軌道式隧道巡檢機器人系統(tǒng)設計研究

凌曄華

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國高速公路的快速建設,目前高速公路隧道已經(jīng)超過兩萬座,隧道的安全通行已經(jīng)成為了高速公路運營的重點關注對象[1-2]。對隧道進行日常巡檢是保障隧道健康和保證隧道安全運行的重要手段。然而,目前隧道的巡檢主要依靠人工巡檢和固定相機監(jiān)控的方法,已經(jīng)難以滿足隧道的日常巡檢要求[3]。雖然人工巡檢可以得到較為全面的巡檢數(shù)據(jù),但是人工巡檢需要較高的人力和物力成本,特別是目前的隧道位置普遍較偏,這進一步提高了巡檢的難度和成本,而且人工巡檢的頻率一般不高,難以應對隧道的突發(fā)事件。基于固定相機的監(jiān)控雖然可以降低巡檢成本,但是由于相機的位置較為固定,難以檢測到具體的隧道監(jiān)控狀況,而且相機只能進行單向的監(jiān)控,難以進行實時的應急響應,因此也難以滿足隧道的巡檢要求。綜合以上情況,目前亟須可以替代人工巡檢的全天候巡檢機器人,用于隧道的日常巡檢[4]。

針對這一需求,本文以機器人控制、深度學習為技術基礎,設計集成了一套軌道式隧道巡檢機器人系統(tǒng),用于隧道的全天候自動巡檢。該系統(tǒng)具有全天候巡檢、隧道狀態(tài)監(jiān)控、隧道事件監(jiān)控和實時應急響應等特點,可以有效彌補人工巡檢無法全天候覆蓋、視頻監(jiān)控無法進行狀態(tài)監(jiān)控和實時響應的問題,為高速公路的隧道安全運行提供日常巡檢保障與支撐。

1 系統(tǒng)總體架構

軌道式隧道巡檢機器人系統(tǒng)主要包括機器人軌道、機器人硬件系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)和機器人業(yè)務算法系統(tǒng)四部分組成。在設計上,采用獨立模塊設計再集成的方法進行設計,系統(tǒng)的總體結構和各個模塊之間的關系如下頁圖1所示。由圖1可知,整個軌道巡檢機器人系統(tǒng)是基于機器人的主體結構進行集成設計的。機器人的主體結構由滑動部件和機身組成,滑動部件主要是與軌道相連起到沿軌道滑動的目的,機身則設計用于搭載機器人控制設備和其他各種設備。機器人的軌道設計是在隧道中鋪設一段連續(xù)的軌道用于保證機器人的有限運動,一方面可以讓機器人沿著隧道快速運動,另一方面可以保證機器人在故障中依然保持在一定的空間內(nèi)。在軌道設計中,需要進行實體設計、軌道布局和實地安裝三個步驟。這三個步驟的最終目的在于可以保證機器人在軌道上安全、平穩(wěn)且快速運行。

圖1 軌道式隧道巡檢機器人總體架構圖

機器人的核心部分是機器人的控制及管理系統(tǒng),主要用于機器人的各種設備的管理及機器人在運行中的運動控制。整個管理及控制系統(tǒng)是基于機器人操作系統(tǒng)(ROS)開發(fā)的。ROS是一個基于Linux內(nèi)核的機器人專用操作系統(tǒng),可以提供各種機器人相關的開發(fā)工具包和開發(fā)環(huán)境。機器人的控制及管理系統(tǒng)作為軌道機器人的大腦,需要對機器人及其相關設備進行管理與控制。在完成機器人的主體結構開發(fā)、軌道布設及機器人的控制管理后,還需要為巡檢機器人設計智能算法用于隧道的各種巡檢任務。具體的業(yè)務算法可以分為數(shù)據(jù)的采集與增強和智能算法設計兩部分。在數(shù)據(jù)的采集中,針對隧道內(nèi)的運行安全,可以分為可見檢測數(shù)據(jù)和非可見檢測數(shù)據(jù),對應使用相應的傳感器進行采集。由于在隧道內(nèi),傳感器受光線、微塵等的影響,直接采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量往往較差,因此在采集后需要進行數(shù)據(jù)的增強和融合,以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為了完成機器人的巡檢業(yè)務,需要部署智能算法進行精確檢測,系統(tǒng)使用的是基于深度學習的智能算法進行各種業(yè)務巡檢業(yè)務。

2 系統(tǒng)設計

根據(jù)圖1的系統(tǒng)總體架構,本節(jié)將對軌道式巡檢機器人進行系統(tǒng)設計,包括軟硬件系統(tǒng)設計、檢測業(yè)務系統(tǒng)設計和應急響應系統(tǒng)設計,用于完成軌道內(nèi)的自動巡檢及應急響應。

2.1 軟硬件系統(tǒng)設計

軌道式巡檢機器人在進行自動巡檢時,不僅具有獨立的運算能力,可以快速處理采集的數(shù)據(jù)和具體的業(yè)務邏輯,而且可以和遠程中心進行數(shù)據(jù)交互,完成數(shù)據(jù)的上傳和遠程快速調(diào)度,因此需要設計一套具有較高算力的軟硬件系統(tǒng)。為了完成這些任務,軌道式巡檢機器人裝備了一臺搭載了Intel的第13代CPU處理器的工控機作為主要硬件平臺。軌道式巡檢機器人的軟件系統(tǒng)是基于Linux的ROS進行開發(fā)的。基于這一套軟硬件平臺,還設計了多個軟硬件模塊用于完成不同的巡檢功能。

2.1.1 主控硬件模塊

在主要硬件平臺外,主控板需要設計多個接口來對接外部硬件模塊。系統(tǒng)需要設計的幾個主要外部模塊及其功能具體介紹如下:

數(shù)據(jù)采集模塊:數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是系統(tǒng)在巡檢過程中對隧道的可見目標和非可見目標進行實時數(shù)據(jù)采集。在設計中,使用相機、雷達等對可見目標進行實時采集,采用溫濕度、氣體傳感器等數(shù)字傳感器對非可見目標進行數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)存取模塊:機器人在運行中,不但需要對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進行分析,還應該具有歷史數(shù)據(jù)記錄和分析的能力,因此需要數(shù)據(jù)存取模塊進行數(shù)據(jù)的存取。

通信模塊:在隧道巡檢中,由于需要在隧道長距離運行,因此需要搭建多個網(wǎng)絡AP節(jié)點的形式進行網(wǎng)絡接力。通信模塊負責搭建內(nèi)網(wǎng)和多AP組網(wǎng),完成數(shù)據(jù)在機器人和中心之間的實時傳輸。

軌道運動模塊:軌道運動模塊負責將系統(tǒng)輸出的指令轉換成為電機控制信號,完成機器人在軌道上的各種運動姿態(tài)。

軌道定位模塊:用于定位機器人在軌道上的位置。由于機器人在軌道上的運動位置相對固定,因此機器人采用無線射頻識別(Radio Frequency Identification Devices)技術進行實時定位。

2.1.2 主控軟件模塊

機器人設備控制:根據(jù)現(xiàn)場或者遠程的輸入,完成機器人各種設備的初始化及個性化設置。設備控制軟件模塊應該具備較為完善的現(xiàn)場可視化界面和遠程控制接口。

機器人感知模塊:感知模塊直接對接數(shù)據(jù)采集模塊,主要完成數(shù)據(jù)的增強和融合等處理,生成系統(tǒng)可識別的感知數(shù)據(jù)。

機器人控制模塊:根據(jù)現(xiàn)場的感知數(shù)據(jù),機器人控制模塊將完成路徑的規(guī)劃、速度控制和智能避障等常規(guī)機器人控制。

2.2 檢測業(yè)務設計

軌道式巡檢機器人的主要功能是對隧道進行實時檢測,具體包括隧道的狀態(tài)檢測和事件檢測兩部分。

2.2.1 隧道的狀態(tài)檢測

巡檢機器人對隧道的狀態(tài)進行常規(guī)檢測,包括對隧道結構和機電設備進行檢測。在確定的位置使用采集模塊采集對應的隧道結構、機電設備和溫濕度等數(shù)據(jù),并進行增強和融合,作為感知數(shù)據(jù)輸入檢測模塊;根據(jù)感知數(shù)據(jù)和檢測算法,對數(shù)據(jù)進行智能識別,得出隧道檢測狀態(tài);將檢測結果和軌道定位數(shù)據(jù)打包,分別發(fā)送至機器人控制模塊、數(shù)據(jù)存取模塊和遠程中心,完成隧道的日常巡檢。

2.2.2 事件檢測

除了進行常規(guī)的隧道狀態(tài)巡檢,軌道式巡檢機器人還需要對隧道的突發(fā)事件進行檢測。和隧道的狀態(tài)巡檢不同的是,事件的產(chǎn)生位置不固定,因此需要長時間進行數(shù)據(jù)采集。如果隧道內(nèi)發(fā)生了異常事件,可以要求機器人快速分析當前事件的類型,將事件記錄并上傳中心。

2.3 應急響應設計

日常巡檢中,需要巡檢機器人對隧道內(nèi)的異常事件進行實時應急響應,具體包括應急監(jiān)控、現(xiàn)場支援和遠程調(diào)度三個方面。

2.3.1 應急監(jiān)控

當機器人檢測到隧道內(nèi)發(fā)生異常事件或者接到中心的應急調(diào)度后,機器人應快速觸發(fā)應急告警,自動尋找合適的位置并調(diào)整監(jiān)控云臺進行實時監(jiān)控。在應急監(jiān)控中,監(jiān)控視頻除了直接上傳中心外,還需要在本地進行實時備份,確保數(shù)據(jù)無遺漏。

2.3.2 現(xiàn)場支援

當機器人到達車禍、坍塌、有害氣體侵入等異常事件發(fā)生地后,可以進行現(xiàn)場簡單支援,自動進行聲光疏散指引,并且提供應急照明,直到救援人員趕到。

2.3.3 遠程調(diào)度

機器人應具有外部的通信設備,可以通過自組網(wǎng)與中心取得聯(lián)系。待救援人員可以通過通信設備向中心進行情況說明和求助,中心可以通過通信設備進行遠程調(diào)度指揮進行救援。

3 應用效果分析

為了驗證系統(tǒng)的有效性,軌道式隧道巡檢機器人系統(tǒng)在廣西河都高速公路的隧道中進行了實地安裝運行,如圖2所示。根據(jù)實地運行測試,隧道機器人的主要性能如下。

圖2 軌道式隧道巡檢機器人實際運行示例圖

(1)軟硬件系統(tǒng)性能:如圖2所示,軌道式隧道巡檢機器人采用整機外觀結構,在機身內(nèi)部放置了計算單元、電池、電機等主要部件,整體重量為144.67 kg;機器人可以進行圖像、溫濕度、位置信息等數(shù)據(jù)采集;機器人集成傳感器根據(jù)識別內(nèi)容、尺寸大小進行專門部署,并采用防松措施,可以解決機器人運動帶來的部件松動問題;機器人的長×寬×高為1 500 mm×255 mm×1 000 mm,在40 mm高的單軌中運行。

(2)隧道檢查業(yè)務性能:機器人可以在無人干預的情況下完成自動巡檢,其最大巡檢速度>3 m/s,續(xù)航時間>5 h;機器人運行中定位誤差<0.3 m,在3 m/s的運動速度下,制動距離<1 m;機器人具備主動避障、自主充電、應急關閉、遠程喚醒等功能,可切換到人工遙控巡檢方式進行例行、特行巡檢,還具備遠程圖片采集回傳、遠程喊話功能。

(3)應急響應性能:機器人可自動定位事故發(fā)生位置并回傳中心;可以進行應急雙向喊話;可以攜帶≤100 kg的負載行進。

4 結語

隧道的日常巡檢是保證隧道安全運行的重要手段,然而,人工巡檢需要的人力成本大,并且無法做到全天候巡檢,難以保障隧道的安全運行。本文集成設計一套具有自動巡檢功能的軌道式巡檢機器人,用于替代人工進行全天候自動巡檢,為隧道的安全運行提供了新的方法。巡檢機器人系統(tǒng)包括軟硬件設計、檢測業(yè)務設計和應急響應設計,可以覆蓋當前人工巡檢的主要功能。通過實地安裝運行發(fā)現(xiàn),本文設計的隧道機器人有效解決了人工巡檢存在的間隔時間長、數(shù)據(jù)采集慢等問題,可為保障隧道的行車安全提供支持。