面向地下空間的智能軌道巡檢機器人系統研究

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急聯動能力和節約運營管理，我們研制開發了一種應用于地下空間的智能軌道巡檢機器人系統技術及方案設計，本文詳細描述了巡檢機器人-本體設計、軌道系統設計和遠程控制中心系統設計。機器人的巡檢控制系統能夠進行5種模式的巡檢，各模式靈活切換，滿足不同的管理需求。通過環境測試以及改良后，巡檢機器人工作性能更佳，能夠適應復雜的地下空間、隧道等建設期和運營期，研究具有一定參考價值。

關鍵詞：巡檢機器人;地下空間;模式切換;建設期和運營期

一、引言

隨著IT技術的高速發展，在土木工程領域內運用高新技術手段，如智能化、機械化的裝備，監控地下空間/隧道的狀態，并對病害預識別和預警，對地下空間是否能健康運營管理和安全耐久使用、避免造成非必要的損失，有著至關重要的意義[1]。那么如何利用隧道智能巡檢機器人[2]及其相應的集成化技術，實時掌握、處理和發布地下空間/交通的運行情況和預警信息，提高地下空間內的安全應急反應力，同時向管理人員、司機、乘客及相關人員提供方便、快速、有效的行車安全預警信息服務[3-4]。

本文從隧道現場的實際需求出發，提出了一種面向地下空間的智能軌道巡檢機器人系統，該機器人是一款結合物聯網、機器人和人工智能技術的現代化基礎設施管理智能裝備。該機器人分為巡檢機器人-本體、軌道系統和遠程控制中心系統。

二、巡檢機器人-本體

巡檢機器人-本體接收遠程操控系統的命令控制，驅動相關執行器來輸出機械機構，同時將機械機構的狀態、環境信息與機器人的運行狀態由網絡通信傳輸給遠程控制中心系統，將進行相關信息處理。巡檢機器人-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

為實現高度自動化和智能化，該巡檢控制系統可實現在地下空間內自主地進行的巡檢。機器人-本體按照管理員預先設定的模式巡檢任務，通過任務規則自動完成對周邊環境、設備等監測活動。巡檢任務模式分為2種：自動化巡檢和手動遙控巡檢。

1.自動化巡檢

自動化巡檢即通過預設路線進行巡檢任務，自動化巡檢任務模式可自由切換，主要包含：定時任務巡檢、常規巡檢、特殊巡檢、反復巡檢和一次性巡檢。本體上配備拾音器、紅外攝像頭、氣體環境監測等監測設備，進行可見光拍攝、紅外光拍攝、軌道范圍內的巡檢及周邊環境監測等巡檢任務，并將巡檢數據、視頻數據和圖片數據自動同步到遠程控制中心系統留檔，同時根據制式表單生成可直接上報的報表。

2.手動遙控巡檢

除自動化巡檢模式以外，管理員采用手動遙控巡檢模式實時遙控機器人-本體的走行。此手動模式適用于鎖定和監測某一種類設備狀態，特別是在自動化巡檢時，若檢測到設備或周邊環境有異常預警，管理員可立即用遠程控制中心-手動遙控頁面/遠程遙控手柄，將機器人-本體移動至異常位置，及時查看并核實報警的真實性，為領導和管理人員提供響應策略支持。

（二）實時視頻系統

通過機器人自身攜帶的可見光攝像機，完成視頻圖像的數據采集，對隧道內的實際狀況實現視頻監控，進行事故現場查看，處理事故，并通知組織救援。

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

內置圖像算法——為智能分析處理圖像和視頻流數據，設計并研發了高精度圖像識別算法，該算法是完全自主可控的，實現對于隧道實景（襯砌、路面）結構影像展布圖拼接，支持存儲導出功能，從而全面掌握隧道內結構及環境的狀態信息。

（三）隧道內環境檢測

機器人能對氣體、溫度、濕度等環境信息進行實時監控，為管理人員分析設備運行狀態提供全方面信息。智能巡檢機器人自身攜帶的環境監測模塊，能夠監測環境中的有害氣體、溫度、濕度、煙霧等環境信息。

移動連續檢測隧道內的有毒有害和易燃易爆氣體，機器人實時采集的環境信息及時傳輸到控制中心，為操控人員提供現場環境信息，當監測到有害氣體超標時，系統將進行報警，以提示管理人員及時處理。

（四）機器人自檢

機器人作為巡檢系統的主體，搭載主要的檢測設備在前端采集各類數據信息。為了保證機器人日常工作的開展，機器人在啟動巡檢前均會進行自檢，自檢內容包括高清相機、電機、云臺、內部存儲及各種傳感器等，若發現部件異常，則給出異常狀態指示，并將系統異常信息上傳至監控后臺，方便管理人員及時發現故障，減少處理時間，提高解決故障的效率。

（五）通信系統

面對地下空間的長距離和大范圍的通信場景，同時考慮多種設備的無線接入需求，如：機器人-本體、IoT和移動終端等，且還要綜合全覆蓋的通信需求。因此，首先按照500米一個點位在線性的地下空間布置無線通信基站，保證每個基站在一定的通信范圍內重合，同時在線性彎曲點布置通信基站的點位;其次，為提高可靠性，采用光纖環網來實現地下空間內部的無線全覆蓋通信，同時也支持通信漫游，任意點帶寬支持≥60Mbps，無線信號強度≥-50dBm。

（六）導航定位方式

為使管理員能獲取機器人的實時位置信息，我們為機器人安裝了定位系統。對于地下空間自動巡檢機器人來說，一套快速、精確的定位系統是極為重要的[5]。因為當機器人在巡檢過程中發現隧道內出現異常狀況時，通過定位系統，控制平臺側可以迅速確定異常狀況所在位置，并予以排除。

本文設計的機器人是通過RFID超高頻電子標簽、伺服電機里程盤和定位系統相結合，來準確獲取定位信息，以消除積累誤差，目前已做到毫米級定位，保障管理員能夠實時獲取本體的定位信息。

（七）大容量電池充電

在機器人-本體上裝備了超大容量的鋰電池包，綜合考量電池壽命、環境和維修的便利性，將電池包設計成可拆卸的。同時為方便充電，在軌道系統旁多個位置安裝無線充電站為電池充電。機器人-本體的控制系統實時監控電池的電量狀態，當電量低時自動移動到充電站充電。

動力電池是智能監測機器人的能量來源。因此，在選取機器人的電池時尤為謹慎，結合多個關鍵指標，如：能量密度、充放電倍率、充放電循環次數、工作溫度范圍、有無記憶效率等，在市場范圍內進行篩選;同時，綜合價格、穩定性、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器人的鋰電池。

三、軌道系統

軌道系統從地下空間的實際需求出發，以簡易化和輕量化的設計原則進行設計，可實現簡易化安裝部署、靈活拆解。軌道設計是采用上承載，下支撐結構，使軌道受力均衡;軌道整體結構配合運行設備結構設置，使結構相互吻合，達到設備不脫軌。

軌道是以鋁鑄加工制作鋁制輕型導軌，軌道精度達到±0.1毫米，軌道4米/根，導軌寬度0.048米，高度 0.077米，每根頭尾有6個固定安裝孔;軌道起點安裝充電裝置，用于電池包的充電，接入電源為220V，輸出電壓為48V;通過技術設計驗證，解決現有軌道的設備移動速度慢的困擾，軌道設計承載時速為 0～12km/h。

四、遠程控制中心系統

遠程控制中心系統可實現機器人巡邏數據日志的上傳、分析和處理，根據預先設定的監控及檢測功能和檢測點清單，生成統計分析和預警報告，并回傳給后臺，為人工的后續處理和決策提供參考;巡檢數據包含隧道襯砌結構、路面、環境信息、事故信息等。

（一）輸出自動報表

機器人根據巡檢情況自動匯總數據生成制式表單，在完成任一巡檢任務后管理員可直接在遠程控制中心平臺上查看當前任務報表，也可通過巡檢類型、任務名稱和時間等篩選條件查看往期報表。不同類型的巡檢會產生不同的報表，包括巡檢任務報表、數據報表、報警記錄報表、環境信息報表等。

（二）預警與聯動

機器人-本體在自動化巡檢/手動巡檢中，通過多種技術手段，如：視頻流/圖片的AI世界分析技術、數值對比分析、趨勢圖分析等，可快速、自動化預警異常數據信息。預警異常信息通過遠程控制中心系統-報警界面和機器人-本體上的語音播報和警示燈報警，向遠程管理人員和現場人員進行預警，提醒管理人員和現場人員注意周邊情況，及時和快速地作出應對，保障現場人員的安全。當后臺分析數據顯示為異常時，后臺監控軟件界面會出現告警信息列表，管理人員通過操作滾動顯示告警信息。當系統存在告警信息時，系統通過巡檢機器人告警音頻及燈光閃爍，提醒管理人員注意。

五、測試及方案調整

巡檢機器人完成設計、組裝和調試后，選取了1公里的隧道環境進行適應性測試。測試過程中，發現機器人多次出現以下問題：鋰電池包出現快速衰減狀態;發送充電指令，機器人-本體到達充電位，但未充上電。經過反復測試論證，增加以下兩個方案來解決。

（一）滿電自斷電模式

智能軌道巡檢機器人使用大容量鋰電池，反復充滿電會降低鋰電池的壽命，為了改善這一情況，本文設計了一款自動充電邏輯方案：在“電壓值<預設最低電量”時，機器人會自動回到充電位進行充電;當“電壓值>54.X”時，自動結束充電，若無巡檢任務則原地待命。其邏輯圖如圖2所示。通過驗證，此邏輯有效減少了電池反復充電的情況，大大降低了鋰電池的衰減。

（二）充電定位偏移調整模式

為了解決由于位置偏差導致未充上電，需要人工去現場充電情況，本文設計了一種充電定位方案，在啟動充電模式后，系統會自動檢測機器人內置的光電開關&充電電流是否被觸發，若未觸發則會一直移動直到充上電，并進行預警提示提手動遠程操作。其邏輯圖見圖3所示。通過驗證，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試成本。

六、結束語

本文設計了一種面向地下、隧道等的智能軌道巡檢機器人，該機器人可前、后行走，可運用于環境復雜的地下空間、隧道等建設期和運營期。通過功能、性能以及環境適應性測試，目前機器人的自動巡檢、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，實時掌握隧道內實時信息和環境信息;此外，機器人的定位精度可達毫米級，使得管理人員能在控制中心快速確定異常狀況所在位置，及時派遣工作人員前往予以排除。遠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

[1]李辰迪，王艷新.RFID技術在機器人室內定位中的應用[J].中國教育技術裝備，2013.

[2]吳鍇，左兆陸，竇少校.我國軌道式巡檢機器人研究及發展現狀J].軟件，2018，39（11）：80-83.

[3]魯守銀，張營，李建祥，等.移動機器人在高壓變電站中的應用J].高電壓技術，2017，01（43）：278-279.

[4]配電室巡檢機器人室內掛軌式巡檢機器人解決方案[J].石初，楊開九，吉小亮，楊春江.無線互聯科技.2021（20）.

[5]楊學亮，項安，劉青松，等.基于RFID的軌道機器人定位系統研究[J].機電一體化 ，2012（9）：18-21.

[6]郭波超.管廊軌道巡檢機器人動態無線供電系統的研究與設計[D].江西理工大學，2019.