智能施工警示机器人设计与应用

何传平

(广西北部湾投资集团有限公司沿海高速公路分公司，广西 钦州 535000)

0 引言

目前在高速公路沿线施工中，传统的警示与防护方法主要采用维修警示牌、反光锥桶等设施，提醒过往的车辆进行避让。但这些传统设施还存在警示效果差的弊端，尤其在严重雾霾、雨雾天气情况下，高速公路上驾驶者因视觉疲劳或不遵守交通规则等原因，导致冲击施工区域，危及施工维护人员生命安全。

目前一些施工路段还采用了简易摇旗模特放置在施工区域前方，通过摆动摇旗，有利于提升司机的关注度，对过往车辆的警示作用有所提高。但是此类摇旗模特功能结构单一，无法满足现代智慧工地的使用和管理要求。

鉴于上述现状，本文结合路段施工情况和现代智慧化工地管理要求，设计了高速公路智能施工警示机器人。该机器人集成自由摆臂、爆闪灯、录像拍照、测速警示、语音播报、远程控制、GPS北斗定位、现场温湿度采集、无线通信等功能为一体，能有效提高对过往车辆的示警效果，并且对现场通行情况进行预判，保护现场施工人员生命安全，保障施工维修任务的顺利进行。

1 智能施工警示机器人系统方案

智能施工警示机器人主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分包含结构设计和电路设计。机器人结构件主要有机器人外壳、摆臂转动机构、报警灯、外置太阳能充电板等。机器人底座配置有配电箱，内部安装有充电电路、主控电路、电池。软件系统主要包括数据传输处理中心、远程管理中心及移动端。应用程序包括移动端APP、PC端WEB界面和电视大屏端等。

智能施工警示机器人主要功能如下：

(1)机器人处于工作状态时，自动上下或左右摆臂，报警灯处于频闪状态。

(2)机器人眼睛部位装有500万像素红外摄像机，头部通过远程控制，自由转动进行摄像、抓拍。通过4G模块可将图片传输至后台，供管理人员查看。

(3)机器人体内装有温湿度传感器及GPS模块，环境数据及位置数据可通过4G模块传至后台。

(4)机器人底部配电箱装有主控平台及电池，负责整个产品的控制及供电。

(5)机器人身上装有测速雷达，可实现车流量检测，并实时上报。

(6)机器人身上安装有喇叭及音频模块，可远程喊话。

智能施工警示机器人系统架构如图1所示：

图1 智能施工警示机器人系统架构图

2 智能施工警示机器人系统硬件设计

智能施工警示机器人的控制核心是控制总成，可远程控制实现双臂上下持续摆动，摆动频率可调整，摆动启停可现场通过开关或远程通过指令控制，手臂末端可持物体能自由替换，如指挥旗或LED发光指挥棒等。此外在硬件设计上增加了很多人性化设计，如灯光示警、太阳能供电、车流量统计、北斗及GPS定位、内嵌摄像头实时录像、温湿度及电源传感监测、语音播报、4G/5G数据传输等(见下页图2)。

图2 硬件组成框图

2.1 太阳能供电

太阳能供电部分采用便携环保的单晶体硅材料供电，能将太阳能辐射能通过光电效应转换成电能并存储在锂电池里，太阳能板功率：100 W，开路电流：6.1 A，工作电压：18 V；尺寸：(930×650×30×25) mm，工作电流：5.6 A，工作温度：-40 ℃～85 ℃。开路电压：21.6 V，功率公差：±3%，采用效率>18%的高效多晶电池片，材料防腐蚀、耐老化、抗冲击、弱光性好，节能环保。

2.2 车流量检测雷达

搭配车流计数雷达，能准确获取当前路段车流量、车道占有率、平均车速、车型分类等；车道流量检测精度≥95%，车道占有率检测精度≥95%，平均车速检测精度≥95%；车型分类不低于4型，并可自定义。获取的车流数据可实时汇总上传至云端数据中心，并可通过远程下发指令控制雷达采集数据频率及其他配置。

2.3 ATGM336H-5N定位模块

定位模块采用ATGM336H-5N定位模块。ATGM336H-5N系列模块是高性能BDS/GNSS全星座定位导航模块系列的总称。该系列模块产品都是基于中科微第四代低功耗GNSS SOC单芯片——AT6558，支持多种卫星导航系统，包括中国的BDS(北斗卫星导航系统)、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO、日本的QZSS以及卫星增强系统SBAS(WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS)。AT6558是一款真正意义的六合一多模卫星导航定位芯片，包含32个跟踪通道，可以同时接收六个卫星导航系统的GNSS信号，并且实现联合定位、导航与授时。本系列模块具有高灵敏度、低功耗、低成本等优势。[1]

定位模块的主要功能是采集产品所在位置经纬度信息，当远程管理中心发起位置获取指令时，可将产品当前位置实时上传至数据中心。支持GPS+北斗BDS双模定位，搜星速度<5 s，符合智能施工警示机器人应用需求(见图3)。

2.4 摄像头模块

产品头部内嵌海思摄像头模块，支持摄像及拍照模式，可配置定时拍照回传至数据中心。该模块为防水、防尘设计，带夜视功能，支持自动对焦，拍照像素500万，当出现异常时可及时报警。该模块具有不受距离限制、网络稳定就可以远程实时观看、安装施工方便、不用长距离输电等优点。

图3 定位模块功能框图

2.5 温湿度及电流检测

产品底部内嵌温湿度传感器，可检测周围环境温度及湿度，可配置定时采集数据回传至数据中心，或由远程管理中心下发指令实时获取数据。温度测量范围为-20 ℃～60 ℃，温度测量误差为±2 ℃；湿度测量范围为20%～95%，湿度测量误差为±5%。

由于智能施工警示机器人采用太阳能供电设计，根据施工现场的情况，难免会遭遇连续阴雨天气，导致设备电量不足无法实现正常功能。为此，设计中加入了霍尔电流检测模块，可以实时检测设备的充放电情况，计算锂电池剩余电量，当电量较低时可远程提醒管理员更换电池或者手动充电，并可设置进入低功耗模式。

2.6 语音播报

语音播报采用KT403A解码芯片。该芯片可连接喇叭现场控制播放指定音频，或由远程管理中心下发音频文件播放，音频可控制音量，自动循环播放。KT403A MP3音频解码芯片是一个提供串口控制的语音芯片，完美地集成了MP3、WAV、WMA的硬解码，同时软件支持SD卡驱动和USB驱动，支持FAT16、FAT32文件系统。该芯片通过简单的串口指令即可完成播放指定的音乐，以及选择播放模式等功能。无须繁琐地底层操作，使用方便、稳定可靠是此款产品的最大特点[2]。见图4。

图4 KT401A芯片框架图

芯片为SOC方案，集成了一个16位的MCU，以及一个专门针对音频解码的DSP，采用硬解码的方式，保证了系统的稳定性和音质。小巧的封装尺寸更加方便嵌入警示机器人内部。

2.7 4G无线传输模块

4G无线模块采用E840-TTL-4G04物联网串口透传DTU通信数据传输至全网通GPRS/3G/MQTT 4G传输模块。该产品软件功能完善，覆盖绝大多数常规应用场景。E840-TTL-4G04是为实现串口设备与网络服务器，模块使用2.0 mm排针方便客户设备集成，使用+5 V～+18 V宽电压供电。该模块支持移动、联通、电信4G卡，通信与LED指示采用兼容电平(+3.3 V～+5 V)，具有抗干扰能力，适合使用在一些电磁干扰强的环境当中，如一些电力行业当中。E840-TTL-4G04的网络传输功能，可实现串口设备到网络服务器的数据双向透传，可将警示机器人采集数据上传至数据中心，接收远程管理中心下发指令。模块支持全网通(移动、联通2/3/4G，电信4G)五模4G模块，支持MQTT标准协议，支持物联网卡、SIM卡，支持自定义MAC地址、心跳包，支持IOT技术。[3]

3 智能施工警示机器人系统软件设计

智能施工警示机器人系统软件主要分为管理中心软件和数据处理服务器软件。其中，后台服务器软件的主要功能有：用于接收各4G节点智能示警机器人采集后上报的数据源，可对数据进行分类储存，根据自定义数据分析后，导出可视化数据，并提供标准化接口供前端软件应用，且服务器集成了视频推流和录像功能，用于监控及操作已实地应用的智能施工警示机器人。

系统的主要功能分为：自动警示、远程控制、信息采集分析等。根据软件功能设计了软件拓扑图(见图5)。

图5 智能施工警示机器人系统软件拓扑图

软件拓扑图主要含有警示机器人设备、4G通信模块、服务器、管理中心和用户端。用户端主要功能有：可单独或批量远程对机器人下发相应智能模块指令，并监控各节点机器人位置及状态。

要实现上述软件的功能，除了保证视频推流功能外，保证数据实时收发并处理是关键。后台服务端通过4G网关服务器进行通信，数据通信通过加密的MQTT服务会话主题，能够有效解决数据并发和数据传输的实时性和安全性等问题。

移动端界面主要有手机APP和微信小程序，可实时更新查看当前设备的剩余电量、现场温湿度等参数，实现在危险路段或维修路段进行现场自动摇摆机械臂、打开声光报警灯、语音播报等多类型警示提醒。通过移动端应用软件可实现施工现场如发生交通事故或其他紧急情况下远程下发指令控制机器人摆臂运动启停及其他智能硬件的功能操作，便于管理，节省运维人力。实现智能硬件采集现场数据，并可将数据上传至云端管理中心，进行数据分析整理后通过接口共享给第三方应用，用于上一级管理人员对现场处置决策提供数据依据，同时提升车主的高速公路使用体验。

4 智能施工警示机器人的应用及优势

目前智能施工警示机器人已完成样机测试阶段，并在广西沿海高速公路现场施工中应用，相比传统的施工封道摇旗机器人，增加了很多智能化、人性化设置，可远程监控施工环境的安全性，安全员可在手机或者中心查看施工现场的环境，且提示通行车辆效果明显，增加了语音播报提示施工区域减速慢行，在危险路段或维修路段进行多类型加强提醒，在现场自动摇摆机械臂，达到警示目的，避免施工现场发生交通事故。

5 结语

本文针对当前高速公路施工存在安全隐患的需求进行了分析，并基于需求设计了智能施工警示机器人。本文设计的系统数据采用了4G通信传输的方式，保证数据传输的可靠性、速度和实时性，方便快捷，可实现在远程下发指令可控制机器人运动启停，及其他智能硬件的功能操作，便于管理，节省运维人力。当发生异常时，能够迅速发出报警信息，及时排查施工隐患。通过实际案例应用证明，该系统设计符合高速公路智能施工警示机器人系统的要求。