基于AI和5G技術(shù)的鐵路智能消毒清潔機器人研究方案

陳 斌 中國鐵路上海局集團有限公司沿海鐵路浙江有限公司

1 智能機器人市場現(xiàn)狀

人工AI和機器人在當(dāng)下最為緊迫要去攻克的技術(shù)，是實現(xiàn)用技術(shù)去完成簡單而重復(fù)性高、人工意愿較低的工作，以及危險區(qū)域如礦區(qū)、火災(zāi)現(xiàn)場及消毒殺菌的人力勞動工作。當(dāng)下的保潔行業(yè)，保潔人員緊缺問題已經(jīng)相當(dāng)嚴重，機器人必將進入商用清潔市場，去從事人不愿意或不適應(yīng)的清潔和消毒殺菌工作。

目前國外機器人的成本與人工成本已基本持平，在歐美等發(fā)達國家，機器人的應(yīng)用成本低于人工。國外尤其是歐美、日韓對于功能型機器人的接受度普遍較高，使用機器人意愿強。

國內(nèi)隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口老齡化程度提升，使用機器人的趨勢越來越明顯，對機器人的接受度在快速提升。目前在國內(nèi)機場、大型商場、企業(yè)大廳、廣場、物流、大學(xué)、金融等領(lǐng)域已逐步引入了商用清潔機器人。在醫(yī)療領(lǐng)域尤其是疫情的影響，更是有力的促進了病房、手術(shù)室等場地對智能殺菌和消毒機器人的運用。

傳統(tǒng)人工與智能機器人應(yīng)用對比。

以上海某商場為例，表1 為人工與無人的對比。有人駕駛水平處于中間位置。一臺設(shè)備平均可代替2-4 人力，運營2-3年，達到現(xiàn)行的運營方式。

表1 人工與無人的對比

2 研究鐵路智能機器人解決方案的必要性

基于以上鐵路保潔現(xiàn)狀和智能機器人的技術(shù)發(fā)展和市場應(yīng)用現(xiàn)狀，有必要在進一步提高保潔工作效率、降低總體運營成本、降低人工勞動強度、加強鐵路車站公共衛(wèi)生安全、管理數(shù)字化智能化等方面進行研究，逐步使用和推廣基于保潔和消毒兩大功能的鐵路新型智能機器人。

鐵路新型智能機器人擬集成業(yè)界的清潔機器人、消毒機器人的主要功能模塊，并結(jié)合智能導(dǎo)航技術(shù)、AI 自動避障技術(shù)、綜合塵推洗地消毒三位一體、全自動化（自主加排水、自主回收污水、自主充電）、5G智能云管理平臺，大大提高了機器人的實用性、可維護性和高性價比。而且該方案和產(chǎn)品的研發(fā)價值將不僅適用于鐵路車站場景，還將適用于社會其它場景如機場、商場、賓館、企業(yè)辦公大樓等，具有很大的市場推廣效應(yīng)和社會效益。

3 鐵路智能機器人必備的性能

3.1 基于SLAM(即時定位和建圖)技術(shù)的智能導(dǎo)航功能

（1）環(huán)境感知。具有多模態(tài)多傳感器融合的環(huán)境感知能力。

（2）建圖?？梢詫崿F(xiàn)二維和三維地圖構(gòu)建；二維建圖面積可達100 萬m2，三位建圖面積可達50 萬m2；地圖構(gòu)建柵格分辨率5 cm；支持錄制路徑、手繪路徑、路徑組合、路徑點等多種路徑管理方式；可繪制虛擬墻；可設(shè)置展示區(qū)域；可設(shè)置HighLight 區(qū)域，重點參考改區(qū)域內(nèi)的環(huán)境特征；可設(shè)置斜坡區(qū)域，對斜坡做相應(yīng)處理；可設(shè)置減速區(qū)域，以平滑減速模式度過改區(qū)域；可使用輔助傳感器基于全局地圖信息匹配算法對地圖進行強制閉環(huán)。

（3）定位。室內(nèi)場景下平均定位精度達到3 cm 以內(nèi)，任務(wù)點定位精度在2 cm 以內(nèi)；室外場景下，平均定位精度達到5 cm 以內(nèi)，任務(wù)點定位精度在3 cm 以內(nèi)；在環(huán)境變化不大于30%的條件下保持定位精度。

（4）導(dǎo)航。具有定點導(dǎo)航、錄制路徑、手繪路徑、軌道模式、組合導(dǎo)航等路徑規(guī)劃方法；定點導(dǎo)航模式下，能自主生成最優(yōu)路徑，室內(nèi)到達目標點的導(dǎo)航精度3 cm；定點導(dǎo)航模式下能自主生成最優(yōu)路徑，室外到達目標點的導(dǎo)航精度5 cm；錄制路徑模式下，可以沿示教路線運行，并自主優(yōu)化路徑，對路徑進行平滑性處理；手繪路徑模式下，可以沿手繪規(guī)定路線運行，導(dǎo)航過程精度3 cm；軌道模式下，可以自主導(dǎo)航到任務(wù)點，并有限沿軌道運行；組合導(dǎo)航模式下，可以對上述模式進行組合；導(dǎo)航最大速度可達到1.5 m/s；支持導(dǎo)航過程中去噪點功能。

3.2 基于AI人工智能算法的自動避障功能

機器人采用了基于AI人工智能算法進行自動避障。

機器人可以選擇遇到障礙物停止或繞行。

停障模式下，可以提前2.5 m 發(fā)現(xiàn)障礙物并在距離障礙物1 m及以上安全距離保持挺直；

繞障模式下，能夠識別導(dǎo)航路徑上的精致障礙物，能夠提前2 m 規(guī)劃平滑繞障路徑；繞障過程中和障礙物保持不少于10 cm的安全距離。

可以3s預(yù)測和識別行人、細桿、動態(tài)障礙物、靜態(tài)障礙物等并采用在減速距離內(nèi)減速運行并在保持一定的安全停障距離采用停車一定時間（如對障礙物停0.8 s、對人停1.5 s 或2 s-5 s）后繞障的方式。

3.3 塵推、洗地、消毒三大功能（掃、拖、消一棧式集成解決方案）

單一的掃地（塵推）或拖洗（洗地）或消毒功能無法滿足當(dāng)前鐵路各復(fù)雜場景條件下的清潔和消毒需求，因此需要將除塵、拖洗以及消毒功能進行集成，裝載在機器人運動模塊上完成相應(yīng)的任務(wù)。

（1）塵推模式

塵推的工作原理是塵推與地面摩擦?xí)r產(chǎn)生的靜電，從而使灰塵吸起，為增加塵推套上的靜電，許多單位使用靜電除塵劑；塵推油，學(xué)名叫“靜電牽塵液”，一般是一種無色，有濃烈柴油味道的液體。顧名思義，這種材料是通過產(chǎn)生靜電，從而將細小的微塵吸附到塵推頭上帶走，達到比較深度的除塵效果。塵推油也分為兩種：

①水性塵推油。水性塵推油是一種水性液料。成本很低，效果一般

②油性塵推油。油性塵推油就是我們最常見到和用到的油性液料產(chǎn)品。它的優(yōu)點是成本較低、吸附力和通用性都很強，性價比高。

（2）洗地模式

拖洗功能主要通過添加清水及洗滌劑，通過清潔刷盤與地面摩擦實現(xiàn)。限于機器人內(nèi)空間限制以及無人化操作的需求，需要對污水進行回收以及循環(huán)利用。清潔地面后的污水通過內(nèi)部的真空電機抽回進入污水箱。通過多級過濾系統(tǒng)將污水過濾回收復(fù)用，保證作業(yè)用水的水質(zhì)。

（3）消毒模式

地面消毒—洗地和濕拖消毒。通過將洗滌劑更換為次氯酸鈉溶液方式，采用洗地或濕拖模式進行地面消毒。

相對于清潔模式，消毒模式對出水（消毒液）量具有更加精準的控制，根據(jù)地面水量要求也可設(shè)置為回收或不回收模式。

3.4 自主加排水、自動回收污水、自主充電的全自動和無人化具有工作站，可以實現(xiàn)自主加排水、自動回收污水、自主充電功能

可以實現(xiàn)充電條前置自動充電；

可以實現(xiàn)充電條后置自動充電；

可以實現(xiàn)激光識別自動充電；

可以實現(xiàn)二維碼對樁自動充電；

可以實現(xiàn)小空間充電塢自動充電。

工作站與設(shè)備間采用LORA（遠距離無線電）通信，工作站具有實時監(jiān)控清水箱和污水箱、地漏排水、加水保護、排水保護、自主導(dǎo)航對接功能。

3.5 支持5G的智能云管理平臺

建議鐵路智能機器人集成5G 通信模塊，并具有自主的云管理平臺，能夠?qū)⑶鍧嵪救蝿?wù)數(shù)字化，自動生成報告，并可通過5G 實時監(jiān)控?？梢越壎ㄠ]箱，便于管理者遠程管控全局。可以使用手機APP 端隨時隨地掌控機器工作狀態(tài)；機器人各項傳感器實施監(jiān)控畫面和任務(wù)。

機器的參數(shù)配置：

通過平臺可實現(xiàn)遠程參數(shù)配置，實時按需更改。

機器狀態(tài)查詢：

機器運行狀態(tài)一目了然，讓管理者在電腦前即可實時掌控設(shè)備。

遠程監(jiān)控：

深度攝像頭圖像可實時傳輸至云平臺，讓管理者第一時間了解設(shè)備運行周邊環(huán)境。

任務(wù)管理：

便捷的任務(wù)管理，可讓管理制度時刻了解任務(wù)進度，任務(wù)調(diào)配等。

OTA升級（支持工程師）：

軟件版本升級可通過OTA 方式（Over The Air），讓設(shè)備第一時間更新至最新適配版本。

耗材壽命監(jiān)督等：

方便使用者時刻了解掌握設(shè)備狀態(tài)；讓管理者通過最便捷的方式了解到設(shè)備耗材的使用情況，避免現(xiàn)場查看帶來的檢索步驟。

支持接入第三方云平臺：

通過開放的協(xié)議接口可將機器人工作狀態(tài)等信息接入鐵路既有的第三方云管理平臺。

4 鐵路智能機器人現(xiàn)場具體配置及解決方案

4.1 車站候車大廳和到達大廳解決方案

采用清洗寬度＜=800 mm/＜=500 mm 的洗地/消毒/除菌一體機方式。根據(jù)保潔的可工作時間和保潔區(qū)域合理規(guī)劃機器人的設(shè)置數(shù)量。當(dāng)保潔可工作時間＞4h，則每100 m/50 m區(qū)域設(shè)置1 臺機器人，每100 m/50 m 區(qū)域設(shè)置1 臺工作站進行自動充電和補水，實現(xiàn)自主加排水、自動回收污水、自主充電的全自動和無人化。

機器人具有先進的智能導(dǎo)航和智能算法，能夠自主行走、自主避障。能夠?qū)η鍧崊^(qū)域進行提前地圖導(dǎo)入和路徑預(yù)規(guī)劃，可選擇塵推和洗地模式，可對特殊區(qū)域如地毯區(qū)、大理石區(qū)支持預(yù)先區(qū)域定位設(shè)置清潔和自動識別清潔兩種模式。支持84 消毒液和次氯酸鈉溶液按200 ppm(即母液0.2 kg，配置100 kg 溶液)濃度配置，支持洗地和濕拖模式進行消毒，在地面覆蓋消毒液水膜，進行滅活。能夠?qū)﹂l機進行霧化過氧化氫噴霧式消毒。

設(shè)置3D 激光雷達、深度攝像頭、超聲傳感器和電子防撞條，自主識別環(huán)境/污漬，自動行走移動。融合自動避障、防撞、防打滑、防跌落，安全可靠。設(shè)置空氣質(zhì)量監(jiān)測傳感器。

支持智能語音、觸摸屏、APP 等多種人性化交互方式。支持4G/5G 通信模塊，可定時回傳管理平臺清潔數(shù)據(jù)(報告任務(wù)詳情、反饋任務(wù)進度、檢測清潔質(zhì)量、空氣質(zhì)量等)。

4.2 檢票區(qū)/出站閘機區(qū)解決方案

采用清洗寬度＜=500 mm 的洗地/消毒/除菌一體機方式。根據(jù)保潔的可工作時間和保潔區(qū)域合理規(guī)劃機器人的設(shè)置數(shù)量。當(dāng)保潔可工作時間＞4 h，則每50 m 區(qū)域設(shè)置1 臺機器人，利用候車大廳/到達大廳的工作站進行自動充電和補水，實現(xiàn)自主加排水、自動回收污水、自主充電的全自動和無人化。

其他方面解決方案與上述車站候車大廳和到達大廳保持一致。

5 結(jié)束語

進行鐵路智能機器人解決方案的研究，可以給鐵路客運專業(yè)的保潔業(yè)務(wù)帶來以下顯著的經(jīng)濟效益和社會價值：

（1）推動鐵路清潔消毒的數(shù)字化和智能化，提高鐵路的社會形象

鐵路智能機器人采用了AI 人工智能的一系列的先進視覺感知硬件（機器視覺相機、TOF 攝像頭、激光雷達）、智能導(dǎo)航技術(shù)（SLAM 技術(shù)、GPS 技術(shù)、建圖技術(shù)）、智能避障技術(shù)（深度學(xué)習(xí)和物體識別算法的先進環(huán)境感知算法）、支持5G 的智能云管理技術(shù)等。在鐵路行業(yè)深入推廣和采用鐵路智能機器人能夠推動鐵路清潔消毒工作的數(shù)字化和智能化，提高鐵路智能化管理水平，并進一步提高鐵路的社會形象。

（2）極大程度的減輕保潔人員的工作強度

鐵路智能機器人取代了保潔人員的人工或有人駕駛清潔設(shè)備的絕大多數(shù)清潔工作，將人員從占用最多清潔時間的工作里解脫了出來。保潔人員可以重點只做座椅污漬、角落和突發(fā)污漬的處理，對機器人只有少量的日常開機、帶離等維護工作。因此鐵路智能機器人可極大程度的減輕保潔人員的工作強度和減少工作時間。

（3）進一步減少保潔人員的數(shù)量和人力成本

鐵路智能機器人通過承擔(dān)絕大多數(shù)清潔工作的自動化，將大大減少每個車站的保潔人員的數(shù)量，從而降低了保潔人員的人力工資、社保、管理、安全等人力成本和管理成本，避免了保潔人員需要換班等的多重配置。通常一臺機器人將大約替代3-4 人的主要工作，大約2-3 年即可相當(dāng)于原有的人力成本投入。而機器人的生命周期＞8年，對鐵路保潔總體成本進一步大大節(jié)省。

（4）提高保潔業(yè)務(wù)質(zhì)量，增加消毒殺菌功能，更安全

由于鐵路智能機器人的智能導(dǎo)航和人工智能相結(jié)合，路徑規(guī)劃、清潔、消毒、加水、充電的自動化，相比于人工或有人駕駛清潔設(shè)備其清潔質(zhì)量有著更高的保障。同時還可以對清潔質(zhì)量進行檢測和統(tǒng)計。

另外，對于車站公共交通樞紐增加消毒殺菌功能，進一步提高了鐵路保潔業(yè)務(wù)在保障社會公共環(huán)境衛(wèi)生的健康和安全性，具有很好的社會反響和保護人民的評價。

（5）支持5G 的云平臺管理，提高保潔業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)化和可管理化

通過支持智能語音、觸摸屏、APP 等多種人性化交互方式，支持4G/5G 通信模塊，可回傳管理平臺清潔數(shù)據(jù)(報告任務(wù)詳情、反饋任務(wù)進度、檢測清潔質(zhì)量、空氣質(zhì)量等)，進一步加強了鐵路客運專業(yè)對保潔業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分析和有效管理。