轨道式隧道巡检机器人系统设计研究

凌晔华

(广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

随着我国高速公路的快速建设,目前高速公路隧道已经超过两万座,隧道的安全通行已经成为了高速公路运营的重点关注对象[1-2]。对隧道进行日常巡检是保障隧道健康和保证隧道安全运行的重要手段。然而,目前隧道的巡检主要依靠人工巡检和固定相机监控的方法,已经难以满足隧道的日常巡检要求[3]。虽然人工巡检可以得到较为全面的巡检数据,但是人工巡检需要较高的人力和物力成本,特别是目前的隧道位置普遍较偏,这进一步提高了巡检的难度和成本,而且人工巡检的频率一般不高,难以应对隧道的突发事件。基于固定相机的监控虽然可以降低巡检成本,但是由于相机的位置较为固定,难以检测到具体的隧道监控状况,而且相机只能进行单向的监控,难以进行实时的应急响应,因此也难以满足隧道的巡检要求。综合以上情况,目前亟须可以替代人工巡检的全天候巡检机器人,用于隧道的日常巡检[4]。

针对这一需求,本文以机器人控制、深度学习为技术基础,设计集成了一套轨道式隧道巡检机器人系统,用于隧道的全天候自动巡检。该系统具有全天候巡检、隧道状态监控、隧道事件监控和实时应急响应等特点,可以有效弥补人工巡检无法全天候覆盖、视频监控无法进行状态监控和实时响应的问题,为高速公路的隧道安全运行提供日常巡检保障与支撑。

1 系统总体架构

轨道式隧道巡检机器人系统主要包括机器人轨道、机器人硬件系统、机器人控制系统和机器人业务算法系统四部分组成。在设计上,采用独立模块设计再集成的方法进行设计,系统的总体结构和各个模块之间的关系如下页图1所示。由图1可知,整个轨道巡检机器人系统是基于机器人的主体结构进行集成设计的。机器人的主体结构由滑动部件和机身组成,滑动部件主要是与轨道相连起到沿轨道滑动的目的,机身则设计用于搭载机器人控制设备和其他各种设备。机器人的轨道设计是在隧道中铺设一段连续的轨道用于保证机器人的有限运动,一方面可以让机器人沿着隧道快速运动,另一方面可以保证机器人在故障中依然保持在一定的空间内。在轨道设计中,需要进行实体设计、轨道布局和实地安装三个步骤。这三个步骤的最终目的在于可以保证机器人在轨道上安全、平稳且快速运行。

图1 轨道式隧道巡检机器人总体架构图

机器人的核心部分是机器人的控制及管理系统,主要用于机器人的各种设备的管理及机器人在运行中的运动控制。整个管理及控制系统是基于机器人操作系统(ROS)开发的。ROS是一个基于Linux内核的机器人专用操作系统,可以提供各种机器人相关的开发工具包和开发环境。机器人的控制及管理系统作为轨道机器人的大脑,需要对机器人及其相关设备进行管理与控制。在完成机器人的主体结构开发、轨道布设及机器人的控制管理后,还需要为巡检机器人设计智能算法用于隧道的各种巡检任务。具体的业务算法可以分为数据的采集与增强和智能算法设计两部分。在数据的采集中,针对隧道内的运行安全,可以分为可见检测数据和非可见检测数据,对应使用相应的传感器进行采集。由于在隧道内,传感器受光线、微尘等的影响,直接采集的数据质量往往较差,因此在采集后需要进行数据的增强和融合,以提高数据的质量。为了完成机器人的巡检业务,需要部署智能算法进行精确检测,系统使用的是基于深度学习的智能算法进行各种业务巡检业务。

2 系统设计

根据图1的系统总体架构,本节将对轨道式巡检机器人进行系统设计,包括软硬件系统设计、检测业务系统设计和应急响应系统设计,用于完成轨道内的自动巡检及应急响应。

2.1 软硬件系统设计

轨道式巡检机器人在进行自动巡检时,不仅具有独立的运算能力,可以快速处理采集的数据和具体的业务逻辑,而且可以和远程中心进行数据交互,完成数据的上传和远程快速调度,因此需要设计一套具有较高算力的软硬件系统。为了完成这些任务,轨道式巡检机器人装备了一台搭载了Intel的第13代CPU处理器的工控机作为主要硬件平台。轨道式巡检机器人的软件系统是基于Linux的ROS进行开发的。基于这一套软硬件平台,还设计了多个软硬件模块用于完成不同的巡检功能。

2.1.1 主控硬件模块

在主要硬件平台外,主控板需要设计多个接口来对接外部硬件模块。系统需要设计的几个主要外部模块及其功能具体介绍如下:

数据采集模块:数据采集模块主要功能是系统在巡检过程中对隧道的可见目标和非可见目标进行实时数据采集。在设计中,使用相机、雷达等对可见目标进行实时采集,采用温湿度、气体传感器等数字传感器对非可见目标进行数据采集。

数据存取模块:机器人在运行中,不但需要对现有的数据进行分析,还应该具有历史数据记录和分析的能力,因此需要数据存取模块进行数据的存取。

通信模块:在隧道巡检中,由于需要在隧道长距离运行,因此需要搭建多个网络AP节点的形式进行网络接力。通信模块负责搭建内网和多AP组网,完成数据在机器人和中心之间的实时传输。

轨道运动模块:轨道运动模块负责将系统输出的指令转换成为电机控制信号,完成机器人在轨道上的各种运动姿态。

轨道定位模块:用于定位机器人在轨道上的位置。由于机器人在轨道上的运动位置相对固定,因此机器人采用无线射频识别(Radio Frequency Identification Devices)技术进行实时定位。

2.1.2 主控软件模块

机器人设备控制:根据现场或者远程的输入,完成机器人各种设备的初始化及个性化设置。设备控制软件模块应该具备较为完善的现场可视化界面和远程控制接口。

机器人感知模块:感知模块直接对接数据采集模块,主要完成数据的增强和融合等处理,生成系统可识别的感知数据。

机器人控制模块:根据现场的感知数据,机器人控制模块将完成路径的规划、速度控制和智能避障等常规机器人控制。

2.2 检测业务设计

轨道式巡检机器人的主要功能是对隧道进行实时检测,具体包括隧道的状态检测和事件检测两部分。

2.2.1 隧道的状态检测

巡检机器人对隧道的状态进行常规检测,包括对隧道结构和机电设备进行检测。在确定的位置使用采集模块采集对应的隧道结构、机电设备和温湿度等数据,并进行增强和融合,作为感知数据输入检测模块;根据感知数据和检测算法,对数据进行智能识别,得出隧道检测状态;将检测结果和轨道定位数据打包,分别发送至机器人控制模块、数据存取模块和远程中心,完成隧道的日常巡检。

2.2.2 事件检测

除了进行常规的隧道状态巡检,轨道式巡检机器人还需要对隧道的突发事件进行检测。和隧道的状态巡检不同的是,事件的产生位置不固定,因此需要长时间进行数据采集。如果隧道内发生了异常事件,可以要求机器人快速分析当前事件的类型,将事件记录并上传中心。

2.3 应急响应设计

日常巡检中,需要巡检机器人对隧道内的异常事件进行实时应急响应,具体包括应急监控、现场支援和远程调度三个方面。

2.3.1 应急监控

当机器人检测到隧道内发生异常事件或者接到中心的应急调度后,机器人应快速触发应急告警,自动寻找合适的位置并调整监控云台进行实时监控。在应急监控中,监控视频除了直接上传中心外,还需要在本地进行实时备份,确保数据无遗漏。

2.3.2 现场支援

当机器人到达车祸、坍塌、有害气体侵入等异常事件发生地后,可以进行现场简单支援,自动进行声光疏散指引,并且提供应急照明,直到救援人员赶到。

2.3.3 远程调度

机器人应具有外部的通信设备,可以通过自组网与中心取得联系。待救援人员可以通过通信设备向中心进行情况说明和求助,中心可以通过通信设备进行远程调度指挥进行救援。

3 应用效果分析

为了验证系统的有效性,轨道式隧道巡检机器人系统在广西河都高速公路的隧道中进行了实地安装运行,如图2所示。根据实地运行测试,隧道机器人的主要性能如下。

图2 轨道式隧道巡检机器人实际运行示例图

(1)软硬件系统性能:如图2所示,轨道式隧道巡检机器人采用整机外观结构,在机身内部放置了计算单元、电池、电机等主要部件,整体重量为144.67 kg;机器人可以进行图像、温湿度、位置信息等数据采集;机器人集成传感器根据识别内容、尺寸大小进行专门部署,并采用防松措施,可以解决机器人运动带来的部件松动问题;机器人的长×宽×高为1 500 mm×255 mm×1 000 mm,在40 mm高的单轨中运行。

(2)隧道检查业务性能:机器人可以在无人干预的情况下完成自动巡检,其最大巡检速度>3 m/s,续航时间>5 h;机器人运行中定位误差<0.3 m,在3 m/s的运动速度下,制动距离<1 m;机器人具备主动避障、自主充电、应急关闭、远程唤醒等功能,可切换到人工遥控巡检方式进行例行、特行巡检,还具备远程图片采集回传、远程喊话功能。

(3)应急响应性能:机器人可自动定位事故发生位置并回传中心;可以进行应急双向喊话;可以携带≤100 kg的负载行进。

4 结语

隧道的日常巡检是保证隧道安全运行的重要手段,然而,人工巡检需要的人力成本大,并且无法做到全天候巡检,难以保障隧道的安全运行。本文集成设计一套具有自动巡检功能的轨道式巡检机器人,用于替代人工进行全天候自动巡检,为隧道的安全运行提供了新的方法。巡检机器人系统包括软硬件设计、检测业务设计和应急响应设计,可以覆盖当前人工巡检的主要功能。通过实地安装运行发现,本文设计的隧道机器人有效解决了人工巡检存在的间隔时间长、数据采集慢等问题,可为保障隧道的行车安全提供支持。