綜合管廊智能巡檢機器人的設計

裴文良，周明靜，李軍偉

（中信重工開誠智能裝備有限公司，唐山 063020）

綜合管廊智能巡檢機器人的設計

裴文良，周明靜，李軍偉

（中信重工開誠智能裝備有限公司，唐山 063020）

針對城市地下綜合管廊的巡檢、監控問題，設計了一種實用的、可以代替人工進入管廊中進行巡檢、數據采集和災害報警的機器人裝置，詳細論述了巡檢機器人的組成和功能，利用該巡檢機器人系統可以實現對綜合管廊的自動巡檢，實現綜合管廊的現場災害處置，為城市工程管線的可靠運行提供全面的技術保障。

綜合管廊；機器人；巡檢；控制系統

0 引言

隨著城市建設的不斷發展，城市地下綜合管廊的建設不斷增多，地下綜合管廊是城市的超級大動脈，它給城市帶來從內到外的活力，但由于地下管線建設規模不足、管理水平較低等問題，使得一些城市相繼發生大雨內澇、管線泄漏爆炸、路面塌陷、設施被盜等事件，嚴重影響了人民群眾生命安全和城市運行秩序。綜合管廊智能機器人移動監測系統，是專門針對地下綜合管廊研發設計的智能一體化巡檢方案。系統以綜合管廊智能巡檢機器人為核心，同時結合強大的遠程監控平臺，數據服務器以及相關附件，可實現對綜合管廊環境與設備的不間斷的移動往返監控監測及應急火災報警和處置。本文從實用性角度出發，介紹了一種綜合管廊智能巡檢機器人的研制方法及應用。

1 綜合管廊智能巡檢機器人組成

綜合管廊智能巡檢機器人由以下六部分組成：機器人本體、滅火機器人平臺、智能控制系統、軌道平臺、供電平臺和通信平臺，如圖1所示。

圖1 綜合管廊智能巡檢機器人組成

1.1 機器人本體

機器人本體主要由圖像采集系統、語音對講及應急廣播系統、環境檢測系統、自主防撞與避障系統、精準定位系統和人員檢測跟蹤系統等組成，它是完成巡檢任務的核心部件。

1）圖像采集系統

圖像采集系統搭載一體化高性能云臺攝像機，集成高清攝像技術與熱成像技術，可實現低照度下清晰成像。球機具有6條巡航掃描，每條可設置16個預置點，預置時間可調；旋轉角度：垂直角度 從-20°（俯視）到+90°（仰視），水平角度：360°，連續旋轉，無監視盲區。

2）語音對講及應急廣播系統

機器人本體搭載先進的雙向語音對講系統，可實現實時對講，聲音清晰、洪亮，對講聲音在110分貝以上。同時配備大口徑鍍金震膜咪頭，本底噪聲極低，采音更廣泛。ClearSpeech自適應動態降噪處理技術，內置高速DSP數字信號處理器。獨特設計的“電子噪聲動態閉環抑制電路”，徹底消除“嘶嘶”電子噪音。監聽范圍：5～80m2，靈敏度可調。緊急事故發生，如檢測到火光或者超溫情況，機器人本體具備報警指示功能及機器人狀態指示功能。

3）環境檢測系統

巡檢機器人環境監測系統可對管廊的環境參數進行檢測，監測范圍包括：可同時對O2、CO、H2S和CH4等4種氣體的濃度進行檢測和超限報警；可完成環境溫度、濕度的檢測，檢測范圍為：溫度-40℃～+123.8℃；濕度為：0%～100%RH；另外可對煙霧、光照度以及火焰進行監測。

4）自主防撞與避障系統

機器人本體帶有自主防撞與避障系統，采用超聲波探測，可對障礙物和隧道內工作人員進行探測，遇到障礙自動停止，并報警，同時加裝安全觸邊，防止碰撞造成人員及設備損傷。超聲波探測距離0.1～4m，探測角度120°。

5）精準定位系統

機器人采用精準里程定位，實時上傳自身位置信息，并通過GIS地圖實現精準定位，同時也可關聯百度地圖實現精準位置鎖定。

1.2 滅火機器人平臺

滅火機器人與巡檢機器人本體共用軌道系統、通訊系統、充電系統和控制系統，自身搭載超細干粉滅火器。滅火機器人能與巡檢機器人聯動，準確到達火災位置，其運動性能與巡檢機器人相同，如速度、爬坡能力、定位精度等。防護性能為IP65。

1.3 智能控制系統

智能控制系統是巡檢機器人的控制核心，利用智能控制系統軟件實現對巡檢機器人的遠程控制及信息處理等功能。

1）智能巡檢

按照預先設定的巡檢路線進行巡檢，同時可通過集控系統在巡檢過程中適時修改巡檢點和路線。系統提供手動控制和自動控制兩種對機器人的控制方式，并能在兩種控制模式間任意切換。手動控制功能可實現對機器人本體、攝像云臺、電源、可見光攝像機和紅外熱像儀的控制操作。自動控制時，系統能夠在全自主的模式下，根據預先設定的任務或者由用戶臨時指定的任務，實現各種檢測功能。

2）告警管理

控制系統對檢測超標進行實時告警，能以短信、郵件、聲音、軟件界面提示等方式進行告警，并能以人機界面方式對所有存儲的告警信息按照時間、地點或組合進行查詢。

3）信息采集與數據處理

控制系統控制巡檢機器人完成采集、存儲檢測數據和視頻圖像的功能，可對視頻進行播放、停止、抓圖、存儲、全屏顯示等；可實時記錄、下傳并在本地監控后臺上顯示巡檢機器人的工作狀態、巡檢路線等信息；控制系統也具有采集、存儲巡檢機器人傳輸的音頻信號功能，支持音頻信息的錄制、回放和可視化展示，展示內容包括聲音波形、頻域信息等；控制系統同時可采集、存儲紅外熱圖功能，并能夠從紅外熱圖中提取溫度信息。

控制系統除完成信息采集功能外，還提供數據處理等功能。包括：自動生成設備缺陷報表、巡檢任務報表，提供歷史曲線；可按巡檢時間、設備類型、設備名稱、最高溫度等過濾條件對巡檢數據進行查詢。所有巡檢產生的數據，系統都將自動保存下來，并形成報表，可供用戶打印巡檢記錄或者導出到Excel中。

1.4 軌道平臺

綜合管廊智能巡檢機器人的軌道平臺由工字型軌道構成，此軌道是一種專門特制加工的型材，它是軌道巡檢機器人的主體支撐軌道。為滿足不同需求，可采用多種模式：1）鋁合金導軌：外觀美觀、重量輕，但成本較鋼制導軌略高。2）鋼制導軌：外觀較鋁合金導軌略顯簡陋，重量較重，但成本低。軌道平臺要求承載重量150kg以上，每隔6米安裝一只軌道固定支架。由于地下管廊中濕度較大，軌道要有較好的防銹處理。

1.5 供電平臺

為保證巡檢機器人正常工作，一定要有可靠的電源供應。本系統采用電池和分布式接觸充電系統相結合的供電方式。分布式充電站采用接觸式防打火安全充電技術，每隔1000米設置一臺充電樁，充電系統具有良好的防打火性能，機器人車載電池單次充電能保證連續行走10km以上。

1.6 通信平臺

綜合管廊智能巡檢機器人系統利用無線網絡傳輸技術，實現遠程監控平臺對前端巡檢機器人的控制。在綜合管廊內每200米設置一臺無線發射終端，實現綜合管廊內無線網絡的無縫隙覆蓋。同時在綜合管廊內鋪設光纖通信傳輸網絡，綜合管廊內光纖通信傳輸網絡敷設的光纜及四電口10/100M電信級光纖收發器作為本系統的主干傳輸設備，巡檢機器人和遠程監控中心通過以太網進行通訊。系統配備后備電源功能，主網失電后，系統能正常運行工作不少于1小時。

2 綜合管廊智能巡檢機器人功能設計

2.1 綜合管廊的自動巡檢

綜合管廊智能巡檢機器人可不間斷地對綜合管廊進行反復巡檢，并對綜合管廊的環境數據、聲音、視頻進行連續、動態的采集及存儲。巡檢機器人具備開機自檢、自動休眠、上位喚醒等多種工作模式。遠程控制端可控制機器人的行走速度：0～120m/min可調，具有自行勻速巡檢、工作位置準確停車探測、緊急事件高速到達、遇到障礙自動停車告警以及遇到人員減速跟蹤探測等功能。

2.2 巡檢機器人行走方式設計

巡檢機器人采用自動行走的懸掛軌道式設計，由電機驅動巡檢機器人行走，從機械設計上保證機器人爬坡時，對摩擦力的要求。同時機器人具有姿態分析功能，當遇到上坡、下坡以及轉彎等情況時，自動調整運行。因為機器人運行時靠軌道兩側的驅動輪夾緊運行，分別由各自電機驅動，當運行軌道存在上坡、下坡以及轉彎等情況時，機器人的運行速度要發生變化。為了保證巡檢機器人的監測質量，希望巡檢機器人不論在任何環境下都能自由、平穩的行走。本系統采用了基于傾角傳感器的巡檢機器人調速裝置及控制方法，通過巡檢機器人內部預置的傾角傳感器，實時采集機器人本體運行中姿態的變化，根據機器人本體行進方向俯仰角度、傾斜角度以及航向角度的變化，控制機器人本體合理的調整運行速度，使機器人本體行走能夠滿足各種工況環境的需求。

2.3 巡檢機器人災害處理手段

巡檢機器人具有災情預警、高溫識別、火焰識別、定位、定點滅火能力。現場出現災情時，巡檢機器人可將事故現場的圖像、環境溫度、有害氣體的含量等數據發送回指揮中心，并能通過應急對講進行現場指揮作業或緊急疏散。巡檢機器人還可依靠熱成像技術穿透煙霧，準確探尋現場傷員位置，為搶險救援提供決策。

2.4 多樣化的應用模式

巡檢機器人系統具有多種應用模式，可以實現靈活、多樣、快速、便利應用，諸如：例行巡檢、遙控巡檢、特殊巡檢、設備精確測溫、應急事故處理、遠程監控指揮等高級功能。巡檢機器人在發現異常或自身出現問題時，可以發出聲音報警，并以短信或郵件形式通知用戶。

3 結束語

綜合管廊作為解決城市地下空間與管網問題的有效方式，代表了城市基礎設施發展的必然方向和全新模式，其發展前景是毋庸置疑的。目前，對綜合管廊的研究主要集中在開發利用的規劃、設計和施工階段，而對管廊后期的運營管理，特別是以電氣控制技術為手段的運營管理方面的研究較少。城市地下綜合管廊智能巡檢機器人系統，可以實現對綜合管廊的自動巡檢，實現綜合管廊的現場災害處置，可與原有在線監控系統聯動實現對綜合管廊的智能化管理，為城市工程管線的可靠運行提供全面的技術保障，對保證綜合管廊及綜合管廊內工程管線的安全穩定運行具有重要意義。

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3 結束語

高精度激光焊接系統的應用，更加完善了電子元器件高精度自動裝配與焊接系統在電子裝配領域的不足之處，系統依靠其精度高、穩定性好、靈活度大等特點會在未來電子裝配生產中占有一席之地。

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The design of intelligent inspection robot for utility tunnel

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TP242

：A

1009-0134(2017)01-0091-03

2016-10-24

裴文良（1975 -），男，河北唐山人，高級工程師，本科，研究方向為礦山機械設備、自動化電子設備及產品設計、研發。