軌道式隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

凌曄華

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國高速公路的快速建設(shè),目前高速公路隧道已經(jīng)超過兩萬座,隧道的安全通行已經(jīng)成為了高速公路運(yùn)營的重點(diǎn)關(guān)注對象[1-2]。對隧道進(jìn)行日常巡檢是保障隧道健康和保證隧道安全運(yùn)行的重要手段。然而,目前隧道的巡檢主要依靠人工巡檢和固定相機(jī)監(jiān)控的方法,已經(jīng)難以滿足隧道的日常巡檢要求[3]。雖然人工巡檢可以得到較為全面的巡檢數(shù)據(jù),但是人工巡檢需要較高的人力和物力成本,特別是目前的隧道位置普遍較偏,這進(jìn)一步提高了巡檢的難度和成本,而且人工巡檢的頻率一般不高,難以應(yīng)對隧道的突發(fā)事件?；诠潭ㄏ鄼C(jī)的監(jiān)控雖然可以降低巡檢成本,但是由于相機(jī)的位置較為固定,難以檢測到具體的隧道監(jiān)控狀況,而且相機(jī)只能進(jìn)行單向的監(jiān)控,難以進(jìn)行實(shí)時(shí)的應(yīng)急響應(yīng),因此也難以滿足隧道的巡檢要求。綜合以上情況,目前亟須可以替代人工巡檢的全天候巡檢機(jī)器人,用于隧道的日常巡檢[4]。

針對這一需求,本文以機(jī)器人控制、深度學(xué)習(xí)為技術(shù)基礎(chǔ),設(shè)計(jì)集成了一套軌道式隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng),用于隧道的全天候自動(dòng)巡檢。該系統(tǒng)具有全天候巡檢、隧道狀態(tài)監(jiān)控、隧道事件監(jiān)控和實(shí)時(shí)應(yīng)急響應(yīng)等特點(diǎn),可以有效彌補(bǔ)人工巡檢無法全天候覆蓋、視頻監(jiān)控?zé)o法進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)響應(yīng)的問題,為高速公路的隧道安全運(yùn)行提供日常巡檢保障與支撐。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

軌道式隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要包括機(jī)器人軌道、機(jī)器人硬件系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)和機(jī)器人業(yè)務(wù)算法系統(tǒng)四部分組成。在設(shè)計(jì)上,采用獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)再集成的方法進(jìn)行設(shè)計(jì),系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各個(gè)模塊之間的關(guān)系如下頁圖1所示。由圖1可知,整個(gè)軌道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是基于機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)的。機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)由滑動(dòng)部件和機(jī)身組成,滑動(dòng)部件主要是與軌道相連起到沿軌道滑動(dòng)的目的,機(jī)身則設(shè)計(jì)用于搭載機(jī)器人控制設(shè)備和其他各種設(shè)備。機(jī)器人的軌道設(shè)計(jì)是在隧道中鋪設(shè)一段連續(xù)的軌道用于保證機(jī)器人的有限運(yùn)動(dòng),一方面可以讓機(jī)器人沿著隧道快速運(yùn)動(dòng),另一方面可以保證機(jī)器人在故障中依然保持在一定的空間內(nèi)。在軌道設(shè)計(jì)中,需要進(jìn)行實(shí)體設(shè)計(jì)、軌道布局和實(shí)地安裝三個(gè)步驟。這三個(gè)步驟的最終目的在于可以保證機(jī)器人在軌道上安全、平穩(wěn)且快速運(yùn)行。

圖1 軌道式隧道巡檢機(jī)器人總體架構(gòu)圖

機(jī)器人的核心部分是機(jī)器人的控制及管理系統(tǒng),主要用于機(jī)器人的各種設(shè)備的管理及機(jī)器人在運(yùn)行中的運(yùn)動(dòng)控制。整個(gè)管理及控制系統(tǒng)是基于機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)開發(fā)的。ROS是一個(gè)基于Linux內(nèi)核的機(jī)器人專用操作系統(tǒng),可以提供各種機(jī)器人相關(guān)的開發(fā)工具包和開發(fā)環(huán)境。機(jī)器人的控制及管理系統(tǒng)作為軌道機(jī)器人的大腦,需要對機(jī)器人及其相關(guān)設(shè)備進(jìn)行管理與控制。在完成機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)開發(fā)、軌道布設(shè)及機(jī)器人的控制管理后,還需要為巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)智能算法用于隧道的各種巡檢任務(wù)。具體的業(yè)務(wù)算法可以分為數(shù)據(jù)的采集與增強(qiáng)和智能算法設(shè)計(jì)兩部分。在數(shù)據(jù)的采集中,針對隧道內(nèi)的運(yùn)行安全,可以分為可見檢測數(shù)據(jù)和非可見檢測數(shù)據(jù),對應(yīng)使用相應(yīng)的傳感器進(jìn)行采集。由于在隧道內(nèi),傳感器受光線、微塵等的影響,直接采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量往往較差,因此在采集后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的增強(qiáng)和融合,以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為了完成機(jī)器人的巡檢業(yè)務(wù),需要部署智能算法進(jìn)行精確檢測,系統(tǒng)使用的是基于深度學(xué)習(xí)的智能算法進(jìn)行各種業(yè)務(wù)巡檢業(yè)務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1的系統(tǒng)總體架構(gòu),本節(jié)將對軌道式巡檢機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),包括軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢測業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),用于完成軌道內(nèi)的自動(dòng)巡檢及應(yīng)急響應(yīng)。

2.1 軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軌道式巡檢機(jī)器人在進(jìn)行自動(dòng)巡檢時(shí),不僅具有獨(dú)立的運(yùn)算能力,可以快速處理采集的數(shù)據(jù)和具體的業(yè)務(wù)邏輯,而且可以和遠(yuǎn)程中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,完成數(shù)據(jù)的上傳和遠(yuǎn)程快速調(diào)度,因此需要設(shè)計(jì)一套具有較高算力的軟硬件系統(tǒng)。為了完成這些任務(wù),軌道式巡檢機(jī)器人裝備了一臺(tái)搭載了Intel的第13代CPU處理器的工控機(jī)作為主要硬件平臺(tái)。軌道式巡檢機(jī)器人的軟件系統(tǒng)是基于Linux的ROS進(jìn)行開發(fā)的?；谶@一套軟硬件平臺(tái),還設(shè)計(jì)了多個(gè)軟硬件模塊用于完成不同的巡檢功能。

2.1.1 主控硬件模塊

在主要硬件平臺(tái)外,主控板需要設(shè)計(jì)多個(gè)接口來對接外部硬件模塊。系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要外部模塊及其功能具體介紹如下:

數(shù)據(jù)采集模塊:數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是系統(tǒng)在巡檢過程中對隧道的可見目標(biāo)和非可見目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。在設(shè)計(jì)中,使用相機(jī)、雷達(dá)等對可見目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,采用溫濕度、氣體傳感器等數(shù)字傳感器對非可見目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)存取模塊:機(jī)器人在運(yùn)行中,不但需要對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,還應(yīng)該具有歷史數(shù)據(jù)記錄和分析的能力,因此需要數(shù)據(jù)存取模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。

通信模塊:在隧道巡檢中,由于需要在隧道長距離運(yùn)行,因此需要搭建多個(gè)網(wǎng)絡(luò)AP節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接力。通信模塊負(fù)責(zé)搭建內(nèi)網(wǎng)和多AP組網(wǎng),完成數(shù)據(jù)在機(jī)器人和中心之間的實(shí)時(shí)傳輸。

軌道運(yùn)動(dòng)模塊:軌道運(yùn)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)將系統(tǒng)輸出的指令轉(zhuǎn)換成為電機(jī)控制信號(hào),完成機(jī)器人在軌道上的各種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

軌道定位模塊:用于定位機(jī)器人在軌道上的位置。由于機(jī)器人在軌道上的運(yùn)動(dòng)位置相對固定,因此機(jī)器人采用無線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification Devices)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

2.1.2 主控軟件模塊

機(jī)器人設(shè)備控制:根據(jù)現(xiàn)場或者遠(yuǎn)程的輸入,完成機(jī)器人各種設(shè)備的初始化及個(gè)性化設(shè)置。設(shè)備控制軟件模塊應(yīng)該具備較為完善的現(xiàn)場可視化界面和遠(yuǎn)程控制接口。

機(jī)器人感知模塊:感知模塊直接對接數(shù)據(jù)采集模塊,主要完成數(shù)據(jù)的增強(qiáng)和融合等處理,生成系統(tǒng)可識(shí)別的感知數(shù)據(jù)。

機(jī)器人控制模塊:根據(jù)現(xiàn)場的感知數(shù)據(jù),機(jī)器人控制模塊將完成路徑的規(guī)劃、速度控制和智能避障等常規(guī)機(jī)器人控制。

2.2 檢測業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

軌道式巡檢機(jī)器人的主要功能是對隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,具體包括隧道的狀態(tài)檢測和事件檢測兩部分。

2.2.1 隧道的狀態(tài)檢測

巡檢機(jī)器人對隧道的狀態(tài)進(jìn)行常規(guī)檢測,包括對隧道結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備進(jìn)行檢測。在確定的位置使用采集模塊采集對應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備和溫濕度等數(shù)據(jù),并進(jìn)行增強(qiáng)和融合,作為感知數(shù)據(jù)輸入檢測模塊;根據(jù)感知數(shù)據(jù)和檢測算法,對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能識(shí)別,得出隧道檢測狀態(tài);將檢測結(jié)果和軌道定位數(shù)據(jù)打包,分別發(fā)送至機(jī)器人控制模塊、數(shù)據(jù)存取模塊和遠(yuǎn)程中心,完成隧道的日常巡檢。

2.2.2 事件檢測

除了進(jìn)行常規(guī)的隧道狀態(tài)巡檢,軌道式巡檢機(jī)器人還需要對隧道的突發(fā)事件進(jìn)行檢測。和隧道的狀態(tài)巡檢不同的是,事件的產(chǎn)生位置不固定,因此需要長時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如果隧道內(nèi)發(fā)生了異常事件,可以要求機(jī)器人快速分析當(dāng)前事件的類型,將事件記錄并上傳中心。

2.3 應(yīng)急響應(yīng)設(shè)計(jì)

日常巡檢中,需要巡檢機(jī)器人對隧道內(nèi)的異常事件進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)急響應(yīng),具體包括應(yīng)急監(jiān)控、現(xiàn)場支援和遠(yuǎn)程調(diào)度三個(gè)方面。

2.3.1 應(yīng)急監(jiān)控

當(dāng)機(jī)器人檢測到隧道內(nèi)發(fā)生異常事件或者接到中心的應(yīng)急調(diào)度后,機(jī)器人應(yīng)快速觸發(fā)應(yīng)急告警,自動(dòng)尋找合適的位置并調(diào)整監(jiān)控云臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在應(yīng)急監(jiān)控中,監(jiān)控視頻除了直接上傳中心外,還需要在本地進(jìn)行實(shí)時(shí)備份,確保數(shù)據(jù)無遺漏。

2.3.2 現(xiàn)場支援

當(dāng)機(jī)器人到達(dá)車禍、坍塌、有害氣體侵入等異常事件發(fā)生地后,可以進(jìn)行現(xiàn)場簡單支援,自動(dòng)進(jìn)行聲光疏散指引,并且提供應(yīng)急照明,直到救援人員趕到。

2.3.3 遠(yuǎn)程調(diào)度

機(jī)器人應(yīng)具有外部的通信設(shè)備,可以通過自組網(wǎng)與中心取得聯(lián)系。待救援人員可以通過通信設(shè)備向中心進(jìn)行情況說明和求助,中心可以通過通信設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度指揮進(jìn)行救援。

3 應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性,軌道式隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)在廣西河都高速公路的隧道中進(jìn)行了實(shí)地安裝運(yùn)行,如圖2所示。根據(jù)實(shí)地運(yùn)行測試,隧道機(jī)器人的主要性能如下。

圖2 軌道式隧道巡檢機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行示例圖

(1)軟硬件系統(tǒng)性能:如圖2所示,軌道式隧道巡檢機(jī)器人采用整機(jī)外觀結(jié)構(gòu),在機(jī)身內(nèi)部放置了計(jì)算單元、電池、電機(jī)等主要部件,整體重量為144.67 kg;機(jī)器人可以進(jìn)行圖像、溫濕度、位置信息等數(shù)據(jù)采集;機(jī)器人集成傳感器根據(jù)識(shí)別內(nèi)容、尺寸大小進(jìn)行專門部署,并采用防松措施,可以解決機(jī)器人運(yùn)動(dòng)帶來的部件松動(dòng)問題;機(jī)器人的長×寬×高為1 500 mm×255 mm×1 000 mm,在40 mm高的單軌中運(yùn)行。

(2)隧道檢查業(yè)務(wù)性能:機(jī)器人可以在無人干預(yù)的情況下完成自動(dòng)巡檢,其最大巡檢速度>3 m/s,續(xù)航時(shí)間>5 h;機(jī)器人運(yùn)行中定位誤差<0.3 m,在3 m/s的運(yùn)動(dòng)速度下,制動(dòng)距離<1 m;機(jī)器人具備主動(dòng)避障、自主充電、應(yīng)急關(guān)閉、遠(yuǎn)程喚醒等功能,可切換到人工遙控巡檢方式進(jìn)行例行、特行巡檢,還具備遠(yuǎn)程圖片采集回傳、遠(yuǎn)程喊話功能。

(3)應(yīng)急響應(yīng)性能:機(jī)器人可自動(dòng)定位事故發(fā)生位置并回傳中心;可以進(jìn)行應(yīng)急雙向喊話;可以攜帶≤100 kg的負(fù)載行進(jìn)。

4 結(jié)語

隧道的日常巡檢是保證隧道安全運(yùn)行的重要手段,然而,人工巡檢需要的人力成本大,并且無法做到全天候巡檢,難以保障隧道的安全運(yùn)行。本文集成設(shè)計(jì)一套具有自動(dòng)巡檢功能的軌道式巡檢機(jī)器人,用于替代人工進(jìn)行全天候自動(dòng)巡檢,為隧道的安全運(yùn)行提供了新的方法。巡檢機(jī)器人系統(tǒng)包括軟硬件設(shè)計(jì)、檢測業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)和應(yīng)急響應(yīng)設(shè)計(jì),可以覆蓋當(dāng)前人工巡檢的主要功能。通過實(shí)地安裝運(yùn)行發(fā)現(xiàn),本文設(shè)計(jì)的隧道機(jī)器人有效解決了人工巡檢存在的間隔時(shí)間長、數(shù)據(jù)采集慢等問題,可為保障隧道的行車安全提供支持。