智能巡查機(jī)器人技術(shù)在地下綜合管廊中的應(yīng)用研究

文/張國超、王永明 中國建筑第八工程局有限公司東北分公司 遼寧大連 116000

1、引言

城市地下綜合管廊現(xiàn)在作為城市的主要功能建設(shè)之一，也成為了城市現(xiàn)代化、集約化的標(biāo)志。綜合管道廊道的建設(shè)可以有效避免道路重復(fù)開挖，減少城市視覺污染，保護(hù)城市環(huán)境，改善城市能源供給，保證城市安全運(yùn)行，從而形成新興的城市基礎(chǔ)設(shè)施。

2、需求分析

能夠納入到綜合管廊的工程管道十分廣，大致可分為：水、電、氣、通訊等等。涉及的面十分廣泛，除此之外，綜合管廊的建設(shè)還必須和消防、供電、照明、報(bào)警、通風(fēng)、排水等同時(shí)建造。

2.1 管廊運(yùn)維管理需求

綜合管廊建成以后，在日常管理中應(yīng)當(dāng)由專業(yè)單位負(fù)責(zé)。

初步統(tǒng)計(jì)，綜合管廊的每年管理費(fèi)約為建設(shè)費(fèi)用的0.3%，以下是近年來對部分建設(shè)城市綜合管廊后期運(yùn)營管理費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自網(wǎng)絡(luò)）。

表1 管廊運(yùn)維管理費(fèi)用

2.2 管廊運(yùn)維管理現(xiàn)狀

內(nèi)傳統(tǒng)綜合管廊的日常巡視檢測工作主要由人工完成，并通過固定式監(jiān)控檢測設(shè)備和手持式檢測設(shè)備進(jìn)行輔助巡檢。傳統(tǒng)巡檢方式的主要問題如下：管廊內(nèi)環(huán)境惡劣，不利于工作人員的身心健康且存在安全隱患；環(huán)境濕度大，常常會有漏水和積水；通風(fēng)條件差，易聚集有毒有害氣體；光照條件差，不便于工作人員巡檢；管廊距離長，人工巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度大；固定式檢測設(shè)備離散式分布于管廊沿線，無法實(shí)現(xiàn)全覆蓋式的監(jiān)控；固定式檢測設(shè)備投入數(shù)量大，維護(hù)成本高。

2.3 解決思路

機(jī)器換人，實(shí)現(xiàn)管廊智慧化建設(shè)：智能機(jī)器人系統(tǒng)以機(jī)器人為核心，整合機(jī)器人技術(shù)、非接觸檢測技術(shù)、多傳感器融合、導(dǎo)航定位、模式識別技術(shù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對管廊內(nèi)管線的自主檢測，可定時(shí)進(jìn)行對機(jī)器人設(shè)置任務(wù)，有效降低運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度；智能機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)自主巡檢，建立機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無人值守，減員增效。自主設(shè)定巡檢任務(wù)，表計(jì)智能自動(dòng)識別，設(shè)備智能紅外測溫，巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸后臺，并形成數(shù)據(jù)報(bào)表，缺陷自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，達(dá)到安全、綠色、高效、創(chuàng)新、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

3、機(jī)器人各系統(tǒng)組成

3.1 機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)可分為三層，分別為執(zhí)行層、通訊層和管理層。執(zhí)行層包括了智能機(jī)器人本體、自主充電模塊、防火門控制模塊、其他在線輔助設(shè)施等，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集、自主充電、自動(dòng)穿越防火門、應(yīng)急消防等功能。通訊層采用無線通訊，無線通訊滿足管廊內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，保證機(jī)器人在任何位置都能實(shí)現(xiàn)無障礙通信。管理層包含了機(jī)器人后臺、監(jiān)控中心（綜合管廊系統(tǒng)）和移動(dòng)客戶端三類，主要功能有大數(shù)據(jù)分析、任務(wù)編排下達(dá)和歷史數(shù)據(jù)查詢等。

3.2 機(jī)器人后臺系統(tǒng)

（1）機(jī)器人本體自檢模塊：機(jī)器人配備有獨(dú)立、完善的自檢系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳與報(bào)表模塊：機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)配備專業(yè)通訊設(shè)備，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、可靠。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊：實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，主要功能是檢測機(jī)器人的位置、檢測路線、檢測設(shè)備的信息、檢測過程中的實(shí)時(shí)高清晰度和紅外視頻，以及檢測過程中的實(shí)時(shí)檢測結(jié)果。

（4)巡檢計(jì)劃模塊：檢驗(yàn)計(jì)劃的接口主要用于編輯檢驗(yàn)任務(wù)，制定檢驗(yàn)計(jì)劃，進(jìn)行例行檢查任務(wù)。

（5)手動(dòng)遙控模塊：遠(yuǎn)程控制界面，主要功能是允許用戶在任何地方遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，手動(dòng)檢查特定的設(shè)備，并能截獲設(shè)備的高清晰度和紅外圖像和視頻。

(6)歷史數(shù)據(jù)模塊：歷史查詢接口分為兩部分，對應(yīng)于兩種查詢方法。一種是根據(jù)巡檢任務(wù)進(jìn)行查詢，另外一種是按照設(shè)備列表進(jìn)行查詢。

（7）異常報(bào)警模塊：機(jī)器人配備的高清攝像頭還將完成對各類管線狀態(tài)檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，機(jī)器人發(fā)出聲光提示，報(bào)警信息能通過短信發(fā)送，并且報(bào)警上傳至服務(wù)器。該類報(bào)警在人工操作模式下可以實(shí)現(xiàn)退出/恢復(fù)。

3.3 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.軌道設(shè)置

施工布置：軌道型材采用高強(qiáng)度鋁合金，可以拼接，并且可以根據(jù)管廊地形設(shè)計(jì)彎曲度和坡度.采用高強(qiáng)度鋁合金軌道。彎軌道彎曲半徑：R1000，彎曲弧度：30、45、90度等；承載重量：不小于80KG；軌道固定支架：每隔1.2米安裝一只；

軌道安裝方式：將長T形螺栓螺母裝好滑入軌道槽擰緊；將T形螺栓頭穿過支架上的孔，用螺母固定（如下圖1所示）；軌道高度可通過螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 機(jī)器人軌道安裝示意圖

軌道與頂部連接方式（預(yù)埋槽）：將與預(yù)埋槽配套的M12 T型螺栓固定于預(yù)埋槽道；兩個(gè)T型螺栓中心線距離為275mm；T型螺栓與軌道支架連接緊固；軌道固定支架：每隔1.2米安裝一只。

2.定位設(shè)置：機(jī)器人系統(tǒng)位置定位采用伺服電機(jī)內(nèi)部碼盤里程計(jì)與光電掃碼相結(jié)合的方案。

3.爬坡設(shè)置：管廊在設(shè)計(jì)過程中，會遇到倒虹口設(shè)計(jì)，該類設(shè)計(jì)導(dǎo)致機(jī)器人需要保證可以大角度爬坡能力。智能掛軌機(jī)器人最大爬坡能力可達(dá)90°。

4.防火門系統(tǒng)，采用鋼制甲級防火門，并配備電控系統(tǒng)。為保證機(jī)器人安全通行，需要在防火隔斷處安裝自動(dòng)開關(guān)防火門。當(dāng)機(jī)器人要通過防火門時(shí)，防火門會自動(dòng)打開，等機(jī)器人完全通過后自動(dòng)關(guān)閉。防火門外形結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

圖2 防火門示意圖

結(jié)語：

機(jī)器人技術(shù)作為智慧管廊的重要技術(shù)之一，以智能可移動(dòng)平臺為中心，集多種數(shù)據(jù)采集設(shè)備與一體，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)自主巡視檢測、智能識別預(yù)警和故障應(yīng)急處理，配合在線監(jiān)控系統(tǒng)、管廊設(shè)施控制系統(tǒng)、信息處理和分析系統(tǒng)等，形成綜合管廊一體化控制平臺，實(shí)現(xiàn)智慧型管廊建設(shè)。