地鐵通號(hào)機(jī)房智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

傅兵 袁若岑 袁帥 張宇

摘 要：地鐵作為城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)系到現(xiàn)代城市能否有效運(yùn)轉(zhuǎn)，而通號(hào)機(jī)房巡檢工作對(duì)于地鐵非常重要，是決定地鐵是否能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。人工巡檢逐漸無法滿足現(xiàn)階段城市交通對(duì)于地鐵的需求，使用效率更高的智能機(jī)器人系統(tǒng)開展地鐵通號(hào)機(jī)房巡檢逐漸成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。該系統(tǒng)使得地鐵通號(hào)機(jī)房巡檢的效率得到大幅提升，同時(shí)安全性、可靠性、成本控制也在很大程度上獲得提升。

關(guān)鍵詞：地鐵;通號(hào)機(jī)房;智能系統(tǒng);巡檢機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242;TP308 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）11-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.008

地鐵通信機(jī)房包括傳輸、無線通信、閉路電視、廣播、時(shí)鐘、電源、公務(wù)電話系統(tǒng)、專用電話、乘客信息系統(tǒng)等設(shè)備;信號(hào)機(jī)房包括列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）、列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）、列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）、維修支持（MSS）等系統(tǒng)設(shè)備。通號(hào)機(jī)房的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)對(duì)地鐵的正常運(yùn)行具有直接影響。以往通過人工巡檢的方式檢查地鐵通號(hào)機(jī)房，人工巡檢的效率隨著儀器設(shè)備的進(jìn)步也在一定程度上得到提升。即便如此，人工巡檢還是存在工作量大、精度有限、失誤率較高等一系列問題，盡管有些因素是不可避免的，但是最終也會(huì)對(duì)地鐵運(yùn)行效率造成影響[1]。

顯然，人工巡檢已經(jīng)不能滿足如今地鐵交通的發(fā)展需求。隨著技術(shù)的進(jìn)步，地鐵機(jī)房專用的智能巡檢機(jī)器人已經(jīng)誕生，可替代人工巡檢，提升巡檢效率。智能巡檢機(jī)器人可在監(jiān)控系統(tǒng)指揮下自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)。軌道類智能巡檢機(jī)器人需要發(fā)揮出自身的優(yōu)勢(shì)完成巡檢工作，以彌補(bǔ)人工巡檢工作中存在的短板。

地鐵智能巡檢機(jī)器人可按照既定程序完成指定任務(wù)，并且智能巡檢機(jī)器人可以完成人工不能完成的任務(wù)，比如可以深入到危險(xiǎn)環(huán)境中開展作業(yè)、持續(xù)作業(yè)等等，能夠提升地鐵通號(hào)機(jī)房巡檢工作的效率、精確度，降低失誤率[2]。

1 地鐵通號(hào)機(jī)房日常巡檢

以往，地鐵機(jī)房巡檢都是人工巡檢的方式，工作人員通過觀察、聽、觸碰的方式檢查機(jī)房當(dāng)中設(shè)備可能存在的問題，通過這些檢查手段可以檢查出存在表計(jì)讀數(shù)異常、指示燈報(bào)警等。這些只是表面存在的一些問題，對(duì)于內(nèi)部存在的一些問題，需要使用專用儀器進(jìn)行檢測(cè)，常見的儀器有紅外熱像檢測(cè)儀等[1]。即便是先進(jìn)儀器，也需要配合人工檢測(cè)方式，但是精度、經(jīng)驗(yàn)均有限，在日常巡檢維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)了問題卻不能第一時(shí)間予以解決，對(duì)地鐵的安全運(yùn)行造成了影響[3]。

使用智能巡檢機(jī)器人巡檢通號(hào)機(jī)房，精度、效率、速度均得到明顯提升。智能巡檢機(jī)器人可以結(jié)合問題迅速形成解決方案，及時(shí)排除故障，確保地鐵的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 地鐵通號(hào)機(jī)房智能巡檢機(jī)器人運(yùn)行安全管控

結(jié)合地鐵通號(hào)機(jī)房場(chǎng)地的實(shí)際情況及日常巡檢情況，使用智能巡檢機(jī)器人開展機(jī)房巡檢工作，并深度挖掘智能巡檢機(jī)器人的價(jià)值，最大限度發(fā)揮出智能巡檢機(jī)器人的功能與作用。這樣，可以形成一種全方位、立體化的智能巡檢機(jī)器人地鐵通號(hào)機(jī)房檢測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)全方位的風(fēng)險(xiǎn)管理，確保地鐵通號(hào)機(jī)房能夠支持地鐵順利運(yùn)行[2]。

智能巡檢機(jī)器人操作簡(jiǎn)便，只需給機(jī)器人下發(fā)巡檢任務(wù)，機(jī)器人即可按照程序?qū)C(jī)房開展巡檢工作。機(jī)器人采集機(jī)房環(huán)境、設(shè)備的各類可見光視頻、紅外熱成像圖譜、溫濕度、氣體濃度等信息，傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)分析，自動(dòng)生成巡檢報(bào)表，發(fā)現(xiàn)異常會(huì)自動(dòng)告警。

2.1 隨工作業(yè)保障

在通號(hào)機(jī)房發(fā)生設(shè)備告警需要檢修時(shí)，智能巡檢機(jī)器人可進(jìn)行隨工作業(yè)保障。通過人工遙控機(jī)器人至檢修部位附近，利用機(jī)器人配置的高清可見光攝像頭能夠?qū)崟r(shí)采集記錄工作人員的檢修過程，以供事后的回溯與分析。同時(shí)，機(jī)器人內(nèi)置高靈敏度麥克風(fēng)，專家或管理人員可接入機(jī)器人監(jiān)控后臺(tái)，通過雙向語音對(duì)講遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢修人員。

2.2 故障環(huán)視功能

現(xiàn)階段，我國(guó)地鐵通號(hào)機(jī)房通常采用無人值班方式，但是對(duì)于設(shè)備檢修后，通常要求工作人員從管理中心奔赴機(jī)房開展高頻次的運(yùn)維巡檢與復(fù)核。這往往會(huì)消耗大量的資源，包括人力、財(cái)力、物力。使用智能巡檢機(jī)器人可以有效解決這一問題，對(duì)于異常設(shè)備，或者經(jīng)檢修后的設(shè)備，可在機(jī)器人巡視系統(tǒng)設(shè)置故障環(huán)視任務(wù)，定時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行信息，自動(dòng)識(shí)別設(shè)備狀態(tài)。這樣，當(dāng)發(fā)生問題時(shí)，可第一時(shí)間自動(dòng)告警，提高巡視檢測(cè)效率，減輕工作人員負(fù)擔(dān)。

3 地鐵通號(hào)機(jī)房智能巡檢機(jī)器人立體化風(fēng)險(xiǎn)管控

3.1 自動(dòng)火警

在機(jī)房巡檢工作中，工作人員需要為巡檢機(jī)器人鋪設(shè)行進(jìn)軌道，同時(shí)需要在機(jī)房中監(jiān)督、管控現(xiàn)場(chǎng)。如果機(jī)房出現(xiàn)火情，機(jī)器人可以使用紅外熱成像探測(cè)系統(tǒng)、煙感系統(tǒng)堅(jiān)持檢測(cè)火情，同時(shí)發(fā)出警報(bào)，工作人員收到警報(bào)后就可以檢查報(bào)警部位，及時(shí)消除火情，避免損失加重。

3.2 視頻回放

在機(jī)房作業(yè)無異常的狀態(tài)下，巡檢機(jī)器人的主要工作就是監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，而這些監(jiān)控視頻都會(huì)被上傳到監(jiān)控后臺(tái)，為監(jiān)控人員的工作提供幫助。同時(shí)，巡檢人員也可以回放這些視頻發(fā)現(xiàn)自身工作中存在的不足，規(guī)范自身行為，遵守規(guī)章制度，通過規(guī)范自身行為來最大限度提高巡檢現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)管控。

3.3 聯(lián)動(dòng)巡視

智能巡檢機(jī)器人可以通過接口開發(fā)，實(shí)現(xiàn)與機(jī)房?jī)?nèi)已有的各類輔助監(jiān)控設(shè)備的有效聯(lián)動(dòng)。如安全防范系統(tǒng)（門禁、紅外雙鑒、玻璃破損檢測(cè)等）發(fā)生入侵報(bào)警、消防系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生室內(nèi)溫濕度、粉塵濃度、氣體濃度越限告警，智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接收該類告警信息，自動(dòng)聯(lián)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至告警部位采集可見光圖像、紅外圖譜、溫濕度等信息，以便工作人員及時(shí)采取干預(yù)措施。同時(shí)，采用自動(dòng)化巡視設(shè)備，在發(fā)生足以對(duì)人身造成重大傷害的突發(fā)性事件時(shí)，運(yùn)維人員可以不以身涉險(xiǎn)便知曉機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境設(shè)施的真實(shí)情況，防止人身傷害事故發(fā)生。

3.4 監(jiān)控集中對(duì)接與獲取資產(chǎn)信息

智能巡檢機(jī)器人具備監(jiān)控集中對(duì)接功能，值班人員通過監(jiān)控集中對(duì)接可以第一時(shí)間了解智能巡檢機(jī)器人的狀況，并且智能巡檢機(jī)器人的專用管理平臺(tái)，平臺(tái)可以與監(jiān)控及時(shí)對(duì)接確保監(jiān)控質(zhì)量。

如果在機(jī)房?jī)?nèi)部已經(jīng)配備了完善的自動(dòng)化資產(chǎn)盤點(diǎn)系統(tǒng)，此時(shí)智能巡檢機(jī)器人就可以直接通過資產(chǎn)管理系統(tǒng)獲知設(shè)備資產(chǎn)的實(shí)際信息與位置，有助于智能巡檢機(jī)器人開展下一步工作。如果機(jī)房并沒有配備自動(dòng)化資產(chǎn)盤點(diǎn)系統(tǒng)，此時(shí)就需要選擇高成熟度的射頻識(shí)別（RFID）資產(chǎn)盤點(diǎn)技術(shù)。

4.機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

4.1 驅(qū)動(dòng)器

地鐵通號(hào)機(jī)房機(jī)器人的主要工作就是巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)房中存在的一些異常情況及違規(guī)操作，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)可以及時(shí)制止。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的工作電壓為24 V，額定功率為200 W。為了最大限度消除機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中存在的噪音，需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行消音處理。經(jīng)測(cè)算，驅(qū)動(dòng)器空載狀態(tài)下轉(zhuǎn)速為3 500 RPM，負(fù)載狀態(tài)下轉(zhuǎn)速為3 000 RPM。只有在工作電流大于0.8 mA的情況下，驅(qū)動(dòng)器才會(huì)工作;如果小于0.8 mA，機(jī)器人就停止作業(yè)。

4.2 處理器

處理器對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言是非常關(guān)鍵的，當(dāng)處理器性能達(dá)不到要求時(shí)，在很大程度上也會(huì)降低系統(tǒng)性能，縮短系統(tǒng)壽命，降低系統(tǒng)處理器調(diào)用設(shè)備的使用周期。為了規(guī)避這些問題，本次設(shè)計(jì)中使用TUIS—8689作為處理器。

TUIS—8689處理器為單核睿頻5.6 GHz，處理模式為8核心16進(jìn)程，含有300系列主板，可以第一時(shí)間對(duì)處理器進(jìn)行散熱，增加系統(tǒng)的使用壽命，正好滿足本次設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人要求。

TUIS—8689處理器處理進(jìn)程任務(wù)的最大速度為120字節(jié)/s，提前12 MB緩存任務(wù)，工作頻率3.2 GHz，光刻14 NM，確保處理器的作業(yè)效果。該傳感器使用多線輸出形式，以不同的硬件部位連接設(shè)備。這樣，可以防止多線任務(wù)在同條線路中被格式化。傳感器電流80 mA，內(nèi)部螺紋尺寸10 mm×15 mm，對(duì)于螺紋精度具有很高的要求。這樣，才可以保證傳感器零件的靈敏度，輸出抗阻≤500 Ω，精度為1%FS，確保系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的完整流通。

4.3 圖像處理

圖像識(shí)別技術(shù)可以監(jiān)測(cè)與分析智能巡檢機(jī)器人的狀態(tài)，包括指示燈狀態(tài)、儀表盤讀數(shù)、數(shù)碼管讀數(shù)、液晶屏讀數(shù)、開關(guān)的實(shí)際狀態(tài)等。智能巡檢機(jī)器人通過無線傳輸集成無線AP，傳輸內(nèi)容包括電源、控制信號(hào)、視頻信號(hào)，具備無延時(shí)、運(yùn)行穩(wěn)定、圖像穩(wěn)定的特點(diǎn)，且所有功能都可以在后臺(tái)完成。控制云臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)、攝像變焦、燈光變換等功能，將采集到的信息精確傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控后臺(tái)，由遠(yuǎn)程監(jiān)控后臺(tái)通過專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與巡檢部門、調(diào)度的數(shù)據(jù)交換。

5 智能巡檢機(jī)器人后臺(tái)管理技術(shù)

5.1 動(dòng)環(huán)監(jiān)控主機(jī)

動(dòng)環(huán)監(jiān)控主機(jī)是一種多功能一體化動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控主機(jī)，可以采集一種模擬量、RS—485通信、輸入輸出開關(guān)量報(bào)警。使用動(dòng)環(huán)監(jiān)控主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)、UPS、開關(guān)電源組等一系列動(dòng)力設(shè)備的通信，這種條件下支持氣體、溫度、濕度、壓力傳感器模擬量的輸入，支持本地存儲(chǔ)、搜索模擬量、RS—485數(shù)據(jù)。

5.2 智能運(yùn)維系統(tǒng)

智能運(yùn)維系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了智能化、集成化，在智能運(yùn)維系統(tǒng)中運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)可以有效分析巡檢視頻，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別設(shè)備的指示燈、開關(guān)、儀表等狀態(tài)。在特征匹配算法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)識(shí)別對(duì)象的精準(zhǔn)定位，進(jìn)而提高識(shí)別效率。統(tǒng)一的軟件技術(shù)構(gòu)架是智能運(yùn)維系統(tǒng)運(yùn)用的設(shè)計(jì)理念，在業(yè)務(wù)組件化技術(shù)的基礎(chǔ)上滿足業(yè)務(wù)的彈性擴(kuò)展需求，有助于集中整合管理資源。

5.3 智能NVR

網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)（NVR）是網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代背景下一種有效的視頻監(jiān)控設(shè)備，智能化的NVR使用嵌入式設(shè)計(jì)，同時(shí)使用高性能集成中央處理器。計(jì)算時(shí)使用內(nèi)嵌深度學(xué)習(xí)算法，結(jié)合計(jì)算結(jié)果在NVR中接入IPC，IPC將NVR的存儲(chǔ)、管理、控制、分析集于一身，相比傳統(tǒng)的NVR，智能NVR具備人臉識(shí)別分析功能，可以精準(zhǔn)識(shí)別捕捉到的人臉進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，不僅提升了監(jiān)控視頻的價(jià)值股，還提升了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代下安防大數(shù)據(jù)的可靠程度。智能NVR可以實(shí)現(xiàn)電子信息機(jī)房的智能、高清攝像，有助于為巡檢機(jī)器人構(gòu)成強(qiáng)大、完善的安全防護(hù)系統(tǒng)。

5.4 雙光譜MINI云臺(tái)

雙光譜MINI云臺(tái)是將遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能、視頻服務(wù)功能、高清智能功能集為一體，形成的一種新型網(wǎng)絡(luò)云臺(tái)。雙光譜MINI云臺(tái)內(nèi)置Web Server服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、解碼器、機(jī)芯，不僅具備普通云臺(tái)的功能，還具備熱成像通道形成對(duì)圖像、視頻等一系列信息的數(shù)據(jù)壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)終端。

雙光譜MINI云臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力來源于精密電機(jī)，運(yùn)用精密電機(jī)為雙光譜MINI云臺(tái)提供驅(qū)動(dòng)力可以確保設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定、靈敏，同時(shí)可以確保圖像不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象。雙光譜MINI云臺(tái)具備預(yù)置點(diǎn)、巡航、守望、定時(shí)等一系列功能，同時(shí)具備自動(dòng)煙霧、火點(diǎn)檢測(cè)、智能跟蹤、測(cè)溫等一系列智能功能，這些功能可以最大限度上提升雙光譜MINI云臺(tái)的智能化水平，節(jié)省運(yùn)行成本。雙光譜MINI云臺(tái)具備自動(dòng)掃描、垂直掃描、巡航掃描、全景掃描、區(qū)域掃描等一系列多元化的掃描方式。

5.5 實(shí)際應(yīng)用

5.5.1 入侵檢測(cè)

將紅外線高清攝像機(jī)安裝在機(jī)房各個(gè)重要的入口，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房的實(shí)施有效監(jiān)控，當(dāng)陌生人員進(jìn)入以后，人臉識(shí)別技術(shù)可以對(duì)陌生人自動(dòng)進(jìn)行人臉識(shí)別并報(bào)警。

為了測(cè)試入侵檢測(cè)的實(shí)際效果，選取非系統(tǒng)錄入人員，最終驗(yàn)證了智能巡檢機(jī)器人可以運(yùn)用人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)非系統(tǒng)錄入人員的精準(zhǔn)識(shí)別，發(fā)現(xiàn)非系統(tǒng)錄入人員的同時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警。

5.5.2 智能巡檢

智能巡檢機(jī)器人會(huì)結(jié)合每天特定的機(jī)房巡檢路線，自動(dòng)檢測(cè)機(jī)房各項(xiàng)指標(biāo)、參數(shù)，檢測(cè)的內(nèi)容主要包括設(shè)備外觀、表面溫度、儀表狀態(tài)、數(shù)值識(shí)別等。智能巡檢機(jī)器人可以有效讀取設(shè)備的儀表數(shù)據(jù)、設(shè)備指示燈、指針。智能巡檢機(jī)器人在對(duì)這些設(shè)備識(shí)別的過程屬于一種靜態(tài)識(shí)別，巡檢過程中智能巡檢機(jī)器人會(huì)對(duì)設(shè)備拍攝高清圖片，以此為依據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)一系列參數(shù)的有效識(shí)別。

智能巡檢機(jī)器人除了靜態(tài)作業(yè)外，還可以動(dòng)態(tài)識(shí)別設(shè)備板卡、指示燈狀態(tài)。智能巡檢機(jī)器人發(fā)現(xiàn)跳躍指示燈就會(huì)錄制固定時(shí)間的視頻，比對(duì)視頻資料與正常運(yùn)行的設(shè)備，生成巡檢日志。如果發(fā)現(xiàn)其中的問題，就要及時(shí)向控制中心發(fā)送警告。

判斷機(jī)房設(shè)備是否處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)需要將設(shè)備運(yùn)行過程中的溫度作為一種有效的參考指標(biāo)，如果設(shè)備的運(yùn)行溫度出現(xiàn)過高情況，此時(shí)設(shè)備面臨停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。智能巡檢機(jī)器人會(huì)將溫度異常信息上傳給控制中心，使用紅外高清智能攝像機(jī)識(shí)別設(shè)備的整體溫度。維護(hù)人員收到智能巡檢機(jī)器人上傳的信息后核查機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)，制定有針對(duì)性的解決方案。

6 結(jié)語

通信信號(hào)系統(tǒng)在地鐵信息化系統(tǒng)中占有核心地位，通過對(duì)通號(hào)機(jī)房開展巡檢工作，可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)機(jī)房當(dāng)中存在的異常情況及違規(guī)操作，解決人工巡檢效率低、失誤率高，不能滿足現(xiàn)階段地鐵交通的建設(shè)要求等問題。本次研究中提出一種智能巡檢機(jī)器人，其在地鐵機(jī)房中開展巡檢工作，可以提升機(jī)房巡檢效率，還可以保證機(jī)房巡檢工作的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化。

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