應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房巡檢的雙目視覺機(jī)器人設(shè)計(jì)

薛俊偉，劉雨濛

（1.中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.暨南大學(xué)，廣東 廣州 510632）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）機(jī)房已經(jīng)成為信息化時代的基礎(chǔ)設(shè)施，為國民經(jīng)濟(jì)和社會生活中流通的海量信息提供重要保障。目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、第五代移動通信新空口技術(shù)（5G New Radio，5G NR）等新興技術(shù)和方案的逐漸落地，更多的媒體、應(yīng)用、網(wǎng)站、內(nèi)容提供商和企業(yè)等在滿足社會需求的同時，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量以指數(shù)級倍數(shù)激增。這依賴于IDC提供的大規(guī)模、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)存儲和流通能力。調(diào)查顯示，我國在2018年共產(chǎn)生數(shù)據(jù)量7.5 ZB，預(yù)計(jì)2025年，該數(shù)字將增長到48.7 ZB。作為信息交換和處理最集中的地方，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，需要極為嚴(yán)格的運(yùn)維管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。由運(yùn)維水平的高低決定的服務(wù)能力，直接關(guān)系到客戶服務(wù)器托管、服務(wù)器租用、網(wǎng)絡(luò)批發(fā)帶寬、虛擬專網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)商等業(yè)務(wù)需求的保障。顯然，高質(zhì)量的服務(wù)能力將成為未來IDC行業(yè)高度競爭環(huán)境下供方保持持續(xù)發(fā)展和不斷優(yōu)化的關(guān)鍵。通過使用雙目視覺仿生智能機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)無人值守的自動化三維巡檢和故障預(yù)警，縮短故障發(fā)現(xiàn)時間，并對大數(shù)據(jù)分析下人工難以預(yù)料的隱性故障做跟蹤定位和預(yù)警標(biāo)記，改善人工巡查低效率、易出錯的弊端，通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防和早處理。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 人工巡檢與運(yùn)維原則

數(shù)據(jù)機(jī)房運(yùn)維最基本的要求是保障設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行，確保機(jī)房環(huán)境衛(wèi)生條件、處理機(jī)房設(shè)備故障修復(fù)和性能優(yōu)化?？紤]到IDC機(jī)房的重要性，通常要采用專人值守的7×24 h不間斷巡查，并按照一定的時間間隔核查分析基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)[1]。這種方式在很大程度上受維護(hù)人員的專業(yè)技術(shù)水平、工作經(jīng)驗(yàn)和工作狀態(tài)影響。這種耗時費(fèi)力的工作，也會在巡檢中出現(xiàn)因?yàn)橹饔^原因發(fā)生的漏檢和誤判情況。

要確保一個擁有數(shù)萬甚至數(shù)十萬臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心安全可靠運(yùn)行，制定一套完善的機(jī)房設(shè)備管理制度十分必要。

（1）保證配套的基礎(chǔ)設(shè)施良好運(yùn)轉(zhuǎn)，是應(yīng)對當(dāng)前規(guī)模不斷擴(kuò)大的數(shù)據(jù)中心機(jī)房運(yùn)維的基礎(chǔ)。IDC機(jī)房的配電系統(tǒng)、不間斷電源供電系統(tǒng)和柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，為機(jī)房所有設(shè)施提供動力保障。照明系統(tǒng)、空調(diào)設(shè)備和新風(fēng)系統(tǒng)為IT設(shè)備運(yùn)行提供合適的溫濕度環(huán)境，是保證設(shè)備壽命和性能的關(guān)鍵[2]。因此，應(yīng)該安排專人負(fù)責(zé)運(yùn)維，確保配套設(shè)施子系統(tǒng)的巡檢、修復(fù)以及日志記錄。

（2）機(jī)房環(huán)境衛(wèi)生要嚴(yán)格達(dá)標(biāo)。機(jī)房需要專職人員定時進(jìn)行日常巡檢，工作中嚴(yán)格按照防塵規(guī)范操作穿著專用服裝，同時機(jī)房做防塵處理。在機(jī)房巡檢和保潔過程中，要注意杜絕食物等易引起鼠患的物品進(jìn)入，注意及時關(guān)閉門窗，做到防潮（溫差導(dǎo)致冷凝）、防蟲和防曬。此外，要定期評估機(jī)房的環(huán)境衛(wèi)生，排除隱患。

1.2 兩種巡檢方案的對比

在電力機(jī)房領(lǐng)域，智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的使用國內(nèi)外均有較早且成熟的案例。而數(shù)據(jù)中心機(jī)房的智能巡檢系統(tǒng)近幾年發(fā)展較快，其中IBM提供的軌道式智能機(jī)器人和輪式智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在國外應(yīng)用廣泛。國內(nèi)，浙江移動網(wǎng)管中心在2017年啟用機(jī)房巡檢機(jī)器人，效益良好；華南理工大學(xué)在雙目視覺機(jī)器人研究上起步較早，并研發(fā)出應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航的高精度機(jī)器人和可應(yīng)用于多個領(lǐng)域的雙目視覺自動巡檢機(jī)器人。

（1）功能上，智能機(jī)器人巡檢的自動化程度更高，巡檢結(jié)果更客觀和全面。與傳統(tǒng)的人工巡檢相比，機(jī)器人巡檢具有智能識別儀器儀表數(shù)據(jù)、智能感知空間環(huán)境參數(shù)、與模塊化機(jī)房門禁系統(tǒng)聯(lián)動、智能巡檢路線規(guī)劃、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時上報以及24 h不間斷巡檢等功能。

（2）效率上，IDC巡檢機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)無人值守的全自主智能巡檢，對機(jī)房內(nèi)機(jī)柜、動力電源、蓄電池及空調(diào)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動監(jiān)測。運(yùn)維人員通過后臺可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化三維巡檢，并可操控機(jī)器人完成目標(biāo)任務(wù)，大大提升了工作效率。此外，機(jī)器人巡檢實(shí)現(xiàn)了人員和設(shè)備的物理隔離，具有高安全性。

2 巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

基于5G NR網(wǎng)絡(luò)的輪式雙目視覺巡檢機(jī)器人，主要包含四驅(qū)底盤、供電單元、主控單元、融合通信模塊和操作系統(tǒng)等。其中，主控單元通過私有協(xié)議，與運(yùn)動控制單元、雙目視覺單元、環(huán)境傳感系統(tǒng)和人機(jī)交互接口連接，監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制命令通過5G/WiFi/NBIoT網(wǎng)關(guān)模塊回傳至監(jiān)控中心。設(shè)計(jì)使用的通信模塊包含RG500Q 5G NR模塊、ESP8266-12F WiFi模塊和BC28 NB-IoT無線模塊。操作人員在系統(tǒng)后臺通過分析數(shù)據(jù)和查看影像做出判斷，并發(fā)送指令控制機(jī)器人工作[3]。巡檢機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)的功能如圖1所示，樣機(jī)如圖2所示。

圖1 雙目視覺巡檢機(jī)器人功能圖

2.2 通信模塊

傳輸控制命令和監(jiān)測數(shù)據(jù)需要考慮系統(tǒng)工作的實(shí)時性、穩(wěn)定性和傳輸帶寬。實(shí)際中，使用內(nèi)嵌高通X55 5G調(diào)制解調(diào)器的RG500Q模組在Sub-6 GHz頻段，能實(shí)現(xiàn)LTE Cat.12及以上的高速網(wǎng)絡(luò)連接，內(nèi)置于機(jī)器人主體內(nèi)，用于視頻數(shù)據(jù)的回傳。它的封裝尺寸小，同時自帶全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）和嵌入式SIM卡（Embedded-SIM，eSIM）功能，方便集成。

圖2 樣機(jī)示意圖

ESP8266-12F WiFi嵌入式串口轉(zhuǎn)無線網(wǎng)模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，支持802.11 b/g/n/ac協(xié)議，可以編程設(shè)置為AP/Station/混合模式，使巡檢機(jī)器人在運(yùn)營商N(yùn)R網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時輕松切換到IDC機(jī)房內(nèi)局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)互通。它使用通過了運(yùn)營商入庫認(rèn)證的BC28 NB-IoT無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的低功耗物聯(lián)網(wǎng)接入能力，滿足巡檢數(shù)據(jù)特別是儀表參數(shù)、環(huán)境數(shù)據(jù)以及告警信號等的低時延連接和傳輸服務(wù)。

2.3 算法實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人雙目視覺的實(shí)現(xiàn)，主要使用同時定位與建圖算法（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM），依賴深度像機(jī)采集到的實(shí)時影像，經(jīng)過自身定位導(dǎo)航和構(gòu)建增量地圖實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和探索[4]，主要實(shí)現(xiàn)定位（Localization）、建圖（Mapping）以及隨后的路徑規(guī)劃等。實(shí)際設(shè)計(jì)中，附加了InvenSense公司的九軸陀螺儀以實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航-視覺SLAM融合算法。

常用的空間姿態(tài)解算方法有：通過有限次的三方向旋轉(zhuǎn)達(dá)到三維空間物體姿態(tài)解算的歐拉角姿態(tài)解算，采用復(fù)數(shù)二維空間內(nèi)的四元數(shù)（Quaternions）解決三維空間姿態(tài)運(yùn)算的四元數(shù)姿態(tài)解算方法。這里將陀螺儀四元數(shù)姿態(tài)解算和RTAB-MAP開源算法相融合，依靠相機(jī)構(gòu)建三維場景計(jì)算機(jī)器人的位置姿態(tài)，結(jié)合陀螺儀慣導(dǎo)系統(tǒng)，修正隨著時間漂移引起的誤差，實(shí)現(xiàn)實(shí)時性更高的慣性導(dǎo)航-視覺SLAM巡檢機(jī)器人[5]。

3 結(jié) 論

5G NR在智能巡檢中的應(yīng)用前景明朗，其高帶寬和低時延的性能特別適合實(shí)時監(jiān)測機(jī)房狀況，保證運(yùn)維人員實(shí)時動態(tài)掌控機(jī)房內(nèi)的情況，并可遠(yuǎn)程操控機(jī)器人提供簡單的故障修復(fù)。通過長期積累數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)AI深度學(xué)習(xí)算法，每臺巡檢機(jī)器人可以滿足700～1 300 m2機(jī)房全天候巡檢需求，并提供詳細(xì)的機(jī)房數(shù)據(jù)分析報告和智能化的優(yōu)化建議。人工巡檢受到人員業(yè)務(wù)素養(yǎng)的影響較大，執(zhí)行巡檢標(biāo)準(zhǔn)化流程的質(zhì)量無法保證。其他功能上，如果配合目前先進(jìn)的7自由度機(jī)械臂，機(jī)器人還能實(shí)現(xiàn)高精度的故障分析預(yù)警和診斷定位，并修復(fù)機(jī)房設(shè)備故障。運(yùn)行在5G網(wǎng)絡(luò)下的雙目視覺智能巡檢機(jī)器人，融合WiFi模組、NB-IoT模組和NR模組以滿足多場景下的低時延、高穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，驗(yàn)證表明系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性符合預(yù)期。此外，智能機(jī)器人實(shí)時監(jiān)測機(jī)房狀況并傳輸數(shù)據(jù)，方便運(yùn)維給出更加科學(xué)準(zhǔn)確的判斷，避免人工漏巡、錯看、誤記等可能，降低了人力成本，提升了巡檢質(zhì)量和效率。