智能機器人巡檢系統(tǒng)在綜合管廊中的應(yīng)用研究

謝軍，吳曉維，汪勝

(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200125)

0 引 言

綜合管廊，即建于城市地下用于容納兩類及以上的城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施[1]。綜合管廊建設(shè)可以解決反復(fù)開挖路面、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等問題，提高城市綜合承載能力和城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量[2]。

基于現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及計算機技術(shù)等信息化技術(shù)的綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)可以為綜合管廊提供環(huán)境、設(shè)備、火災(zāi)、安防監(jiān)控及通信服務(wù)，保障綜合管廊安全運行和有效管理[3]。

目前，綜合管廊基本采用人工定期巡檢并結(jié)合綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)反饋的監(jiān)控報警信息,進行日常管理及維護。然而，綜合管廊一般具有艙室多、距離長及環(huán)境惡劣等特點，人工巡檢勞動強度大，且不利于巡檢人員的身心健康。此外，綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)只能做到定點監(jiān)控，存在監(jiān)控盲區(qū)。

智能機器人巡檢系統(tǒng)在綜合管廊中應(yīng)用作為一種新型智能化巡檢模式，可以有效減輕傳統(tǒng)的人工巡檢的巡檢人員負(fù)擔(dān)。作為一種移動式監(jiān)控模式，又可以彌補綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)只能定點監(jiān)控的缺陷，進一步提高綜合管廊監(jiān)控管理能力。

“環(huán)湖80米北島西路綜合管廊工程”位于上海市臨港新城滴水湖附近北島西路地下，全長約1 km，管廊斷面(如圖1所示)為綜合艙及燃?xì)馀撾p艙結(jié)構(gòu)，主要收納給排水、電力、通信及燃?xì)獾裙芫€。整個管廊工程以不大于200 m設(shè)通風(fēng)區(qū)間(兼防火區(qū)間)，通風(fēng)口與逃生口合建，并設(shè)控制中心一座。

圖1 綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

作為上海市臨港新城地區(qū)的試驗段管廊，擬在本管廊工程綜合艙中率先開展“智能機器人巡檢系統(tǒng)”設(shè)計與應(yīng)用研究。

1 方案比較

目前，智能機器人巡檢系統(tǒng)主要有輪式及掛軌式兩種，具體如表1所示。綜合管廊為狹長空間，坡度較大，且布滿各種管線，適合采用掛軌式智能機器人巡檢系統(tǒng)。

表1 輪式及掛軌式智能機器人巡檢系統(tǒng)比較

2 掛軌式智能機器人巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

通過表1比較可知，綜合管廊適合采用掛軌式智能機器人巡檢系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，主要由掛軌式智能機器人、專用軌道、通信網(wǎng)絡(luò)、專用防火門系統(tǒng)、專用充電系統(tǒng)及后臺管理系統(tǒng)等組成。

圖2 掛軌式智能機器人巡檢系統(tǒng)

整個系統(tǒng)從上至下可分為后臺監(jiān)控管理層、中間通信服務(wù)層及前端巡檢工作層。

后臺監(jiān)控管理層位于綜合管廊控制中心，主要由工作站、服務(wù)器、存儲器及展示設(shè)備等組成。后臺監(jiān)控管理層通過通信網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對智能機器人、專用防火門系統(tǒng)及專用充電系統(tǒng)等的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，同時通過通信網(wǎng)絡(luò)可以與綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享及聯(lián)動操作，進一步提高綜合管廊監(jiān)控管理能力。

中間通信服務(wù)層主要由通信網(wǎng)絡(luò)、專用軌道、專用防火門系統(tǒng)及專用充電系統(tǒng)等組成，為智能機器人提供通信網(wǎng)絡(luò)、軌道、穿越防火墻及充電等配套服務(wù)。

前端巡檢工作層主要由智能機器人及其配套設(shè)施(如移動裝置、機械臂、蓄電池、智能攝像設(shè)備等)組成，按巡檢排班計劃執(zhí)行自主巡檢，并通過通信網(wǎng)絡(luò)向后臺管理系統(tǒng)上傳巡檢信息。

整個通信網(wǎng)絡(luò)以光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)(與管廊監(jiān)控系統(tǒng)合建)為核心骨架，各設(shè)備通過有線或無線方式接入通信網(wǎng)絡(luò)。其中，專用防火門系統(tǒng)及專用充電系統(tǒng)等通過有線以太網(wǎng)方式接入通信網(wǎng)絡(luò)，智能機器人通過無線AP無線通信方式接入通信網(wǎng)絡(luò)。

智能機器人配置智能控制裝置，通過通信網(wǎng)絡(luò)接收后臺管理系統(tǒng)下發(fā)的巡檢排班計劃，自主執(zhí)行巡檢任務(wù)，并通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳巡檢數(shù)據(jù)。

智能機器人通過通信網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)與專用防火門系統(tǒng)及專用充電系統(tǒng)等之間的聯(lián)動操作。

后臺管理系統(tǒng)通過通信網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對智能機器人、專用防火門系統(tǒng)及專用充電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

3 掛軌式智能機器人巡檢系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

整個智能機器人巡檢系統(tǒng)為一個智能控制系統(tǒng)，其核心為智能機器人。

智能機器人主要由智能控制裝置、移動裝置、作業(yè)裝置、蓄電池、附屬監(jiān)控探測設(shè)備及附屬應(yīng)急處理設(shè)備等組成，如圖3所示。

圖3 智能機器人組成圖

圖4 智能控制裝置邏輯結(jié)構(gòu)圖

智能控制裝置主要由微處理器、存儲器(RAM+ROM)、輸入接口、輸出接口、無線通信處理單元等組成，邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

移動裝置指用于實現(xiàn)智能機器人沿軌道移動動作的一系列設(shè)施等，移動裝置接受智能控制裝置控制，實現(xiàn)一系列定速移動及變速移動等動作。

作業(yè)裝置主要指機械臂等，接受智能控制裝置控制，配合智能攝像設(shè)備等實現(xiàn)一系列近距離觀察探測任務(wù)。

附屬監(jiān)控探測設(shè)備主要包括各類滿足綜合管廊巡檢需求的必備探測設(shè)備(如溫濕度探測器、氧含量探測器、硫化氫含量探測器等)及智能攝像設(shè)備等。附屬監(jiān)控探測設(shè)備能將采集到的數(shù)據(jù)信息上傳給智能控制裝置，由智能控制裝置進行自主分析處理并通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳給后臺管理系統(tǒng)做進一步分析處理。

附屬應(yīng)急處理設(shè)備指用來代替人處理現(xiàn)場緊急情況的必備設(shè)備，可以根據(jù)運營的需求合理配置，如自動滅火用的超細(xì)干粉裝置等。

3.2 控制流程設(shè)計

圖5 智能機器人巡檢系統(tǒng)控制流程圖

整個智能機器人巡檢系統(tǒng)為一個智能控制系統(tǒng)，可以自主完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、應(yīng)急處理,并通過通信網(wǎng)絡(luò)與后臺管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，其控制流程如圖5所示。

主要控制過程及功能介紹如下：

(1)通過通信網(wǎng)絡(luò)接收后臺管理系統(tǒng)下發(fā)的巡檢排班計劃，按巡檢排班計劃執(zhí)行巡檢，并反饋巡檢結(jié)果；

(2)通過通信網(wǎng)絡(luò)接收后臺管理人員的遙控巡檢指令執(zhí)行巡檢，并反饋巡檢結(jié)果；

(3)具備故障診斷功能，并通過通信網(wǎng)絡(luò)及時將故障信息上傳后臺管理系統(tǒng)，提示后臺管理人員及時安排維護計劃；

(4)具備電池電量監(jiān)測功能，當(dāng)電量低時，通過通信網(wǎng)絡(luò)向后臺管理系統(tǒng)反饋報警信息并自主找到最近的專用充電系統(tǒng)進行充電；

(5)對附屬監(jiān)控探測設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能分析，并通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至后臺管理系統(tǒng)做進一步分析處理；

(6)具備無線通信控制及診斷功能，實現(xiàn)在各無線AP之間的快速切換；

(7)具備存儲功能，當(dāng)無線通信網(wǎng)絡(luò)不佳時，可以暫時緩存相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)無線通信網(wǎng)絡(luò)良好時，可以重新上傳緩存數(shù)據(jù)至后臺管理系統(tǒng)；

(8)具備自適應(yīng)功能，可以根據(jù)軌道的坡度及彎度自適應(yīng)調(diào)節(jié)移動速度；

(9)向后臺管理系統(tǒng)提供位置信息，并反饋巡檢完成情況；

(10)自主進行應(yīng)急處理，指揮機械手臂等裝置進行近距離觀察探測。

4 工程應(yīng)用

“環(huán)湖80米北島西路綜合管廊工程”的“掛軌式智能機器人巡檢系統(tǒng)”主要方案如圖6所示。

圖6 智能機器人巡檢系統(tǒng)布置圖

沿管廊綜合艙中間頂部敷設(shè)一套智能機器人專用軌道，軌道坡度及轉(zhuǎn)彎半徑適合智能機器人正常巡檢移動需求。

布置一套光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)(與管廊監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)合建)，作為整個系統(tǒng)的核心通信網(wǎng)絡(luò)。

在管廊綜合艙每個防火分區(qū)布置一套無線AP，在管廊轉(zhuǎn)彎處及信號比較弱的地方增加無線AP布置點。各無線AP通過有線以太網(wǎng)方式接入通信網(wǎng)絡(luò)。

圖7 機器人專用防火門系統(tǒng)

在管廊綜合艙每個防火墻防火門上方設(shè)置一套適合智能機器人通過的專用防火門及其控制系統(tǒng)(如圖7所示)，其控制系統(tǒng)通過有線以太網(wǎng)方式接入通信網(wǎng)絡(luò)。

在管廊綜合艙兩端各設(shè)置一套智能機器人專用充電系統(tǒng)，便于機器人充電及日常保養(yǎng)，充電系統(tǒng)通過有線以太網(wǎng)方式接入通信網(wǎng)絡(luò)。

在管廊綜合艙布置一套掛軌式智能機器人，智能機器人配置智能控制裝置，通過無線AP無線通信方式接入通信網(wǎng)絡(luò)。智能機器人可以根據(jù)巡檢排班計劃自主執(zhí)行巡檢任務(wù)，并通過通信網(wǎng)絡(luò)與后臺管理系統(tǒng)進行信息交互。

5 結(jié)束語

掛軌式智能機器人巡檢系統(tǒng)具有巡檢路線固定、爬坡能力強及控制方案簡單等優(yōu)點，適合綜合管廊狹長空間。掛軌式智能機器人巡檢系統(tǒng)與綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)建立通信，實現(xiàn)信息共享，優(yōu)勢互補，進一步提高綜合管廊監(jiān)控管理能力。