黄石市大冶湖生态核心区地下综合管廊PPP项目总建设规模合计约104 km, 分两期进行实施。本项目为一期工程, 工程建设内容包括12段管廊, 共34.56 km, 项目总投资16.04亿元, 为国家发改委第一批PPP工程推荐项目。目前, 该项目围绕黄石奥体中心打造8.79 km运营示范段, 已完成供电、给排水、雨水、污水、供热、燃气、通讯、广播电视等8类管线入廊, 累计入廊管线21.24 km, 2018年10月在湖北省运动会开幕前正式投入运营, 为运动会场馆及周边提供水、电、通信保障。

　　 该项目运营示范段内在国内首次成规模引进智能巡检机器人, 巡检轨道全长9.66 km, 其中圣明路1 517 m, 新城大道3 088 m, 规划纵一路983 m, 经三路4 072 m。管廊截面为长方形 (宽3 m, 高2.8 m) , 其中圣明路K0+108至K1+000部分管廊截面宽3.6 m。管廊内设有防火门、通风口、逃生口、吊装口、管线分支口、倒虹、水平转弯等特殊部分。倒虹上下坡角度为14°, 水平转弯角度为15°。管廊示范段如图1所示。

　　 本项目在管廊内运用智能巡检机器人, 重点考虑如下问题:

　　 (1) 机器人通行空间。管廊截面宽3 m, 考虑两侧支架及顶部照明灯、消防设施等占用空间, 且当遇见灯和消防设施等时需要做变轨处理。为保证机器人的通行空间并方便操作作业, 需合理定制设计小型号外形尺寸的机器人本体。

　　 (2) 巡检线路规划。根据现场整体情况, 所规划挂轨机器人的巡视路线需尽可能达到100%覆盖率或正常通行。对于正常巡检人员不能进入的区域需要额外注意, 保证轨道铺设到位, 机器人巡检到位。

　　 (3) 机器人及附属配套设施数量配置。为满足巡检任务全覆盖要求, 同时考虑实施成本问题, 需对机器人及附属配套设施数量进行合理配置, 达到设备数量最少、覆盖最全、造价最低。

　　 (4) 穿越防火门。综合管廊防火门将管廊隔断成不同分区, 以达到当某一分区突发火灾时保护相邻分区的目的, 但同时也阻断了机器人及轨道的通行。因此如何安全、顺畅、快速地通过防火门对于智能巡检机器人系统的实施提出了要求。

　　 (5) 穿越其他特殊部位。因综合管廊存在通风口、逃生口、吊装口、管线分支口等特殊部位, 如何设定轨道路线保证机器人正常通行的同时又不影响原有特殊部位的原设定功能, 将是方案设计及实施过程中需要重点考虑并且必须解决的问题。

　　 (6) 与综合管廊运维管理系统平台融合。机器人系统与当前综合管廊运维系统是两套独立的系统, 资源无法实现有效共享, 而在智慧管廊建设过程中, 各大子系统往往需要融合应用, 因此机器人系统如何实现与综合管廊运维系统无缝融合, 是一大难点。

　　 (7) 机器人智能巡检系统集控管理。如何对多台机器人进行集控管理及系统融合数据分析, 实现如当某分区巡检机器人或在线设备故障时可由后台指挥相邻分区机器人至该故障区域执行临时性巡检任务, 并探测故障点详细情况等, 将是需解决的问题。

　　 综合管廊智能机器人系统集可移动的智能机器人检测平台和在线监测设备于一体, 系统结构可分为3层, 分别为执行层、通讯层和管理层。

　　 包括了智能机器人本体、自主充电模块、防火门控制模块、其他在线辅助设施等, 实现智能机器人的数据采集、自主充电、自动穿越防火门、应急消防等功能。

　　 可分为无线通讯和主网通讯两大部分, 无线通讯满足管廊内的网络全覆盖, 保证机器人在任何位置都能实现无障碍通信。

　　 包含了机器人后台、监控中心 (综合管廊系统) 和移动客户端3类, 主要功能有大数据分析、任务编排下达和历史数据查询等。系统架构如图2所示。

　　 机器人智能巡检技术涵盖采集、传输、分析、管控等多方面, 整体技术模块及各模块间数据流向及业务逻辑如图3所示。

　　 挂轨机器人系统能实现巡检、自检、视频监控、红外热成像、环境监测、应急处理、垂直爬坡、自主充电、系统联动、自身安全防护功能、交互式对讲指挥、设备状态查询和历史数据查询、系统集中管理功能及其他辅助功能等。

　　 根据方案设计论证, 系统主要性能参数设计如表1所示。

　　 系统由挂轨巡检机器人本体、轨道平台、供电平台、网络通信平台、定位模块、后台监控平台等组成。

　　 机器人搭载红外热像仪、可见光高清摄像机、气体探测仪、温湿度传感器、交互式实时对讲平台、声光报警器、光电停障系统等, 系统采用自主研发的通用可配置软硬件平台控制, 全工业化元器件设计, 系统运行可靠, 功能齐全, 如图4所示。

　　 该智能巡检系统采用挂轨式方案, 设计了轨道平台, 完成机器人行走路径及自主充电平台搭设。

　　 挂轨巡检机器人采用电池和分布式接触充电系统结合的供电方式, 同时具备紧急手动充电功能。

　　 系统采用无线通信, 挂轨巡检机器人上的通用可配置软硬件平台和视频装置通过以太网连接到无线集线器上, 在舱室内布置若干个无线路由器组成无线局域网, 监控后台也通过无线集线器连接到无线局域网中, 这样, 整个移动监控系统内的设备可以实现互相访问, 网络带宽可以有效实现负载平衡。

　　 挂轨巡检机器人沿轨道运行, 通过RFID进行定位, 通过码盘进行测距, 实现精确定点停站。

　　 本地监控后台将分析并存储本管廊内的所有巡检数据, 具备实时自检、实时监控、巡检计划编排、遥控功能、巡检报表、历史数据等多个子系统。

　　 根据电力隧道内应用经验及产品参数设定, 一般来说, 在单巡检点位若巡检设备不超过3个, 机器人从减速进入该点位并调整云台及双目位置道实现设备巡检预计为2 min, 即通常巡检时间为2 min/点位, 或者1 min/巡检设备。另外还有机器人在非巡检点时的行驶速度按照1 m/s计算 (存在加减速过程) ;穿越防火门需要减速、取得与防火门控制器通信、对话允许后联动开门等过程, 因此预计每个防火门顺利通过需要1 min。则项目现场各线路所需巡检时间及机器人部署如表2所示。

　　 考虑到机器人伴随工作人员巡检需求以及整体系统参数设计, 建议单车单次巡检时间控制在3～4 h, 故黄石项目机器人数量设置共计使用6台机器人 (见表2) 。机器人巡检路线规划及编号见图5。

　　 在管廊顶部采用化学螺栓安装机器人轨道, 如图6所示, 必须满足机器人在管廊最少通行空间400 mm×400 mm。

　　 采用高强度铝合金/工字钢, 可以拼接, 直轨道标准长度为不小于3 m (非标准长度需要定制) , 承载质量为不小于100 kg。

　　 根据管廊地形设计弯曲度和坡度, 当轨道遇到照明灯或消防设施等原有设施时需要做如弯轨道等躲避动作, 如图6所示, 弯轨道弯曲半径为R1 200, 弯曲弧度为30°、45°、90°等。

　　 在直线段, 每隔1.5 m安装1个, 弯道处每隔0.5 m装1个。

　　 为机器人能安全、顺畅、快速地通过防火门, 采用机器人通行专用防火门系统, 具体为在管廊传统防火门中顶部开口设置机器人通行专用防火门, 如图7所示。

　　 结合机器人外形尺寸及其安全通行, 该机器人通行专用防火门尺寸为600 mm×600 mm, 采用钢制甲级防火门, 并配备电控系统, 当机器人要通过防火门时, 防火门会自动打开, 等机器人完全通过后自动关闭。防火门旁边安装一套防火门联动控制系统, 电动控制防火门开关。通讯接口为RS485通讯, 通讯协议采用标准 ModBus 消防专用协议。控制器为工业级PLC, 可实现防火门自动开关, 支持手动开关防火门。针对防火门与轨道的缝隙, 在防火门接缝处涂抹2 cm厚膨胀型防火密封胶。

　　 按照防火门门框孔位, 确定好打孔位置;打孔并固定化学螺栓;门框预固定;使用水平尺、吊锤微调至水平。项目现场根据防火分区数量共设置供机器人穿越防火门数量为52座, 防火门安装完毕效果如图8所示。

　　 综合管廊内逃生口、通风口、投料口、分支口轨道变轨装置原理基本类似, 此处以逃生口为例加以说明。

　　 为不影响逃生口处人员上下自由进出, 特制定管廊逃生口处机器人轨道布置改造方案, 通过手动可分离式变轨机构解决逃生空间过小的问题, 使逃生空间足够宽阔, 如图9、图10所示。同时, 在每个逃生口或进出口处, 均设置有可分离变轨机构操作提示, 工作人员可根据提示操作完成轨道分离。此外, 操作提示有助于在特殊情况下, 轨道未预先打开时, 运维人员能快速操作变轨机构, 实现快速撤离。

　　 综合管廊内廊体通常会存在高度差, 出现0～90°坡度, 因此设计了一套垂直爬坡装置, 设计原理如图11所示, 机器人底座部分驱动轮 (见图11中示意1处) 紧扣轨道上齿条 (见图11中示意3处) , 当机器人需要实现爬坡时, 驱动轮1通过与齿条3的啮合使得移动机器人完成90°爬坡。结合黄石项目现场存在的最大坡度为40°, 机器人能轻松爬升, 如图12所示为现场40°轨道安装后实况。

　　 在充电座设计位置打孔, 打化学螺栓, 待稳固后, 固定充电座支架, 充电座固定在支架上, 需注意充电触头的位置与充电座的位置前后距离相差3 m, 以便巡检机器人可以使用云台看到充电电流。如图13所示。

　　 机器人系统采用无线网络传输, 为保证机器人数据传输的稳定性, 及机器人跨越分区时无线网络切换速率, 需要在每个防火分区设置一套无线AP。无线AP设置方案如图14所示, 现场安装后实况如图15所示。

　　 后端平台参数选择因特尔酷睿处理器、4G内存、4T硬盘容量, 以满足项目需求。后台位于控制中心, 数据层面接入智慧管廊运维平台并展示。

　　 机器人系统采用C/S架构, 可通过提供标准的Webservice协议接口, 实现与综合管廊运维管理系统的融合对接, 实现综合管廊运维管理系统对机器人的调用与任务下发, 并直接在监控平台中对这一突发事件进行商讨、指导、指挥, 使原有两个系统的强大功能得以完全发挥。

　　 机器人接入接口共9个, 分为综合管廊运维管理系统对机器人系统的3个下发接口, 机器人系统对综合管廊运维管理系统的6个上报接口, 接口调试设计按照以下顺序进行。

　　 接口采用caiWebService的方式, 服务端为机器人系统;客户端为综合管廊运维管理系统, 以机器人系统Web服务可以正确接收到综合管廊运维管理系统下发的设备清单为准。

　　 综合管廊运维管理系统推送的巡检任务计划推送给机器人系统, 机器人可以在设定时间进行对应巡检任务。接口方式为WebService, 服务端为机器人系统, 客户端为综合管廊运维管理系统, 以机器人系统Web服务可以接收到综合管廊运维管理系统下发的任务计划为准。

　　 综合管廊运维管理系统推送的消缺回传信息后, 会把消缺信息推送到机器人系统, 机器人系统将对应的设备缺陷状态进行更新。接口方式为WebService。服务端为机器人系统, 客户端为综合管廊运维管理系统, 以机器人系统Web服务可以正确接收到综合管廊运维管理系统下发的消缺信息为准。

　　 接入平台后, 机器人系统需要将实施好的巡检点位信息上报给综合管廊运维管理系统, 巡检点位信息发生变更后, 主动向综合管廊运维管理系统上传巡检点位清单。接口方式为WebService, 服务端为综合管廊运维管理系统, 客户端为机器人系统, 以综合管廊运维管理系统可以正确接收到机器人系统上报的巡检点位设备信息为准。

　　 机器人系统制定的任务计划完成巡检后, 主动上传巡检结果数据。接口方式为WebService, 服务端为综合管廊运维管理系统, 客户端为机器人系统, 以综合管廊运维管理系统可以正确接收到机器人系统上报的巡检结果信息为准。

　　 巡检计划完成后, 机器人系统针对巡检缺陷结果进行审核, 确定为缺陷后上报给综合管廊运维管理系统。接口方式为WebService, 服务端为综合管廊运维管理系统, 客户端为机器人系统, 以综合管廊运维管理系统可以正确接收到机器人系统上报的巡检缺陷信息为准。

　　 机器人系统定时 (每分钟) 上传管廊内机器人实时状态。接口方式为WebService, 服务端为综合管廊运维管理系统, 客户端为机器人系统, 以综合管廊运维管理系统可以正确接收到机器人系统上报的机器人状态信息为准。

　　 当机器人出现故障时, 机器人系统主动推送故障信息, 接口方式为WebService, 服务端为综合管廊运维管理系统, 客户端为机器人系统, 以综合管廊运维管理系统可以正确接收到机器人系统上报的机器人故障信息为准。

　　 机器人系统上传管廊机器人运行情况。接口方式为WebService, 服务端为综合管廊运维管理系统, 客户端为机器人系统, 以综合管廊运维管理系统可以正确接收到机器人系统上报的机器人计划任务执行情况为准。

　　 后台机器人集控平台由业务模块、调度模块、管理模块及辅助模块组成, 如图16所示。经管理模块下发指令, 通过专网将指令 (业务指令, 如行至何处、采集什么数据、请上传数据等) 传达至前端机器人;根据指令, 正常运行的机器人将满足指令需求的状态数据及业务数据通过专网上传至集控平台的业务模块, 以供业务数据分析使用, 同时将状态数据及完成指令情况反馈给管理模块, 若完成状态不符合预期, 则重新执行。若状态数据显示该前端机器人处于无法工作状态, 则管理模块下发指令给到同一虚拟分区内相邻机器人执行临时替代工作。

　　 黄石市大冶湖生态核心区地下综合管廊PPP项目运营示范段为国内首次成规模引进并进行研发应用智能巡检技术, 智能巡检机器人能顺利穿越防火门, 保证逃生口等特殊部位原有设备功能正常发挥, 能轻松应对90°爬坡, 在管廊大坡道起伏、多弯道处顺利运行, 实现自主充电, 智能巡检机器人系统顺利接入管廊智慧中心管理平台。自2018年7月机器人安装试运行以来, 机器人行走速度、续航能力、充电时间、定位精度等重要性能指标都满足了设计要求。系统巡检工作及数据传输经试运行达到预期要求。

　　 然而, 智能巡检技术运用于管廊运维中, 仍有一定技术改进空间, 诸如如何设计能便于用户的模块化加载和拆卸、如何让防火门更严密、如何降低轨道的实施成本、如何将现场所有系统融合为单一简单易用系统、如何推动机器人实现类人操作等等, 将需要行业更多的技术积累与实践经验积累。