智能巡查機器人技術在地下綜合管廊中的應用研究

文/張國超、王永明 中國建筑第八工程局有限公司東北分公司 遼寧大連 116000

1、引言

城市地下綜合管廊現在作為城市的主要功能建設之一，也成為了城市現代化、集約化的標志。綜合管道廊道的建設可以有效避免道路重復開挖，減少城市視覺污染，保護城市環境，改善城市能源供給，保證城市安全運行，從而形成新興的城市基礎設施。

2、需求分析

能夠納入到綜合管廊的工程管道十分廣，大致可分為：水、電、氣、通訊等等。涉及的面十分廣泛，除此之外，綜合管廊的建設還必須和消防、供電、照明、報警、通風、排水等同時建造。

2.1 管廊運維管理需求

綜合管廊建成以后，在日常管理中應當由專業單位負責。

初步統計，綜合管廊的每年管理費約為建設費用的0.3%，以下是近年來對部分建設城市綜合管廊后期運營管理費用的統計（統計數據來自網絡）。

表1 管廊運維管理費用

2.2 管廊運維管理現狀

內傳統綜合管廊的日常巡視檢測工作主要由人工完成，并通過固定式監控檢測設備和手持式檢測設備進行輔助巡檢。傳統巡檢方式的主要問題如下：管廊內環境惡劣，不利于工作人員的身心健康且存在安全隱患；環境濕度大，常常會有漏水和積水；通風條件差，易聚集有毒有害氣體；光照條件差，不便于工作人員巡檢；管廊距離長，人工巡檢勞動強度大；固定式檢測設備離散式分布于管廊沿線，無法實現全覆蓋式的監控；固定式檢測設備投入數量大，維護成本高。

2.3 解決思路

機器換人，實現管廊智慧化建設：智能機器人系統以機器人為核心，整合機器人技術、非接觸檢測技術、多傳感器融合、導航定位、模式識別技術等技術，實現對管廊內管線的自主檢測，可定時進行對機器人設置任務，有效降低運行人員勞動強度；智能機器人可實現自主巡檢，建立機器人巡檢系統，可實現無人值守，減員增效。自主設定巡檢任務，表計智能自動識別，設備智能紅外測溫，巡檢數據實時傳輸后臺，并形成數據報表，缺陷自動進行報警，達到安全、綠色、高效、創新、可持續發展目標。

3、機器人各系統組成

3.1 機器人系統機構

機器人系統架構可分為三層，分別為執行層、通訊層和管理層。執行層包括了智能機器人本體、自主充電模塊、防火門控制模塊、其他在線輔助設施等，實現智能機器人的數據采集、自主充電、自動穿越防火門、應急消防等功能。通訊層采用無線通訊，無線通訊滿足管廊內的網絡全覆蓋，保證機器人在任何位置都能實現無障礙通信。管理層包含了機器人后臺、監控中心（綜合管廊系統）和移動客戶端三類，主要功能有大數據分析、任務編排下達和歷史數據查詢等。

3.2 機器人后臺系統

（1）機器人本體自檢模塊：機器人配備有獨立、完善的自檢系統。

（2）數據遠傳與報表模塊：機器人智能巡檢系統配備專業通訊設備，保證數據傳輸的穩定、可靠。

（3）實時監控模塊：實時監控界面，主要功能是檢測機器人的位置、檢測路線、檢測設備的信息、檢測過程中的實時高清晰度和紅外視頻，以及檢測過程中的實時檢測結果。

（4)巡檢計劃模塊：檢驗計劃的接口主要用于編輯檢驗任務，制定檢驗計劃，進行例行檢查任務。

（5)手動遙控模塊：遠程控制界面，主要功能是允許用戶在任何地方遠程控制機器人，手動檢查特定的設備，并能截獲設備的高清晰度和紅外圖像和視頻。

(6)歷史數據模塊：歷史查詢接口分為兩部分，對應于兩種查詢方法。一種是根據巡檢任務進行查詢，另外一種是按照設備列表進行查詢。

（7）異常報警模塊：機器人配備的高清攝像頭還將完成對各類管線狀態檢測，當發現異常時，機器人發出聲光提示，報警信息能通過短信發送，并且報警上傳至服務器。該類報警在人工操作模式下可以實現退出/恢復。

3.3 輔助系統設計

1.軌道設置

施工布置：軌道型材采用高強度鋁合金，可以拼接，并且可以根據管廊地形設計彎曲度和坡度.采用高強度鋁合金軌道。彎軌道彎曲半徑：R1000，彎曲弧度：30、45、90度等；承載重量：不小于80KG；軌道固定支架：每隔1.2米安裝一只；

軌道安裝方式：將長T形螺栓螺母裝好滑入軌道槽擰緊；將T形螺栓頭穿過支架上的孔，用螺母固定（如下圖1所示）；軌道高度可通過螺栓進行調節。

圖1 機器人軌道安裝示意圖

軌道與頂部連接方式（預埋槽）：將與預埋槽配套的M12 T型螺栓固定于預埋槽道；兩個T型螺栓中心線距離為275mm；T型螺栓與軌道支架連接緊固；軌道固定支架：每隔1.2米安裝一只。

2.定位設置：機器人系統位置定位采用伺服電機內部碼盤里程計與光電掃碼相結合的方案。

3.爬坡設置：管廊在設計過程中，會遇到倒虹口設計，該類設計導致機器人需要保證可以大角度爬坡能力。智能掛軌機器人最大爬坡能力可達90°。

4.防火門系統，采用鋼制甲級防火門，并配備電控系統。為保證機器人安全通行，需要在防火隔斷處安裝自動開關防火門。當機器人要通過防火門時，防火門會自動打開，等機器人完全通過后自動關閉。防火門外形結構如下圖2所示：

圖2 防火門示意圖

結語：

機器人技術作為智慧管廊的重要技術之一，以智能可移動平臺為中心，集多種數據采集設備與一體，實現全自動自主巡視檢測、智能識別預警和故障應急處理，配合在線監控系統、管廊設施控制系統、信息處理和分析系統等，形成綜合管廊一體化控制平臺，實現智慧型管廊建設。