人工智能技術在鐵路站房保潔領域應用的探討

陶琪超 中國鐵路上海局集團有限公司上海華鐵旅客服務有限公司

1 研究背景

中國高鐵因其安全性高、速度快、乘坐舒適，已經成為我們國家展示自己實力的一張名片。干凈、舒適、整潔的環境也是打造中國高鐵形象的重要一環。

鐵路站點的清潔工作普遍存在復雜、多樣，清潔面積較大、工作時間較長等特點，保潔需求量大，保潔工作難度較高。而目前就清潔行業中一線從業者來看，50-60歲年齡段的人群是主力軍。他們隨著年齡的增加，將逐步退出行業，而年輕一代選擇從業的越來越少。面對人力成本的不斷增加和一線清潔人員老齡化的現實，如何既要滿足社會各方對于高鐵車站干凈、舒適、整潔的要求，同時要降低清潔行業對人工作業的依賴。

目前清潔行業已經由純人工逐漸向機械化轉型，但仍然無法滿足行業的需求，因此“智能化清潔”是清潔行業轉型發展的必由之路。通過引入人工智能技術，研究智能化清潔設備，完成一系列的清潔工作也成為發展所需。

此外，對于近年來不斷出現的諸如疫情等突發公共衛生事件，為了有效阻斷病毒等傳播，使用智能機器代替人工進行清潔衛生工作將是未來發展的必然趨勢。

根據站房地面的實際清洗需要，引入“智能化清潔”理念，即以傳統清潔技術為依托，通過開發和應用人工智能科技，解決效率和成本之間的矛盾，從而達到提高清潔效率，降低人力成本和改善勞動條件的目的。用全新的理念和最新的科技，徹底顛覆傳統的清潔方式，實現清潔工從低階體力勞動者向設備管理者的角色轉變。在鐵路站房，針對性地研發一套可用于站房地面清洗的機器人。設計一套清洗機器人管理系統。

2 研制方案

2.1 已有相關清潔機器人的研發

（1）新型清潔機器人，設計了一種基于螺旋運動原理的新型掃拖一體清潔機器人和相適應的控制系統。它利用彈性螺旋凸起與地面的相互作用和相對運動，實現拖地和掃地功能，理論分析表明其具有更佳的清潔能力，同時它還具有自動清洗和水循環等功能。針對其特殊的運動和受力模式，給出了其運動約束條件，分析并給出了側滑情況下的運動學模型。

（2）自動擦地機，其原理是將拖布在豎直方向旋轉，在拖布的上方有噴水桿，濕潤的、旋轉著的拖布的邊緣和地面接觸，擦走了地面的灰塵，在臟拖布的旋轉過程中,首先被淋上清水，稀釋了灰塵,然后碰上一阻擋桿,將灰塵臟水甩到集水槽里，干凈的、濕潤的拖布進行下一輪的擦地。該產品適合于水泥、陶瓷地面的清潔。

（3）自動地面清洗機，是集噴液、洗地、清潔、吸水、吸塵為一體的機電一體化產品,它是在吸塵器的基礎上,經研宄而發展起來的另一類新型地面清洗機。自動地面清洗機通過用洗滌液對地面進行清洗，并將污水吸收，達到清潔地面的目的。

2.2 站房地面清潔機器人的研發方案

2.2.1 站房地面清洗機器人系統的組成

站房地面清洗機器人系統由清潔機器人本體、智能補給站和清潔管理系統三維一體組成（如圖1所示）。

圖1 站房地面清潔機器人

站房地面清洗機器人本體：站房地面清洗機器人本體采用適用于室內平坦地面的機器人通用輪式底盤，采用三輪結構（2個驅動輪、1個萬向輪），該結構具有結構緊湊、轉彎半徑小，運行噪音低，工作效率高等特點。該底盤采用大功率直流無刷電機驅動，相比于傳統直流碳刷電機具有噪音小、壽命長、免維護的特點。融合了多種環境感知傳感器。此外，機器人選用鋰電池，具備電量監控、過充/過放保護等電源管理功能，可實現自動作業、自動避障、自動充電、自動加水及清潔液、自動排污等功能，做到無人值守。

站房地面清洗機器人智能補給站：智能補給站搭載通訊系統，保持與機器人本體的聯絡，確保兩者準確對接。同時配置充電樁、清水管、排污管，為機器人本體實現自動充電、自動加水、自動排污提供服務。

清潔管理系統：清潔管理系統可實時查看機器人的狀態信息、故障信息，保障機器人的現場部署和日常使用運維。

2.2.2 原理

機器人本體環境感知和運動控制是核心技術，機器人通過環境感知了解周圍環境。站房地面清洗機器人是利用搭載在機器人本體上的激光雷達、IMU慣性測量單元、里程計數器，一邊計算自身位置，一邊構建環境地圖，以解決機器人在未知環境中運動時的定位與地圖構建問題（如圖2所示）。

圖2 激光建圖和定位

通過開發場景應用，實現機器人的調度、路徑規劃，從而解決大面積地面清洗問題。智能補給站實現自動充電、自動加水、自動排污，使站房地面清洗真正意義上實現無人值守作業。

（1）智能導航定位和地圖構建

通過同步定位與地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping，以下簡稱SLAM）解決方案和算法，可以實現路徑規劃和導航運動控制。定位系統通過激光雷達和深度攝像頭，結合多種外部和內部的傳感器將當前及歷史數據進行處理，利用算法解出機器人所在位置的準確坐標。同時，將每個坐標點取得的傳感器數據拼接起來，形成完整的地圖。生成的地圖同時又可作為驗證坐標的依據。

（2）復雜環境識別、自主規劃路徑和安全防護

機器人本體配置多種傳感模式的環境感知系統。能夠通過傳感器獲取周圍的環境信息，自動避障。采用激光雷達來實現SLAM，用深度攝像頭實現立體避障，用超聲波來補償激光雷達和深度相機的檢測盲點。

通過多重傳感器融合，機器人本體可以準確靈活避障和防撞，自主規劃路線，實現自動巡航。

超聲雷達+防跌落傳感器近距離探測防護；示廓轉向燈和語音播報可以提醒附近人員及時避讓；防撞感應和急停按鈕應對緊急情況。

（3）智能洗地系統

清洗機器人的核心任務是要高效、迅捷地完成地面清洗工作。高質量完成清洗任務是最基本的功能。

實現自主擦洗、自主排污水、自主加注清水、自主充電等功能。觸摸屏作為用戶與機器人之間的交互工具，可以完成地圖管理、路徑規劃、任務管理等各項功能設置，如機器人行走速度、出水量、刷盤壓力等。另配有輔助性物理按鈕，必要時可進行手動任務操作。

通過洗地機懸浮式扒頭結構、機頭扒頭電動升降系統、污水箱內藏式吸水口及過濾裝置等技術實現了功能模塊的自動上裝下裝，提高了清潔效率節省了機器人成本。

運用運動力學相關分析，對清潔機器人的移動進行精確地控制，提高機器人移動效率及工作效率，并降低整體功耗。

（4）物聯網清潔管理系統

通過物聯網管理系統，實現多臺機器人協同作業，將機器人的各種運行數據進行監測和匯總分析，形成使用報告，極大提升清潔工作的管理效率。

遠程訪問和監控每一臺機器人，包括設備的身份和位置、實時狀態、運行時間、操作人員信息、問題記錄、服務記錄、電量和運行軌跡監測等。

2.2.3 站房地面清洗機器人的技術特點

采用激光雷達和多重傳感器融侖,實現了機器人路徑規劃、自動導航、定位、避障等功能。

通過站房地面清洗機器人專用管理軟件,實現了機器人自動清洗地面、自動避障、自動充電、自動加清水、自動排污水、清潔劑自動分配等功能。

通過物聯網技術,實現了機器人遠程參數設置、清洗任務派遣，且機器人可實時上傳數據到云端進行監測和匯總分析，形成使用報告,極大提升了清潔工作的管理效率。

2.2.4 針對鐵路站房的安全技術

鐵路站房人員、設備、障礙物多，情況復雜。站房地面清洗機器人集成了10多個傳感器，分別覆蓋機器人一周，利用算法融合激光、單目/雙目視覺、超聲波、地磁、防撞條等多維度傳感器數據，能夠最大程度實現對動態/靜態環境的感知。

機器人在運行過程中，采用了激光雷達、超聲波、深度攝像頭、防撞條等多重方式保證機器人運行安全可靠，保證清潔作業有序進行。

①提前規劃：站房地面清洗機器人在使用過程中需提前進行建圖，并針對可能的安全隱患進行安全部署，預設機器人作業時的清洗軌跡，規避可能的風險。

②設置電子圍欄：機器人利用激光定位，能夠實時獲取機器人在地圖上的實時位置，在機器人現場作業前，提前在系統里設置好危險區域，將機器人限定在安全區域，確保機器人安全運行。

③安全距離：機器人運行時，針對靜態和動態障礙物系統設置了安全距離，模擬駕駛經驗，當機器人檢測到測距傳感器的距離達到減速或停車閾值時，執行三級減速或直接停車。

④語音提醒和急停：機器人上配置急停按鈕，在出現緊急情況時，可直接拍下急停，機器人會停止所有的運動，保證現場安全可控，機器人設置最后一道防線：防撞條，當發生碰撞時，立即觸發緊急停止。

機器人上搭載聲音提醒功能，在機器人作業時，提醒人群避讓。

3 探索使用

3.1 主要實現功能

通過引入人工智能技術，研究智能化清潔設備，按照設定的任務或者遠程操控，自動清洗、自動避障、自動充電、自動加注清水及清潔劑、自動排污，無需人工干預完成鐵路站房地面大部分的清潔作業。

3.2 在鐵路上海站的使用

（1）技術性能測試場景

站房地面清洗機器人于2020年年底投入上海站進行實地場景運行測試。測試地點位于上海站11號候車廳。其中，補給站安裝地點：11號候車廳茶水間。

（2）技術性能符合性

在進行了30多個工作日，近300 h的運行測試后，站房洗地機器人在性能上完全達到了設計要求。即：自動行走移動、自主識別環境和避障、自動清洗、自動充電、自動換水等功功能，以及智能語音提醒和本地觸屏APP等多種人性化交互方式。

（3）實效性

在已構建的上海站11號候車室地圖上，劃分出10個任務區，分別為：座椅通道1-4區，外圍通道1-6區，當以上4個分區按照托管方式執行任務時，可以15 min或20 min間隔依次設置派遣時間。這種設置方式適合白天作業。由于白天客流量大，分區分時段執行更能保障任務完成率。夜間托管作業時，由于旅客流量大大降低，可設置一次性整體作業。

經過近300 h的運行測試，每天00:00-05:00為最佳作業時間段。該時段候車旅客稀少，作業通勤效率大大提高。到達任務啟動預設時間點后，機器人自行啟動清洗任務。可同時設置多個定時任務；在一個任務未結束，另一個任務開始時間到了時，先執行完當前任務，再執行時間到了的任務。普通模式下清潔后地面干凈、干燥，無污漬和水漬，吸扒升起后，污水殘留量符合設計要求

（4）效益分析

按照上海站候車室目前的設備及人員配備進行測算：

以上海站5-12號8個候車廳為例，其中11號、12號候車廳保潔面積相同，為其余候車大廳保潔面積的1.5倍。

目前地面清洗保潔安排：分白、夜兩班，白班5-10號各安排一人大廳地面流動保潔，11-12號2個候車廳安排一人地面流動保潔，配小型駕駛式洗地機4臺，另安排1人駕駛一臺大型洗地機（白班專用）清洗南北通道等。夜班安排2人，駕駛2臺大型洗地機（夜班專用）清洗地面。這樣實際一天需10人，大型洗地機3臺，小型洗地機4臺

若使用站房地面洗地機器人，每天0:00-6:00，兩臺機器人可完成8個候車大廳90%的地面清潔(11號侯車廳實際清洗時間63 min），剩余10%面積可白班分配2人2機（傳統小型駕駛式洗地機）巡回作業，在1 h左右完成，白天機器人分時段反復清洗南北通道和大廳清洗大面積，另兩臺駕駛式洗地機流動作業。另配1人作為機動并對機器人進行必要的檢查維護以及設備折舊、耗材替換等費用。可減少7個人工，節約設備投入3臺。

同時經過研發、設計、生產，至設備投入現實場景應用測試等一系列過程，最大程度上達到了產品設計要求，并持續迭代升級。使用智能機器代替人工進行清潔衛生工作將是未來發展的必然趨勢。

4 結束語

通過對鐵路站房地面清洗設備的智能化技術難點、方案、原理、安全分析等方面進行研究和探討，主要針對車站的清潔領域，利用人工智能技術特點，推動車站清潔作業智能化，減少對人工作業的依賴，提升清潔效率，降低人工成本。