鐵路設(shè)備房屋機(jī)器人巡檢系統(tǒng)安全研究與應(yīng)用

陳志穎

(1.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043； 2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

隨著我國鐵路里程數(shù)的不斷增長、列車運(yùn)行速度的不斷提高[1-6]，以及信號技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人值守車站和中繼站的數(shù)量隨之大量增加。設(shè)置在車站和中繼站的控制列車運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備數(shù)量龐大、種類繁多，造成維護(hù)困難、時(shí)效性差。現(xiàn)有信號集中監(jiān)測設(shè)備偏重于設(shè)備技術(shù)參數(shù)的采集和分析，缺少現(xiàn)場實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測巡視手段[7-9]，如果依靠人工完成監(jiān)測巡視，一方面在廣袤的西北地區(qū)、川藏地區(qū)不符合以人為本的原則；另一方面，缺少專業(yè)技術(shù)水平高的維護(hù)人員；還有維護(hù)成本相應(yīng)增高的問題。因此，利用先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人值守設(shè)備房屋在線安全監(jiān)測與檢查系統(tǒng)，利于提高現(xiàn)場安全維護(hù)水平、降低事故率，對鐵路行業(yè)智慧化、智能化的健康發(fā)展具有重要意義[10]。

鐵路機(jī)房信號設(shè)備影響列車運(yùn)行安全的故障主要有軌道電路故障、列控系統(tǒng)故障、防雷設(shè)備故障、聯(lián)鎖系統(tǒng)故障、繼電器設(shè)備故障、環(huán)境(煙霧、水淹、人員跟蹤)等六類設(shè)備故障。這些系統(tǒng)故障會直接影響列車運(yùn)行安全[11-14]，因此設(shè)備故障發(fā)生時(shí)需要由鐵路局電務(wù)技術(shù)人員來進(jìn)行設(shè)備的故障判定與故障排除，進(jìn)而鐵路局電務(wù)技術(shù)人員在設(shè)備故障情況下參與作為了生產(chǎn)活動的主體，也成為安全事故的主要因素。由于設(shè)備發(fā)生故障處理不及時(shí)、鐵路局部分電務(wù)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)欠缺，導(dǎo)致故障排除不準(zhǔn)確占了安全事故的大多數(shù)，雖然鐵路局相關(guān)單位制定了很多設(shè)備的故障處理辦法，但面對動態(tài)的、復(fù)雜的環(huán)境及多變的工人行為仍難以控制，且現(xiàn)有安全培訓(xùn)手段很難讓工人深入了解項(xiàng)目中的全部安全隱患，為此，研究采用“以機(jī)器換人工、以機(jī)器換正確”的方法，建立鐵路機(jī)房機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的在線監(jiān)測，故障在線判定等。

通過研發(fā)“鐵路機(jī)房機(jī)器人安全巡檢設(shè)備”，運(yùn)用相關(guān)的安全理論及設(shè)備，實(shí)現(xiàn)軌道電路、列控系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)等設(shè)備的在線監(jiān)測，構(gòu)建合理的安全預(yù)警體系[15-18]，以更好地預(yù)防和解決現(xiàn)場設(shè)備故障問題，進(jìn)一步提高管理水平，改善維修能力，提高維護(hù)效率。

1 設(shè)備房屋安全巡檢功能需求分析

信號機(jī)房設(shè)備機(jī)器人安全巡檢系統(tǒng)通過圖像和視頻傳輸、熱探測、傳感器等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)房關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)信息、環(huán)境信息、人員信息的遠(yuǎn)程監(jiān)督與安全監(jiān)測，利用高速傳輸通道實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程在線巡檢。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)營維護(hù)需求，對設(shè)備的安全巡檢需求進(jìn)行分析。

(1)路徑自動生成與空間自動構(gòu)建。采用SLAM同步定位與建圖技術(shù)，在機(jī)器人移動過程中根據(jù)位姿估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)在自身定位基礎(chǔ)上建造增量式地圖。機(jī)器人導(dǎo)航由定位和路徑規(guī)劃兩部分實(shí)現(xiàn)，在已有地圖的基礎(chǔ)上，通過將慣性導(dǎo)航IMU、里程計(jì)和激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)有效融合獲得較精確的位姿信息，通過Dijkstra算法獲得從機(jī)器人當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的全局路徑規(guī)劃，在全局路徑的基礎(chǔ)上通過機(jī)器人運(yùn)動模型并對速度空間采樣，規(guī)劃出機(jī)器人的當(dāng)前速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動。

(2)機(jī)器人設(shè)備自防撞功能。機(jī)器人通過激光雷達(dá)掃描周圍環(huán)境信息，形成環(huán)境地圖。在行走過程中不斷對環(huán)境進(jìn)行探測，如規(guī)劃的線路上有大于自身尺寸的障礙物出現(xiàn)，機(jī)器人會依據(jù)當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的關(guān)系，自動形成新的導(dǎo)航路徑。為了提高可靠性，機(jī)器人不同高度的位置上使用了紅外探測器，探測不同高度的障礙物，在數(shù)據(jù)處理上將紅外數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元數(shù)據(jù)融合，共同實(shí)現(xiàn)路徑導(dǎo)航與避障功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用激光雷達(dá)及紅外測距方式實(shí)現(xiàn)的防撞技術(shù)性能可靠，分辨率高，控制準(zhǔn)確，有效防止機(jī)器人與其他設(shè)備物體相撞，保護(hù)了機(jī)器人以及巡檢環(huán)境中其他事物的安全。

(3)設(shè)備狀態(tài)圖像、視頻高速傳輸。在opencv算法庫的基礎(chǔ)上，搭建一套圖像對比軟件，通過將當(dāng)前拍攝的畫面與建模時(shí)拍攝的畫面進(jìn)行比對，找出模型圖中的信號燈與當(dāng)前待識別圖像中的信號燈之間的對應(yīng)關(guān)系，在一定范圍的位置和角度偏差條件下可根據(jù)模板圖片中各信號燈的狀態(tài)，將當(dāng)前識別圖形中對應(yīng)的燈進(jìn)行狀態(tài)比較，根據(jù)顏色、亮滅燈信息、數(shù)字信息等，判斷該信號燈的狀態(tài)與數(shù)值，并判斷此次識別的可信度。以矩陣的方式對機(jī)柜的信號燈排列狀態(tài)進(jìn)行建模，根據(jù)算法處理將待識別圖片中的信號燈與矩陣模型中的位置坐標(biāo)建立對應(yīng)關(guān)系。

(4)設(shè)備、線纜發(fā)熱監(jiān)測。對于防靜電地板下的信號或通信電纜利用在防靜電地板支架裝設(shè)掛軌，設(shè)定周期掛軌機(jī)器人定時(shí)通過熱紅外掃描對其進(jìn)行掃描和巡視，記錄電纜發(fā)熱及完整狀態(tài)，并記錄工作狀態(tài)；同時(shí)對于防靜電地板下的可能進(jìn)入的老鼠可以追尋定位與報(bào)警。

(5)煙霧、水淹、門禁功能。機(jī)器人系統(tǒng)與設(shè)置在機(jī)房內(nèi)的溫度傳感器、煙霧報(bào)警傳感器等設(shè)施通過無線相連，可以有效地對機(jī)房內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，達(dá)到煙霧報(bào)警、開門監(jiān)測等功能。

(6)人員識別與管理。采用先進(jìn)的人臉掃描系統(tǒng)，與機(jī)器人核心系統(tǒng)匹配，對進(jìn)入機(jī)房的人員進(jìn)行跟蹤管理，臉部識別與記錄，進(jìn)而有效保障機(jī)房的安全。

2 機(jī)器人安全巡檢系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)硬件框架構(gòu)建

巡檢機(jī)器人硬件系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)行基礎(chǔ)，其可靠性非常重要[19-21]，硬件設(shè)計(jì)充分考慮影響可靠性的各種因素，包括電池系統(tǒng)的過流保護(hù)，短路保護(hù)，欠壓保護(hù)；模塊接口的穩(wěn)固性；激光雷達(dá)的使用壽命；系統(tǒng)的抗震性等。

整機(jī)硬件包含攝像頭、激光雷達(dá)、X86處理器、用戶人機(jī)接口、升降電機(jī)控制單元、底盤電機(jī)控制單元、自動充電控制、避障系統(tǒng)等單元。如圖1所示。

圖1 機(jī)器人硬件設(shè)備構(gòu)成

2.2 安全系統(tǒng)主要功能模塊

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備機(jī)房的不安全行為和安全需求預(yù)警的信息進(jìn)行分析，構(gòu)建機(jī)器人機(jī)房運(yùn)行環(huán)境軟件系統(tǒng)，主要由定位建圖與導(dǎo)航系統(tǒng)、人機(jī)接口與系統(tǒng)集成系統(tǒng)、圖像處理與圖像識別系統(tǒng)3部分組成，如圖2所示，該系統(tǒng)包括9個(gè)關(guān)鍵模塊。

圖2 安全系統(tǒng)主要關(guān)鍵模塊

地圖構(gòu)建模塊：在ROS系統(tǒng)中開發(fā)激光雷達(dá)底層驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)解析與封裝處理，在地圖構(gòu)建模塊中訂閱激光雷達(dá)節(jié)點(diǎn)信息與位移節(jié)點(diǎn)信息，在機(jī)器人移動過程中實(shí)時(shí)獲取周圍環(huán)境信息和移動方向與速度信息，采用數(shù)據(jù)融合算法對機(jī)房空間進(jìn)行地圖建模與驗(yàn)證，最終將所生成的完整地圖進(jìn)行保存，供其他模塊進(jìn)行調(diào)用。

機(jī)器人定位模塊：以地圖構(gòu)建模塊生成的地圖或者外部導(dǎo)入的地圖為基礎(chǔ)，通過訂閱激光雷達(dá)節(jié)點(diǎn)信息與位移節(jié)點(diǎn)信息，以初始點(diǎn)為基準(zhǔn)，實(shí)時(shí)獲取周邊360°距離信息與速度位移等信息，與地圖信息做比對，采用多點(diǎn)定位的方式，對比置信概率，最終選取置信概率最大點(diǎn)的位置信息，并以ROS節(jié)點(diǎn)的方式實(shí)時(shí)廣播相對坐標(biāo)下的位置信息。

導(dǎo)航及移動模塊：以地圖構(gòu)建模塊以及機(jī)器人定位模塊的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過訂閱激光雷達(dá)節(jié)點(diǎn)與定位節(jié)點(diǎn)信息，以初始點(diǎn)為基準(zhǔn)，實(shí)時(shí)獲取位置信息、角度信息、周圍環(huán)境信息，判斷是否需要避障以及路徑重新規(guī)劃，并將路徑信息轉(zhuǎn)換為MCU電機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)位移、角度、速度的控制。

路徑規(guī)劃及避障模塊：該模塊主要采用VFH(Vector Field Histogram)直方圖法，主要將周圍環(huán)境抽象為一系列具有二值信息的柵格單元，每個(gè)矩陣柵格具有一個(gè)累積值，表示此處存在障礙物的可信度，通過訂閱地圖模塊、導(dǎo)航模塊、定位模塊等信息，實(shí)時(shí)維護(hù)柵格信息，并根據(jù)地圖信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，如遇到障礙需要避障時(shí)，調(diào)用避障模塊，選取最優(yōu)方式進(jìn)行避障。

自動化運(yùn)行模塊：該模塊為應(yīng)用軟件中最核心的處理模塊，主要實(shí)時(shí)獲取定位建圖與導(dǎo)航系統(tǒng)的信息，判斷條件觸發(fā)機(jī)器人的移動、云臺、升降桿、燈光、相機(jī)、充電等所有操作，也控制所有數(shù)據(jù)的分發(fā)與處理，是整個(gè)系統(tǒng)信息融合與綜合調(diào)度的中心。

遠(yuǎn)程手動控制模塊：通過遠(yuǎn)程遙控器或遠(yuǎn)程鍵盤控制機(jī)器人的位移、拍攝等操作，并具有操作記錄的功能，該操作主要通過wifi網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，需要制定標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。

巡檢位置設(shè)定模塊：類似于飛行器的航跡點(diǎn)，在地圖中設(shè)置重要的路徑點(diǎn)與拍攝位置，該信息的輸入可分為3種方式：通過遠(yuǎn)程手動控制模塊記錄；通過配置文件輸入相對坐標(biāo)；在地圖信息中加載。

視頻壓縮與傳輸模塊：該功能開啟時(shí)，將攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)視頻碼流進(jìn)行壓縮處理，通過wifi網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器，方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

異常處理模塊：對各種異常情況進(jìn)行日志記錄方便后期追溯，并針對異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，該處理模塊需要與具體場景結(jié)合，不斷更新完善，項(xiàng)目初期設(shè)定情況包括：無法定位、低電量報(bào)警、無法自動充電、各模塊告警等情況的處理。

2.3 系統(tǒng)安全功能分析

(1)定位功能

激光雷達(dá)向周圍360°(或小于360°)環(huán)境高密度的發(fā)出激光，同時(shí)通過接收反射光確定其某一個(gè)角度上物體的距離，通過360°測量，激光雷達(dá)可以感知到自身周圍的物體。使用這種方式，在一個(gè)有限環(huán)境中進(jìn)行遍歷，可以建立環(huán)境中障礙物之間關(guān)系的分布圖，這個(gè)功能為地圖構(gòu)建。地圖構(gòu)建之后，機(jī)器人在此環(huán)境中通過與障礙物之間的距離(3個(gè)點(diǎn)以上)匹配，可以得到自身位置。在地圖上設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)，通過一定的軟件算法，機(jī)器人可以避開障礙物，按規(guī)劃路線安全到達(dá)目的地，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑規(guī)劃的功能。機(jī)器人在行走過程中要不斷探測周圍環(huán)境，得出自身位置并與路徑地圖進(jìn)行比較，計(jì)算出運(yùn)動的方向，控制機(jī)器人動力系統(tǒng)。

(2)云臺控制功能。機(jī)器人云臺、升降機(jī)配合完成水平方向與俯仰方向攝像頭的調(diào)整，方便攝像頭抓取高質(zhì)量照片。云臺角度與升降機(jī)的高度值都有反饋信號。機(jī)器人的這些參數(shù)現(xiàn)場生產(chǎn)并且存放在X86內(nèi)部，需要巡檢時(shí)，X86把這些數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式，軟件模塊按照參數(shù)要求控制云臺角度與升降機(jī)高度。

(3)避障功能。激光雷達(dá)本身就可以實(shí)現(xiàn)避障功能，為了保證系統(tǒng)的可靠性，增加超聲雷達(dá)與紅外測距兩種避障方式，另外增加了機(jī)械碰撞檢測開關(guān)，能夠快速斷開電機(jī)電源，防止意外事件發(fā)生該模塊獲取超聲雷達(dá)與紅外傳感器的數(shù)據(jù)，綜合判斷路徑上的相關(guān)信息，將信息上報(bào)給系統(tǒng)進(jìn)行分析判斷決策與決策，避障處理模塊根據(jù)返回的命令執(zhí)行相關(guān)操作。該模塊主要采用VFH(Vector Field Histogram)直方圖法，主要將周圍環(huán)境抽象為一系列具有二值信息的柵格單元，每個(gè)矩陣柵格具有一個(gè)累積值，表示此處存在障礙物的可信度，通過訂閱地圖模塊、導(dǎo)航模塊、定位模塊等信息，實(shí)時(shí)維護(hù)柵格信息，并根據(jù)地圖信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，如遇到障礙需要避障時(shí)，調(diào)用避障模塊，保證安全性，避障處理模塊會不斷分析碰撞風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)超過預(yù)設(shè)值，不管是否收到反饋信息，避障處理模塊會自行執(zhí)行安全措施，比如停止前進(jìn)等。

(4)光監(jiān)測與補(bǔ)償功能。機(jī)房在無人進(jìn)入時(shí)可能存在關(guān)閉照明系統(tǒng)的情況，機(jī)器人需要適應(yīng)這種環(huán)境變化。系統(tǒng)需要檢測環(huán)境光線情況，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)控制LED燈進(jìn)行光線補(bǔ)償，設(shè)計(jì)成大面積散射光源。為了解決機(jī)房照明關(guān)閉的情況，機(jī)器人有自動燈光補(bǔ)償功能。光照傳感器會根據(jù)機(jī)房光照情況返回光照數(shù)值，光照補(bǔ)償模塊會根據(jù)光照數(shù)值設(shè)定補(bǔ)償量，在實(shí)際應(yīng)用中，補(bǔ)償量也無須到達(dá)機(jī)房照明系統(tǒng)的亮度值。

(5)電源監(jiān)測功能。自主充電系統(tǒng)分為兩部分，充電自動對接部分與充電控制。充電自動對接主要依靠激光雷達(dá)完成機(jī)器人與充電樁的位置匹配，使用紅外發(fā)射管完成角度對齊，霍爾傳感器檢測機(jī)器人與充電樁對接穩(wěn)定的電源系統(tǒng)是機(jī)器人安全性的重要保證，機(jī)器人中使用了蓄電池，對蓄電池進(jìn)行安全設(shè)計(jì)尤為重要。電池選用工業(yè)級鐵鋰電池，電池必須有過熱，過流，過壓，欠壓，短路保護(hù)，并且有一定的抗震能力。

2.4 安全控制措施

安全性主要體現(xiàn)在電池安全性，設(shè)備運(yùn)行安全性，防碰撞安全性。

(1)電池安全性：蓄電池存在爆炸，著火等隱患，所以對電池的可靠性要求非常高，電池選用鐵鋰電池，并且電池設(shè)計(jì)過溫保護(hù)，過壓保護(hù)，過流保護(hù)，短路保護(hù)，同時(shí)對電池的抗震性也提出要求，需要滿足《電動自行車電池標(biāo)準(zhǔn)》。

(2)設(shè)備運(yùn)行安全性：在硬件設(shè)計(jì)上考慮硬件安全性保護(hù)，進(jìn)行過流保護(hù)，溫度檢測等功能，監(jiān)控系統(tǒng)溫度狀態(tài)。

(3)防碰撞安全性，為了防止機(jī)器人碰撞其他設(shè)備，專門設(shè)計(jì)了兩重防碰撞檢測，保證機(jī)器人的碰撞安全。

2.5 質(zhì)量控制措施

保證設(shè)備的功能和技術(shù)性能均應(yīng)滿足要求；在可行的情況下，盡量借用或借鑒其他產(chǎn)品的已經(jīng)成熟的技術(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮產(chǎn)品的可制造性。

(1)元器件質(zhì)量控制。器件選用遵循簡化原則，在不影響功能、可靠性的前提下，優(yōu)先選擇生命周期處于成長、成熟的器件，優(yōu)先選用有穩(wěn)定可靠的供貨來源的元器件。硬件設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮器件或模塊的降額使用，電源保證滿足80%的降額，鉭電容考慮滿足60%的電壓降額。

(2)軟件質(zhì)量控制措施。在軟件的全壽命周期嚴(yán)格按照軟件工程化要求進(jìn)行軟件的需求分析、設(shè)計(jì)、編碼和測試，確保軟件可靠性；在軟件開發(fā)的全過程按照軟件工程化管理標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行軟件的配置管理；在軟件設(shè)計(jì)中要盡可能采用避錯(cuò)、改錯(cuò)和容錯(cuò)設(shè)計(jì)。提高軟件的健壯性，避免在出現(xiàn)不合理的輸入時(shí)使程序轉(zhuǎn)入非期望的程序段或引起程序本身癱瘓。

3 成果應(yīng)用情況

“機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)”在智慧京張、寶蘭高鐵中繼站7進(jìn)行展示，在銀吳高鐵吳忠車站成功應(yīng)用，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信及信號機(jī)房的自動尋路、避障巡檢、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、機(jī)柜及設(shè)備狀態(tài)指示、告警識別、設(shè)備的溫度監(jiān)控、紅外成像功能，通過與房屋的動環(huán)進(jìn)行聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)告警目標(biāo)信息并遠(yuǎn)程預(yù)警。銀吳高鐵吳忠車站機(jī)器人見圖3。

圖3 銀吳高鐵吳忠車站機(jī)器人

4 結(jié)論

本文通過對無人值守機(jī)房設(shè)備安全巡檢問題，提出采用智能巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能維修和維護(hù)，該設(shè)備成功在寶蘭高鐵、銀吳高鐵吳忠車站、智慧京張使用，通過對其安全性分析，得出如下結(jié)論。

(1)利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)無人值守鐵路設(shè)備房屋的設(shè)備安全防護(hù)、故障遠(yuǎn)程監(jiān)督、人員的在巡檢、環(huán)境的重點(diǎn)監(jiān)測等功能，有利于降低人員操作失誤引起設(shè)備故障進(jìn)而引發(fā)鐵路重大行車事故的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到“強(qiáng)基達(dá)標(biāo)、降本增效”的目的。

(2)采用了激光雷達(dá)、傳感器、遠(yuǎn)紅外等多種融合技術(shù)，構(gòu)建了機(jī)器人安全運(yùn)行平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障監(jiān)測與判斷、設(shè)備碰撞預(yù)警、人員操作監(jiān)測等功能，有利于對鐵路運(yùn)行安全行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)反饋預(yù)警信息，防止事故的發(fā)生。

(3)該系統(tǒng)在“運(yùn)行空間自動構(gòu)建”、“紅外雷達(dá)及激光傳感器三重防撞技術(shù)融合”、“圖像高速傳輸與智能處理”、“設(shè)備熱感溫在線監(jiān)測”等方面取得重大技術(shù)突破，形成了無人化站點(diǎn)的設(shè)備機(jī)房在線監(jiān)測與管理體系，填補(bǔ)了國內(nèi)外多領(lǐng)域的技術(shù)空白，有效助力智慧高鐵。