文/車洪磊 史聰靈 胡鵠 王文偉

近年來，我國城市綜合管廊建設(shè)高速發(fā)展。在城市地下綜合管廊大規(guī)模建設(shè)的同時，安全問題亦不可忽視。針對城市地下綜合管廊建筑結(jié)構(gòu)特征及主要風(fēng)險，中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院聯(lián)合相關(guān)單位研發(fā)了實現(xiàn)地下綜合管廊全天候自動化巡檢的安全巡檢機器人。

近年來，在國家政策的支持和推動下，我國城市綜合管廊建設(shè)高速發(fā)展。城市地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設(shè)電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃氣等市政管線的公共地下空間。城市地下綜合管廊統(tǒng)籌了各類市政管線規(guī)劃、建設(shè)和管理，有利于解決反復(fù)開挖路面、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等問題，有利于保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀、促進城市集約高效和轉(zhuǎn)型發(fā)展。

但在城市地下綜合管廊建設(shè)的同時，其安全問題亦不可忽視。由于城市地下綜合管廊屬于空間較封閉、通風(fēng)條件差、有害氣體易聚集、火災(zāi)隱患大、人工巡檢困難的場所，日常有毒有害氣體不易排出，火災(zāi)時極易出現(xiàn)轟燃且火災(zāi)撲救難度極大。因此對地下綜合管廊進行日常巡檢，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患就顯得尤為重要。

圖1 綜合管廊自動巡檢機器人現(xiàn)場工作圖

目前，已建成的城市地下綜合管廊日常安全巡檢采取安裝固定探測設(shè)備與人工巡檢相結(jié)合的方式。受管廊空間布局、巡檢人員的生理和心理、工作經(jīng)驗、技能水平以及外部環(huán)境的影響，存在檢測盲區(qū)難以消除，誤報、漏報等問題。因此，針對城市地下綜合管廊建筑結(jié)構(gòu)特征、主要危險源特征，中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院聯(lián)合相關(guān)單位，研發(fā)了可實現(xiàn)地下綜合管廊全天候自動化巡檢的安全巡檢機器人。巡檢機器人可實時采集管廊內(nèi)各參量數(shù)據(jù)（如視頻、溫濕度、有毒有害氣體等），具有自動開啟常閉式防火門、自主導(dǎo)航、自主充電等功能。采用機器人進行管廊巡檢，有利于提升管廊消防安全，降低人工巡檢的危險性，也可及早地探測火災(zāi)、氣體泄漏等事故，保障綜合管廊安全運行。

城市地下綜合管廊自動巡檢機器人特征

城市地下綜合管廊自動巡檢機器人旨在解決綜合管廊運營過程中存在的日常安全檢查問題，具有以下特征:

多維度探測技術(shù)

圖2 機器人可自動化巡檢、多功能檢測、自動開啟防火門

機器人可實時采集綜合管廊的各項數(shù)據(jù)，如障礙物、氧氣含量、火場溫度、輻射熱強度、有毒氣體或可燃氣體種類及其濃度等，及時發(fā)現(xiàn)地下綜合管廊的安全隱患。機器人通過控制機械臂姿態(tài)實現(xiàn)了綜合管廊內(nèi)電纜層的分層探測，揭示了綜合管廊內(nèi)逐層電纜的特征參數(shù)。

自主導(dǎo)航

基于線性遠紅外雪崩效應(yīng)室內(nèi)定位技術(shù)，研制了響應(yīng)速度優(yōu)于1μs、定位精度2 mm 級的機器人室內(nèi)定位系統(tǒng)。機器人根據(jù)災(zāi)害事故現(xiàn)場的實際情況，可自動進行路徑規(guī)劃，并實時反饋機器人狀態(tài)參數(shù)。針對綜合管廊防火門通過性問題，建立了機器人整體運動模型、機械臂運動模型和不同種類防火分區(qū)的跨越方法，實現(xiàn)機器人自動開啟防火門功能。

地下空間長距離通訊技術(shù)

采用2.4G 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸靜默及喚醒技術(shù)，分前后沿綜合管廊頂部方向等間距布設(shè)無線通訊設(shè)備，組成地下空間無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)巡檢時，機器人的主控模塊喚醒無線通訊設(shè)備，實現(xiàn)了地下空間2 km長距離無線通訊。無線通訊設(shè)備可在環(huán)境溫度為-40 ～80 ℃使用，其單個模塊的工作時間可在無需充電的情況下工作2 年。系統(tǒng)解決了綜合管廊地下空間屏障多、視頻帶寬大、通訊困難、二次施工等難題。

自動充電功能

當(dāng)機器人電量低于閾值時，啟動自動充電任務(wù)；機器人從當(dāng)前位置開始，按照一定的角度尋找充電樁。當(dāng)檢測到充電樁后，機器人快速運動到充電樁附近，并利用紅外線感應(yīng)器進行精準定位。機器人將設(shè)計有容錯性的插頭插進插座進行充電，待充電完畢后，機器人離開充電樁繼續(xù)巡檢任務(wù)。

防腐蝕、防爆

基于環(huán)境對機器人的要求，對機器人的關(guān)鍵部位進行防腐蝕、防爆處理，使機器人的電子元器件、機械材料能承受腐蝕、高溫、粉塵、濃煙等惡劣環(huán)境的影響，保證機器人處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，確保機器人順利完成任務(wù)。

預(yù)警

機器人自身安裝的多重傳感探測設(shè)備，可在巡檢過程中第一時間對異常情況進行報警，并實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的管理。報警信息包括溫度、濕度、有害氣體濃度，是否適合人類接近等。

應(yīng)用案例

綜合管廊自動巡檢機器人已在國內(nèi)的城市地下管廊進行了示范應(yīng)用。機器人采用履帶式結(jié)構(gòu)，搭載紅外探測、視頻探測、可燃氣體等多類外部傳感器，通過廊內(nèi)無線AP為后方處理系統(tǒng)提供原始數(shù)據(jù)，具有自動巡檢、自檢、視頻監(jiān)控、紅外熱成像、環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急處理、防火門開啟、自主充電、系統(tǒng)聯(lián)動、自身安全防護等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對綜合管廊的日常安全檢查，提升了綜合管廊的智能化管理水平。

綜上所述，城市地下綜合管廊安全巡檢機器人及相關(guān)系統(tǒng)采用先進的傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和智能控制技術(shù)，依照綜合管廊設(shè)計規(guī)范，融合個性需求，將與安全有關(guān)的各個系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，實現(xiàn)了城市地下綜合管廊的自動化巡檢，為用戶提供了“以人為本、安全至上”的無人化值守。[本文作者單位系中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院交通安全研究所，本文得到國家自然科學(xué)基金項目（51622403），中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費專項（2019JBKY01、2019JBKY12），中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院“萬人計劃”入選人才特殊支持經(jīng)費項目（WRJH201801）等項目資助，作者在此表示感謝。]