鐵路設備房屋機器人巡檢系統安全研究與應用

陳志穎

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043； 2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

隨著我國鐵路里程數的不斷增長、列車運行速度的不斷提高[1-6]，以及信號技術的不斷進步，無人值守車站和中繼站的數量隨之大量增加。設置在車站和中繼站的控制列車運行的關鍵設備數量龐大、種類繁多，造成維護困難、時效性差。現有信號集中監測設備偏重于設備技術參數的采集和分析，缺少現場實時、準確的監測巡視手段[7-9]，如果依靠人工完成監測巡視，一方面在廣袤的西北地區、川藏地區不符合以人為本的原則；另一方面，缺少專業技術水平高的維護人員；還有維護成本相應增高的問題。因此，利用先進的機器人技術實現無人值守設備房屋在線安全監測與檢查系統，利于提高現場安全維護水平、降低事故率，對鐵路行業智慧化、智能化的健康發展具有重要意義[10]。

鐵路機房信號設備影響列車運行安全的故障主要有軌道電路故障、列控系統故障、防雷設備故障、聯鎖系統故障、繼電器設備故障、環境(煙霧、水淹、人員跟蹤)等六類設備故障。這些系統故障會直接影響列車運行安全[11-14]，因此設備故障發生時需要由鐵路局電務技術人員來進行設備的故障判定與故障排除，進而鐵路局電務技術人員在設備故障情況下參與作為了生產活動的主體，也成為安全事故的主要因素。由于設備發生故障處理不及時、鐵路局部分電務技術人員的經驗欠缺，導致故障排除不準確占了安全事故的大多數，雖然鐵路局相關單位制定了很多設備的故障處理辦法，但面對動態的、復雜的環境及多變的工人行為仍難以控制，且現有安全培訓手段很難讓工人深入了解項目中的全部安全隱患，為此，研究采用“以機器換人工、以機器換正確”的方法，建立鐵路機房機器人智能巡檢系統，實現設備的在線監測，故障在線判定等。

通過研發“鐵路機房機器人安全巡檢設備”，運用相關的安全理論及設備，實現軌道電路、列控系統、聯鎖系統等設備的在線監測，構建合理的安全預警體系[15-18]，以更好地預防和解決現場設備故障問題，進一步提高管理水平，改善維修能力，提高維護效率。

1 設備房屋安全巡檢功能需求分析

信號機房設備機器人安全巡檢系統通過圖像和視頻傳輸、熱探測、傳感器等相關技術，實現機房關鍵設備的狀態信息、環境信息、人員信息的遠程監督與安全監測，利用高速傳輸通道實現設備遠程在線巡檢。根據現場實際運營維護需求，對設備的安全巡檢需求進行分析。

(1)路徑自動生成與空間自動構建。采用SLAM同步定位與建圖技術，在機器人移動過程中根據位姿估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位基礎上建造增量式地圖。機器人導航由定位和路徑規劃兩部分實現，在已有地圖的基礎上，通過將慣性導航IMU、里程計和激光雷達的數據有效融合獲得較精確的位姿信息，通過Dijkstra算法獲得從機器人當前位置到目標位置的全局路徑規劃，在全局路徑的基礎上通過機器人運動模型并對速度空間采樣，規劃出機器人的當前速度，實現機器人在有障礙物的環境中面向目標的自主運動。

(2)機器人設備自防撞功能。機器人通過激光雷達掃描周圍環境信息，形成環境地圖。在行走過程中不斷對環境進行探測，如規劃的線路上有大于自身尺寸的障礙物出現，機器人會依據當前位置與目標位置的關系，自動形成新的導航路徑。為了提高可靠性，機器人不同高度的位置上使用了紅外探測器，探測不同高度的障礙物，在數據處理上將紅外數據與激光雷達數據進行多元數據融合，共同實現路徑導航與避障功能。試驗結果表明，利用激光雷達及紅外測距方式實現的防撞技術性能可靠，分辨率高，控制準確，有效防止機器人與其他設備物體相撞，保護了機器人以及巡檢環境中其他事物的安全。

(3)設備狀態圖像、視頻高速傳輸。在opencv算法庫的基礎上，搭建一套圖像對比軟件，通過將當前拍攝的畫面與建模時拍攝的畫面進行比對，找出模型圖中的信號燈與當前待識別圖像中的信號燈之間的對應關系，在一定范圍的位置和角度偏差條件下可根據模板圖片中各信號燈的狀態，將當前識別圖形中對應的燈進行狀態比較，根據顏色、亮滅燈信息、數字信息等，判斷該信號燈的狀態與數值，并判斷此次識別的可信度。以矩陣的方式對機柜的信號燈排列狀態進行建模，根據算法處理將待識別圖片中的信號燈與矩陣模型中的位置坐標建立對應關系。

(4)設備、線纜發熱監測。對于防靜電地板下的信號或通信電纜利用在防靜電地板支架裝設掛軌，設定周期掛軌機器人定時通過熱紅外掃描對其進行掃描和巡視，記錄電纜發熱及完整狀態，并記錄工作狀態；同時對于防靜電地板下的可能進入的老鼠可以追尋定位與報警。

(5)煙霧、水淹、門禁功能。機器人系統與設置在機房內的溫度傳感器、煙霧報警傳感器等設施通過無線相連，可以有效地對機房內的環境進行監測，達到煙霧報警、開門監測等功能。

(6)人員識別與管理。采用先進的人臉掃描系統，與機器人核心系統匹配，對進入機房的人員進行跟蹤管理，臉部識別與記錄，進而有效保障機房的安全。

2 機器人安全巡檢系統構建

2.1 系統硬件框架構建

巡檢機器人硬件系統是整個機器人的運行基礎，其可靠性非常重要[19-21]，硬件設計充分考慮影響可靠性的各種因素，包括電池系統的過流保護，短路保護，欠壓保護；模塊接口的穩固性；激光雷達的使用壽命；系統的抗震性等。

整機硬件包含攝像頭、激光雷達、X86處理器、用戶人機接口、升降電機控制單元、底盤電機控制單元、自動充電控制、避障系統等單元。如圖1所示。

圖1 機器人硬件設備構成

2.2 安全系統主要功能模塊

根據現場設備機房的不安全行為和安全需求預警的信息進行分析，構建機器人機房運行環境軟件系統，主要由定位建圖與導航系統、人機接口與系統集成系統、圖像處理與圖像識別系統3部分組成，如圖2所示，該系統包括9個關鍵模塊。

圖2 安全系統主要關鍵模塊

地圖構建模塊：在ROS系統中開發激光雷達底層驅動，實現激光雷達數據解析與封裝處理，在地圖構建模塊中訂閱激光雷達節點信息與位移節點信息，在機器人移動過程中實時獲取周圍環境信息和移動方向與速度信息，采用數據融合算法對機房空間進行地圖建模與驗證，最終將所生成的完整地圖進行保存，供其他模塊進行調用。

機器人定位模塊：以地圖構建模塊生成的地圖或者外部導入的地圖為基礎，通過訂閱激光雷達節點信息與位移節點信息，以初始點為基準，實時獲取周邊360°距離信息與速度位移等信息，與地圖信息做比對，采用多點定位的方式，對比置信概率，最終選取置信概率最大點的位置信息，并以ROS節點的方式實時廣播相對坐標下的位置信息。

導航及移動模塊：以地圖構建模塊以及機器人定位模塊的數據為基礎，通過訂閱激光雷達節點與定位節點信息，以初始點為基準，實時獲取位置信息、角度信息、周圍環境信息，判斷是否需要避障以及路徑重新規劃，并將路徑信息轉換為MCU電機的控制指令，實現位移、角度、速度的控制。

路徑規劃及避障模塊：該模塊主要采用VFH(Vector Field Histogram)直方圖法，主要將周圍環境抽象為一系列具有二值信息的柵格單元，每個矩陣柵格具有一個累積值，表示此處存在障礙物的可信度，通過訂閱地圖模塊、導航模塊、定位模塊等信息，實時維護柵格信息，并根據地圖信息進行路徑規劃，如遇到障礙需要避障時，調用避障模塊，選取最優方式進行避障。

自動化運行模塊：該模塊為應用軟件中最核心的處理模塊，主要實時獲取定位建圖與導航系統的信息，判斷條件觸發機器人的移動、云臺、升降桿、燈光、相機、充電等所有操作，也控制所有數據的分發與處理，是整個系統信息融合與綜合調度的中心。

遠程手動控制模塊：通過遠程遙控器或遠程鍵盤控制機器人的位移、拍攝等操作，并具有操作記錄的功能，該操作主要通過wifi網絡遠程控制，需要制定標準的通信接口。

巡檢位置設定模塊：類似于飛行器的航跡點，在地圖中設置重要的路徑點與拍攝位置，該信息的輸入可分為3種方式：通過遠程手動控制模塊記錄；通過配置文件輸入相對坐標；在地圖信息中加載。

視頻壓縮與傳輸模塊：該功能開啟時，將攝像頭拍攝的實時視頻碼流進行壓縮處理，通過wifi網絡實時發送至遠端服務器，方便用戶進行遠程控制。

異常處理模塊：對各種異常情況進行日志記錄方便后期追溯，并針對異常情況進行實時處理，該處理模塊需要與具體場景結合，不斷更新完善，項目初期設定情況包括：無法定位、低電量報警、無法自動充電、各模塊告警等情況的處理。

2.3 系統安全功能分析

(1)定位功能

激光雷達向周圍360°(或小于360°)環境高密度的發出激光，同時通過接收反射光確定其某一個角度上物體的距離，通過360°測量，激光雷達可以感知到自身周圍的物體。使用這種方式，在一個有限環境中進行遍歷，可以建立環境中障礙物之間關系的分布圖，這個功能為地圖構建。地圖構建之后，機器人在此環境中通過與障礙物之間的距離(3個點以上)匹配，可以得到自身位置。在地圖上設置目標點，通過一定的軟件算法，機器人可以避開障礙物，按規劃路線安全到達目的地，實現機器人路徑規劃的功能。機器人在行走過程中要不斷探測周圍環境，得出自身位置并與路徑地圖進行比較，計算出運動的方向，控制機器人動力系統。

(2)云臺控制功能。機器人云臺、升降機配合完成水平方向與俯仰方向攝像頭的調整，方便攝像頭抓取高質量照片。云臺角度與升降機的高度值都有反饋信號。機器人的這些參數現場生產并且存放在X86內部，需要巡檢時，X86把這些數據發送給嵌入式，軟件模塊按照參數要求控制云臺角度與升降機高度。

(3)避障功能。激光雷達本身就可以實現避障功能，為了保證系統的可靠性，增加超聲雷達與紅外測距兩種避障方式，另外增加了機械碰撞檢測開關，能夠快速斷開電機電源，防止意外事件發生該模塊獲取超聲雷達與紅外傳感器的數據，綜合判斷路徑上的相關信息，將信息上報給系統進行分析判斷決策與決策，避障處理模塊根據返回的命令執行相關操作。該模塊主要采用VFH(Vector Field Histogram)直方圖法，主要將周圍環境抽象為一系列具有二值信息的柵格單元，每個矩陣柵格具有一個累積值，表示此處存在障礙物的可信度，通過訂閱地圖模塊、導航模塊、定位模塊等信息，實時維護柵格信息，并根據地圖信息進行路徑規劃，如遇到障礙需要避障時，調用避障模塊，保證安全性，避障處理模塊會不斷分析碰撞風險，當風險超過預設值，不管是否收到反饋信息，避障處理模塊會自行執行安全措施，比如停止前進等。

(4)光監測與補償功能。機房在無人進入時可能存在關閉照明系統的情況，機器人需要適應這種環境變化。系統需要檢測環境光線情況，根據檢測數據控制LED燈進行光線補償，設計成大面積散射光源。為了解決機房照明關閉的情況，機器人有自動燈光補償功能。光照傳感器會根據機房光照情況返回光照數值，光照補償模塊會根據光照數值設定補償量，在實際應用中，補償量也無須到達機房照明系統的亮度值。

(5)電源監測功能。自主充電系統分為兩部分，充電自動對接部分與充電控制。充電自動對接主要依靠激光雷達完成機器人與充電樁的位置匹配，使用紅外發射管完成角度對齊，霍爾傳感器檢測機器人與充電樁對接穩定的電源系統是機器人安全性的重要保證，機器人中使用了蓄電池，對蓄電池進行安全設計尤為重要。電池選用工業級鐵鋰電池，電池必須有過熱，過流，過壓，欠壓，短路保護，并且有一定的抗震能力。

2.4 安全控制措施

安全性主要體現在電池安全性，設備運行安全性，防碰撞安全性。

(1)電池安全性：蓄電池存在爆炸，著火等隱患，所以對電池的可靠性要求非常高，電池選用鐵鋰電池，并且電池設計過溫保護，過壓保護，過流保護，短路保護，同時對電池的抗震性也提出要求，需要滿足《電動自行車電池標準》。

(2)設備運行安全性：在硬件設計上考慮硬件安全性保護，進行過流保護，溫度檢測等功能，監控系統溫度狀態。

(3)防碰撞安全性，為了防止機器人碰撞其他設備，專門設計了兩重防碰撞檢測，保證機器人的碰撞安全。

2.5 質量控制措施

保證設備的功能和技術性能均應滿足要求；在可行的情況下，盡量借用或借鑒其他產品的已經成熟的技術，設計時應考慮產品的可制造性。

(1)元器件質量控制。器件選用遵循簡化原則，在不影響功能、可靠性的前提下，優先選擇生命周期處于成長、成熟的器件，優先選用有穩定可靠的供貨來源的元器件。硬件設計時要充分考慮器件或模塊的降額使用，電源保證滿足80%的降額，鉭電容考慮滿足60%的電壓降額。

(2)軟件質量控制措施。在軟件的全壽命周期嚴格按照軟件工程化要求進行軟件的需求分析、設計、編碼和測試，確保軟件可靠性；在軟件開發的全過程按照軟件工程化管理標準的要求進行軟件的配置管理；在軟件設計中要盡可能采用避錯、改錯和容錯設計。提高軟件的健壯性，避免在出現不合理的輸入時使程序轉入非期望的程序段或引起程序本身癱瘓。

3 成果應用情況

“機器人智能巡檢系統”在智慧京張、寶蘭高鐵中繼站7進行展示，在銀吳高鐵吳忠車站成功應用，該系統實現通信及信號機房的自動尋路、避障巡檢、遠程視頻監控、機柜及設備狀態指示、告警識別、設備的溫度監控、紅外成像功能，通過與房屋的動環進行聯動，實現告警目標信息并遠程預警。銀吳高鐵吳忠車站機器人見圖3。

圖3 銀吳高鐵吳忠車站機器人

4 結論

本文通過對無人值守機房設備安全巡檢問題，提出采用智能巡檢機器人實現遠程智能維修和維護，該設備成功在寶蘭高鐵、銀吳高鐵吳忠車站、智慧京張使用，通過對其安全性分析，得出如下結論。

(1)利用機器人實現無人值守鐵路設備房屋的設備安全防護、故障遠程監督、人員的在巡檢、環境的重點監測等功能，有利于降低人員操作失誤引起設備故障進而引發鐵路重大行車事故的風險，達到“強基達標、降本增效”的目的。

(2)采用了激光雷達、傳感器、遠紅外等多種融合技術，構建了機器人安全運行平臺，實現設備故障監測與判斷、設備碰撞預警、人員操作監測等功能，有利于對鐵路運行安全行為進行實時監控，并及時反饋預警信息，防止事故的發生。

(3)該系統在“運行空間自動構建”、“紅外雷達及激光傳感器三重防撞技術融合”、“圖像高速傳輸與智能處理”、“設備熱感溫在線監測”等方面取得重大技術突破，形成了無人化站點的設備機房在線監測與管理體系，填補了國內外多領域的技術空白，有效助力智慧高鐵。