機器人技術在城市地鐵檢修中的應用

摘要：近年來，隨著城市地鐵網絡的擴展和運行負荷的增加，地鐵設備的安全和效率成為重要關注點。機器人技術作為一種新興的解決方案，在地鐵檢修中展示了顯著的應用潛力。探討了機器人在地鐵檢修中的多方面應用，包括但不限于設備故障檢測、軌道和設施清潔、設備維護和修理。通過分析機器人在這些任務中的應用效果和成本效益，研究發現機器人技術能夠提高檢修效率、減少人為錯誤，從而有效提升地鐵運行的安全性和可靠性。未來，隨著技術的進一步發展和應用場景的拓展，機器人技術有望成為城市地鐵檢修的重要支柱和創新動力。

關鍵詞：機器人技術；城市地鐵檢修；應用研究

一、前言

隨著城市地鐵系統的快速發展和擴展，確保地鐵車輛安全運行和設備的可靠性成為至關重要的任務。傳統的檢修方法存在人力資源緊張、效率低下等問題，因此引入機器人技術成為改進的重要途徑。機器人能夠通過高精度的傳感器和智能算法，實現對地鐵車輛的全面檢測和精確定位，從而提高了檢修的效率和準確性。本文旨在探討機器人技術在城市地鐵檢修中的應用，分析其優勢和挑戰，為地鐵運營管理者提供新的技術思路和應用方向。

二、機器人技術在城市地鐵檢修中的應用

（一）巡檢

1.40.5kV開關室智能巡檢

軌道式巡檢機器人在40.5kV開關室的應用，體現了智能化巡檢在高壓電力系統中的重要性和實用性。通過對開關柜進行視覺識別、局部放電監測、紅外熱成像溫度監測和噪音監測，機器人能夠全面評估設備的運行狀態，及時發現潛在的故障和安全隱患，從而提高設備的檢測效果和運行安全性[1]。見表1，檢查開關柜內部的設備和接線是否存在異常，如損壞、松動或污穢等；監測開關柜內部絕緣系統的局部放電現象，這是絕緣老化和故障的早期跡象；通過紅外熱像儀檢測開關柜各部分的溫度分布，識別過熱區域，從而判斷設備是否存在過載或接觸不良等問題；評估開關柜運行時的噪音水平，異常噪音可能是設備故障的征兆。

2.控制室智能巡檢

見表2，主變電所控制室是電力系統的核心部分，其中包含了大量的二次設備，這些設備對于電力系統的穩定運行至關重要。因此，對控制室的實時監控和定期巡檢是確保電力系統正常運行的關鍵措施。軌道式巡檢機器人在控制室的應用，可以大大提高巡檢的效率和準確性。根據表2中列舉的監測項目，檢查液晶顯示屏上的參數是否正常，包括電壓、電流、頻率、功率等關鍵指標。

3.主變壓器室智能巡檢

見表3，主變壓器是電力系統中至關重要的設備，其安全運行對于整個電力系統的穩定至關重要。主變壓器的故障可以分為發展型和突發型兩大類。發展型故障通常是由于絕緣性能逐漸下降導致的，而突發型故障則是由于瞬間的過電壓、過熱或其他意外事件引起的。可以24小時實時監控變壓器上的重要表計，如溫度計、油位計等，確保這些參數始終處于正常范圍內。

（二）維護與清潔

機器人可執行地鐵車輛的自動化清潔任務，而具體的清潔整理事項涵蓋除漆、除銹、車底吹掃等工作。利用涂裝機器人技術、激光加工機器人技術在惡劣的工作環境中作業，從而達到人與工作場合的隔離[2]。在車輛底部清掃時，可使用機械臂輔助清掃槍進行操作，并可安裝機器人清潔工具對構架、輪對除銹除漆，以達到良好的檢修效果，使地鐵車輛維持在正常的運行范圍中。

（三）安全檢查

1.大修

地鐵車輛大修指的是對車輛各部件進行系統全面的檢查，分解車輛各部件結構進行整修。大修需要測量整形車體、轉向架等，全面檢測車輛各系統性能，通過調試、檢驗的方式確保車輛性能的可靠性，不斷檢修直至車輛性能完全恢復。大修還包括全面更換車輛部分系統、重新刷機標記等[3]。

2.架修

地鐵車輛檢修工作中的架修階段主要是指對地鐵列車的底架和車輛架構進行檢修和維護的工作階段。這個過程包括對車輛底盤、架構、懸掛系統以及與軌道接觸的關鍵部件進行詳盡的檢查和維修。檢查車輛底盤的結構完整性和連接部件的緊固情況，確保底盤系統在運行中不出現安全隱患。對輪對進行磨損和破損檢查，必要時進行更換或修復，以保證列車在軌道上平穩運行。

3.定修

地鐵車輛定修主要是檢查和檢測車輛的各系統運行狀態，對系統部件進行清潔、檢查、潤滑。卸下部分部件檢查并檢測其狀態，如空調、受電弓、蓄電池等，檢查完成后，需要對其進行必要的試驗操作。

（四）預測維護

1.對車輛進行故障檢測

在地鐵車輛的檢修作業中，故障檢修是一個至關重要的環節。常見的地鐵車輛故障可以分為視覺類故障和觸覺類故障兩大類。視覺類故障包括列車內外的信號燈和顯示屏出現故障，影響乘客的信息獲取和安全通知傳達。攝像頭和監控系統故障，影響車廂內外的監控和安全檢查[4]。故障檢修作為地鐵車輛檢修的核心環節，需要有系統的檢測方法和專業的技術團隊，以確保故障能夠及時發現和解決，維持地鐵運營的穩定性和可靠性。

2.對車輛進行故障修理

在完成車輛故障檢修之后，需要對現有的故障進行修理。目前，國內外車輛檢修主要采用的模式是換件修理與現車修理相結合的模式。現車修理將機器人技術應用于現車修理模式中，由于修理環境復雜、修理作業的難度大且故障種類多樣，使得機器人技術在電車修理模式中難以完成檢修操作，而通過運用針對性的機器人技術，則可實現工作繁瑣但位置固定的操作，比如螺栓緊固機器人技術、材料加工機器人技術，二者相互配合可以進行螺栓緊固、對材料表面進行打磨。在換件修理模式中，裝配機器人技術和移動機器人技術則可進行車輛故障零部件的替換件調用、拆卸和安裝操作。

三、智能巡檢機器人架構

（一）整體架構

如圖1所示，該智能巡檢機器人系統分為主體機器人和服務器控制端。機器人主體包括驅動底盤、協作機器臂和視覺檢測系統，能夠自主執行檢修任務并采集圖像數據。服務器控制端負責任務調度、圖像識別和數據管理，通過無線網絡連接實現與機器人的實時通信和數據傳輸。

（二）驅動底盤

驅動底盤是智能巡檢機器人不可或缺的組成部分，其設計和功能旨在支持機器人在復雜環境中高效執行各類檢修任務。如圖2所示，其主要組件包括SLAM激光雷達用于實時定位與地圖構建，確保精準導航和避障能力；無線網絡設備實現與服務器的實時數據交換和遠程控制；LED指示燈帶提供運行狀態的可視化顯示，便于遠程監控和識別機器人當前工作狀態；自動充電站保證長時間工作的穩定性和持久續航能力。通過先進的技術配置和多功能設計，驅動底盤為提升檢修效率、保障工作安全性提供了重要保障。

（三）視覺檢測系統

如圖3所示，視覺檢測系統是一個復雜的系統，主要由線陣相機和2D/3D相機組成，各自具有不同的功能和優勢。線陣相機利用雙激光光源的交叉補光技術，有效避免單一光源造成的陰影問題，特別適合對地鐵車輛底部進行成像，提高成像質量和準確性。系統能夠同時進行2D和3D圖像采集任務，大幅縮短了檢測時間，提升了檢測效率和準確性。

（四）后臺服務器

如圖4所示，后臺服務器通過先進的圖像處理算法，對從地鐵車輛和軌道系統采集到的圖像進行實時處理和分析。這些圖像可能涵蓋列車外部、內部以及軌道設施等多個方面。基于分析結果，后臺服務器能夠識別可能存在的故障特征或異常情況。為后續的數據分析和長期故障趨勢分析提供支持。這些數據對于優化地鐵維護策略和提升系統可靠性至關重要。

四、檢測流程

如圖5所示，智能巡檢機器人在地鐵車輛檢修中的應用流程描述了機器人從接收任務到完成檢測的一系列步驟。這個過程是自動化的，旨在提高檢修效率和準確性。機器人首先使用傳感器和掃描設備確定地鐵車輛在檢修股道的準確停靠位置，并識別列車的編號。這一步驟確保了機器人在正確的位置進行檢測，并且能夠區分不同的列車，使用高清攝像頭和其他傳感器對關鍵設備的螺栓、螺母、線纜、剎車片和油位等進行圖像采集。這些圖像數據是檢測的關鍵，它們將被用于后續的分析和判斷。

五、測試研究

（一）正確率測試

見表4，在本次評估中，選取了兩輛列車（104161車和104176車）作為檢測對象，共有1248顆外觀正常的螺栓接受了智能巡檢機器人的檢查。簡而言之，就是機器人在對列車的螺栓進行健康檢查時，共掃描了2496顆螺栓，其中1248顆是健康的。

（二）智能巡檢機器人檢出率測試

見表5，在智能巡檢機器人的檢出率測試中，對于所有被識別為異常的螺栓，如果機器人能夠正確地檢出它們的異常狀態，那么這些檢出的異常螺栓就視為成功檢出。成功檢出數量與總異常螺栓數量的比例即為智能巡檢機器人的檢出率。深度學習圖像識別算法是智能巡檢機器人檢測系統的重要組成部分，它的準確性受圖像質量和圖像復雜程度的影響[5]。

六、結語

在城市地鐵檢修中，機器人技術的應用不僅僅是技術革新的體現，更是提升運營效率和乘客安全的重要手段。通過本文的研究和分析，我們看到機器人在設備維護、故障診斷和清潔任務中展現出顯著的潛力和優勢。機器人的引入不僅減少了人力投入和維護成本，還提升了作業的精準度和可靠性。期待智能巡檢機器人在城市地鐵運營中發揮更大的作用，為乘客提供更安全、更高效的出行體驗。

參考文獻

[1]李林鋒.地鐵車輛車底巡檢機器人的功能及其應用分析[J].城市軌道交通研究，2022（S1）：82-85+89.

[2]裴小輝，孫嘉俊，康征征，等.基于OpenCV的地鐵故障檢測機器人[J].科學技術創新，2022（25）：181-184.

[3]趙立新.城市軌道交通地鐵車輛智能運維研究[J].運輸經理世界，2022（15）：71-73.

[4]孟鴻飛.地鐵車輛基地智能列檢機器人設計接口研究與應用 [J].信息記錄材料，2022，23（04）：236-239.

[5]巫紅波，邱偉明，王靜，等.城軌車輛用多股道智能巡檢機器人檢測系統[J].機車電傳動，2022（01）：45-52.

基金項目：1.山西省科技廳“復雜非結構化環境移動機器人關鍵技術研究”（項目編號：SXKJ2022093341）；2.浙江交通職業技術學院人才專項“基于多目立體視覺的復雜環境下機械臂跟蹤關鍵技術研究”（項目編號：822321KY0125）

作者單位：張錦，浙江交通職業技術學院軌道交通學院；茍光輝，浙江交投交通建設管理有限公司

責任編輯：張津平、尚丹