綜合管廊自動(dòng)巡檢系統(tǒng)研究*

王建 鄭立寧 杜浩然 徐凱

中建地下空間有限公司 成都610053

引言

目前，我國綜合管廊通過安裝在管廊內(nèi)的固定式監(jiān)控設(shè)備［1，2］，對廊內(nèi)的各類管線和設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。然而，固定式監(jiān)控設(shè)備由于機(jī)動(dòng)性差、智能化程度低、投入量大、后期維護(hù)費(fèi)用高等問題，無法滿足智慧城市中綜合管廊的實(shí)際運(yùn)維需求。因此，管廊重點(diǎn)區(qū)域，仍需采用人工巡檢的方式，但綜合管廊屬于地下封閉環(huán)境，管廊內(nèi)空氣不流通、采光差、空間壓抑等因素，可能存在有毒有害氣體集聚，在保障作業(yè)人員的生命安全及身心健康方面存在一定的隱患。

管廊巡檢機(jī)器人［2］通過搭載的高精度傳感系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、智能處理系統(tǒng)等技術(shù)手段，構(gòu)建可視化綜合管廊運(yùn)行環(huán)境，感知、傳達(dá)、分析管廊實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，不僅能有效補(bǔ)充固定監(jiān)控檢測設(shè)備的監(jiān)測盲區(qū)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)綜合管廊中管線或各類設(shè)備的缺陷或故障，還能代替大量人工巡檢工作，保護(hù)巡檢作業(yè)人員的身心健康，有效避免因長期在地下惡劣環(huán)境下工作造成設(shè)備的漏巡、誤巡以及未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障等情況的發(fā)生。

1 系統(tǒng)功能分析及技術(shù)指標(biāo)

1.1 系統(tǒng)功能分析

由于綜合管廊建設(shè)在城市地下，長年運(yùn)行過程中管廊內(nèi)部存在潮濕、光線昏暗、有害氣體泄漏等環(huán)境特點(diǎn)。管廊自動(dòng)巡檢系統(tǒng)面對這樣的作業(yè)環(huán)境，需具備以下能力才能完成相應(yīng)巡檢任務(wù)［3］：

（1）靈活移動(dòng)能力：在管廊內(nèi)完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等基本運(yùn)動(dòng)，以及完成定點(diǎn)檢測、便捷通過管廊隧道中防火區(qū)隔斷門等任務(wù)。

（2）全面感知能力：實(shí)時(shí)檢測管廊內(nèi)部的管道信息、視頻信息、環(huán)境參數(shù)和機(jī)器人自身的狀態(tài)信息。

（3）實(shí)時(shí)傳輸能力：實(shí)時(shí)將檢測到的環(huán)境信息與自身狀態(tài)信息傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

（4）長時(shí)續(xù)航能力：具備具有較長的續(xù)航能力。同時(shí)，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測自身電量，并具備自主返回充電樁處進(jìn)行充電的能力。

（5）自主定位能力：發(fā)現(xiàn)異常情況，能及時(shí)地報(bào)告其地理位置。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

鑒于綜合管廊特殊的環(huán)境以及上述實(shí)現(xiàn)功能，自動(dòng)巡檢系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合管廊自動(dòng)巡檢系統(tǒng)由機(jī)器人本體硬件系統(tǒng)、機(jī)器人附屬設(shè)備與機(jī)器人軟件系統(tǒng)三部分組成（圖1）。

圖1 綜合管廊自動(dòng)巡檢系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of automatic inspection system for utility tunnel

2.1 機(jī)器人本體硬件系統(tǒng)

1.動(dòng)力系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)主要為機(jī)器人提供牽引動(dòng)力，為保證機(jī)器人具有靈活且可靠的移動(dòng)能力，機(jī)器人采用可轉(zhuǎn)向抱軌懸掛系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輪作為動(dòng)力輸出裝置，采用高精度伺服減速輪轂電機(jī)作為動(dòng)力源，能夠保證機(jī)器人在軌道上運(yùn)行過程中驅(qū)動(dòng)輪始終與軌道保持充足的摩擦力。

圖2 機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)Fig.2 Robot power system

2.能源系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人執(zhí)行的所有動(dòng)作及實(shí)現(xiàn)的功能均需要消耗電能，出于安全性和便捷性考慮，管廊巡檢機(jī)器人不適合使用線纜或滑觸線供能［4］，由于傳感及控制系統(tǒng)中電子元件較多，機(jī)器人采用電池作為能源儲存介質(zhì)，使用一次性化學(xué)電池或燃料電池不利于后續(xù)維護(hù)更換，所以最適宜的電池應(yīng)為可循環(huán)充電電池。

3.傳感系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人需搭載傳感系統(tǒng)對管廊內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測，傳感系統(tǒng)包括氧氣傳感器、硫化氫傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、溫濕度傳感器、可見光攝像機(jī)及紅外熱成像儀等感知外界環(huán)境特征的傳感器。

圖3 機(jī)器人能源系統(tǒng)Fig.3 Robot energy system

圖4 機(jī)器人傳感系統(tǒng)Fig.4 Robot sensing systems

4.控制系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人控制核心采用工控機(jī)，工控機(jī)是專用于工業(yè)場景的微型計(jì)算機(jī)，不僅具有穩(wěn)定的可靠性，同時(shí)具有成熟的底層及操作系統(tǒng)支持，與上位機(jī)軟件匹配度較高，計(jì)算性能強(qiáng)大，可以勝任多路數(shù)據(jù)的采集與分析處理，適合作為巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的中央處理器。

圖5 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)Fig.5 Robot control system

5.通訊系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人通過本體攜帶的工業(yè)級無線AP與管廊內(nèi)布設(shè)的無線AP同監(jiān)控中心建立穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。

2.2 機(jī)器人附屬設(shè)備

1.軌道系統(tǒng)

軌道系統(tǒng)由運(yùn)行軌道、機(jī)器通道門、軌道道岔及定位模塊組成。各部分軌道需要牢固連接、平滑過渡。機(jī)器人通道門可根據(jù)指令自動(dòng)開關(guān)，不影響巡檢機(jī)器人運(yùn)行且能保證管廊內(nèi)各區(qū)間的相對密封。軌道道岔需根據(jù)巡檢任務(wù)更改各段軌道的連接方式，輔助管廊巡檢機(jī)器人完成既定巡檢任務(wù)。管廊巡檢機(jī)器人通過讀取定位模塊上的信息對機(jī)器人進(jìn)行位置校準(zhǔn)和定位，為提升管廊巡檢機(jī)器人定位精度，有效完成指定巡檢任務(wù)提供有力支持。

圖6 巡檢機(jī)器人軌道系統(tǒng)Fig.6 Robot track system

2.供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)通常包括接入配電箱、應(yīng)急供電電源、機(jī)器人充電樁及為自動(dòng)巡檢系統(tǒng)進(jìn)行供電的供電線纜。其中配電箱中設(shè)置了可獨(dú)立控制的電源開關(guān)，應(yīng)急供電電源可在管廊內(nèi)部供電狀態(tài)異常的情況進(jìn)行緊急供電，保障軌道系統(tǒng)及通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行，不影響管廊巡檢機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)。

3.通訊網(wǎng)絡(luò)

通信系統(tǒng)采用光纖網(wǎng)絡(luò)通信，系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)使用冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)搭建，管廊內(nèi)每個(gè)防火區(qū)間至少搭配一臺無線基站，保證巡檢機(jī)器人在執(zhí)行巡檢任務(wù)過程中的通訊質(zhì)量與實(shí)效性。無線通訊過程中采用無線接入加密、設(shè)備身份認(rèn)證與數(shù)據(jù)流加密相結(jié)合的多重加密形式，防止數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)被竊取，保障管廊運(yùn)維的數(shù)據(jù)安全。

2.3 機(jī)器人軟件系統(tǒng)

1.軟件架構(gòu)

機(jī)器人軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示，分為支撐層、數(shù)據(jù)庫層、應(yīng)用層及系統(tǒng)展示四層。支撐層通過通訊協(xié)議獲取前端傳感設(shè)備，感知的綜合管廊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫［4］。

圖7 軟件系統(tǒng)架構(gòu)Fig.7 Software system architecture

數(shù)據(jù)庫層主要包括地圖數(shù)據(jù)庫、巡檢任務(wù)數(shù)據(jù)、前端硬件設(shè)備數(shù)據(jù)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)庫層實(shí)現(xiàn)了巡檢數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、分析、判斷，并向應(yīng)用層提供決策支持。

應(yīng)用層包括圖像信息識別、巡檢任務(wù)管理、前端設(shè)備管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢、監(jiān)控與預(yù)警、聯(lián)動(dòng)控制等應(yīng)用功能。

系統(tǒng)展現(xiàn)層向用戶提供加直觀、易用的界面，方便用戶操作。

2.軟件主要功能

巡檢機(jī)器人具有高清圖像采集、巡檢路徑規(guī)劃、重點(diǎn)部位巡檢、自主避障、自主充電及一鍵返航等功能［5］，具體如下：

高清圖像采集：巡檢機(jī)器人搭載有高分辨率可見光攝像頭，可實(shí)現(xiàn)對管廊內(nèi)的高清圖像采集。

巡檢路徑規(guī)劃：巡檢路徑規(guī)劃包括識別管廊內(nèi)標(biāo)記的軌跡及預(yù)設(shè)的巡檢路徑兩種方式。巡檢機(jī)器人可根據(jù)路徑自動(dòng)導(dǎo)航，完成巡檢任務(wù)。

重點(diǎn)部位巡檢：在后臺地圖上可設(shè)置重點(diǎn)巡檢部位，配置巡檢內(nèi)容，巡檢機(jī)器人到達(dá)設(shè)定點(diǎn)后會(huì)停下進(jìn)行詳細(xì)巡檢。巡檢過程中，一旦發(fā)現(xiàn)異常，巡檢機(jī)器人將自動(dòng)將報(bào)警信息推送至監(jiān)控中心。

自主避障：巡檢機(jī)器人在行駛過程中遇到障礙物可提前停止運(yùn)動(dòng)或者避讓。移除障礙物后可恢復(fù)行走。巡檢過程中發(fā)現(xiàn)新增障礙物（如：巡檢人員、檢修工具）同樣可以防碰撞和避開。

自主充電：當(dāng)巡檢機(jī)器人電量低于設(shè)定的閾值后，根據(jù)地圖，自動(dòng)前往就近充電點(diǎn)位進(jìn)行充電，電量達(dá)到閾值及以上，巡檢機(jī)器人則繼續(xù)開展未完成工作。

一鍵返航：啟動(dòng)一鍵返航功能，巡檢機(jī)器人無論處于何種工作狀態(tài)均可按照預(yù)設(shè)的策略返航。

巡檢模式控制：對巡檢機(jī)器人系統(tǒng)提供手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種控制方式，并能在兩種控制模式間任意切換。手動(dòng)控制功能可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人車體、云臺、可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀的控制操作。自動(dòng)控制時(shí)，系統(tǒng)能夠在全自主的模式下，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的任務(wù)或者由用戶臨時(shí)指定的任務(wù)，通過機(jī)器人各功能單元的配合實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的檢測功能。

硬件設(shè)備管理：系統(tǒng)提供顯示、存儲巡檢機(jī)器人相關(guān)硬件信息的功能，具體包括：機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊信息、電源模塊信息、自檢信息等硬件設(shè)備信息。

3 系統(tǒng)識別技術(shù)

自動(dòng)巡檢系統(tǒng)在工作過程中，需要根據(jù)巡檢任務(wù)完成對管廊內(nèi)環(huán)境參數(shù)的識別、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)識別等工作內(nèi)容，針對不同的識別對象，系統(tǒng)采用了以下不同的實(shí)現(xiàn)方法：

（1）環(huán)境參數(shù)識別

自動(dòng)巡檢系統(tǒng)識別的管廊內(nèi)環(huán)境參數(shù)主要包括氧氣、甲烷、硫化氫、溫度、濕度。上述環(huán)境參數(shù)的檢測主要由不同的前端傳感器進(jìn)行采集，然后由后臺管理軟件根據(jù)設(shè)定閾值對前端傳感器采集的參數(shù)進(jìn)行判斷。若相應(yīng)環(huán)境檢測參數(shù)超過設(shè)定閾值則后臺管理軟件生成報(bào)警信息。

（2）紅外測溫

自動(dòng)巡檢系統(tǒng)搭載有紅外熱像儀，通過紅外熱成像技術(shù)，對需測溫設(shè)備進(jìn)行溫度掃描和熱成像圖片采集。紅外圖像的識別通過獲取能夠標(biāo)記紅外圖像特征的有用信息，從而提取目標(biāo)圖像，進(jìn)行設(shè)備溫度識別、線路短路、溫度異常告警［6］。

（3）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)識別

管廊內(nèi)控制柜面板指示燈、儀表讀數(shù)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別算法［7－9］實(shí)現(xiàn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出長和寬為［300／24］＝［18.75］＝19，通道為512，即基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)VGG-16的輸出尺寸為512×19×19。在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之后，還有如表2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

表2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Tab.2 Neural network architectures

其中，是否輸出一欄標(biāo)為Y的表示均將其輸出，然后送到識別器，即最終識別器接受不同大小的特征圖譜共（5＋1）＝6個(gè)（5個(gè)額外的輸出層和1個(gè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)輸出），分別為10×10、5×5、3×3、1×1和兩個(gè)19×19。

conv4_3、conv_7、conv8_2、conv7_2、conv8_2、conv9_2、conv10_2、conv11_2這些大小不同的特征圖譜，其目的是為了能夠準(zhǔn)確的檢測到不同尺度的物體，因?yàn)樵诘蛯拥奶卣鲌D譜，感受野比較小，高層的感受野比較大，在不同的特征圖譜進(jìn)行卷積，可以達(dá)到多尺度的目的，實(shí)現(xiàn)對管廊內(nèi)不同對象的識別。

4 項(xiàng)目應(yīng)用情況

為了對自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的功能、穩(wěn)定性及可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，公司將一臺綜合管廊巡檢機(jī)器人安裝于某綜合管廊綜合倉中，進(jìn)行樣機(jī)的一系列實(shí)驗(yàn)以及試運(yùn)營。自動(dòng)巡檢機(jī)器人安裝于該管廊N1 26＋40至N1 28＋40段的綜合艙，共長約200m。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M了自動(dòng)巡檢機(jī)器人在管廊內(nèi)執(zhí)行巡檢任務(wù)的情況，巡檢機(jī)器人能夠根據(jù)設(shè)定的巡檢任務(wù)開展管廊的巡檢工作，巡檢過程中發(fā)現(xiàn)異常，機(jī)器人能夠?qū)⑾嚓P(guān)信息推送到管理平臺。

圖8 安裝于管廊中的巡檢機(jī)器人Fig.8 Inspection robot installed in utility tunnel

5 結(jié)語

管廊自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的使用，可實(shí)時(shí)采集管廊內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，能夠有效彌補(bǔ)管廊內(nèi)固定監(jiān)控設(shè)備的不足。另外，自動(dòng)巡檢系統(tǒng)能夠代替人工巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管廊內(nèi)各項(xiàng)設(shè)備的異常和故障情況，有利于減少管廊災(zāi)害和事故的發(fā)生，將有效提高城市綜合管廊的運(yùn)行管理效率，實(shí)現(xiàn)智慧城市綜合管廊的自動(dòng)化和智能化。