基于AI和5G技術(shù)的鐵路智能消毒清潔機(jī)器人研究方案

陳 斌 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司沿海鐵路浙江有限公司

1 智能機(jī)器人市場現(xiàn)狀

人工AI和機(jī)器人在當(dāng)下最為緊迫要去攻克的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)用技術(shù)去完成簡單而重復(fù)性高、人工意愿較低的工作，以及危險(xiǎn)區(qū)域如礦區(qū)、火災(zāi)現(xiàn)場及消毒殺菌的人力勞動工作。當(dāng)下的保潔行業(yè)，保潔人員緊缺問題已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，機(jī)器人必將進(jìn)入商用清潔市場，去從事人不愿意或不適應(yīng)的清潔和消毒殺菌工作。

目前國外機(jī)器人的成本與人工成本已基本持平，在歐美等發(fā)達(dá)國家，機(jī)器人的應(yīng)用成本低于人工。國外尤其是歐美、日韓對于功能型機(jī)器人的接受度普遍較高，使用機(jī)器人意愿強(qiáng)。

國內(nèi)隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口老齡化程度提升，使用機(jī)器人的趨勢越來越明顯，對機(jī)器人的接受度在快速提升。目前在國內(nèi)機(jī)場、大型商場、企業(yè)大廳、廣場、物流、大學(xué)、金融等領(lǐng)域已逐步引入了商用清潔機(jī)器人。在醫(yī)療領(lǐng)域尤其是疫情的影響，更是有力的促進(jìn)了病房、手術(shù)室等場地對智能殺菌和消毒機(jī)器人的運(yùn)用。

傳統(tǒng)人工與智能機(jī)器人應(yīng)用對比。

以上海某商場為例，表1 為人工與無人的對比。有人駕駛水平處于中間位置。一臺設(shè)備平均可代替2-4 人力，運(yùn)營2-3年，達(dá)到現(xiàn)行的運(yùn)營方式。

表1 人工與無人的對比

2 研究鐵路智能機(jī)器人解決方案的必要性

基于以上鐵路保潔現(xiàn)狀和智能機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展和市場應(yīng)用現(xiàn)狀，有必要在進(jìn)一步提高保潔工作效率、降低總體運(yùn)營成本、降低人工勞動強(qiáng)度、加強(qiáng)鐵路車站公共衛(wèi)生安全、管理數(shù)字化智能化等方面進(jìn)行研究，逐步使用和推廣基于保潔和消毒兩大功能的鐵路新型智能機(jī)器人。

鐵路新型智能機(jī)器人擬集成業(yè)界的清潔機(jī)器人、消毒機(jī)器人的主要功能模塊，并結(jié)合智能導(dǎo)航技術(shù)、AI 自動避障技術(shù)、綜合塵推洗地消毒三位一體、全自動化（自主加排水、自主回收污水、自主充電）、5G智能云管理平臺，大大提高了機(jī)器人的實(shí)用性、可維護(hù)性和高性價(jià)比。而且該方案和產(chǎn)品的研發(fā)價(jià)值將不僅適用于鐵路車站場景，還將適用于社會其它場景如機(jī)場、商場、賓館、企業(yè)辦公大樓等，具有很大的市場推廣效應(yīng)和社會效益。

3 鐵路智能機(jī)器人必備的性能

3.1 基于SLAM(即時(shí)定位和建圖)技術(shù)的智能導(dǎo)航功能

（1）環(huán)境感知。具有多模態(tài)多傳感器融合的環(huán)境感知能力。

（2）建圖。可以實(shí)現(xiàn)二維和三維地圖構(gòu)建；二維建圖面積可達(dá)100 萬m2，三位建圖面積可達(dá)50 萬m2；地圖構(gòu)建柵格分辨率5 cm；支持錄制路徑、手繪路徑、路徑組合、路徑點(diǎn)等多種路徑管理方式；可繪制虛擬墻；可設(shè)置展示區(qū)域；可設(shè)置HighLight 區(qū)域，重點(diǎn)參考改區(qū)域內(nèi)的環(huán)境特征；可設(shè)置斜坡區(qū)域，對斜坡做相應(yīng)處理；可設(shè)置減速區(qū)域，以平滑減速模式度過改區(qū)域；可使用輔助傳感器基于全局地圖信息匹配算法對地圖進(jìn)行強(qiáng)制閉環(huán)。

（3）定位。室內(nèi)場景下平均定位精度達(dá)到3 cm 以內(nèi)，任務(wù)點(diǎn)定位精度在2 cm 以內(nèi)；室外場景下，平均定位精度達(dá)到5 cm 以內(nèi)，任務(wù)點(diǎn)定位精度在3 cm 以內(nèi)；在環(huán)境變化不大于30%的條件下保持定位精度。

（4）導(dǎo)航。具有定點(diǎn)導(dǎo)航、錄制路徑、手繪路徑、軌道模式、組合導(dǎo)航等路徑規(guī)劃方法；定點(diǎn)導(dǎo)航模式下，能自主生成最優(yōu)路徑，室內(nèi)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的導(dǎo)航精度3 cm；定點(diǎn)導(dǎo)航模式下能自主生成最優(yōu)路徑，室外到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的導(dǎo)航精度5 cm；錄制路徑模式下，可以沿示教路線運(yùn)行，并自主優(yōu)化路徑，對路徑進(jìn)行平滑性處理；手繪路徑模式下，可以沿手繪規(guī)定路線運(yùn)行，導(dǎo)航過程精度3 cm；軌道模式下，可以自主導(dǎo)航到任務(wù)點(diǎn)，并有限沿軌道運(yùn)行；組合導(dǎo)航模式下，可以對上述模式進(jìn)行組合；導(dǎo)航最大速度可達(dá)到1.5 m/s；支持導(dǎo)航過程中去噪點(diǎn)功能。

3.2 基于AI人工智能算法的自動避障功能

機(jī)器人采用了基于AI人工智能算法進(jìn)行自動避障。

機(jī)器人可以選擇遇到障礙物停止或繞行。

停障模式下，可以提前2.5 m 發(fā)現(xiàn)障礙物并在距離障礙物1 m及以上安全距離保持挺直；

繞障模式下，能夠識別導(dǎo)航路徑上的精致障礙物，能夠提前2 m 規(guī)劃平滑繞障路徑；繞障過程中和障礙物保持不少于10 cm的安全距離。

可以3s預(yù)測和識別行人、細(xì)桿、動態(tài)障礙物、靜態(tài)障礙物等并采用在減速距離內(nèi)減速運(yùn)行并在保持一定的安全停障距離采用停車一定時(shí)間（如對障礙物停0.8 s、對人停1.5 s 或2 s-5 s）后繞障的方式。

3.3 塵推、洗地、消毒三大功能（掃、拖、消一棧式集成解決方案）

單一的掃地（塵推）或拖洗（洗地）或消毒功能無法滿足當(dāng)前鐵路各復(fù)雜場景條件下的清潔和消毒需求，因此需要將除塵、拖洗以及消毒功能進(jìn)行集成，裝載在機(jī)器人運(yùn)動模塊上完成相應(yīng)的任務(wù)。

（1）塵推模式

塵推的工作原理是塵推與地面摩擦?xí)r產(chǎn)生的靜電，從而使灰塵吸起，為增加塵推套上的靜電，許多單位使用靜電除塵劑；塵推油，學(xué)名叫“靜電牽塵液”，一般是一種無色，有濃烈柴油味道的液體。顧名思義，這種材料是通過產(chǎn)生靜電，從而將細(xì)小的微塵吸附到塵推頭上帶走，達(dá)到比較深度的除塵效果。塵推油也分為兩種：

①水性塵推油。水性塵推油是一種水性液料。成本很低，效果一般

②油性塵推油。油性塵推油就是我們最常見到和用到的油性液料產(chǎn)品。它的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、吸附力和通用性都很強(qiáng)，性價(jià)比高。

（2）洗地模式

拖洗功能主要通過添加清水及洗滌劑，通過清潔刷盤與地面摩擦實(shí)現(xiàn)。限于機(jī)器人內(nèi)空間限制以及無人化操作的需求，需要對污水進(jìn)行回收以及循環(huán)利用。清潔地面后的污水通過內(nèi)部的真空電機(jī)抽回進(jìn)入污水箱。通過多級過濾系統(tǒng)將污水過濾回收復(fù)用，保證作業(yè)用水的水質(zhì)。

（3）消毒模式

地面消毒—洗地和濕拖消毒。通過將洗滌劑更換為次氯酸鈉溶液方式，采用洗地或濕拖模式進(jìn)行地面消毒。

相對于清潔模式，消毒模式對出水（消毒液）量具有更加精準(zhǔn)的控制，根據(jù)地面水量要求也可設(shè)置為回收或不回收模式。

3.4 自主加排水、自動回收污水、自主充電的全自動和無人化具有工作站，可以實(shí)現(xiàn)自主加排水、自動回收污水、自主充電功能

可以實(shí)現(xiàn)充電條前置自動充電；

可以實(shí)現(xiàn)充電條后置自動充電；

可以實(shí)現(xiàn)激光識別自動充電；

可以實(shí)現(xiàn)二維碼對樁自動充電；

可以實(shí)現(xiàn)小空間充電塢自動充電。

工作站與設(shè)備間采用LORA（遠(yuǎn)距離無線電）通信，工作站具有實(shí)時(shí)監(jiān)控清水箱和污水箱、地漏排水、加水保護(hù)、排水保護(hù)、自主導(dǎo)航對接功能。

3.5 支持5G的智能云管理平臺

建議鐵路智能機(jī)器人集成5G 通信模塊，并具有自主的云管理平臺，能夠?qū)⑶鍧嵪救蝿?wù)數(shù)字化，自動生成報(bào)告，并可通過5G 實(shí)時(shí)監(jiān)控。可以綁定郵箱，便于管理者遠(yuǎn)程管控全局。可以使用手機(jī)APP 端隨時(shí)隨地掌控機(jī)器工作狀態(tài)；機(jī)器人各項(xiàng)傳感器實(shí)施監(jiān)控畫面和任務(wù)。

機(jī)器的參數(shù)配置：

通過平臺可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)配置，實(shí)時(shí)按需更改。

機(jī)器狀態(tài)查詢：

機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)一目了然，讓管理者在電腦前即可實(shí)時(shí)掌控設(shè)備。

遠(yuǎn)程監(jiān)控：

深度攝像頭圖像可實(shí)時(shí)傳輸至云平臺，讓管理者第一時(shí)間了解設(shè)備運(yùn)行周邊環(huán)境。

任務(wù)管理：

便捷的任務(wù)管理，可讓管理制度時(shí)刻了解任務(wù)進(jìn)度，任務(wù)調(diào)配等。

OTA升級（支持工程師）：

軟件版本升級可通過OTA 方式（Over The Air），讓設(shè)備第一時(shí)間更新至最新適配版本。

耗材壽命監(jiān)督等：

方便使用者時(shí)刻了解掌握設(shè)備狀態(tài)；讓管理者通過最便捷的方式了解到設(shè)備耗材的使用情況，避免現(xiàn)場查看帶來的檢索步驟。

支持接入第三方云平臺：

通過開放的協(xié)議接口可將機(jī)器人工作狀態(tài)等信息接入鐵路既有的第三方云管理平臺。

4 鐵路智能機(jī)器人現(xiàn)場具體配置及解決方案

4.1 車站候車大廳和到達(dá)大廳解決方案

采用清洗寬度＜=800 mm/＜=500 mm 的洗地/消毒/除菌一體機(jī)方式。根據(jù)保潔的可工作時(shí)間和保潔區(qū)域合理規(guī)劃機(jī)器人的設(shè)置數(shù)量。當(dāng)保潔可工作時(shí)間＞4h，則每100 m/50 m區(qū)域設(shè)置1 臺機(jī)器人，每100 m/50 m 區(qū)域設(shè)置1 臺工作站進(jìn)行自動充電和補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)自主加排水、自動回收污水、自主充電的全自動和無人化。

機(jī)器人具有先進(jìn)的智能導(dǎo)航和智能算法，能夠自主行走、自主避障。能夠?qū)η鍧崊^(qū)域進(jìn)行提前地圖導(dǎo)入和路徑預(yù)規(guī)劃，可選擇塵推和洗地模式，可對特殊區(qū)域如地毯區(qū)、大理石區(qū)支持預(yù)先區(qū)域定位設(shè)置清潔和自動識別清潔兩種模式。支持84 消毒液和次氯酸鈉溶液按200 ppm(即母液0.2 kg，配置100 kg 溶液)濃度配置，支持洗地和濕拖模式進(jìn)行消毒，在地面覆蓋消毒液水膜，進(jìn)行滅活。能夠?qū)﹂l機(jī)進(jìn)行霧化過氧化氫噴霧式消毒。

設(shè)置3D 激光雷達(dá)、深度攝像頭、超聲傳感器和電子防撞條，自主識別環(huán)境/污漬，自動行走移動。融合自動避障、防撞、防打滑、防跌落，安全可靠。設(shè)置空氣質(zhì)量監(jiān)測傳感器。

支持智能語音、觸摸屏、APP 等多種人性化交互方式。支持4G/5G 通信模塊，可定時(shí)回傳管理平臺清潔數(shù)據(jù)(報(bào)告任務(wù)詳情、反饋任務(wù)進(jìn)度、檢測清潔質(zhì)量、空氣質(zhì)量等)。

4.2 檢票區(qū)/出站閘機(jī)區(qū)解決方案

采用清洗寬度＜=500 mm 的洗地/消毒/除菌一體機(jī)方式。根據(jù)保潔的可工作時(shí)間和保潔區(qū)域合理規(guī)劃機(jī)器人的設(shè)置數(shù)量。當(dāng)保潔可工作時(shí)間＞4 h，則每50 m 區(qū)域設(shè)置1 臺機(jī)器人，利用候車大廳/到達(dá)大廳的工作站進(jìn)行自動充電和補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)自主加排水、自動回收污水、自主充電的全自動和無人化。

其他方面解決方案與上述車站候車大廳和到達(dá)大廳保持一致。

5 結(jié)束語

進(jìn)行鐵路智能機(jī)器人解決方案的研究，可以給鐵路客運(yùn)專業(yè)的保潔業(yè)務(wù)帶來以下顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會價(jià)值：

（1）推動鐵路清潔消毒的數(shù)字化和智能化，提高鐵路的社會形象

鐵路智能機(jī)器人采用了AI 人工智能的一系列的先進(jìn)視覺感知硬件（機(jī)器視覺相機(jī)、TOF 攝像頭、激光雷達(dá)）、智能導(dǎo)航技術(shù)（SLAM 技術(shù)、GPS 技術(shù)、建圖技術(shù)）、智能避障技術(shù)（深度學(xué)習(xí)和物體識別算法的先進(jìn)環(huán)境感知算法）、支持5G 的智能云管理技術(shù)等。在鐵路行業(yè)深入推廣和采用鐵路智能機(jī)器人能夠推動鐵路清潔消毒工作的數(shù)字化和智能化，提高鐵路智能化管理水平，并進(jìn)一步提高鐵路的社會形象。

（2）極大程度的減輕保潔人員的工作強(qiáng)度

鐵路智能機(jī)器人取代了保潔人員的人工或有人駕駛清潔設(shè)備的絕大多數(shù)清潔工作，將人員從占用最多清潔時(shí)間的工作里解脫了出來。保潔人員可以重點(diǎn)只做座椅污漬、角落和突發(fā)污漬的處理，對機(jī)器人只有少量的日常開機(jī)、帶離等維護(hù)工作。因此鐵路智能機(jī)器人可極大程度的減輕保潔人員的工作強(qiáng)度和減少工作時(shí)間。

（3）進(jìn)一步減少保潔人員的數(shù)量和人力成本

鐵路智能機(jī)器人通過承擔(dān)絕大多數(shù)清潔工作的自動化，將大大減少每個(gè)車站的保潔人員的數(shù)量，從而降低了保潔人員的人力工資、社保、管理、安全等人力成本和管理成本，避免了保潔人員需要換班等的多重配置。通常一臺機(jī)器人將大約替代3-4 人的主要工作，大約2-3 年即可相當(dāng)于原有的人力成本投入。而機(jī)器人的生命周期＞8年，對鐵路保潔總體成本進(jìn)一步大大節(jié)省。

（4）提高保潔業(yè)務(wù)質(zhì)量，增加消毒殺菌功能，更安全

由于鐵路智能機(jī)器人的智能導(dǎo)航和人工智能相結(jié)合，路徑規(guī)劃、清潔、消毒、加水、充電的自動化，相比于人工或有人駕駛清潔設(shè)備其清潔質(zhì)量有著更高的保障。同時(shí)還可以對清潔質(zhì)量進(jìn)行檢測和統(tǒng)計(jì)。

另外，對于車站公共交通樞紐增加消毒殺菌功能，進(jìn)一步提高了鐵路保潔業(yè)務(wù)在保障社會公共環(huán)境衛(wèi)生的健康和安全性，具有很好的社會反響和保護(hù)人民的評價(jià)。

（5）支持5G 的云平臺管理，提高保潔業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)化和可管理化

通過支持智能語音、觸摸屏、APP 等多種人性化交互方式，支持4G/5G 通信模塊，可回傳管理平臺清潔數(shù)據(jù)(報(bào)告任務(wù)詳情、反饋任務(wù)進(jìn)度、檢測清潔質(zhì)量、空氣質(zhì)量等)，進(jìn)一步加強(qiáng)了鐵路客運(yùn)專業(yè)對保潔業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分析和有效管理。