地鐵站機房智能巡檢機器人系統設計與應用

侯娜

摘 要：現今以IT平臺為依托，大數據為依據，通過不斷完善管理和優化程序，提升運營水平已成為主要趨勢。本文首先分析地鐵站機房智能巡檢機器人系統的方案設計，然后探討系統硬件電路設計和系統軟件設計，以期為地鐵站機房智能巡檢機器人系統的應用提供參考。

關鍵詞：智能巡檢機器人;地鐵機房;磁導航系統;模塊化設計

中圖分類號：TP242;TP308文獻標識碼：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、機房等采用7×24h專人值守的方式，工作人員需按時巡查機房基礎設施，并對基礎運行數據進行檢查核對分析。這種耗時費力的方式，導致工作效率低下，巡檢標準化程度也相對難以得到保證。機房設備數量大、類型多，需要巡檢人員具有相當的專業知識背景，新進人員必然需要相當的時間進行培訓和實習，而地鐵站數量繁多且不斷增加，現有熟練工種數量往往跟不上高速發展的需求。而提高監測手段、提升綜合管控效率，引進智能巡檢機器人必將成為解決這一問題的最佳方案。

應用于鐵路及地鐵站室內工作區（機房、繼電柜室、配電室及配電所等）的巡檢機器人：擁有可升降1.8區間并360°任意水平角度旋轉的紅外熱成像和高清視頻雙視結合技術的機頭;采用全模塊化高封閉式機器人，無需維護，全自動化充電、自動化作業，出現問題部件可直接更換相應模塊，簡單快捷高效，且可以自由添加開發各種新功能;能按照提前規劃的巡查線路自主行走;可以對機房各類數據分別搜集并集中處理，定期對各種設備儀表進行巡檢，集中排查，發現故障后及時通知后端處理并記錄，也可以對接機房出入管理系統，部分替代人工隨工監督。很多原本需要人工處理的工作，被智能巡檢機器人系統取代后，不但節省了人工成本，還避免了漏檢、檢測不仔細等情況，從而實現機房管理自動化。

這些看似簡單的功能，想要通過機器人全部完美實現并沒有想象中那么簡單。而相對地鐵機房工作的特殊要求，機器人需要進行更復雜、更精細的工作。比如，機器人需要在結構復雜的機房中自如穿行，并達到一定的移動速度，機房工作人員往來，通道寬度有限，機器人需要對運動物體有良好的避障能力[1]。

2 系統方案設計

此方案先期模擬規劃城際場信號繼電器區和京廣場信號繼電器區的機器人（自動/手動遙控）巡檢任務。配置1～2臺巡檢AGV和1套自動充電樁，巡檢AGV機器可每天自動巡檢并將巡檢情況報送至上位機，也可手動控制AGV巡檢機器人去檢查某個位置的繼電器柜工作情況。AGV巡檢機器人配置可升降攝像裝置，當需要檢查對面電器柜工作情況時，機器人攝像裝置自動旋轉一定角度實現拍攝功能。機器人磁軌路徑規劃見圖1。

該繼電器智能巡檢機器人對繼電器柜室內外設備進行自主巡檢與數據采集;機器人室便于為機器人提供充電及儲存;通過無線通信系統，將巡檢數據實時傳輸至本地監控后臺，完成數據的分析處理及預警、告警等功能;通過遠程集控后臺實現系統遠程集控管理。

3 系統硬件電路設計

對智能循跡機器人系統進行模塊劃分，將系統分為主控系統、電機驅動模塊、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，對各個模塊進行器件選型及相應的硬件電路設計。

其中，電機驅動模塊選用德國MOTEC 100W直流伺服+驅動器+CANopen通信。該直流電機驅動器件具有很高的集成度，能提供足夠的輸出能力，同時在能耗和運行性能方面具備良好的優勢。CANopen通信的信號驅動具有諸多優勢：①物理層非常穩定;②數據鏈路層可靠，因為相比其他所有總線，只有CAN可以達到漢明間距（Hamming Distanz）為6，能檢測報文里多達5個隨機引入的位錯誤及15位突發性錯誤;③靈活，兼容性高;④可互操作性高;⑤CAN產品尺寸小，節省空間;⑥支持冗余備用。

作為智能機器人“眼睛”的圖像采集模塊，關鍵作用是要獲取更多質量好的路況信息。

數字圖像采集方法是利用大分辨率數字攝像頭直接輸出數字信號，直接讀取傳感器的數字輸出。

電源電路模塊的設計對整塊電路的供電是否穩定起著決定性作用，除了要分別為各個電路提供穩定的電源電壓外，同時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穩壓器，并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路，輸出電壓穩定。

設計完成的智能車整體實物如圖2所示。

4 系統軟件設計

控制策略是智能機器人設計的核心內容。若智能機器人的運行速度過快，則會導致智能機器人來不及反應而沖出軌道。通過加入速度控制單元，使機器人的運行速度和運行狀態得以控制。若機器人發現有彎道，則會減速運行，如智能機器人向左偏離軌道，則控制左側電機轉速下降，直到機器人直線行駛。

4.1 磁導航系統流程

磁導航是一項應用性非常好的技術，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跟蹤路徑之間的位置偏差，從而實現車輛的控制及導航。磁導航具有很高的測量精度及良好的重復性，磁導航不易受光線變化等的影響。在運行過程中，磁傳感系統具有較高的可靠性和魯棒性。磁條一旦鋪設好后，維護費用非常低，使用壽命長，且增設、變更路徑較容易。

系統整體軟件流程如圖3所示。

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

警示裝置包括警示燈和警示蜂鳴器，用以提醒應用現場的人們及時發現正在靠近的機器人并采取相應的措施。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器人的運行，為便于緊急情況下操作，磁導航小車在地面控制中心、小車車用遙控器和小車車身兩側設置紅色的急停按鈕。當緊急停止按鈕按下后，機器人切斷一切設備的動力供給，啟動制動器并報警，在排除緊急停止原因之前機器人維持停止狀態。

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360°;還具有端部旋轉功能：根據現場需要檢測對面電器柜式，端部檢測裝置可旋轉360°實現水平任意角度的檢測。根據現場需要，攝像頭端部可升降，可旋轉，適應1.8m高度內對稱擺放的電器柜巡檢。智能巡檢機器人成品圖見圖4。

4.3 圖像的處理

所有故障信息發生時間及試驗進程的歷史記錄可在計算機上查詢;軟件設置具備工程密碼，需要專業人員可進入。巡檢點ID，即在地圖中設置的機器人工作站點，一個巡檢點包含多個監視點。

“巡檢統計”模塊分為“數據統計”和“曲線圖”兩個界面。

①數據統計：數據統計部分以每個儀表名稱（監視點ID）為主鍵，包括巡檢時間、監測數值、儀表屬性（量程，類型）、云臺拍攝的圖片路徑。

篩選功能：用戶可根據監視點ID、儀表類型、巡檢時間篩選出對應的數據，也可根據需求進行打印，導出Excel表格和PDF文檔。

②曲線圖：曲線顯示部分以每個巡檢點為主鍵，顯示每個巡檢點下的監視點數據。巡檢時間為橫軸，監測數值為縱軸。

5 結語

地鐵各類機房機器煩瑣，各種儀表數量頗多，加之準確率、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知識和專業性要求很高，需要其有相應的工作經驗及責任感，且需要多人24h不間斷輪流巡查，各項成本也相應較高。而應用于鐵路及地鐵站室內工作區（機房、繼電柜室、配電室、配電所等）的巡檢機器人：擁有可升降1.8區間且360°任意水平角度旋轉的紅外熱成像和高清視頻雙視結合技術的機頭;采用全模塊化高封閉式機器人，無需維護，全自動化充電、自動化作業，對出現問題的部件可直接更換相應模塊，簡單快捷高效，且可以自由添加開發各種新功能;機器人替代人工巡查既可以大大降低各項成本，也能通過各項功能和系統提高準確率和排查率，從而進一步確保地鐵系統的安全運營。

在今后的發展過程中，要為機器人執行模塊添加更多新功能，如在巡檢過程中，使機器人實時感知機房內的溫濕度，并能很“聰明”地將數據分析消化，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只能操作一臺機器人的限制，可以一臺主機同時監控超過20臺巡視機器人，可同時在該主機上對其所控制的所有巡查機器人進行信息錄入與問題篩檢。不斷改進和強化機器人巡查系統，使其替代人工巡查，將是未來地鐵機房巡查的必然趨勢。未來地鐵運營業將因此更加安全可靠。

參考文獻：

[1]劉順明.機房低壓供配電系統的可靠性設計[J].中國金融電腦，2009（3）：84-88.