铁路设备房屋机器人巡检系统安全研究与应用

陈志颖

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043； 2.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

随着我国铁路里程数的不断增长、列车运行速度的不断提高[1-6]，以及信号技术的不断进步，无人值守车站和中继站的数量随之大量增加。设置在车站和中继站的控制列车运行的关键设备数量庞大、种类繁多，造成维护困难、时效性差。现有信号集中监测设备偏重于设备技术参数的采集和分析，缺少现场实时、准确的监测巡视手段[7-9]，如果依靠人工完成监测巡视，一方面在广袤的西北地区、川藏地区不符合以人为本的原则；另一方面，缺少专业技术水平高的维护人员；还有维护成本相应增高的问题。因此，利用先进的机器人技术实现无人值守设备房屋在线安全监测与检查系统，利于提高现场安全维护水平、降低事故率，对铁路行业智慧化、智能化的健康发展具有重要意义[10]。

铁路机房信号设备影响列车运行安全的故障主要有轨道电路故障、列控系统故障、防雷设备故障、联锁系统故障、继电器设备故障、环境(烟雾、水淹、人员跟踪)等六类设备故障。这些系统故障会直接影响列车运行安全[11-14]，因此设备故障发生时需要由铁路局电务技术人员来进行设备的故障判定与故障排除，进而铁路局电务技术人员在设备故障情况下参与作为了生产活动的主体，也成为安全事故的主要因素。由于设备发生故障处理不及时、铁路局部分电务技术人员的经验欠缺，导致故障排除不准确占了安全事故的大多数，虽然铁路局相关单位制定了很多设备的故障处理办法，但面对动态的、复杂的环境及多变的工人行为仍难以控制，且现有安全培训手段很难让工人深入了解项目中的全部安全隐患，为此，研究采用“以机器换人工、以机器换正确”的方法，建立铁路机房机器人智能巡检系统，实现设备的在线监测，故障在线判定等。

通过研发“铁路机房机器人安全巡检设备”，运用相关的安全理论及设备，实现轨道电路、列控系统、联锁系统等设备的在线监测，构建合理的安全预警体系[15-18]，以更好地预防和解决现场设备故障问题，进一步提高管理水平，改善维修能力，提高维护效率。

1 设备房屋安全巡检功能需求分析

信号机房设备机器人安全巡检系统通过图像和视频传输、热探测、传感器等相关技术，实现机房关键设备的状态信息、环境信息、人员信息的远程监督与安全监测，利用高速传输通道实现设备远程在线巡检。根据现场实际运营维护需求，对设备的安全巡检需求进行分析。

(1)路径自动生成与空间自动构建。采用SLAM同步定位与建图技术，在机器人移动过程中根据位姿估计和地图进行自身定位，同时在自身定位基础上建造增量式地图。机器人导航由定位和路径规划两部分实现，在已有地图的基础上，通过将惯性导航IMU、里程计和激光雷达的数据有效融合获得较精确的位姿信息，通过Dijkstra算法获得从机器人当前位置到目标位置的全局路径规划，在全局路径的基础上通过机器人运动模型并对速度空间采样，规划出机器人的当前速度，实现机器人在有障碍物的环境中面向目标的自主运动。

(2)机器人设备自防撞功能。机器人通过激光雷达扫描周围环境信息，形成环境地图。在行走过程中不断对环境进行探测，如规划的线路上有大于自身尺寸的障碍物出现，机器人会依据当前位置与目标位置的关系，自动形成新的导航路径。为了提高可靠性，机器人不同高度的位置上使用了红外探测器，探测不同高度的障碍物，在数据处理上将红外数据与激光雷达数据进行多元数据融合，共同实现路径导航与避障功能。试验结果表明，利用激光雷达及红外测距方式实现的防撞技术性能可靠，分辨率高，控制准确，有效防止机器人与其他设备物体相撞，保护了机器人以及巡检环境中其他事物的安全。

(3)设备状态图像、视频高速传输。在opencv算法库的基础上，搭建一套图像对比软件，通过将当前拍摄的画面与建模时拍摄的画面进行比对，找出模型图中的信号灯与当前待识别图像中的信号灯之间的对应关系，在一定范围的位置和角度偏差条件下可根据模板图片中各信号灯的状态，将当前识别图形中对应的灯进行状态比较，根据颜色、亮灭灯信息、数字信息等，判断该信号灯的状态与数值，并判断此次识别的可信度。以矩阵的方式对机柜的信号灯排列状态进行建模，根据算法处理将待识别图片中的信号灯与矩阵模型中的位置坐标建立对应关系。

(4)设备、线缆发热监测。对于防静电地板下的信号或通信电缆利用在防静电地板支架装设挂轨，设定周期挂轨机器人定时通过热红外扫描对其进行扫描和巡视，记录电缆发热及完整状态，并记录工作状态；同时对于防静电地板下的可能进入的老鼠可以追寻定位与报警。

(5)烟雾、水淹、门禁功能。机器人系统与设置在机房内的温度传感器、烟雾报警传感器等设施通过无线相连，可以有效地对机房内的环境进行监测，达到烟雾报警、开门监测等功能。

(6)人员识别与管理。采用先进的人脸扫描系统，与机器人核心系统匹配，对进入机房的人员进行跟踪管理，脸部识别与记录，进而有效保障机房的安全。

2 机器人安全巡检系统构建

2.1 系统硬件框架构建

巡检机器人硬件系统是整个机器人的运行基础，其可靠性非常重要[19-21]，硬件设计充分考虑影响可靠性的各种因素，包括电池系统的过流保护，短路保护，欠压保护；模块接口的稳固性；激光雷达的使用寿命；系统的抗震性等。

整机硬件包含摄像头、激光雷达、X86处理器、用户人机接口、升降电机控制单元、底盘电机控制单元、自动充电控制、避障系统等单元。如图1所示。

图1 机器人硬件设备构成

2.2 安全系统主要功能模块

根据现场设备机房的不安全行为和安全需求预警的信息进行分析，构建机器人机房运行环境软件系统，主要由定位建图与导航系统、人机接口与系统集成系统、图像处理与图像识别系统3部分组成，如图2所示，该系统包括9个关键模块。

图2 安全系统主要关键模块

地图构建模块：在ROS系统中开发激光雷达底层驱动，实现激光雷达数据解析与封装处理，在地图构建模块中订阅激光雷达节点信息与位移节点信息，在机器人移动过程中实时获取周围环境信息和移动方向与速度信息，采用数据融合算法对机房空间进行地图建模与验证，最终将所生成的完整地图进行保存，供其他模块进行调用。

机器人定位模块：以地图构建模块生成的地图或者外部导入的地图为基础，通过订阅激光雷达节点信息与位移节点信息，以初始点为基准，实时获取周边360°距离信息与速度位移等信息，与地图信息做比对，采用多点定位的方式，对比置信概率，最终选取置信概率最大点的位置信息，并以ROS节点的方式实时广播相对坐标下的位置信息。

导航及移动模块：以地图构建模块以及机器人定位模块的数据为基础，通过订阅激光雷达节点与定位节点信息，以初始点为基准，实时获取位置信息、角度信息、周围环境信息，判断是否需要避障以及路径重新规划，并将路径信息转换为MCU电机的控制指令，实现位移、角度、速度的控制。

路径规划及避障模块：该模块主要采用VFH(Vector Field Histogram)直方图法，主要将周围环境抽象为一系列具有二值信息的栅格单元，每个矩阵栅格具有一个累积值，表示此处存在障碍物的可信度，通过订阅地图模块、导航模块、定位模块等信息，实时维护栅格信息，并根据地图信息进行路径规划，如遇到障碍需要避障时，调用避障模块，选取最优方式进行避障。

自动化运行模块：该模块为应用软件中最核心的处理模块，主要实时获取定位建图与导航系统的信息，判断条件触发机器人的移动、云台、升降杆、灯光、相机、充电等所有操作，也控制所有数据的分发与处理，是整个系统信息融合与综合调度的中心。

远程手动控制模块：通过远程遥控器或远程键盘控制机器人的位移、拍摄等操作，并具有操作记录的功能，该操作主要通过wifi网络远程控制，需要制定标准的通信接口。

巡检位置设定模块：类似于飞行器的航迹点，在地图中设置重要的路径点与拍摄位置，该信息的输入可分为3种方式：通过远程手动控制模块记录；通过配置文件输入相对坐标；在地图信息中加载。

视频压缩与传输模块：该功能开启时，将摄像头拍摄的实时视频码流进行压缩处理，通过wifi网络实时发送至远端服务器，方便用户进行远程控制。

异常处理模块：对各种异常情况进行日志记录方便后期追溯，并针对异常情况进行实时处理，该处理模块需要与具体场景结合，不断更新完善，项目初期设定情况包括：无法定位、低电量报警、无法自动充电、各模块告警等情况的处理。

2.3 系统安全功能分析

(1)定位功能

激光雷达向周围360°(或小于360°)环境高密度的发出激光，同时通过接收反射光确定其某一个角度上物体的距离，通过360°测量，激光雷达可以感知到自身周围的物体。使用这种方式，在一个有限环境中进行遍历，可以建立环境中障碍物之间关系的分布图，这个功能为地图构建。地图构建之后，机器人在此环境中通过与障碍物之间的距离(3个点以上)匹配，可以得到自身位置。在地图上设置目标点，通过一定的软件算法，机器人可以避开障碍物，按规划路线安全到达目的地，实现机器人路径规划的功能。机器人在行走过程中要不断探测周围环境，得出自身位置并与路径地图进行比较，计算出运动的方向，控制机器人动力系统。

(2)云台控制功能。机器人云台、升降机配合完成水平方向与俯仰方向摄像头的调整，方便摄像头抓取高质量照片。云台角度与升降机的高度值都有反馈信号。机器人的这些参数现场生产并且存放在X86内部，需要巡检时，X86把这些数据发送给嵌入式，软件模块按照参数要求控制云台角度与升降机高度。

(3)避障功能。激光雷达本身就可以实现避障功能，为了保证系统的可靠性，增加超声雷达与红外测距两种避障方式，另外增加了机械碰撞检测开关，能够快速断开电机电源，防止意外事件发生该模块获取超声雷达与红外传感器的数据，综合判断路径上的相关信息，将信息上报给系统进行分析判断决策与决策，避障处理模块根据返回的命令执行相关操作。该模块主要采用VFH(Vector Field Histogram)直方图法，主要将周围环境抽象为一系列具有二值信息的栅格单元，每个矩阵栅格具有一个累积值，表示此处存在障碍物的可信度，通过订阅地图模块、导航模块、定位模块等信息，实时维护栅格信息，并根据地图信息进行路径规划，如遇到障碍需要避障时，调用避障模块，保证安全性，避障处理模块会不断分析碰撞风险，当风险超过预设值，不管是否收到反馈信息，避障处理模块会自行执行安全措施，比如停止前进等。

(4)光监测与补偿功能。机房在无人进入时可能存在关闭照明系统的情况，机器人需要适应这种环境变化。系统需要检测环境光线情况，根据检测数据控制LED灯进行光线补偿，设计成大面积散射光源。为了解决机房照明关闭的情况，机器人有自动灯光补偿功能。光照传感器会根据机房光照情况返回光照数值，光照补偿模块会根据光照数值设定补偿量，在实际应用中，补偿量也无须到达机房照明系统的亮度值。

(5)电源监测功能。自主充电系统分为两部分，充电自动对接部分与充电控制。充电自动对接主要依靠激光雷达完成机器人与充电桩的位置匹配，使用红外发射管完成角度对齐，霍尔传感器检测机器人与充电桩对接稳定的电源系统是机器人安全性的重要保证，机器人中使用了蓄电池，对蓄电池进行安全设计尤为重要。电池选用工业级铁锂电池，电池必须有过热，过流，过压，欠压，短路保护，并且有一定的抗震能力。

2.4 安全控制措施

安全性主要体现在电池安全性，设备运行安全性，防碰撞安全性。

(1)电池安全性：蓄电池存在爆炸，着火等隐患，所以对电池的可靠性要求非常高，电池选用铁锂电池，并且电池设计过温保护，过压保护，过流保护，短路保护，同时对电池的抗震性也提出要求，需要满足《电动自行车电池标准》。

(2)设备运行安全性：在硬件设计上考虑硬件安全性保护，进行过流保护，温度检测等功能，监控系统温度状态。

(3)防碰撞安全性，为了防止机器人碰撞其他设备，专门设计了两重防碰撞检测，保证机器人的碰撞安全。

2.5 质量控制措施

保证设备的功能和技术性能均应满足要求；在可行的情况下，尽量借用或借鉴其他产品的已经成熟的技术，设计时应考虑产品的可制造性。

(1)元器件质量控制。器件选用遵循简化原则，在不影响功能、可靠性的前提下，优先选择生命周期处于成长、成熟的器件，优先选用有稳定可靠的供货来源的元器件。硬件设计时要充分考虑器件或模块的降额使用，电源保证满足80%的降额，钽电容考虑满足60%的电压降额。

(2)软件质量控制措施。在软件的全寿命周期严格按照软件工程化要求进行软件的需求分析、设计、编码和测试，确保软件可靠性；在软件开发的全过程按照软件工程化管理标准的要求进行软件的配置管理；在软件设计中要尽可能采用避错、改错和容错设计。提高软件的健壮性，避免在出现不合理的输入时使程序转入非期望的程序段或引起程序本身瘫痪。

3 成果应用情况

“机器人智能巡检系统”在智慧京张、宝兰高铁中继站7进行展示，在银吴高铁吴忠车站成功应用，该系统实现通信及信号机房的自动寻路、避障巡检、远程视频监控、机柜及设备状态指示、告警识别、设备的温度监控、红外成像功能，通过与房屋的动环进行联动，实现告警目标信息并远程预警。银吴高铁吴忠车站机器人见图3。

图3 银吴高铁吴忠车站机器人

4 结论

本文通过对无人值守机房设备安全巡检问题，提出采用智能巡检机器人实现远程智能维修和维护，该设备成功在宝兰高铁、银吴高铁吴忠车站、智慧京张使用，通过对其安全性分析，得出如下结论。

(1)利用机器人实现无人值守铁路设备房屋的设备安全防护、故障远程监督、人员的在巡检、环境的重点监测等功能，有利于降低人员操作失误引起设备故障进而引发铁路重大行车事故的风险，达到“强基达标、降本增效”的目的。

(2)采用了激光雷达、传感器、远红外等多种融合技术，构建了机器人安全运行平台，实现设备故障监测与判断、设备碰撞预警、人员操作监测等功能，有利于对铁路运行安全行为进行实时监控，并及时反馈预警信息，防止事故的发生。

(3)该系统在“运行空间自动构建”、“红外雷达及激光传感器三重防撞技术融合”、“图像高速传输与智能处理”、“设备热感温在线监测”等方面取得重大技术突破，形成了无人化站点的设备机房在线监测与管理体系，填补了国内外多领域的技术空白，有效助力智慧高铁。