綜合管廊自動巡檢系統研究*

王建 鄭立寧 杜浩然 徐凱

中建地下空間有限公司 成都610053

引言

目前，我國綜合管廊通過安裝在管廊內的固定式監控設備［1，2］，對廊內的各類管線和設備運行情況進行實時監控。然而，固定式監控設備由于機動性差、智能化程度低、投入量大、后期維護費用高等問題，無法滿足智慧城市中綜合管廊的實際運維需求。因此，管廊重點區域，仍需采用人工巡檢的方式，但綜合管廊屬于地下封閉環境，管廊內空氣不流通、采光差、空間壓抑等因素，可能存在有毒有害氣體集聚，在保障作業人員的生命安全及身心健康方面存在一定的隱患。

管廊巡檢機器人［2］通過搭載的高精度傳感系統、信息傳輸系統、智能處理系統等技術手段，構建可視化綜合管廊運行環境，感知、傳達、分析管廊實時運行狀態，不僅能有效補充固定監控檢測設備的監測盲區，及時發現綜合管廊中管線或各類設備的缺陷或故障，還能代替大量人工巡檢工作，保護巡檢作業人員的身心健康，有效避免因長期在地下惡劣環境下工作造成設備的漏巡、誤巡以及未能及時發現故障等情況的發生。

1 系統功能分析及技術指標

1.1 系統功能分析

由于綜合管廊建設在城市地下，長年運行過程中管廊內部存在潮濕、光線昏暗、有害氣體泄漏等環境特點。管廊自動巡檢系統面對這樣的作業環境，需具備以下能力才能完成相應巡檢任務［3］：

（1）靈活移動能力：在管廊內完成前進、后退、轉向等基本運動，以及完成定點檢測、便捷通過管廊隧道中防火區隔斷門等任務。

（2）全面感知能力：實時檢測管廊內部的管道信息、視頻信息、環境參數和機器人自身的狀態信息。

（3）實時傳輸能力：實時將檢測到的環境信息與自身狀態信息傳送到遠程監控中心。

（4）長時續航能力：具備具有較長的續航能力。同時，還能實時監測自身電量，并具備自主返回充電樁處進行充電的能力。

（5）自主定位能力：發現異常情況，能及時地報告其地理位置。

1.2 主要技術指標

鑒于綜合管廊特殊的環境以及上述實現功能，自動巡檢系統主要技術指標見表1。

2 系統設計

綜合管廊自動巡檢系統由機器人本體硬件系統、機器人附屬設備與機器人軟件系統三部分組成（圖1）。

圖1 綜合管廊自動巡檢系統組成Fig.1 Composition of automatic inspection system for utility tunnel

2.1 機器人本體硬件系統

1.動力系統

巡檢機器人動力系統主要為機器人提供牽引動力，為保證機器人具有靈活且可靠的移動能力，機器人采用可轉向抱軌懸掛系統的驅動輪作為動力輸出裝置，采用高精度伺服減速輪轂電機作為動力源，能夠保證機器人在軌道上運行過程中驅動輪始終與軌道保持充足的摩擦力。

圖2 機器人動力系統Fig.2 Robot power system

2.能源系統

巡檢機器人執行的所有動作及實現的功能均需要消耗電能，出于安全性和便捷性考慮，管廊巡檢機器人不適合使用線纜或滑觸線供能［4］，由于傳感及控制系統中電子元件較多，機器人采用電池作為能源儲存介質，使用一次性化學電池或燃料電池不利于后續維護更換，所以最適宜的電池應為可循環充電電池。

3.傳感系統

巡檢機器人需搭載傳感系統對管廊內環境進行檢測，傳感系統包括氧氣傳感器、硫化氫傳感器、可燃氣體傳感器、溫濕度傳感器、可見光攝像機及紅外熱成像儀等感知外界環境特征的傳感器。

圖3 機器人能源系統Fig.3 Robot energy system

圖4 機器人傳感系統Fig.4 Robot sensing systems

4.控制系統

巡檢機器人控制核心采用工控機，工控機是專用于工業場景的微型計算機，不僅具有穩定的可靠性，同時具有成熟的底層及操作系統支持，與上位機軟件匹配度較高，計算性能強大，可以勝任多路數據的采集與分析處理，適合作為巡檢機器人控制系統的中央處理器。

圖5 巡檢機器人控制系統Fig.5 Robot control system

5.通訊系統

巡檢機器人通過本體攜帶的工業級無線AP與管廊內布設的無線AP同監控中心建立穩定可靠的網絡連接。

2.2 機器人附屬設備

1.軌道系統

軌道系統由運行軌道、機器通道門、軌道道岔及定位模塊組成。各部分軌道需要牢固連接、平滑過渡。機器人通道門可根據指令自動開關，不影響巡檢機器人運行且能保證管廊內各區間的相對密封。軌道道岔需根據巡檢任務更改各段軌道的連接方式，輔助管廊巡檢機器人完成既定巡檢任務。管廊巡檢機器人通過讀取定位模塊上的信息對機器人進行位置校準和定位，為提升管廊巡檢機器人定位精度，有效完成指定巡檢任務提供有力支持。

圖6 巡檢機器人軌道系統Fig.6 Robot track system

2.供電系統

供電系統通常包括接入配電箱、應急供電電源、機器人充電樁及為自動巡檢系統進行供電的供電線纜。其中配電箱中設置了可獨立控制的電源開關，應急供電電源可在管廊內部供電狀態異常的情況進行緊急供電，保障軌道系統及通信系統的正常運行，不影響管廊巡檢機器人執行巡檢任務。

3.通訊網絡

通信系統采用光纖網絡通信，系統主干網絡使用冗余環網結構搭建，管廊內每個防火區間至少搭配一臺無線基站，保證巡檢機器人在執行巡檢任務過程中的通訊質量與實效性。無線通訊過程中采用無線接入加密、設備身份認證與數據流加密相結合的多重加密形式，防止數據傳輸過程中數據被竊取，保障管廊運維的數據安全。

2.3 機器人軟件系統

1.軟件架構

機器人軟件系統架構如圖7所示，分為支撐層、數據庫層、應用層及系統展示四層。支撐層通過通訊協議獲取前端傳感設備，感知的綜合管廊實時數據，經處理后寫入實時數據庫和歷史數據庫［4］。

圖7 軟件系統架構Fig.7 Software system architecture

數據庫層主要包括地圖數據庫、巡檢任務數據、前端硬件設備數據及系統數據等，數據庫層實現了巡檢數據的統一存儲、分析、判斷，并向應用層提供決策支持。

應用層包括圖像信息識別、巡檢任務管理、前端設備管理，實現自動巡檢、監控與預警、聯動控制等應用功能。

系統展現層向用戶提供加直觀、易用的界面，方便用戶操作。

2.軟件主要功能

巡檢機器人具有高清圖像采集、巡檢路徑規劃、重點部位巡檢、自主避障、自主充電及一鍵返航等功能［5］，具體如下：

高清圖像采集：巡檢機器人搭載有高分辨率可見光攝像頭，可實現對管廊內的高清圖像采集。

巡檢路徑規劃：巡檢路徑規劃包括識別管廊內標記的軌跡及預設的巡檢路徑兩種方式。巡檢機器人可根據路徑自動導航，完成巡檢任務。

重點部位巡檢：在后臺地圖上可設置重點巡檢部位，配置巡檢內容，巡檢機器人到達設定點后會停下進行詳細巡檢。巡檢過程中，一旦發現異常，巡檢機器人將自動將報警信息推送至監控中心。

自主避障：巡檢機器人在行駛過程中遇到障礙物可提前停止運動或者避讓。移除障礙物后可恢復行走。巡檢過程中發現新增障礙物（如：巡檢人員、檢修工具）同樣可以防碰撞和避開。

自主充電：當巡檢機器人電量低于設定的閾值后，根據地圖，自動前往就近充電點位進行充電，電量達到閾值及以上，巡檢機器人則繼續開展未完成工作。

一鍵返航：啟動一鍵返航功能，巡檢機器人無論處于何種工作狀態均可按照預設的策略返航。

巡檢模式控制：對巡檢機器人系統提供手動控制和自動控制兩種控制方式，并能在兩種控制模式間任意切換。手動控制功能可實現對機器人車體、云臺、可見光攝像機和紅外熱像儀的控制操作。自動控制時，系統能夠在全自主的模式下，根據預先設定的任務或者由用戶臨時指定的任務，通過機器人各功能單元的配合實現對設備的檢測功能。

硬件設備管理：系統提供顯示、存儲巡檢機器人相關硬件信息的功能，具體包括：機器人驅動模塊信息、電源模塊信息、自檢信息等硬件設備信息。

3 系統識別技術

自動巡檢系統在工作過程中，需要根據巡檢任務完成對管廊內環境參數的識別、設備運行狀態識別等工作內容，針對不同的識別對象，系統采用了以下不同的實現方法：

（1）環境參數識別

自動巡檢系統識別的管廊內環境參數主要包括氧氣、甲烷、硫化氫、溫度、濕度。上述環境參數的檢測主要由不同的前端傳感器進行采集，然后由后臺管理軟件根據設定閾值對前端傳感器采集的參數進行判斷。若相應環境檢測參數超過設定閾值則后臺管理軟件生成報警信息。

（2）紅外測溫

自動巡檢系統搭載有紅外熱像儀，通過紅外熱成像技術，對需測溫設備進行溫度掃描和熱成像圖片采集。紅外圖像的識別通過獲取能夠標記紅外圖像特征的有用信息，從而提取目標圖像，進行設備溫度識別、線路短路、溫度異常告警［6］。

（3）設備運行狀態識別

管廊內控制柜面板指示燈、儀表讀數等設備運行狀態，采用基于神經網絡的圖像識別算法［7－9］實現。神經網絡的輸出長和寬為［300／24］＝［18.75］＝19，通道為512，即基礎網絡VGG-16的輸出尺寸為512×19×19。在基礎網絡之后，還有如表2的網絡結構。

表2 神經網絡結構Tab.2 Neural network architectures

其中，是否輸出一欄標為Y的表示均將其輸出，然后送到識別器，即最終識別器接受不同大小的特征圖譜共（5＋1）＝6個（5個額外的輸出層和1個基礎網絡輸出），分別為10×10、5×5、3×3、1×1和兩個19×19。

conv4_3、conv_7、conv8_2、conv7_2、conv8_2、conv9_2、conv10_2、conv11_2這些大小不同的特征圖譜，其目的是為了能夠準確的檢測到不同尺度的物體，因為在低層的特征圖譜，感受野比較小，高層的感受野比較大，在不同的特征圖譜進行卷積，可以達到多尺度的目的，實現對管廊內不同對象的識別。

4 項目應用情況

為了對自動巡檢系統的功能、穩定性及可靠性進行驗證，公司將一臺綜合管廊巡檢機器人安裝于某綜合管廊綜合倉中，進行樣機的一系列實驗以及試運營。自動巡檢機器人安裝于該管廊N1 26＋40至N1 28＋40段的綜合艙，共長約200m。通過實驗模擬了自動巡檢機器人在管廊內執行巡檢任務的情況，巡檢機器人能夠根據設定的巡檢任務開展管廊的巡檢工作，巡檢過程中發現異常，機器人能夠將相關信息推送到管理平臺。

圖8 安裝于管廊中的巡檢機器人Fig.8 Inspection robot installed in utility tunnel

5 結語

管廊自動巡檢系統的使用，可實時采集管廊內的環境參數，能夠有效彌補管廊內固定監控設備的不足。另外，自動巡檢系統能夠代替人工巡檢，及時發現管廊內各項設備的異常和故障情況，有利于減少管廊災害和事故的發生，將有效提高城市綜合管廊的運行管理效率，實現智慧城市綜合管廊的自動化和智能化。