管廊巡檢機器人技術分析

張世宇，眭小紅，趙 瑜，周起如

（深圳市賽為智能股份有限公司 廣東 深圳 518057）

1 引言

當前城市綜合管廊建設已經成為世界范圍內的發展趨勢，2017年5月住建部、發改委聯合發布《全國城市市政基礎設施建設“十三五”規劃》，截至2017年4月底國內地下綜合管廊試點項目已開工建設687 km，建成廊體260 km，完成投資400多億元。未來10年地下綜合管廊需求超3萬公里，投資規模將達1.8萬億[1]。在此背景下，綜合管廊巡檢機器人行業迎來發展契機。

國內巡檢機器人的研究已有20多年的歷史，由于國內研究起步較晚，在技術水平、實用化程度以及穩定方面，相比美國、日本等國家有較大的差距[2]。國內巡檢機器人按功能可分為安保機器人、消防機器人和巡邏機器人等，其功能往往雷同，名稱外觀稍有差別，普遍應用在變電站、管廊、機房、園區、化工等環境中。

2 管廊巡檢機器人功能及價值

管廊巡檢機器人是指由移動載體、通信設備和檢測設備等組成，采用遙控、半自主或全自主運行模式，用于綜合管廊巡檢作業的移動裝置[3]。

根據《綜合管廊智能化巡檢機器人通用技術標準》征求意見稿[3]，巡檢機器人按行走機構型式可分為：有軌式和無軌式（輪式、履帶式）；巡檢機器人按控制方式可分為：自主控制、半自主控制、人工遙控。由下表可知，管廊機器人巡檢多采用軌道式，適合全自主巡檢及半自主巡檢。性能對比分析如下：

表1 巡檢機器人優勢對比[4]

表2 巡檢控制方式對比[5]

1.1 價值

管廊巡檢機器人可降低人工巡檢工作中的危險性，也會彌補巡檢人員負擔過重的缺點。相比于傳統人工巡檢方式，采用綜合管廊機器人具有以下優勢：

（1）安全性：管廊巡檢往往處于昏暗、潮濕、幽閉且狹長的空間環境，巡檢過程中容易遇到有毒有害氣體、泄露的燃氣和強電等危險，同時不可避免會對巡檢人員的心理構成一定負面影響。采用巡檢機器人降低了巡檢人員造成傷害的可能。在遇到突發情況時候，機器人還可以代替人工進行事故探查、現場通信、滅火等工作。

（2）實時性：地下管廊短則幾公里、長則數十公里，其內部空間結構復雜，具有設備多、定位難的特點。出現故障需要快速準確定位。人工巡檢獲取的信息容易出現不全面、不規范、滯后等問題。采用巡檢機器人可以規范、實時、全天候、系統地獲取巡檢數據。

（3）分析預測性：管廊巡檢機器人可以獲取大量結構化的運維數據，基于數據，結合管廊運行特點及相關經驗數據，可以建立運維分析模型進行分析和預測。主要針對電力、熱力、燃氣等進行高溫和高限報警等。

（4）經濟性：由于管廊人工巡檢工作環境惡劣且具有一定危險性，其成本有逐年增加的趨勢。管廊巡檢機器人購置成本較高，但具有運維成本低，費用穩定，可24小時實時分析等優勢，相信未來的經濟優勢會越發明顯。

1.2 功能

經過總結分析，常見功能如下[3-6]：

（1）環境檢測功能：基于各類環境傳感器，對于廊體內溫濕度、有害氣體含量、空氣含氧量、煙霧濃度、光照度、井蓋等狀態進行檢測。

（2）圖像采集功能：基于可見光視頻和熱成像技術，進行視頻巡檢和紅外測溫等檢測。

（3）儀表識別功能：基于計算機圖像視覺分析技術，將場景中背景和目標（指針或讀數）分離，通過對目標的分析，識別出儀表讀數。

（4）智能防撞與自主避障功能：采用紅外避障傳感器，遇到障礙自動停止并報警，防止碰撞造成人員和設備的損害。

（5）自動報警功能：檢測到環境或機器人自身異常時，可在現場或傳輸到控制端進行報警。

（6）交互式對講指揮功能：通過搭載拾音器及高清攝像機，實現現場與平臺間音視頻交互，可作為應急通訊功能。

（7）管線檢測功能：可針對氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）局放檢測，去除安全隱患。

（8）自動生成巡檢報表功能。

2 性能需求

綜合管廊內部環境復雜而惡劣，給水、排水、熱力、燃氣、電力、電信等管道排布其中，空間狹窄、昏暗、潮濕，甚至會出現有毒害氣體泄漏的環境[4]。因此管廊巡檢機器人必須具有相應的功能，才能順利完成巡檢工作，性能需求及常用控制指標如下[3-6]：

（1）移動靈活能力：在管廊復雜的環境中，巡檢機器人需要具備靈活移動的能力（有軌式巡檢機器人最小轉彎半徑應不大于自身長度的2倍；無軌式巡檢機器人應具有原地自轉能力且最小轉彎半徑應不大于自身長度的1倍）。

（2）全面監測能力：機器人必須實時監測管內各類管道及環境參數、機器人的自身狀態信息等。

（3）實時信息傳遞：機器人能夠將監測數據及時傳輸回操作中心，延時≤100ms。

（4）遠程操作能力：工作人員可以遠程、實時控制巡檢機器人完成巡檢任務。

（5）準確定位系統：巡檢過程中，機器人的定位精度應小于±100 mm，重復定位誤差應不大于50 mm，且在行進出現偏差時應能自主糾正；沿固定軌道巡檢，精準到達預置位置，誤差≤1 cm）。

（6）持續工作（續航）能力：管廊長度一般在幾公里到數十公里不等，巡檢機器人的巡航時間應不小于4 h，巡檢機器人充滿電時間應不大于2 h，實時監測本身電量，能自主返回充電倉進行自主充電。

（7）安全運行能力：防撞及避障功能、交互式對講指揮功能（視頻、音視頻信息交互）等。

3 管廊巡檢機器人控制系統關鍵技術討論

管廊巡檢機器人涉及的關鍵技術包括傳感器技術、無線通信技術、機器人定位技術等[4]。

3.1傳感器技術

傳感器用于感知管廊內部環境與機器人自身的狀態，包括：氣體傳感器、視覺傳感器、距離傳感器、慣性傳感器等。

3.2 無線通信技術

管廊巡檢機器人在地下綜合管廊執行日常任務，需要傳輸的信息大，實時性高。ZigBee與藍牙的無線通信方式傳輸距離短、傳輸速率低，故不適合管廊。管廊處于地下，外界的4G信號難以覆蓋，如果在管廊內部架設基站，需要覆蓋整個廊體，建設和運營費都很高，故不適用。WLAN無線局域網具有實施簡單、后期的擴展靈活、維護成本低等特點，并可滿足通信要求，故被廣泛采用。

3.3 機器人定位技術

目前市場上大多數的綜合管廊巡檢機器人采用的是軌道巡檢，通常利于慣性傳感器，并增設路標檢測系統，消除累積誤差。路標通常包括磁力路標、RFID路標，視覺路標、自然路標等。

4 展望

國內巡檢機器人研究起步較晚，與發達國家有一定的差距，當前有較為廣闊的市場需求和較為完善的通用技術標準，目前處于行業爆發期。

智慧管廊是未來的重要發展方向，管廊巡檢機器人應與管廊運維管理系統深度融合，實現管廊的數據共享、環境與設備監控、城市管線監控、管廊安全監控、無線巡檢、深度協同、輔助決策、應急指揮等智慧化建設運維管理，提升綜合管廊管理效率、管理質量和綜合服務能力，更好地融入智慧城市管理和服務體系。