數(shù)據(jù)中心火情機(jī)器人巡檢路徑優(yōu)化策略研究

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局 馮俊宗 昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院 羅靈琳

近年以來隨著信息技術(shù)發(fā)展和信息安全的需要，為便于集中統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)中心朝集成化、中心化方向發(fā)展。隨著設(shè)備服役年限的增加易因設(shè)備故障、絕緣老化、過載過流、自燃或外界因素等造成設(shè)備故障[1]。然而數(shù)據(jù)中心作為不間斷的重要設(shè)備全天候運(yùn)行，倘若依靠人工不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心一般安裝氣體滅火系統(tǒng)（六氟丙烷），極端條件下人身安全也受到嚴(yán)重威脅。故有必要利用機(jī)器人對數(shù)據(jù)中心各機(jī)柜進(jìn)行定時(shí)巡檢，將工作過程采集的現(xiàn)場信息及時(shí)反饋給工作人員，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測與控制。

當(dāng)前火情機(jī)器人隨著機(jī)器人智能控制技術(shù)的發(fā)展，具備了集現(xiàn)場偵查和滅火一體化的功能，大大提高了其自動化和智能化程度。我國四川省的瀘州市就利用特種機(jī)器人組建了一支機(jī)器人的消防救援大隊(duì)，用于保障人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。文獻(xiàn)[2-3]展示了當(dāng)前國內(nèi)較為先進(jìn)的火情機(jī)器人的情況，即具有多傳感器和攝像裝置反饋現(xiàn)場狀況并同時(shí)攜帶滅火裝置，甚至可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場的人員救援。越來越多的無人值守場所配置先進(jìn)的集巡檢、報(bào)警、滅火一體的火情機(jī)器人以適應(yīng)智慧城市發(fā)展的需要。

當(dāng)前對機(jī)器人的巡檢路徑優(yōu)化集中在算法研究文獻(xiàn)[4-6]。文獻(xiàn)[4]提出利用深度學(xué)習(xí)方法在無先驗(yàn)條件下設(shè)立獎懲函數(shù)機(jī)制優(yōu)化路徑規(guī)劃；文獻(xiàn)[5]針對機(jī)器人轉(zhuǎn)角問題，加入轉(zhuǎn)角因子和評價(jià)函數(shù)來約束蟻群算法，達(dá)到改進(jìn)路徑的目的；文獻(xiàn)[6]對更為復(fù)雜的無人機(jī)路徑問題進(jìn)行了展望，介紹了路徑模型建立的過程并比較了常見集群算法的優(yōu)劣。當(dāng)前研究鮮有對巡檢設(shè)備周期性巡查路徑優(yōu)化的研究。

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要，越來越多無人值守的重要場所配置機(jī)器人進(jìn)行火情隱患巡檢，機(jī)器人的研究主要集中在利用算法的優(yōu)化路徑，但是對機(jī)器人的巡檢路徑研究很少有針對其內(nèi)部設(shè)施進(jìn)行分周期段的優(yōu)化配置，嚴(yán)重制約了巡檢機(jī)器人的自動化和智能化水平。

針對巡檢設(shè)備周期性巡查路徑的優(yōu)化問題，本文通過對一般化的數(shù)據(jù)中心的布局進(jìn)行了建模，對其內(nèi)部不同機(jī)柜分布狀況、巡檢周期性進(jìn)行了深入探討。基于當(dāng)前機(jī)器人工作方式和路徑中存在的不足，提出了一種分時(shí)段路徑優(yōu)化策略，改進(jìn)了原有的巡檢方式，使得巡檢路徑和巡檢時(shí)間有了較大縮短，增加了有限時(shí)間內(nèi)機(jī)器人的充電時(shí)間，提高機(jī)器人工作效率。旨在提升機(jī)器人巡檢工作效率和可靠性。

1 機(jī)柜內(nèi)部情況分析建模

通常用于數(shù)據(jù)中心、變電站等重要場所的巡檢機(jī)器人，主要完成車輛路線規(guī)劃、導(dǎo)航及避障控制，機(jī)械臂方位計(jì)算及控制、圖像處理、紅外探測及位置計(jì)算、完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)交互等。通常機(jī)器人巡檢方式為磁帶導(dǎo)航，在機(jī)器人車體兩側(cè)對稱安裝電磁感應(yīng)線圈，將磁條貼于地面上，機(jī)器人通過感應(yīng)磁條中的磁信號強(qiáng)弱進(jìn)行識別和跟蹤，從而達(dá)到引導(dǎo)。目前磁帶導(dǎo)航常與RFID 射頻識別技術(shù)結(jié)合使用，通過在關(guān)鍵位置放置電子標(biāo)簽，使得機(jī)器人完成轉(zhuǎn)彎、加減速、停車等動作。

數(shù)據(jù)中心重要設(shè)備機(jī)柜繁多，不同機(jī)柜功能、數(shù)量不一，重要程度區(qū)分明顯。針對涉及多個(gè)機(jī)柜的火情機(jī)器人巡檢作業(yè)而言，若缺乏合理的巡檢作業(yè)優(yōu)化方案，則將嚴(yán)重影響巡檢過程效率，故而有必要針對火情機(jī)器人巡檢路徑開展優(yōu)化工作，下面首先對機(jī)柜內(nèi)部情況進(jìn)行建模。

以某公司數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場為例，數(shù)據(jù)中心內(nèi)包含有網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、數(shù)據(jù)機(jī)柜、通信機(jī)柜以及機(jī)房內(nèi)部的控制中心。機(jī)房近似為矩形，長a 約16米、寬b 約為12米，由勾股定理可得機(jī)房內(nèi)對角線長約20米。圖1所示為機(jī)房內(nèi)部，圖2為巡檢機(jī)器人裝置。

圖1 機(jī)房的內(nèi)部布局

圖2 巡檢機(jī)器人

機(jī)器人從初始待命位置充電完成后出發(fā)對上述機(jī)柜進(jìn)行巡檢，中心內(nèi)不同類型機(jī)柜分類擺放。數(shù)據(jù)中心機(jī)房包含數(shù)據(jù)機(jī)柜13個(gè)，通信機(jī)柜10個(gè)以及網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜6個(gè)。由于不同機(jī)柜的重要程度和設(shè)備數(shù)量不一，對各機(jī)柜的巡查周期也不一樣。對數(shù)據(jù)機(jī)柜30分鐘檢查一次檢查時(shí)間約6分鐘，通信機(jī)柜60分鐘檢查一次檢查時(shí)間約4分鐘，網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜120分鐘檢查一次檢查時(shí)間約2分鐘，機(jī)器人的行進(jìn)速度約為10m/min。根據(jù)其擺放位置進(jìn)行簡化建模，建模過程中將中心內(nèi)各機(jī)柜的空間縮為一點(diǎn)，在布局圖中標(biāo)注其位置，忽略機(jī)柜長寬對機(jī)器人巡檢的影響。同時(shí)室內(nèi)中央有工作人員集中統(tǒng)一調(diào)度的控制平臺。圖3所示即為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的布局情況。

圖3 機(jī)柜內(nèi)布局建模圖

基于上述分析，本文在考慮機(jī)器人具有避障功能的基礎(chǔ)上，針對巡檢任務(wù)流程開展優(yōu)化工作。計(jì)及巡檢環(huán)節(jié)限制條件，優(yōu)化過程應(yīng)有如下基本假設(shè)：機(jī)房內(nèi)部機(jī)柜重要程度有差異，巡檢周期與重要程度相關(guān)；機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)返回待命點(diǎn)后即能充電；簡化分析，將機(jī)柜在空間上壓縮，忽略其長寬對路徑影響；各設(shè)備巡檢涉及的作業(yè)環(huán)節(jié)數(shù)目與類型均相同，不同作業(yè)環(huán)節(jié)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)長忽略不計(jì)；機(jī)器人轉(zhuǎn)向?qū)λ俣鹊挠绊懞娃D(zhuǎn)向造成的位移距離忽略不計(jì)。

2 算例分析

通過前述的建模分析，對優(yōu)化前后的機(jī)器人行進(jìn)路徑與巡檢作業(yè)耗時(shí)進(jìn)行分析。

優(yōu)化前當(dāng)前機(jī)器人在待命位置充電完成后先到數(shù)據(jù)機(jī)柜巡檢動作完成后，接著去往網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜，在10分鐘巡查完網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜后前往通信機(jī)柜，完成后返回充電待命點(diǎn)。完成一次巡查行進(jìn)路程相當(dāng)于繞數(shù)據(jù)中心一周。機(jī)器人巡檢作業(yè)過程如圖4示。機(jī)器人行進(jìn)路徑S 和耗時(shí)T 有如下公式：

圖4 優(yōu)化前機(jī)器人巡檢作業(yè)路徑

其中si為單次路徑的行程，ti為單次路徑耗時(shí)，tj為單次巡檢機(jī)柜耗時(shí)，i 表示巡檢路徑，j 表示巡檢機(jī)柜編號。由上述公式可知，機(jī)器人巡檢行程為56m，耗時(shí)為17.6min。

不同機(jī)柜巡查之間不存在明顯的先后順序關(guān)系，分時(shí)段路徑優(yōu)化充分考慮了不同設(shè)備更換作業(yè)之間的獨(dú)立性，優(yōu)化巡查路徑過程示意圖如圖5所示。在首先以30分鐘為周期時(shí)啟用路徑1然后返回待命位置；以60分鐘為周期時(shí)啟用路徑1,2然后返回；當(dāng)全面巡查時(shí)啟用路徑1、2、3、4返回待命位置。與原有方案相比較針對不同巡查周期規(guī)劃不同路徑，不必每次都巡查一周回到待命點(diǎn)完成后再進(jìn)行巡檢動作。

圖5 分時(shí)段路徑優(yōu)化方案

具體巡檢作業(yè)流程如下。Step1：機(jī)器人充電完成后首次執(zhí)行巡檢任務(wù)，對周期為30分鐘的數(shù)據(jù)機(jī)柜進(jìn)行巡查返回充電待命點(diǎn)；Step2：機(jī)器人執(zhí)行完上述任務(wù)后啟動對數(shù)據(jù)機(jī)柜和通信機(jī)柜巡查，執(zhí)行路徑為1,2完成作業(yè)后返回；Step3：執(zhí)行完step2后返回待命點(diǎn)在間隔30分鐘后啟動step1；Step4：啟動對全部機(jī)柜的巡查，按規(guī)劃路徑1、2、3、4執(zhí)行返回待命點(diǎn)充電。

上述過程為一個(gè)完整的全體機(jī)柜的巡檢周期，完成上述步驟后等待下一個(gè)巡檢作業(yè)周期執(zhí)行上述步驟。提出行進(jìn)路徑和行進(jìn)時(shí)間的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

J=min[S,T] （3）

根據(jù)上述分時(shí)段路徑優(yōu)化，其行進(jìn)路程和耗時(shí)計(jì)算需在式1、式2基礎(chǔ)上加入返回待命點(diǎn)的行進(jìn)路程和時(shí)間，有如下公式：

其中sn-0和tn-0分別表示巡檢完成的最后位置與待命點(diǎn)的直線距離和通過直線回到待命點(diǎn)的時(shí)間。

本文通過第二節(jié)的優(yōu)化方案對原有的路徑規(guī)劃進(jìn)行了調(diào)整，以執(zhí)行兩次完整巡檢流程4小時(shí)算例時(shí)間，對機(jī)器人的行進(jìn)路徑和作業(yè)時(shí)間對比分析。圖6所示為現(xiàn)有方案與優(yōu)化策略的耗費(fèi)時(shí)間和行進(jìn)距離的對比。

圖6 優(yōu)化前后巡檢時(shí)間與行程

通過式（2）～（5）的計(jì)算研究表明和圖6優(yōu)化前后巡檢時(shí)間與行程的對比所示，在本文所述4小時(shí)內(nèi)，優(yōu)化前的巡檢時(shí)間為140.8分鐘、行程為448m。優(yōu)化后巡檢行程為272m、巡檢時(shí)間為67.2分鐘。由上述的研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的巡檢策略節(jié)約了一半以上時(shí)間，節(jié)約巡檢作業(yè)時(shí)間52%，巡檢距離也大大縮短，巡檢距離縮短了約40%。所述優(yōu)化策略有效節(jié)約了用于巡檢路程的時(shí)間也縮短了巡檢的路程。巡檢時(shí)間和行進(jìn)路徑的減少，可以有限時(shí)間內(nèi)延長機(jī)器人充電的時(shí)間，提高其夜間巡檢的穩(wěn)定性以及可靠性。

3 結(jié)語

本文通過對一般化數(shù)據(jù)中心內(nèi)布局進(jìn)行了建模分析，計(jì)及機(jī)器人已有的避障功能，對中心內(nèi)部布局和機(jī)器人行進(jìn)和作業(yè)時(shí)間都給定了具體可靠數(shù)據(jù)，針對原有的全覆蓋式巡檢作業(yè)路徑進(jìn)行了優(yōu)化，提出了分時(shí)段作業(yè)路徑的優(yōu)化方案，通過上述的算例分析表明所述方法能大大縮短機(jī)器人的巡檢時(shí)間以及行進(jìn)距離，在有限時(shí)間內(nèi)提高了機(jī)器人的工作效率同時(shí)隨著夜間機(jī)器人動作時(shí)間的減小，可以提高機(jī)器人充電時(shí)間，大大提高了機(jī)器人夜間巡檢的可靠性。

由此可見，針對機(jī)器人的優(yōu)化方案不僅可以從優(yōu)化巡檢的路徑出發(fā)，也可以從巡檢策略的制定入手。在制定較優(yōu)的巡檢策略后、再對機(jī)器人的巡檢路徑進(jìn)行優(yōu)化，能大大提高機(jī)器人的利用率，避免無必要動作，從而獲得滿意的效果。