機(jī)房智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用研究

曽 驥 韓 巍 翁 芳

（浙江大學(xué)濱海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，天津300380）

1 應(yīng)用背景

機(jī)房是信息管理、業(yè)務(wù)處理和通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心,隨著我國大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展,機(jī)房建設(shè)將不斷上升。目前機(jī)房安全與運(yùn)維管理主要通過人工巡檢和在線軟件診斷,人工介入巡檢方式基本包括人工巡檢、人工抄表、人工模擬故障法檢測、人工核對傳感器數(shù)值,并依據(jù)人機(jī)工程學(xué)的理論開展工作。在人機(jī)合作系統(tǒng)中,人類適合負(fù)責(zé)需要?jiǎng)?chuàng)新性、靈活性、開放性的工作,而機(jī)器適合于需要簡單重復(fù)、高計(jì)算量、高精度的工作。人工巡檢、人工抄表等大量簡單重復(fù)的工作方式,并不是人機(jī)合作的最佳工作方式。因此,人工巡檢方式雖然緩解了事件發(fā)現(xiàn)時(shí)間滯后、誤報(bào)、漏報(bào)等問題,但也不可避免地引入了其他問題,例如人手不足、數(shù)據(jù)精度有限、可靠性不高、人員水平、責(zé)任心參差不齊等諸多不利因素。[1]

在線軟件診斷存在檢測覆蓋范圍小、響應(yīng)慢和易干擾等問題,隨著機(jī)房建設(shè)逐漸偏遠(yuǎn)化和社會(huì)老齡化的趨勢,機(jī)房智能化安全管理和運(yùn)維將成為必然趨勢。本研究通過深度學(xué)習(xí)的巡檢運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)的示范應(yīng)用,幫助傳統(tǒng)IT 運(yùn)維服務(wù)商向智能無人化運(yùn)維服務(wù)發(fā)展, 同時(shí)推動(dòng)智能移動(dòng)機(jī)器人和視覺感知技術(shù)的發(fā)展及其相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。

2 機(jī)房智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2.1 智能巡檢機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

為適應(yīng)機(jī)房機(jī)柜高度 (1.8-2m) 和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房通道寬度(0.9-1.2m) 的實(shí)際應(yīng)用情況。機(jī)器人底盤采用雙輪差速驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)原定轉(zhuǎn)彎,同時(shí)通過底盤防滑防抖懸架的設(shè)計(jì),保障機(jī)器人在機(jī)房通道不平坦地面的穩(wěn)定移動(dòng)和執(zhí)行巡檢任務(wù); 同時(shí)設(shè)置上方視覺檢測模塊的可升降設(shè)計(jì), 滿足機(jī)器人在近距離檢測機(jī)柜內(nèi)高低層次擺放服務(wù)器的檢測視角高度可調(diào); 機(jī)器人還設(shè)置動(dòng)環(huán)傳感器,實(shí)時(shí)感知機(jī)房環(huán)境內(nèi)的動(dòng)環(huán)信息。

2.2 智能巡檢機(jī)器人核心算法開發(fā)

自主移動(dòng)與作業(yè)控制算法:

首要任務(wù)完成機(jī)器人在機(jī)房環(huán)境下的自主移動(dòng)功能,通過激光SLAM技術(shù),即同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization And Mapping,簡稱SLAM),通常是指在機(jī)器人或者其他載體上,通過對各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和計(jì)算, 生成對其自身位置姿態(tài)的定位和場景地圖信息的系統(tǒng)。[2]SLAM技術(shù)對于機(jī)器人或其他智能體的行動(dòng)和交互能力至為關(guān)鍵, 因?yàn)樗砹诉@種能力的基礎(chǔ):知道自己在哪里,知道周圍環(huán)境如何,進(jìn)而知道下一步該如何自主行動(dòng)。

通過機(jī)器人本體前方安裝2D 激光雷達(dá)實(shí)時(shí)快速呈扇形發(fā)射和接收的激光紅外線采集的點(diǎn)云圖, 來構(gòu)建機(jī)房實(shí)時(shí)場景的地圖,并保存到機(jī)器人本體和上傳到后端服務(wù)器,同步在地圖上通過數(shù)據(jù)處理優(yōu)化激光雷達(dá)構(gòu)建的離線地圖, 并在巡檢目標(biāo)及目標(biāo)地點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記, 最后通過自身IMU 及機(jī)器人本體尺寸及驅(qū)動(dòng)方式來運(yùn)算機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型, 使其在構(gòu)建的離線地圖上完成自主移動(dòng); 另外通過2D 激光雷達(dá)實(shí)時(shí)檢測動(dòng)態(tài)障礙物的功能,結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制學(xué),實(shí)現(xiàn)遇障安全停障功能,包括在有條件的通道環(huán)境內(nèi)進(jìn)行自主規(guī)劃新的繞障路線, 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主規(guī)劃路線能力。其次要完成機(jī)器人連續(xù)精準(zhǔn)對機(jī)房服務(wù)器的設(shè)備掃描和信息采集,包括如下步驟:巡檢機(jī)器人在待巡檢區(qū)域內(nèi)行走,獲取離線數(shù)據(jù)信息,完成預(yù)作業(yè);正式作業(yè),巡檢機(jī)器人從起始點(diǎn)出發(fā)到達(dá)離線最佳巡檢點(diǎn)的過程中, 根據(jù)巡檢機(jī)器人與待檢機(jī)房服務(wù)器的動(dòng)態(tài)位置關(guān)系, 實(shí)時(shí)調(diào)整巡檢機(jī)器人上云臺(tái)攝像機(jī)位姿, 通過攝像機(jī)鎖定待檢機(jī)房服務(wù)器不斷拍照并識(shí)別;識(shí)別成功后,機(jī)器人向下一巡檢點(diǎn)運(yùn)動(dòng);若識(shí)別失敗,則巡檢機(jī)器人在離線最佳巡檢點(diǎn)停駐識(shí)別。通過構(gòu)建巡檢機(jī)器人與待機(jī)房服務(wù)器的動(dòng)態(tài)幾何關(guān)系, 可使攝像機(jī)迅速鎖定并識(shí)別待服務(wù)器, 提升了巡檢機(jī)器人圖像鎖定及識(shí)別的效率和準(zhǔn)確率。視覺檢測算法開發(fā):本文采用基于深度學(xué)習(xí)的端到端網(wǎng)口檢測方法,如圖3 所示,包括:(1)獲取機(jī)房不同背景、不同機(jī)柜的交換機(jī)網(wǎng)口圖像;(2)對交換機(jī)網(wǎng)口圖像進(jìn)行分類;標(biāo)注每個(gè)圖像,制作數(shù)據(jù)標(biāo)簽;(3)使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù),制作交換機(jī)網(wǎng)口圖像數(shù)據(jù)集;(4)訓(xùn)練深度網(wǎng)絡(luò)YOLO v3 模型,保存模型結(jié)果。本文通過從智能巡檢機(jī)器人攝像頭獲取網(wǎng)口圖像, 通過算法處理得到圖像中網(wǎng)口的位置和類別,進(jìn)而做到現(xiàn)場實(shí)時(shí)部署,能夠提高機(jī)房內(nèi)交換機(jī)網(wǎng)口檢測的準(zhǔn)確率, 從而提高智能巡檢機(jī)器人部署時(shí)的效率。

2.3 機(jī)房智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程與功能

本文通過機(jī)房無人化、智能化巡檢實(shí)際業(yè)務(wù)需求(一個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房需要 每2～3 h 進(jìn)行一次粗略巡視,以覆蓋整個(gè)機(jī)房的角度大體巡視機(jī)房設(shè)備。每4～6 h 就需要進(jìn)行一次細(xì) 致巡視,巡視內(nèi)容包含查抄所有表計(jì)、指示燈等讀數(shù)和狀態(tài)。[3]),設(shè)計(jì)規(guī)劃機(jī)房智能巡檢機(jī)器人業(yè)務(wù)流程和功能模塊如下:

視覺感知功能:

移動(dòng)巡檢功能:

可視化資產(chǎn)管理功能:

3 機(jī)房智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用前景

目前巡檢運(yùn)維機(jī)器人已在多個(gè)領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用,尤其國家電網(wǎng)始終是巡檢機(jī)器人最大以及最早期的用戶。早在1999 年,國家電網(wǎng)山東電力公司就投入使用了智能巡檢機(jī)器人, 讓電力工人告別在高溫雨雪等惡劣天氣中巡檢的“折磨”,標(biāo)志著電力巡檢逐步邁入智能化時(shí)代。但除了變電站、高壓線路等國家電網(wǎng)應(yīng)用場景, 應(yīng)用面更廣的智能機(jī)房運(yùn)維機(jī)器人也有很大的市場和應(yīng)用前景。

機(jī)房智能運(yùn)維服務(wù)器機(jī)器人雖然是個(gè)垂直的細(xì)分市場,但是其體量并沒有想象的那么小。以一個(gè)機(jī)房為例,要達(dá)到24 小時(shí)有人的狀態(tài),至少需要五個(gè)人,五班三倒。2015 年的數(shù)據(jù)顯示,國家電網(wǎng)總共有500 個(gè)面積在100-400 平米的機(jī)房, 至少需要的人力是2500 人,這非常不現(xiàn)實(shí)。相比之下,用機(jī)器人替代人力進(jìn)行巡檢, 一個(gè)100-400 平米機(jī)房最多只需要一臺(tái)高配兩臺(tái)低配機(jī)器人,“運(yùn)一備二”,400-1000 平米的機(jī)房需要“運(yùn)二備二”,即可實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)實(shí)時(shí)巡檢。市場容量來講僅國家電網(wǎng)省級服務(wù)器機(jī)房共497 個(gè),對機(jī)器人的需求在1500-2000 臺(tái),整體的市場容量可達(dá)10-20 億。而隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及能源數(shù)據(jù)的不斷增加,機(jī)房運(yùn)維機(jī)器人的市場容量必然會(huì)相應(yīng)增加。

4 結(jié)論

智能巡檢機(jī)器人的運(yùn)用極大提升了機(jī)房巡檢維護(hù)作業(yè)的效率和準(zhǔn)確性, 本文上述機(jī)房智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)的研究,滿足目前機(jī)房無人化、智能化巡檢運(yùn)維的需求,解決機(jī)房人工巡檢運(yùn)維效率低、成本高的問題,大幅提升機(jī)房巡檢運(yùn)維的效率和自動(dòng)化、智能化水平;借助移動(dòng)機(jī)器人、多模態(tài)感知、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù),極大推進(jìn)機(jī)房巡檢運(yùn)維的產(chǎn)業(yè)升級。