综合管廊“智慧线+机器人”智能运维系统

摘要：随着建成的地下综合管廊进入全面的运营管理期，各种运营管理问题相继出现，其中高昂的运维费用使管廊运营管理单位入不敷出，不堪重负。我国地下综合管廊的发展已经走到了一个十字路口，能否降低高昂的运维管理费用关系到行业是否继续快速发展。因此，综合管廊的运维模式需要创新，探索地下综合管廊安全、高效、低成本运维解决方案意义重大。综合管廊“智慧线+机器人”智能运维系统在这样的背景下被提出，重点解决管廊监控与报警系统的优化和机器人在管廊内的高效应用的问题，实现管廊系统集约、高效运转，大幅降低管廊的运维成本，使综合管廊成为建设得起，也运维得起的“城市生命线”。

关键词：智慧线；机器人；管廊运维；综合管廊；巡检

引言

73万公里，建成里程约1.08万公里，每年的实施率稳定在75左右，建成率近几年稳定在约80左右。我国已经成为世界上综合管廊建设规模最大的国家，发展阶段已经从快速建设期发展到平稳建设、全面运营期，如何运营已经成为业内讨论的热门话题。

随着我国建成的地下综合管廊进入全面的运营管理期，各种运营管理问题相继出现，其中高昂的运维费用使管廊运营管理单位入不敷出，不堪重负，已经成为行业痛点之一。

表1 国内部分管廊运维费统计表

Table 1 Statistics on maintenance cost of domestic utility tunnels

从表1中可见，广东和福建的管廊运维费用相对较低，而其他管廊运维费用均超百万。广东和福建被调研的管廊运维费用不高主要是因为建设较晚，设备寿命未到，大修费用还未发生。可以预见，未来管廊的单公里运维费用超百万将成为常态。

如何在现行条件下，降低管廊的运维费用已经成为行业亟待解决的问题。

表2 北京某管廊运维费统计表

Table 2 Statistics on maintenance cost of an utility tunnel in beijing

从表2中可以看出，人工费、电费、设备维护费用占整个运维费用的85以上，减少运维人员投入、减少设备维护费用、节约能耗成为降低整体运维费用的关键。

系统介绍

综合管廊“智慧线+机器人”智能运维系统聚焦行业痛点，以现行国家标准为依据，以大幅降低管廊运维成本为目的，联合管廊的管理单位、设计单位、建设单位、专业技术单位共同研究开发完成。

优化系统设备数量需要将集约化建设、简化结构，减少人员投入的最好手段是应用机器人，设备减少，人员入廊减少自然会节约能耗。

本系统以管理平台为核心，通过将“智慧线”系统与“机器人”系统的深度融合，实现简化系统结构、优化设备数量、减少人工、降低能耗，进而大幅降低管廊运维成本。

1.1 系统设计方案

本系统设计以“智慧线”作为区域网络核心，深入融合、简化“机器人”等子系统，综合运用物联网、人工智能等技术，实现巡检机器人在管廊内高效应用，完成管廊监控与报警系统精简化，以平台为功能载体，提高管廊安全管理能力和运维水平，降低运营成本，减少人员投入。

图1系统结构图

Fig. 1 System structure diagram

本系统充分发挥“智慧线”技术在管廊安防管理和融合通信上的能力，替代现行国家标准要求的入侵报警系统、人员定位系统、电子巡查系统和无线通信系统，实现管廊监控与报警系统的简化。

本系统利用“智慧线”双网（物联网与WIFI）并存的优势，为“机器人”提供无线通信环境、辅助定位参照，避免了巡检机器人专网和定位辅助装置的建设，大幅降低了机器人管廊内应用成本。另外，巡检机器人通过配备的高清、红外摄像头和各类传感器，在巡检过程中采集廊内状况参数，降低了运维对廊内定点摄像头和传感器的依赖，使廊内监测点布置可按照现行国家标准要求的最低标准建设，减少了系统设备数量。同时，监控设备数量的减少，也带来了ACU系统的简化，从而大幅节约了建设和运维成本。

本系统以人工智能引擎承载的智能识别技术为依托，通过管理平台的高效运维功能，实现机器人在管廊内高效执行巡检任务，达到减少人工、降低劳动强度的效果。

1.2 系统平台

图2平台架构图

Fig. 2 System platform architecture

本系统平台是整个系统的功能核心，实用的管廊运维功能是系统设计目标实现载体。本系统根据管理单位实际需求和实践经验开发了安全、高效的运维功能：

1）自动巡检

管理平台根据需求，生成相应的巡检任务，机器人按巡检任务要求自动巡检、实时上报巡检进度、任务完成后形成巡检报告。

2）自动伴巡

管理平台根据需求，生成“人工作业”任务，机器人根据作业人员的位置信息，实施“伴巡”作业，监管作业情况，保证作业人员安全。

3）入侵联动

当系统检测到人员非法入侵时，平台自动调动距离最近的机器人前往巡查。机器人到达入侵点附近后，对入侵者进行拍照、录像并上传，人工智能引擎对人员进行识别。

4）施工监管

当有入廊施工作业时，平台调度机器人自动到人员入口待命，待作业人员到达入口后，机器人逐一对人员进行识别，判断是否是合规作业人员，确认后带领作业人员前往作业区域，否则将告警。在施工作业期间，平台调度机器人巡回拍摄，监管施工作业情况。

5）应急救援

当监测到廊内人员需要救援时，系统快速定位人员位置，并实时与廊内人员进行语音沟通，调度机器人携带救援物资快速赶往需被救援人员位置，快速实施救援。

6）融合通信

监控中心管理人员可通过平台，以专用手机或机器人为媒介，与廊内作业人员进行语音视频或文字信息沟通。

7）人工智能引擎

人工智能分析技术在平台的支持服务中被应用，高效分析包括机器人、摄像头、手机APP等终端采集的数据和图像，掌握廊内状况。通过不断实践积累，持续优化模型算法，最终将形成一套适用于地下综合管廊运维管理的人工智能引擎。

核心技术

2.1　智慧线技术

“智慧线”系统是主要针对地下综合管廊的，高度融合的安防一体化系统。系统核心设备智慧线是一种全新的低功耗入侵探测、无线通信和精确定位线缆。电缆在封闭空间内形成大容量的分布式无线接入和微波探测感应场，无线信号均匀连续，具备如下功能：

1）精确定位

“智慧线”通过对物联网终端附近多个微基站同步接收定位数据包的分析，通过定位数据联合计算，能够快速对系统内的手机、标识卡等物联网终端进行实时进行精确定位，定位精度最高可以达到2～5米。

2）入侵探测

自适应微波收发芯片收发信号组成多组收发向量对，进而形成自适应微波阵列场，入侵者进入探测场范围，对无线信号场造成遮挡、吸收、反射等干扰，造成接收信号强度变化以感应入侵。

3）融合通信

智慧线提供2Mbps和无线宽带WiFi 300Mbps两种无线接入方式，为终端提供定位、语音、视频、通信、调度、数据、通信等丰富的应用业务。

2.2 机器人融合技术

管廊巡检机器人专用双频网卡，实现“机器人”利用“智慧线”进行数据交互，“智慧线”可对“机器人”进行廊内定位。网卡为通用性设备，可以满足市场上大多数品牌机器人的使用要求。

　　图3　双频网卡功能图

Fig. 3　Function diagram of network card

如图3所示，双频网卡支持两个不同的5G-WIFI输入，以满足机器人过防火分区时信号不间断的需求；网卡支持5G/2.4G-WIFI双天线模式，用于保证信号强度；网卡同时支持2.4G、sub-1G物联网，实现“智慧线”对机器人的定位。

双频网卡具备调试接口、支持热插拔的24V/1A电源口和标准以太网口，以满足不同品牌机器人的数据交互需要。

2.3 智能识别技术

建立基于管廊运维的智能识别技术模型，利用模型对机器人、定点摄像头、专用手机采集的视频图像数据进行识别，实现廊内异物、电缆脱架、廊体裂痕等“物”的不安全状态识别，实现人员晕倒、抽烟、无防护措施等“人”的不安全行为识别。

图像识别技术目前已较为成熟，在理想的环境下，高准确率识别出人和物的状态已经不是难事。在管廊环境下实现高准确率识别的技术难点不在识别技术本身，而在于对采集数据的处理，数据处理得好识别才能高效。

本系统建立人工智能引擎，集成成熟的图像识别技术，并建立适用于管廊环境的数据处理模型，通过智能数据分析技术，对图像和视频数进行效果优化、处理分析、清洗变换、标准化分类，经过处理后的数据极大的保证了识别的成功率。

系统应用

综合管廊“智慧线+机器人”智能运维系统已经在郑州、南京、北京等多个示范项目中不同程度应用。

建设单位认为系统简化了管廊系统网络结构，提高了系统的融合性，大幅降低机器人系统在管廊中的应用成本，并在管廊运维过程中降低成本，提升安全性。设计单位认为系统在探索管廊监控与报警系统集约化建设方面具有先驱性，对于管廊行业发展具有一定示范性意义。管理单位认为系统在运行期间，达到了设计要求，取得高效、低成本运维效果，创造了良好的社会效益和经济效益。具体应用效果如下：

1）运维模式改变

一周一次的人工巡检变成一月一次的人工巡检和机器人24小时自动巡检。

2）人工成本降低

周检变成月检，人工成本降低50以上。

3）机器人应用成本降低

对比市场上机器人应用的平均成本，本系统机器人应用单舱每公里造价节约近20万元。

4）节能减耗

系统控制通风、照明设备高效联动，人员入廊时间和频次大幅降低，对比传统运维方式，电能消耗降低约75以上。

结论与展望

综合管廊“智慧线+机器人”智能运维系统在示范项目上的成功应用，创新一种全新的综合管廊高效、低成本建设运维方案，一定程度上推动了地下综合管廊系统建设智能化进程。系统聚焦行业痛点，具备大范围应用条件，可为管廊管理单位带来直观的经济效益，应用前景非常广阔。

综合管廊属于狭长、封闭地下空间，利用机器人进行管廊日常巡检是必然的发展方向，综合管廊“智慧线+机器人”智能运维系统独创的集约化集成模式，一定会被国内各管廊运维单位所关注。

参考文献（References）：

[1]　中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50838-2015 城市综合管廊工程技术规范[S].北京：中国计划出版社，2015.

MoHURD. GB 50838-2015 Technical code for urban utility tunnel engineering [S].beijing: China Planning Press, 2015.

[2]　 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T51274-2017 城镇综合管廊监控与报警系统工程技术标准[S].北京：中国计划出版社，2017.

MoHURD. GB/T 51274-2017 Technical standard for supervision and alarm system engineering of urban utility tunnel [S].beijing: China Planning Press, 2017.