人工智能技術(shù)在鐵路站房保潔領(lǐng)域應(yīng)用的探討

陶琪超 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海華鐵旅客服務(wù)有限公司

1 研究背景

中國高鐵因其安全性高、速度快、乘坐舒適，已經(jīng)成為我們國家展示自己實(shí)力的一張名片。干凈、舒適、整潔的環(huán)境也是打造中國高鐵形象的重要一環(huán)。

鐵路站點(diǎn)的清潔工作普遍存在復(fù)雜、多樣，清潔面積較大、工作時(shí)間較長等特點(diǎn)，保潔需求量大，保潔工作難度較高。而目前就清潔行業(yè)中一線從業(yè)者來看，50-60歲年齡段的人群是主力軍。他們隨著年齡的增加，將逐步退出行業(yè)，而年輕一代選擇從業(yè)的越來越少。面對人力成本的不斷增加和一線清潔人員老齡化的現(xiàn)實(shí)，如何既要滿足社會各方對于高鐵車站干凈、舒適、整潔的要求，同時(shí)要降低清潔行業(yè)對人工作業(yè)的依賴。

目前清潔行業(yè)已經(jīng)由純?nèi)斯ぶ饾u向機(jī)械化轉(zhuǎn)型，但仍然無法滿足行業(yè)的需求，因此“智能化清潔”是清潔行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必由之路。通過引入人工智能技術(shù)，研究智能化清潔設(shè)備，完成一系列的清潔工作也成為發(fā)展所需。

此外，對于近年來不斷出現(xiàn)的諸如疫情等突發(fā)公共衛(wèi)生事件，為了有效阻斷病毒等傳播，使用智能機(jī)器代替人工進(jìn)行清潔衛(wèi)生工作將是未來發(fā)展的必然趨勢。

根據(jù)站房地面的實(shí)際清洗需要，引入“智能化清潔”理念，即以傳統(tǒng)清潔技術(shù)為依托，通過開發(fā)和應(yīng)用人工智能科技，解決效率和成本之間的矛盾，從而達(dá)到提高清潔效率，降低人力成本和改善勞動條件的目的。用全新的理念和最新的科技，徹底顛覆傳統(tǒng)的清潔方式，實(shí)現(xiàn)清潔工從低階體力勞動者向設(shè)備管理者的角色轉(zhuǎn)變。在鐵路站房，針對性地研發(fā)一套可用于站房地面清洗的機(jī)器人。設(shè)計(jì)一套清洗機(jī)器人管理系統(tǒng)。

2 研制方案

2.1 已有相關(guān)清潔機(jī)器人的研發(fā)

（1）新型清潔機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一種基于螺旋運(yùn)動原理的新型掃拖一體清潔機(jī)器人和相適應(yīng)的控制系統(tǒng)。它利用彈性螺旋凸起與地面的相互作用和相對運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)拖地和掃地功能，理論分析表明其具有更佳的清潔能力，同時(shí)它還具有自動清洗和水循環(huán)等功能。針對其特殊的運(yùn)動和受力模式，給出了其運(yùn)動約束條件，分析并給出了側(cè)滑情況下的運(yùn)動學(xué)模型。

（2）自動擦地機(jī)，其原理是將拖布在豎直方向旋轉(zhuǎn)，在拖布的上方有噴水桿，濕潤的、旋轉(zhuǎn)著的拖布的邊緣和地面接觸，擦走了地面的灰塵，在臟拖布的旋轉(zhuǎn)過程中,首先被淋上清水，稀釋了灰塵,然后碰上一阻擋桿,將灰塵臟水甩到集水槽里，干凈的、濕潤的拖布進(jìn)行下一輪的擦地。該產(chǎn)品適合于水泥、陶瓷地面的清潔。

（3）自動地面清洗機(jī)，是集噴液、洗地、清潔、吸水、吸塵為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品,它是在吸塵器的基礎(chǔ)上,經(jīng)研宄而發(fā)展起來的另一類新型地面清洗機(jī)。自動地面清洗機(jī)通過用洗滌液對地面進(jìn)行清洗，并將污水吸收，達(dá)到清潔地面的目的。

2.2 站房地面清潔機(jī)器人的研發(fā)方案

2.2.1 站房地面清洗機(jī)器人系統(tǒng)的組成

站房地面清洗機(jī)器人系統(tǒng)由清潔機(jī)器人本體、智能補(bǔ)給站和清潔管理系統(tǒng)三維一體組成（如圖1所示）。

圖1 站房地面清潔機(jī)器人

站房地面清洗機(jī)器人本體：站房地面清洗機(jī)器人本體采用適用于室內(nèi)平坦地面的機(jī)器人通用輪式底盤，采用三輪結(jié)構(gòu)（2個(gè)驅(qū)動輪、1個(gè)萬向輪），該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)彎半徑小，運(yùn)行噪音低，工作效率高等特點(diǎn)。該底盤采用大功率直流無刷電機(jī)驅(qū)動，相比于傳統(tǒng)直流碳刷電機(jī)具有噪音小、壽命長、免維護(hù)的特點(diǎn)。融合了多種環(huán)境感知傳感器。此外，機(jī)器人選用鋰電池，具備電量監(jiān)控、過充/過放保護(hù)等電源管理功能，可實(shí)現(xiàn)自動作業(yè)、自動避障、自動充電、自動加水及清潔液、自動排污等功能，做到無人值守。

站房地面清洗機(jī)器人智能補(bǔ)給站：智能補(bǔ)給站搭載通訊系統(tǒng)，保持與機(jī)器人本體的聯(lián)絡(luò)，確保兩者準(zhǔn)確對接。同時(shí)配置充電樁、清水管、排污管，為機(jī)器人本體實(shí)現(xiàn)自動充電、自動加水、自動排污提供服務(wù)。

清潔管理系統(tǒng)：清潔管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查看機(jī)器人的狀態(tài)信息、故障信息，保障機(jī)器人的現(xiàn)場部署和日常使用運(yùn)維。

2.2.2 原理

機(jī)器人本體環(huán)境感知和運(yùn)動控制是核心技術(shù)，機(jī)器人通過環(huán)境感知了解周圍環(huán)境。站房地面清洗機(jī)器人是利用搭載在機(jī)器人本體上的激光雷達(dá)、IMU慣性測量單元、里程計(jì)數(shù)器，一邊計(jì)算自身位置，一邊構(gòu)建環(huán)境地圖，以解決機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)動時(shí)的定位與地圖構(gòu)建問題（如圖2所示）。

圖2 激光建圖和定位

通過開發(fā)場景應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的調(diào)度、路徑規(guī)劃，從而解決大面積地面清洗問題。智能補(bǔ)給站實(shí)現(xiàn)自動充電、自動加水、自動排污，使站房地面清洗真正意義上實(shí)現(xiàn)無人值守作業(yè)。

（1）智能導(dǎo)航定位和地圖構(gòu)建

通過同步定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，以下簡稱SLAM）解決方案和算法，可以實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和導(dǎo)航運(yùn)動控制。定位系統(tǒng)通過激光雷達(dá)和深度攝像頭，結(jié)合多種外部和內(nèi)部的傳感器將當(dāng)前及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用算法解出機(jī)器人所在位置的準(zhǔn)確坐標(biāo)。同時(shí)，將每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)取得的傳感器數(shù)據(jù)拼接起來，形成完整的地圖。生成的地圖同時(shí)又可作為驗(yàn)證坐標(biāo)的依據(jù)。

（2）復(fù)雜環(huán)境識別、自主規(guī)劃路徑和安全防護(hù)

機(jī)器人本體配置多種傳感模式的環(huán)境感知系統(tǒng)。能夠通過傳感器獲取周圍的環(huán)境信息，自動避障。采用激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)SLAM，用深度攝像頭實(shí)現(xiàn)立體避障，用超聲波來補(bǔ)償激光雷達(dá)和深度相機(jī)的檢測盲點(diǎn)。

通過多重傳感器融合，機(jī)器人本體可以準(zhǔn)確靈活避障和防撞，自主規(guī)劃路線，實(shí)現(xiàn)自動巡航。

超聲雷達(dá)+防跌落傳感器近距離探測防護(hù)；示廓轉(zhuǎn)向燈和語音播報(bào)可以提醒附近人員及時(shí)避讓；防撞感應(yīng)和急停按鈕應(yīng)對緊急情況。

（3）智能洗地系統(tǒng)

清洗機(jī)器人的核心任務(wù)是要高效、迅捷地完成地面清洗工作。高質(zhì)量完成清洗任務(wù)是最基本的功能。

實(shí)現(xiàn)自主擦洗、自主排污水、自主加注清水、自主充電等功能。觸摸屏作為用戶與機(jī)器人之間的交互工具，可以完成地圖管理、路徑規(guī)劃、任務(wù)管理等各項(xiàng)功能設(shè)置，如機(jī)器人行走速度、出水量、刷盤壓力等。另配有輔助性物理按鈕，必要時(shí)可進(jìn)行手動任務(wù)操作。

通過洗地機(jī)懸浮式扒頭結(jié)構(gòu)、機(jī)頭扒頭電動升降系統(tǒng)、污水箱內(nèi)藏式吸水口及過濾裝置等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了功能模塊的自動上裝下裝，提高了清潔效率節(jié)省了機(jī)器人成本。

運(yùn)用運(yùn)動力學(xué)相關(guān)分析，對清潔機(jī)器人的移動進(jìn)行精確地控制，提高機(jī)器人移動效率及工作效率，并降低整體功耗。

（4）物聯(lián)網(wǎng)清潔管理系統(tǒng)

通過物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多臺機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，將機(jī)器人的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和匯總分析，形成使用報(bào)告，極大提升清潔工作的管理效率。

遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控每一臺機(jī)器人，包括設(shè)備的身份和位置、實(shí)時(shí)狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、操作人員信息、問題記錄、服務(wù)記錄、電量和運(yùn)行軌跡監(jiān)測等。

2.2.3 站房地面清洗機(jī)器人的技術(shù)特點(diǎn)

采用激光雷達(dá)和多重傳感器融侖,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人路徑規(guī)劃、自動導(dǎo)航、定位、避障等功能。

通過站房地面清洗機(jī)器人專用管理軟件,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動清洗地面、自動避障、自動充電、自動加清水、自動排污水、清潔劑自動分配等功能。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、清洗任務(wù)派遣，且機(jī)器人可實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)到云端進(jìn)行監(jiān)測和匯總分析，形成使用報(bào)告,極大提升了清潔工作的管理效率。

2.2.4 針對鐵路站房的安全技術(shù)

鐵路站房人員、設(shè)備、障礙物多，情況復(fù)雜。站房地面清洗機(jī)器人集成了10多個(gè)傳感器，分別覆蓋機(jī)器人一周，利用算法融合激光、單目/雙目視覺、超聲波、地磁、防撞條等多維度傳感器數(shù)據(jù)，能夠最大程度實(shí)現(xiàn)對動態(tài)/靜態(tài)環(huán)境的感知。

機(jī)器人在運(yùn)行過程中，采用了激光雷達(dá)、超聲波、深度攝像頭、防撞條等多重方式保證機(jī)器人運(yùn)行安全可靠，保證清潔作業(yè)有序進(jìn)行。

①提前規(guī)劃：站房地面清洗機(jī)器人在使用過程中需提前進(jìn)行建圖，并針對可能的安全隱患進(jìn)行安全部署，預(yù)設(shè)機(jī)器人作業(yè)時(shí)的清洗軌跡，規(guī)避可能的風(fēng)險(xiǎn)。

②設(shè)置電子圍欄：機(jī)器人利用激光定位，能夠?qū)崟r(shí)獲取機(jī)器人在地圖上的實(shí)時(shí)位置，在機(jī)器人現(xiàn)場作業(yè)前，提前在系統(tǒng)里設(shè)置好危險(xiǎn)區(qū)域，將機(jī)器人限定在安全區(qū)域，確保機(jī)器人安全運(yùn)行。

③安全距離：機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，針對靜態(tài)和動態(tài)障礙物系統(tǒng)設(shè)置了安全距離，模擬駕駛經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)機(jī)器人檢測到測距傳感器的距離達(dá)到減速或停車閾值時(shí)，執(zhí)行三級減速或直接停車。

④語音提醒和急停：機(jī)器人上配置急停按鈕，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可直接拍下急停，機(jī)器人會停止所有的運(yùn)動，保證現(xiàn)場安全可控，機(jī)器人設(shè)置最后一道防線：防撞條，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，立即觸發(fā)緊急停止。

機(jī)器人上搭載聲音提醒功能，在機(jī)器人作業(yè)時(shí)，提醒人群避讓。

3 探索使用

3.1 主要實(shí)現(xiàn)功能

通過引入人工智能技術(shù)，研究智能化清潔設(shè)備，按照設(shè)定的任務(wù)或者遠(yuǎn)程操控，自動清洗、自動避障、自動充電、自動加注清水及清潔劑、自動排污，無需人工干預(yù)完成鐵路站房地面大部分的清潔作業(yè)。

3.2 在鐵路上海站的使用

（1）技術(shù)性能測試場景

站房地面清洗機(jī)器人于2020年年底投入上海站進(jìn)行實(shí)地場景運(yùn)行測試。測試地點(diǎn)位于上海站11號候車廳。其中，補(bǔ)給站安裝地點(diǎn)：11號候車廳茶水間。

（2）技術(shù)性能符合性

在進(jìn)行了30多個(gè)工作日，近300 h的運(yùn)行測試后，站房洗地機(jī)器人在性能上完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。即：自動行走移動、自主識別環(huán)境和避障、自動清洗、自動充電、自動換水等功功能，以及智能語音提醒和本地觸屏APP等多種人性化交互方式。

（3）實(shí)效性

在已構(gòu)建的上海站11號候車室地圖上，劃分出10個(gè)任務(wù)區(qū)，分別為：座椅通道1-4區(qū)，外圍通道1-6區(qū)，當(dāng)以上4個(gè)分區(qū)按照托管方式執(zhí)行任務(wù)時(shí)，可以15 min或20 min間隔依次設(shè)置派遣時(shí)間。這種設(shè)置方式適合白天作業(yè)。由于白天客流量大，分區(qū)分時(shí)段執(zhí)行更能保障任務(wù)完成率。夜間托管作業(yè)時(shí)，由于旅客流量大大降低，可設(shè)置一次性整體作業(yè)。

經(jīng)過近300 h的運(yùn)行測試，每天00:00-05:00為最佳作業(yè)時(shí)間段。該時(shí)段候車旅客稀少，作業(yè)通勤效率大大提高。到達(dá)任務(wù)啟動預(yù)設(shè)時(shí)間點(diǎn)后，機(jī)器人自行啟動清洗任務(wù)。可同時(shí)設(shè)置多個(gè)定時(shí)任務(wù)；在一個(gè)任務(wù)未結(jié)束，另一個(gè)任務(wù)開始時(shí)間到了時(shí)，先執(zhí)行完當(dāng)前任務(wù)，再執(zhí)行時(shí)間到了的任務(wù)。普通模式下清潔后地面干凈、干燥，無污漬和水漬，吸扒升起后，污水殘留量符合設(shè)計(jì)要求

（4）效益分析

按照上海站候車室目前的設(shè)備及人員配備進(jìn)行測算：

以上海站5-12號8個(gè)候車廳為例，其中11號、12號候車廳保潔面積相同，為其余候車大廳保潔面積的1.5倍。

目前地面清洗保潔安排：分白、夜兩班，白班5-10號各安排一人大廳地面流動保潔，11-12號2個(gè)候車廳安排一人地面流動保潔，配小型駕駛式洗地機(jī)4臺，另安排1人駕駛一臺大型洗地機(jī)（白班專用）清洗南北通道等。夜班安排2人，駕駛2臺大型洗地機(jī)（夜班專用）清洗地面。這樣實(shí)際一天需10人，大型洗地機(jī)3臺，小型洗地機(jī)4臺

若使用站房地面洗地機(jī)器人，每天0:00-6:00，兩臺機(jī)器人可完成8個(gè)候車大廳90%的地面清潔(11號侯車廳實(shí)際清洗時(shí)間63 min），剩余10%面積可白班分配2人2機(jī)（傳統(tǒng)小型駕駛式洗地機(jī)）巡回作業(yè)，在1 h左右完成，白天機(jī)器人分時(shí)段反復(fù)清洗南北通道和大廳清洗大面積，另兩臺駕駛式洗地機(jī)流動作業(yè)。另配1人作為機(jī)動并對機(jī)器人進(jìn)行必要的檢查維護(hù)以及設(shè)備折舊、耗材替換等費(fèi)用?？蓽p少7個(gè)人工，節(jié)約設(shè)備投入3臺。

同時(shí)經(jīng)過研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，至設(shè)備投入現(xiàn)實(shí)場景應(yīng)用測試等一系列過程，最大程度上達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，并持續(xù)迭代升級。使用智能機(jī)器代替人工進(jìn)行清潔衛(wèi)生工作將是未來發(fā)展的必然趨勢。

4 結(jié)束語

通過對鐵路站房地面清洗設(shè)備的智能化技術(shù)難點(diǎn)、方案、原理、安全分析等方面進(jìn)行研究和探討，主要針對車站的清潔領(lǐng)域，利用人工智能技術(shù)特點(diǎn)，推動車站清潔作業(yè)智能化，減少對人工作業(yè)的依賴，提升清潔效率，降低人工成本。