管廊巡檢機(jī)器人技術(shù)分析

張世宇，眭小紅，趙 瑜，周起如

（深圳市賽為智能股份有限公司 廣東 深圳 518057）

1 引言

當(dāng)前城市綜合管廊建設(shè)已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)，2017年5月住建部、發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布《全國城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》，截至2017年4月底國內(nèi)地下綜合管廊試點(diǎn)項(xiàng)目已開工建設(shè)687 km，建成廊體260 km，完成投資400多億元。未來10年地下綜合管廊需求超3萬公里，投資規(guī)模將達(dá)1.8萬億[1]。在此背景下，綜合管廊巡檢機(jī)器人行業(yè)迎來發(fā)展契機(jī)。

國內(nèi)巡檢機(jī)器人的研究已有20多年的歷史，由于國內(nèi)研究起步較晚，在技術(shù)水平、實(shí)用化程度以及穩(wěn)定方面，相比美國、日本等國家有較大的差距[2]。國內(nèi)巡檢機(jī)器人按功能可分為安保機(jī)器人、消防機(jī)器人和巡邏機(jī)器人等，其功能往往雷同，名稱外觀稍有差別，普遍應(yīng)用在變電站、管廊、機(jī)房、園區(qū)、化工等環(huán)境中。

2 管廊巡檢機(jī)器人功能及價(jià)值

管廊巡檢機(jī)器人是指由移動(dòng)載體、通信設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備等組成，采用遙控、半自主或全自主運(yùn)行模式，用于綜合管廊巡檢作業(yè)的移動(dòng)裝置[3]。

根據(jù)《綜合管廊智能化巡檢機(jī)器人通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》征求意見稿[3]，巡檢機(jī)器人按行走機(jī)構(gòu)型式可分為：有軌式和無軌式（輪式、履帶式）；巡檢機(jī)器人按控制方式可分為：自主控制、半自主控制、人工遙控。由下表可知，管廊機(jī)器人巡檢多采用軌道式，適合全自主巡檢及半自主巡檢。性能對(duì)比分析如下：

表1 巡檢機(jī)器人優(yōu)勢(shì)對(duì)比[4]

表2 巡檢控制方式對(duì)比[5]

1.1 價(jià)值

管廊巡檢機(jī)器人可降低人工巡檢工作中的危險(xiǎn)性，也會(huì)彌補(bǔ)巡檢人員負(fù)擔(dān)過重的缺點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)人工巡檢方式，采用綜合管廊機(jī)器人具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）安全性：管廊巡檢往往處于昏暗、潮濕、幽閉且狹長的空間環(huán)境，巡檢過程中容易遇到有毒有害氣體、泄露的燃?xì)夂蛷?qiáng)電等危險(xiǎn)，同時(shí)不可避免會(huì)對(duì)巡檢人員的心理構(gòu)成一定負(fù)面影響。采用巡檢機(jī)器人降低了巡檢人員造成傷害的可能。在遇到突發(fā)情況時(shí)候，機(jī)器人還可以代替人工進(jìn)行事故探查、現(xiàn)場(chǎng)通信、滅火等工作。

（2）實(shí)時(shí)性：地下管廊短則幾公里、長則數(shù)十公里，其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有設(shè)備多、定位難的特點(diǎn)。出現(xiàn)故障需要快速準(zhǔn)確定位。人工巡檢獲取的信息容易出現(xiàn)不全面、不規(guī)范、滯后等問題。采用巡檢機(jī)器人可以規(guī)范、實(shí)時(shí)、全天候、系統(tǒng)地獲取巡檢數(shù)據(jù)。

（3）分析預(yù)測(cè)性：管廊巡檢機(jī)器人可以獲取大量結(jié)構(gòu)化的運(yùn)維數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)，結(jié)合管廊運(yùn)行特點(diǎn)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以建立運(yùn)維分析模型進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。主要針對(duì)電力、熱力、燃?xì)獾冗M(jìn)行高溫和高限報(bào)警等。

（4）經(jīng)濟(jì)性：由于管廊人工巡檢工作環(huán)境惡劣且具有一定危險(xiǎn)性，其成本有逐年增加的趨勢(shì)。管廊巡檢機(jī)器人購置成本較高，但具有運(yùn)維成本低，費(fèi)用穩(wěn)定，可24小時(shí)實(shí)時(shí)分析等優(yōu)勢(shì)，相信未來的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)會(huì)越發(fā)明顯。

1.2 功能

經(jīng)過總結(jié)分析，常見功能如下[3-6]：

（1）環(huán)境檢測(cè)功能：基于各類環(huán)境傳感器，對(duì)于廊體內(nèi)溫濕度、有害氣體含量、空氣含氧量、煙霧濃度、光照度、井蓋等狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

（2）圖像采集功能：基于可見光視頻和熱成像技術(shù)，進(jìn)行視頻巡檢和紅外測(cè)溫等檢測(cè)。

（3）儀表識(shí)別功能：基于計(jì)算機(jī)圖像視覺分析技術(shù)，將場(chǎng)景中背景和目標(biāo)（指針或讀數(shù)）分離，通過對(duì)目標(biāo)的分析，識(shí)別出儀表讀數(shù)。

（4）智能防撞與自主避障功能：采用紅外避障傳感器，遇到障礙自動(dòng)停止并報(bào)警，防止碰撞造成人員和設(shè)備的損害。

（5）自動(dòng)報(bào)警功能：檢測(cè)到環(huán)境或機(jī)器人自身異常時(shí)，可在現(xiàn)場(chǎng)或傳輸?shù)娇刂贫诉M(jìn)行報(bào)警。

（6）交互式對(duì)講指揮功能：通過搭載拾音器及高清攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與平臺(tái)間音視頻交互，可作為應(yīng)急通訊功能。

（7）管線檢測(cè)功能：可針對(duì)氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）局放檢測(cè)，去除安全隱患。

（8）自動(dòng)生成巡檢報(bào)表功能。

2 性能需求

綜合管廊內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜而惡劣，給水、排水、熱力、燃?xì)?、電力、電信等管道排布其中，空間狹窄、昏暗、潮濕，甚至?xí)霈F(xiàn)有毒害氣體泄漏的環(huán)境[4]。因此管廊巡檢機(jī)器人必須具有相應(yīng)的功能，才能順利完成巡檢工作，性能需求及常用控制指標(biāo)如下[3-6]：

（1）移動(dòng)靈活能力：在管廊復(fù)雜的環(huán)境中，巡檢機(jī)器人需要具備靈活移動(dòng)的能力（有軌式巡檢機(jī)器人最小轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)不大于自身長度的2倍；無軌式巡檢機(jī)器人應(yīng)具有原地自轉(zhuǎn)能力且最小轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)不大于自身長度的1倍）。

（2）全面監(jiān)測(cè)能力：機(jī)器人必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管內(nèi)各類管道及環(huán)境參數(shù)、機(jī)器人的自身狀態(tài)信息等。

（3）實(shí)時(shí)信息傳遞：機(jī)器人能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸回操作中心，延時(shí)≤100ms。

（4）遠(yuǎn)程操作能力：工作人員可以遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)控制巡檢機(jī)器人完成巡檢任務(wù)。

（5）準(zhǔn)確定位系統(tǒng)：巡檢過程中，機(jī)器人的定位精度應(yīng)小于±100 mm，重復(fù)定位誤差應(yīng)不大于50 mm，且在行進(jìn)出現(xiàn)偏差時(shí)應(yīng)能自主糾正；沿固定軌道巡檢，精準(zhǔn)到達(dá)預(yù)置位置，誤差≤1 cm）。

（6）持續(xù)工作（續(xù)航）能力：管廊長度一般在幾公里到數(shù)十公里不等，巡檢機(jī)器人的巡航時(shí)間應(yīng)不小于4 h，巡檢機(jī)器人充滿電時(shí)間應(yīng)不大于2 h，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)本身電量，能自主返回充電倉進(jìn)行自主充電。

（7）安全運(yùn)行能力：防撞及避障功能、交互式對(duì)講指揮功能（視頻、音視頻信息交互）等。

3 管廊巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)討論

管廊巡檢機(jī)器人涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、機(jī)器人定位技術(shù)等[4]。

3.1傳感器技術(shù)

傳感器用于感知管廊內(nèi)部環(huán)境與機(jī)器人自身的狀態(tài)，包括：氣體傳感器、視覺傳感器、距離傳感器、慣性傳感器等。

3.2 無線通信技術(shù)

管廊巡檢機(jī)器人在地下綜合管廊執(zhí)行日常任務(wù)，需要傳輸?shù)男畔⒋螅瑢?shí)時(shí)性高。ZigBee與藍(lán)牙的無線通信方式傳輸距離短、傳輸速率低，故不適合管廊。管廊處于地下，外界的4G信號(hào)難以覆蓋，如果在管廊內(nèi)部架設(shè)基站，需要覆蓋整個(gè)廊體，建設(shè)和運(yùn)營費(fèi)都很高，故不適用。WLAN無線局域網(wǎng)具有實(shí)施簡(jiǎn)單、后期的擴(kuò)展靈活、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，并可滿足通信要求，故被廣泛采用。

3.3 機(jī)器人定位技術(shù)

目前市場(chǎng)上大多數(shù)的綜合管廊巡檢機(jī)器人采用的是軌道巡檢，通常利于慣性傳感器，并增設(shè)路標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，消除累積誤差。路標(biāo)通常包括磁力路標(biāo)、RFID路標(biāo)，視覺路標(biāo)、自然路標(biāo)等。

4 展望

國內(nèi)巡檢機(jī)器人研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國家有一定的差距，當(dāng)前有較為廣闊的市場(chǎng)需求和較為完善的通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前處于行業(yè)爆發(fā)期。

智慧管廊是未來的重要發(fā)展方向，管廊巡檢機(jī)器人應(yīng)與管廊運(yùn)維管理系統(tǒng)深度融合，實(shí)現(xiàn)管廊的數(shù)據(jù)共享、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、城市管線監(jiān)控、管廊安全監(jiān)控、無線巡檢、深度協(xié)同、輔助決策、應(yīng)急指揮等智慧化建設(shè)運(yùn)維管理，提升綜合管廊管理效率、管理質(zhì)量和綜合服務(wù)能力，更好地融入智慧城市管理和服務(wù)體系。