胡翔 胡記偉 盧濤 譚敏 徐文霞

（1.武漢烽火技術(shù)服務(wù)有限公司 湖北省武漢市 430205 2.武漢工程大學(xué) 湖北省武漢市 430205）

1 我國(guó)基站智能運(yùn)維必要性分析

目前我國(guó)基站運(yùn)維面臨以下問(wèn)題：

（1）人工運(yùn)維存在安全風(fēng)險(xiǎn)：從例行檢查、故障上報(bào)還是故障處理，多采用手動(dòng)填寫然后錄入系統(tǒng)的方式，時(shí)效性差，數(shù)據(jù)容易丟失或被修改；維護(hù)人員全天候高頻率巡檢，需要記錄大量設(shè)備狀態(tài)信息并評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，容易產(chǎn)生疲勞，基站巡檢過(guò)程中可能會(huì)有異常信號(hào)和隱患會(huì)被疏漏；此人工誤操作可能導(dǎo)致服務(wù)器宕機(jī)，造成系統(tǒng)癱瘓；

（2）維護(hù)過(guò)程不可監(jiān)控：沒有辦法實(shí)時(shí)監(jiān)控故障處理情況，不能對(duì)業(yè)務(wù)提供有力支撐，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源合理調(diào)配；

（3）存在信息孤島，導(dǎo)致信息無(wú)法自由流通共享：每個(gè)運(yùn)維作業(yè)各自孤立，維護(hù)過(guò)程中有價(jià)值的信息難以被后續(xù)工作共享和分析。

此外報(bào)表統(tǒng)計(jì)是重復(fù)工作，且工作量龐大。

根據(jù)賽迪顧問(wèn)股份有限公司[1]《5G 產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(2020)》披露數(shù)據(jù)顯示：“預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)5G 基站數(shù)量將達(dá)到1500 萬(wàn)”。面對(duì)如此龐大的5G 基站規(guī)模以及日趨復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G/5G共生，多域并存），將使得網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)復(fù)雜度呈現(xiàn)幾何級(jí)增長(zhǎng)，主要依靠人工的傳統(tǒng)運(yùn)維方式肯定無(wú)法勝任，必須向智能化運(yùn)維模式轉(zhuǎn)變。因此開展數(shù)字技術(shù)和5G 基站運(yùn)維的融合研究迫在眉睫，構(gòu)建5G 基站智能運(yùn)維技術(shù)體系，推動(dòng)5G 基站智能運(yùn)維技術(shù)應(yīng)用，巡檢機(jī)器人便是5G 基站智能運(yùn)維的代表技術(shù)。

智能巡檢機(jī)器人代替人工巡檢將是5G 時(shí)代通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的必然發(fā)展趨勢(shì)，巡檢機(jī)器人無(wú)論在技術(shù)應(yīng)用和功能實(shí)現(xiàn)方面，還是在成本控制方面都對(duì)基站巡檢的安全性、可靠性、穩(wěn)定性產(chǎn)生積極作用，率先完成對(duì)原型產(chǎn)品的研發(fā)并適時(shí)推出成熟的5G 基站巡檢機(jī)器人將引領(lǐng)5G 基站運(yùn)維的發(fā)展趨勢(shì)并搶先占據(jù)市場(chǎng)先機(jī)。

2 國(guó)內(nèi)外巡檢機(jī)器人研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

巡檢機(jī)器人的研究最早起源于上個(gè)世紀(jì)80年代末，應(yīng)用領(lǐng)域主要在電力。在20世紀(jì)80年代左右，東京電力公司和日本三菱公司聯(lián)合進(jìn)行開發(fā)500KV 變電站軌道式巡檢機(jī)器人，在能夠基于路面軌道行駛的同時(shí)，搭載紅外熱像儀、圖像采集設(shè)備、輔助燈光和云臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲取變電站內(nèi)實(shí)時(shí)消息的目的。1989年，美國(guó)公司TRC 研發(fā)了一臺(tái)能沿架空輸電線路行走，通過(guò)視覺設(shè)備檢測(cè)絕緣子、電暈損耗以及壓接頭、結(jié)合點(diǎn)的自主巡檢機(jī)器人樣機(jī)。1990年，日本法政大學(xué)的Hideo Nakamura 教授等人研制了能跨過(guò)障礙物的新型電力巡檢機(jī)器人，采取了一個(gè)巧妙的決策方法，用多關(guān)節(jié)仿生體系設(shè)計(jì)方式和頭部首先進(jìn)行決策，尾部跟隨頭部運(yùn)行的控制方法，沿導(dǎo)線行走，與此同時(shí)，能跨越遇到的障礙物。

在國(guó)內(nèi)，最開始巡檢機(jī)器人在國(guó)家電網(wǎng)中被普遍應(yīng)用。1999年，國(guó)家電網(wǎng)山東電力公司投入運(yùn)行了智能巡檢機(jī)器人，由此，顯示著電力巡檢逐步邁入智能化時(shí)代。變電站人工巡檢容易遺漏，人工觀測(cè)難度較大，對(duì)于無(wú)人值守和偏遠(yuǎn)山區(qū)的變電站巡檢耗費(fèi)大量人力物力，且時(shí)效性差。針對(duì)上述問(wèn)題，目前多家國(guó)內(nèi)電力公司都研發(fā)出了變電站智能巡檢機(jī)器人，它們以自主控制或無(wú)線遙控的方式，在偏遠(yuǎn)的無(wú)人值守或較少人值守的變電站對(duì)戶外高壓變電設(shè)備巡檢，對(duì)維護(hù)變電設(shè)備的正常運(yùn)行非常重要，比如，巡檢機(jī)器人可檢測(cè)到電力設(shè)備的缺陷、異物懸掛等異?，F(xiàn)象，對(duì)檢測(cè)到的異常自動(dòng)報(bào)警通知維修人員或進(jìn)行預(yù)先設(shè)置好的故障處理。它運(yùn)行靈活自由，在減輕工作人員任務(wù)的同時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，能高效高速維護(hù)變電設(shè)備的正常運(yùn)行。

巡檢機(jī)器人在油氣運(yùn)輸業(yè)的應(yīng)用：眾所周知，原油是“工業(yè)的血液”，直接關(guān)系著國(guó)計(jì)民生和國(guó)家能源安全，原油管道及輸油站庫(kù)作為“能源大動(dòng)脈”安全運(yùn)行意義重大。在原油庫(kù)區(qū)大型化、集群化的發(fā)展趨勢(shì)下，罐區(qū)人工巡檢工作量和強(qiáng)度越來(lái)越大，巡檢效率低、時(shí)效性差，并且雷雨及惡劣天氣，人工無(wú)法巡檢，隨著高含硫原油增多，人工巡檢風(fēng)險(xiǎn)大。目前研發(fā)的油井智能巡檢機(jī)器人采用全自主激光定位與導(dǎo)航技術(shù)，能自動(dòng)規(guī)劃巡檢路徑、自主充電；結(jié)合紅外熱成像和高清視頻技術(shù)，精確識(shí)別油井內(nèi)各類儀表設(shè)備狀態(tài)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，實(shí)現(xiàn)油井管線的智能檢測(cè)、監(jiān)控、安防和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程集控管理，在油井少人或無(wú)人值守的情況下，仍能保障油氣井安全正常生產(chǎn)。

巡檢機(jī)器人在軌道交通上的應(yīng)用：我國(guó)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)迅速，大量城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施在養(yǎng)護(hù)期，線路安全和監(jiān)測(cè)方面所面臨的壓力增大，如何保證地鐵系統(tǒng)的安全已成為各級(jí)政府及管理部門亟待解決的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)人工巡檢存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、檢測(cè)質(zhì)量分散等不足，目前市面上已有的軌道交通巡檢機(jī)器人，可以24 小時(shí)全天候無(wú)死角巡檢，有效利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算分析，及時(shí)診斷出故障。

巡檢機(jī)器人在傳統(tǒng)機(jī)房運(yùn)維中的應(yīng)用：機(jī)房設(shè)備類型多、數(shù)量大，工作人員需要按時(shí)巡查一次整個(gè)機(jī)房的所有基礎(chǔ)設(shè)施，還要核查和分析基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)，既耗時(shí)耗力，效率還低。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及巡檢機(jī)器人的使用，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)房狀態(tài)的實(shí)時(shí)性觀測(cè)和管理，因?yàn)檠矙z機(jī)器人搭載了激光雷達(dá)、超聲、工業(yè)相機(jī)、熱成像相機(jī)、溫濕度傳感器等，結(jié)合人工智能和物理網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)C(jī)房硬件設(shè)備及周圍環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)與診斷，對(duì)檢測(cè)到的故障告警和資產(chǎn)盤點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)房狀態(tài)實(shí)時(shí)可視可管，提高故障處理的時(shí)效行、維護(hù)機(jī)房安全性。

盡管現(xiàn)在巡檢機(jī)器人在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域中已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用，但面向5G 基站的巡檢機(jī)器人研究工作一直沒有啟動(dòng)，更無(wú)合適技術(shù)和產(chǎn)品投放市場(chǎng)。本文將開展5G 基站巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)工作，將為我國(guó)5G 基站運(yùn)維提供智能化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維作業(yè)全路程監(jiān)控，打破5G 基站運(yùn)維信息孤島，促進(jìn)5G 基站運(yùn)維作業(yè)信息自由流動(dòng)共享，推動(dòng)我國(guó)基站維護(hù)由傳統(tǒng)運(yùn)維向無(wú)人智能化運(yùn)維演進(jìn)，大幅降低我國(guó)5G 基站運(yùn)營(yíng)成本，對(duì)于發(fā)展壯大我國(guó)5G產(chǎn)業(yè)鏈具有重要意義。

本文將采用人工智能算法開展5G 基站巡檢機(jī)器人的研究工作，將突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，將故障響應(yīng)時(shí)間縮短80%，實(shí)現(xiàn)5G 基站24小時(shí)無(wú)人值守，提高我國(guó)5G 基站運(yùn)維的技術(shù)水平。本文研究的5G基站巡檢機(jī)器人還可通過(guò)遠(yuǎn)程智能運(yùn)維管理平臺(tái)，打通通信設(shè)備的一端和維護(hù)作業(yè)人員的另一端，提升實(shí)用性和效率，并且和工單系統(tǒng)結(jié)合，提供給運(yùn)維人員更加完善準(zhǔn)確的信息，提高派單的效率，實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)控、告警和運(yùn)營(yíng)維護(hù)真正意義上的閉環(huán)，這在業(yè)內(nèi)將是一個(gè)創(chuàng)新和突破。

3 主要研究?jī)?nèi)容

要實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人在5G 基站中的應(yīng)用，主要難點(diǎn)在于導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精確度不夠、機(jī)器人難以在低光照的5G 基站中識(shí)別各種信號(hào)以及機(jī)器人難以對(duì)5G 基站內(nèi)各種異常音視頻進(jìn)行檢測(cè)、判斷和識(shí)別5G 基站巡檢機(jī)器人，主要研究在智能巡檢機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)高精度定位，快速高效的視覺信號(hào)檢測(cè)和音視頻故障分析，并在此基礎(chǔ)上提供軟硬件一體化智能服務(wù)，見圖1。

5G 基站巡檢機(jī)器人功能設(shè)計(jì)：

5G 基站巡檢機(jī)器人主要包含操作系統(tǒng)、融合通信模塊，主控單元、供電單元，四驅(qū)單元等。其中，控制運(yùn)動(dòng)控制單元、雙目視覺單元、環(huán)境傳感系統(tǒng)和人機(jī)交互接口通過(guò)私有協(xié)議與主控單元連接，5G/WiFi/NBIoT 網(wǎng)關(guān)模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制命令回傳到監(jiān)控中心。而通信模塊包含RG500Q 5G NR 模塊、ESP8266-12F Wi-Fi 模塊和BC28 NB-IoT 無(wú)線模塊。最后，系統(tǒng)操作人員在后臺(tái)根據(jù)機(jī)器人傳回的信息，進(jìn)行查看影像和分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而發(fā)送指令控制機(jī)器人工作。

5G 基站巡檢機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)的功能如圖2所示，樣機(jī)如圖3所示。

研究?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)部分：

3.1 基于激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度定位算法

5G 基站巡檢機(jī)器人采用激光陀螺導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)高精度定位功能（初定位）。通過(guò)5G 基站巡檢機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)和基于激光傳感器反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確操作。

激光導(dǎo)航的基本原理實(shí)際上與激光測(cè)距的原理相同，即機(jī)器通過(guò)測(cè)量從激光發(fā)射到接收的時(shí)間來(lái)計(jì)算自身與前方障礙物之間的距離。不同的是，激光測(cè)距測(cè)量只需要1 次激光發(fā)射，而激光導(dǎo)航需要更多的點(diǎn)測(cè)距來(lái)校準(zhǔn)機(jī)器本身的位置，就像在三維坐標(biāo)系中定位一個(gè)點(diǎn)需要三個(gè)坐標(biāo)一樣，激光導(dǎo)航也需要多點(diǎn)測(cè)距，甚至每秒進(jìn)行若干次360 度連續(xù)掃描，一次性記錄機(jī)器在空間中的移動(dòng)軌跡，因此激光導(dǎo)航也稱為激光陀螺儀導(dǎo)航。

5G 基站巡檢機(jī)器人具備精細(xì)的環(huán)境感知能力歸功于其內(nèi)部搭載的激光陀螺儀導(dǎo)航完全自主地應(yīng)對(duì)復(fù)雜、未知的環(huán)境。利用激光的不發(fā)散性對(duì)機(jī)器人所處的位置精確定位來(lái)指導(dǎo)機(jī)器人行走，激光頭安裝在機(jī)器人頂部，每隔數(shù)十毫秒旋轉(zhuǎn)一周，發(fā)出經(jīng)過(guò)調(diào)制的激光。收到經(jīng)調(diào)制的反射板的反射光時(shí)，經(jīng)過(guò)解調(diào)，就可以得到有效的信號(hào)。由激光頭下部角度數(shù)據(jù)的編碼器，計(jì)算機(jī)可以及時(shí)讀入當(dāng)時(shí)收到的反射信號(hào)時(shí)激光器的旋轉(zhuǎn)速度。通過(guò)預(yù)置的室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)，5G 基站巡檢機(jī)器人可準(zhǔn)確測(cè)量到本體所在的室內(nèi)相對(duì)坐標(biāo)位置，按照給定的坐標(biāo)進(jìn)行移動(dòng)和定位（定位精度可達(dá)到1mm）。

5G 基站巡檢機(jī)器人最終是要實(shí)現(xiàn)對(duì)5G 基站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行操作，因此，在巡檢機(jī)器人到達(dá)指定位置時(shí)，實(shí)現(xiàn)了初步定位，其定位精度一般在1mm 左右，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)和激光傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其定位精度可達(dá)到0.01mm，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的最終準(zhǔn)確操作。

基于激光導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖4所示，機(jī)器人控制設(shè)備如圖5所示。

圖1：5G 基站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2：5G 基站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)功能示意圖

圖3：5G 基站巡檢機(jī)器人樣機(jī)示意圖

圖4：基于激光導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖5：機(jī)器人控制設(shè)備

3.2 基于元學(xué)習(xí)的復(fù)雜光照條件下視覺信號(hào)檢測(cè)算法

針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中圖像內(nèi)容的多樣性，樣本數(shù)量少的問(wèn)題，首先通過(guò)少量樣本學(xué)習(xí)建立元知識(shí)模型，在此基礎(chǔ)上，將學(xué)習(xí)獲得的元知識(shí)約束視覺信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的特征學(xué)習(xí)，提高視覺信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，具體包括以下四個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）低光照條件下的圖像增強(qiáng)：研究復(fù)雜光照條件下圖像增強(qiáng)的算法，設(shè)計(jì)一個(gè)端到端的圖像增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，首先估計(jì)用于建模各種光照條件的圖像到光照映射，然后使用光照映射照亮曝光不足的圖像；

（2）輕量級(jí)低質(zhì)量人臉識(shí)別算法：研究低質(zhì)量人臉識(shí)別算法，提出了一種輕量級(jí)但功能強(qiáng)大的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種多尺度特征融合模塊和一種空間注意力矢量化模塊，提高人臉識(shí)別的準(zhǔn)確率。

（3）開關(guān)狀態(tài)識(shí)別算法：開關(guān)圖像是從5G 基站巡檢機(jī)器人的監(jiān)控視頻中截取的，距離較遠(yuǎn)時(shí)圖像像素較差，且圖像中目標(biāo)較??；另一方面，收集到的圖像存在一定的遮擋，對(duì)比度不一，開關(guān)目標(biāo)較密集等特點(diǎn)。本項(xiàng)目以Faster R-CNN 為基礎(chǔ)，從特征融合和Soft-NMS 后出處理方法兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，得到改進(jìn)后的模型，提高開關(guān)識(shí)別的準(zhǔn)確率。

（4）儀表板示數(shù)識(shí)別算法：在5G 基站巡檢機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)維時(shí)，如何對(duì)儀表示數(shù)進(jìn)行高效的、精確的檢測(cè)和讀取變得尤為重要。本文提出了一種改進(jìn)的MASKR2CNN 卷積網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)5G 基站中的儀表盤進(jìn)行有效的信息提取，并采用KNN 對(duì)儀表數(shù)字區(qū)域進(jìn)行數(shù)字識(shí)別。

3.3 基于精簡(jiǎn)的二值深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的音視頻分析算法

5G 智能機(jī)器人巡檢通常有三種工作模式：例行模式、隨工模式和遠(yuǎn)程控制模式。例行模式指智能機(jī)器人按照指定時(shí)間段、規(guī)定的路徑對(duì)機(jī)房設(shè)備進(jìn)行巡檢；隨工模式是指智能機(jī)器人與巡檢人員一起工作，其中涉及巡檢員人臉識(shí)別和語(yǔ)音指令交互；遠(yuǎn)程控制模式則通過(guò)控制中心向智能機(jī)器人發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器人工作。智能機(jī)器人采集機(jī)房?jī)?nèi)場(chǎng)景圖像、音頻、機(jī)柜熱量分布圖和設(shè)備指示燈等多種信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房存在安全故障的概率，進(jìn)行應(yīng)急處理。

4 應(yīng)用展望

本文利用巡檢機(jī)器人對(duì)5G 基站進(jìn)行巡檢，不僅提高設(shè)備運(yùn)維管理的工作效率，還可提高設(shè)備運(yùn)維工作的準(zhǔn)確性。結(jié)合新時(shí)代的數(shù)字技術(shù)手段對(duì)5G 基站運(yùn)行進(jìn)行定時(shí)巡檢的工作，識(shí)別5G 基站的位置以及運(yùn)行情況，并儲(chǔ)存5G 基站設(shè)備的位置以及運(yùn)行情況，對(duì)5G 基站的環(huán)境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析，保證5G 基站運(yùn)維工作信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)5G 基站設(shè)備以及設(shè)施的智能化管理，從而大幅提高運(yùn)維效率，顯著降低運(yùn)營(yíng)成本，必將在我國(guó)5G 網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。

本文研發(fā)的巡檢機(jī)器人還可在數(shù)據(jù)中心得到應(yīng)用，為金融、交通、機(jī)場(chǎng)、電力、政務(wù)等領(lǐng)域數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運(yùn)行提供智能化運(yùn)維工具，將促進(jìn)我國(guó)數(shù)據(jù)中心智能運(yùn)維技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)“新基建”健康發(fā)展。