行了分析，并基于需求設(shè)計(jì)了智能施工警示機(jī)器人。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用了4G通信傳輸?shù)姆绞?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、速度和?shí)時(shí)性，方便快捷，可實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程下發(fā)指令可控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)啟停，及其他智能硬件的功能操作，便于管理，節(jié)省運(yùn)維人力。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，能夠迅速發(fā)出報(bào)警信息，及時(shí)排查施工隱患。通過實(shí)際案例應(yīng)用證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合高速公路智能施工警示機(jī)器人系統(tǒng)的要求。