無線巡檢機器人在綜合管廊的應用與研究

劉尚珺

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西忻州 034100）

1 無線巡檢機器人的應用

城市基礎設施檢修中，需在污水井、采暖管道、雨水管道內進行檢修。如果對管道或受限空間內部氣體、壓力等情況不了解，盲目下井存在嚴重的人身安全隱患，可能危及工作人員的生命。利用無線巡檢機器人完成巡檢工作可以避免人身安全風險。無線巡檢機器人可以對城市管廊的現場視頻畫面、環境溫、濕度以及有毒、有害氣體濃度等要素進行不間斷采集，實現無線巡檢機器人對城市綜合管廊的巡檢，并針對其他固定式在線監測系統無法完全覆蓋的情況進行有效補充。

系統由現場設備和監控中心設備兩部分組成。現場設備部署在管廊電力通信艙、綜合艙部分部署在最外側電力艙，包括巡檢機器人、機器人軌道、分布式充電器、機器人防火門及防火門控制器等設備。

巡檢機器人采用懸掛軌道安裝方式，搭載紅外熱像儀、可見光高清攝像機、氣體檢測儀、溫濕度傳感器、停障系統等設施，實現自動檢測、遠程控制、智能識別以及人機交互等功能。

機器人軌道型材由高強度鋁合金制作，采用預埋施工的方式安裝在管廊中部頂面。在進料口等特殊位置需采用弧軌避開特殊口，通過分段拼接方式進行延伸，并可根據管廊具體情況設置彎曲度和坡度。在爬坡時，通過機器人車體上的自動張緊裝置實現車輪和軌道的自動張緊，從而增大摩擦力。

1.1 涵洞邊溝檢測

在涵洞邊溝內空間狹小、環境無光。為滿足此類檢測環境，管道機器人配備了照明系統，以保證視頻拍攝清晰度。遇到邊溝內地勢不平的環境時，機器人的防振系統可以保證拍攝視頻無劇烈晃動，使監控人員能更好地通過視頻發現邊溝內的問題所在。

懸掛機器人在行走的同時可以轉換信號采集和傳輸方式，無需使用傳統機器人控制器即可完成PAD 無線操控，將視頻信號高效地采集、傳輸至電腦軟件，實時顯示管道內部情況。

機器人搭載有氣體檢測模塊，可以通過遠程控制移動機器人對管道以及箱涵、污水井等不同區域的有毒氣體和環境溫度等進行實時監控，彌補了固定監測裝置檢測范圍小等缺點。當有害氣體超標或環境溫度異常時，機器人會自動報警，并將現場采集到的數據傳輸到控制中心。

1.2 井內檢測

對于井內檢測等特殊情況，需要機器人探測障礙物并避讓管線。機器人搭載有紅外避障系統，可以在探測到障礙物后進行自動避障，也可以通過控制器人轉彎、后退，進行人工避障。

2 無線巡檢機器人相關技術研究

2.1 有毒氣體檢測機器人研究

研究有毒氣檢測機器人在受限空間內對有毒氣體檢測的功能，并通過室內測試與室外環境測試進行完善優化。實現受限空間頂部、中部和底部的全方位檢測目標，對受限空間內部的CO、H2S、O2、可燃氣體Ex、CO2、NOx等濃度進行實時檢測。

2.2 機器人無線控制技術研究

研究機機器人控制系統的需求，創建局域網，滿足控制系統運行的通信需求。利用電池動力系統架設內部控制信號網絡，通過筆記本電腦或其他終端（手機）操控軟件，直接對電池動力系統發出控制信號，動力系統接收到命令后傳送至機器人，實現機器人前進、后退以及轉彎等動作。

2.3 高清視頻畫面傳輸技術研究

早期視頻采集設備采用模擬信號進行傳輸，抗干擾能力較差。利用數字信號代替模擬信號進行傳輸，對時延擴展有較強的保持信號完整性的能力，減少信號間干擾的影響，實現了高清視頻的無延時采集和傳輸，提高檢測精度。

2.4 檢測軟件研究

研制采集數據分析及評估軟件，實時高清視頻畫面拍攝、視頻數據采集、終端控制等功能，可對檢測視頻文件進行播放預覽、添加檢測信息、截取缺陷圖像、判讀描述等。將判讀結果數據自動生成為圖文形式的檢測報告，包括項目信息、工程概況、有毒氣體含量等參數。轉換使用預設的數據接口，能嵌入GIS 系統，提供電子地圖查閱功能，在電子地圖中標注出作業點的位置，實時對作業點數據進行查看，并將缺陷分布圖導出為網頁格式，以供數據上報、分閱。

3 無線巡檢機器人功能研究

3.1 高溫預警功能

在管廊/管道中，電纜、接地線等溫度異常主要體現在電流致熱型，而電纜接頭是電流致熱與電壓致熱都可能存在的混合模式，往往導致設備溫度升高，因此對設備的溫度測量與監控至關重要。

（1）對于管廊內交叉接地箱、電纜接頭、接地線等易發熱的關鍵輸電設備，需要對其進行實時溫度監控。

（2）機器人在測溫過程中檢測到異常發熱點時，將自動啟動系統高溫報警功能，提示控制人員實施進一步的故障排查。

（3）在設備運行期間對其進行高溫預警監控。

（4）系統輸電線路過負荷等情況下，尤其需要對相應重點設備進行溫度檢測。

3.2 環境信息采集功能

管廊內因通風條件差、溫度高、易積水等問題，容易出現有害氣體含量超標的情況，形成人身安全和設備運行隱患。管廊/管道巡檢機器人自身攜帶環境監測模塊，可以實時監測管廊中O2、H2S、CO、CH4等氣體的濃度及溫度、濕度、煙霧等環境信息。機器人能將實時采集的環境信息及時傳輸到控制中心，為控制人員提供現場環境信息，以利于操控人員的決策。傳感器系統結構如圖1 所示。

圖1 傳感器系統結構

傳感器系統的特點有：

（1）采用定制化的專用傳感器，通信接口統一。

（2）傳感器接口采用通用的工業標準，支持Modebus 或CANopen 通信協議。

（3）總線拓撲結構清晰，線路簡潔，提高系統可靠性。

（4）后續增加的功能設備可通過通信總線接入系統，兼容性、可擴展性強。

3.3 管廊綜合平臺聯動功能

城市綜合管廊無線檢測機器人與機器人綜合管理平臺之間采用標準通信協議對接，機器人綜合管理平臺中有專門針對無線檢測機器人的定制化智能聯動業務模塊，可通過管廊中的位置信息將機器人與管廊內的監測設備無縫結合起來，實現數據聯動展示、系統聯動智能分析、報警智能處理等業務。

機器人綜合管廊管理平臺可以實時顯示機器人在管廊中的位置、錄制的視頻、傳感器采集的數據等，將采集的數據進行分析，并形成相應的曲線、報表等進行存儲，方便運維人員及專家查看分析，同時可以將采集及分析的數據上傳至運維中心的管廊綜合控制系統平臺。

4 無線巡檢機器人設計

無線巡檢機器人系統主要包括：

（1）智能巡檢機器人、機器人軌道、分布式自主充電器、機器人防火門設備及配套設施。

（2）后端管理服務器、機器人巡檢系統管理平臺軟件及與綜合管廊統一管理平臺的通信接口。

（3）無線巡檢機器人巡檢系統管線材料、吊裝支架套件等附屬材料（包括主材與輔材）。

（4）工程設備、材料及所有零配件貨物的采購、運輸、施工安裝、系統調試及工程驗收、人員培訓等，以及為滿足設計院圖紙要求所產生的工程服務。

本文設計的巡檢機器人采用蓄電池供電方式，車體重量25 kg（圖2）。對無線巡檢機器人進行受力分析（圖3）。

圖2 無線巡檢機器人結構

圖3 無線巡檢機器人受力分析

圖3 中，Fa為機器人的牽引力，Ff為機器人上坡時所受摩擦力，mg 為機器人所受重力，Fw為機器人重力沿斜面方向的分力。車輪和斜面的滾動摩擦因數μ=0.6（橡膠輪和鋼軌）。

對機器人所需要的牽引力進行分析計算：

代入數據計算，可得驅動小車爬坡所需的牽引力Fa=612 N，則所需牽引力矩為M1=Fa×D/2=15.27 N·m，總減速比為K=1∶62，故所需電機的輸出轉矩為M0=M1×K=0.246 N·m。

根據上述計算結果，選用某品牌空心杯電機，其特性曲線如圖4 所示。該電機在結構空間安裝、驅動速度等方面均能滿足設計要求（圖5）。

圖4 電機特性曲線

圖5 電機安裝空間示意

通過以上分析，可以確認該管廊巡檢機器人方案可行。

5 結束語

城市綜合管廊無線檢測機器人可以在涵洞邊溝等空間狹小、環境無光的環境中使用，可通過無線傳輸技術實現機器人遠程操控，且具有紅外避障系統，能在探測到障礙物后進行自動避障，也可以通過人工手動操作控制器進行轉彎、后退，實現人工避障。無線巡檢機器人可以對管道、箱涵以及污水井等不同區域的有毒氣體和氣體溫度等進行實時監控，從而提高工作效率。