摘要：隨著建成的地下綜合管廊進(jìn)入全面的運營管理期，各種運營管理問題相繼出現(xiàn)，其中高昂的運維費用使管廊運營管理單位入不敷出，不堪重負(fù)。我國地下綜合管廊的發(fā)展已經(jīng)走到了一個十字路口，能否降低高昂的運維管理費用關(guān)系到行業(yè)是否繼續(xù)快速發(fā)展。因此，綜合管廊的運維模式需要創(chuàng)新，探索地下綜合管廊安全、高效、低成本運維解決方案意義重大。綜合管廊“智慧線+機(jī)器人”智能運維系統(tǒng)在這樣的背景下被提出，重點解決管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)的優(yōu)化和機(jī)器人在管廊內(nèi)的高效應(yīng)用的問題，實現(xiàn)管廊系統(tǒng)集約、高效運轉(zhuǎn)，大幅降低管廊的運維成本，使綜合管廊成為建設(shè)得起，也運維得起的“城市生命線”。

關(guān)鍵詞：智慧線；機(jī)器人；管廊運維；綜合管廊；巡檢

引言

73萬公里，建成里程約1.08萬公里，每年的實施率穩(wěn)定在75左右，建成率近幾年穩(wěn)定在約80左右。我國已經(jīng)成為世界上綜合管廊建設(shè)規(guī)模最大的國家，發(fā)展階段已經(jīng)從快速建設(shè)期發(fā)展到平穩(wěn)建設(shè)、全面運營期，如何運營已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)討論的熱門話題。

隨著我國建成的地下綜合管廊進(jìn)入全面的運營管理期，各種運營管理問題相繼出現(xiàn)，其中高昂的運維費用使管廊運營管理單位入不敷出，不堪重負(fù)，已經(jīng)成為行業(yè)痛點之一。

表1 國內(nèi)部分管廊運維費統(tǒng)計表

Table 1 Statistics on maintenance cost of domestic utility tunnels

從表1中可見，廣東和福建的管廊運維費用相對較低，而其他管廊運維費用均超百萬。廣東和福建被調(diào)研的管廊運維費用不高主要是因為建設(shè)較晚，設(shè)備壽命未到，大修費用還未發(fā)生?？梢灶A(yù)見，未來管廊的單公里運維費用超百萬將成為常態(tài)。

如何在現(xiàn)行條件下，降低管廊的運維費用已經(jīng)成為行業(yè)亟待解決的問題。

表2 北京某管廊運維費統(tǒng)計表

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

從表2中可以看出，人工費、電費、設(shè)備維護(hù)費用占整個運維費用的85以上，減少運維人員投入、減少設(shè)備維護(hù)費用、節(jié)約能耗成為降低整體運維費用的關(guān)鍵。

系統(tǒng)介紹

綜合管廊“智慧線+機(jī)器人”智能運維系統(tǒng)聚焦行業(yè)痛點，以現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，以大幅降低管廊運維成本為目的，聯(lián)合管廊的管理單位、設(shè)計單位、建設(shè)單位、專業(yè)技術(shù)單位共同研究開發(fā)完成。

優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量需要將集約化建設(shè)、簡化結(jié)構(gòu)，減少人員投入的最好手段是應(yīng)用機(jī)器人，設(shè)備減少，人員入廊減少自然會節(jié)約能耗。

本系統(tǒng)以管理平臺為核心，通過將“智慧線”系統(tǒng)與“機(jī)器人”系統(tǒng)的深度融合，實現(xiàn)簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)備數(shù)量、減少人工、降低能耗，進(jìn)而大幅降低管廊運維成本。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)設(shè)計以“智慧線”作為區(qū)域網(wǎng)絡(luò)核心，深入融合、簡化“機(jī)器人”等子系統(tǒng)，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)巡檢機(jī)器人在管廊內(nèi)高效應(yīng)用，完成管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)精簡化，以平臺為功能載體，提高管廊安全管理能力和運維水平，降低運營成本，減少人員投入。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig. 1 System structure diagram

本系統(tǒng)充分發(fā)揮“智慧線”技術(shù)在管廊安防管理和融合通信上的能力，替代現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要求的入侵報警系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、電子巡查系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)的簡化。

本系統(tǒng)利用“智慧線”雙網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)與WIFI）并存的優(yōu)勢，為“機(jī)器人”提供無線通信環(huán)境、輔助定位參照，避免了巡檢機(jī)器人專網(wǎng)和定位輔助裝置的建設(shè)，大幅降低了機(jī)器人管廊內(nèi)應(yīng)用成本。另外，巡檢機(jī)器人通過配備的高清、紅外攝像頭和各類傳感器，在巡檢過程中采集廊內(nèi)狀況參數(shù)，降低了運維對廊內(nèi)定點攝像頭和傳感器的依賴，使廊內(nèi)監(jiān)測點布置可按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要求的最低標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，減少了系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量。同時，監(jiān)控設(shè)備數(shù)量的減少，也帶來了ACU系統(tǒng)的簡化，從而大幅節(jié)約了建設(shè)和運維成本。

本系統(tǒng)以人工智能引擎承載的智能識別技術(shù)為依托，通過管理平臺的高效運維功能，實現(xiàn)機(jī)器人在管廊內(nèi)高效執(zhí)行巡檢任務(wù)，達(dá)到減少人工、降低勞動強度的效果。

1.2 系統(tǒng)平臺

圖2平臺架構(gòu)圖

Fig. 2 System platform architecture

本系統(tǒng)平臺是整個系統(tǒng)的功能核心，實用的管廊運維功能是系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)實現(xiàn)載體。本系統(tǒng)根據(jù)管理單位實際需求和實踐經(jīng)驗開發(fā)了安全、高效的運維功能：

1）自動巡檢

管理平臺根據(jù)需求，生成相應(yīng)的巡檢任務(wù)，機(jī)器人按巡檢任務(wù)要求自動巡檢、實時上報巡檢進(jìn)度、任務(wù)完成后形成巡檢報告。

2）自動伴巡

管理平臺根據(jù)需求，生成“人工作業(yè)”任務(wù)，機(jī)器人根據(jù)作業(yè)人員的位置信息，實施“伴巡”作業(yè)，監(jiān)管作業(yè)情況，保證作業(yè)人員安全。

3）入侵聯(lián)動

當(dāng)系統(tǒng)檢測到人員非法入侵時，平臺自動調(diào)動距離最近的機(jī)器人前往巡查。機(jī)器人到達(dá)入侵點附近后，對入侵者進(jìn)行拍照、錄像并上傳，人工智能引擎對人員進(jìn)行識別。

4）施工監(jiān)管

當(dāng)有入廊施工作業(yè)時，平臺調(diào)度機(jī)器人自動到人員入口待命，待作業(yè)人員到達(dá)入口后，機(jī)器人逐一對人員進(jìn)行識別，判斷是否是合規(guī)作業(yè)人員，確認(rèn)后帶領(lǐng)作業(yè)人員前往作業(yè)區(qū)域，否則將告警。在施工作業(yè)期間，平臺調(diào)度機(jī)器人巡回拍攝，監(jiān)管施工作業(yè)情況。

5）應(yīng)急救援

當(dāng)監(jiān)測到廊內(nèi)人員需要救援時，系統(tǒng)快速定位人員位置，并實時與廊內(nèi)人員進(jìn)行語音溝通，調(diào)度機(jī)器人攜帶救援物資快速趕往需被救援人員位置，快速實施救援。

6）融合通信

監(jiān)控中心管理人員可通過平臺，以專用手機(jī)或機(jī)器人為媒介，與廊內(nèi)作業(yè)人員進(jìn)行語音視頻或文字信息溝通。

7）人工智能引擎

人工智能分析技術(shù)在平臺的支持服務(wù)中被應(yīng)用，高效分析包括機(jī)器人、攝像頭、手機(jī)APP等終端采集的數(shù)據(jù)和圖像，掌握廊內(nèi)狀況。通過不斷實踐積累，持續(xù)優(yōu)化模型算法，最終將形成一套適用于地下綜合管廊運維管理的人工智能引擎。

核心技術(shù)

2.1　智慧線技術(shù)

“智慧線”系統(tǒng)是主要針對地下綜合管廊的，高度融合的安防一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)核心設(shè)備智慧線是一種全新的低功耗入侵探測、無線通信和精確定位線纜。電纜在封閉空間內(nèi)形成大容量的分布式無線接入和微波探測感應(yīng)場，無線信號均勻連續(xù)，具備如下功能：

1）精確定位

“智慧線”通過對物聯(lián)網(wǎng)終端附近多個微基站同步接收定位數(shù)據(jù)包的分析，通過定位數(shù)據(jù)聯(lián)合計算，能夠快速對系統(tǒng)內(nèi)的手機(jī)、標(biāo)識卡等物聯(lián)網(wǎng)終端進(jìn)行實時進(jìn)行精確定位，定位精度最高可以達(dá)到2～5米。

2）入侵探測

自適應(yīng)微波收發(fā)芯片收發(fā)信號組成多組收發(fā)向量對，進(jìn)而形成自適應(yīng)微波陣列場，入侵者進(jìn)入探測場范圍，對無線信號場造成遮擋、吸收、反射等干擾，造成接收信號強度變化以感應(yīng)入侵。

3）融合通信

智慧線提供2Mbps和無線寬帶WiFi 300Mbps兩種無線接入方式，為終端提供定位、語音、視頻、通信、調(diào)度、數(shù)據(jù)、通信等豐富的應(yīng)用業(yè)務(wù)。

2.2 機(jī)器人融合技術(shù)

管廊巡檢機(jī)器人專用雙頻網(wǎng)卡，實現(xiàn)“機(jī)器人”利用“智慧線”進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，“智慧線”可對“機(jī)器人”進(jìn)行廊內(nèi)定位。網(wǎng)卡為通用性設(shè)備，可以滿足市場上大多數(shù)品牌機(jī)器人的使用要求。

　　圖3　雙頻網(wǎng)卡功能圖

Fig. 3　Function diagram of network card

如圖3所示，雙頻網(wǎng)卡支持兩個不同的5G-WIFI輸入，以滿足機(jī)器人過防火分區(qū)時信號不間斷的需求；網(wǎng)卡支持5G/2.4G-WIFI雙天線模式，用于保證信號強度；網(wǎng)卡同時支持2.4G、sub-1G物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)“智慧線”對機(jī)器人的定位。

雙頻網(wǎng)卡具備調(diào)試接口、支持熱插拔的24V/1A電源口和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口，以滿足不同品牌機(jī)器人的數(shù)據(jù)交互需要。

2.3 智能識別技術(shù)

建立基于管廊運維的智能識別技術(shù)模型，利用模型對機(jī)器人、定點攝像頭、專用手機(jī)采集的視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，實現(xiàn)廊內(nèi)異物、電纜脫架、廊體裂痕等“物”的不安全狀態(tài)識別，實現(xiàn)人員暈倒、抽煙、無防護(hù)措施等“人”的不安全行為識別。

圖像識別技術(shù)目前已較為成熟，在理想的環(huán)境下，高準(zhǔn)確率識別出人和物的狀態(tài)已經(jīng)不是難事。在管廊環(huán)境下實現(xiàn)高準(zhǔn)確率識別的技術(shù)難點不在識別技術(shù)本身，而在于對采集數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)處理得好識別才能高效。

本系統(tǒng)建立人工智能引擎，集成成熟的圖像識別技術(shù)，并建立適用于管廊環(huán)境的數(shù)據(jù)處理模型，通過智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對圖像和視頻數(shù)進(jìn)行效果優(yōu)化、處理分析、清洗變換、標(biāo)準(zhǔn)化分類，經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)極大的保證了識別的成功率。

系統(tǒng)應(yīng)用

綜合管廊“智慧線+機(jī)器人”智能運維系統(tǒng)已經(jīng)在鄭州、南京、北京等多個示范項目中不同程度應(yīng)用。

建設(shè)單位認(rèn)為系統(tǒng)簡化了管廊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的融合性，大幅降低機(jī)器人系統(tǒng)在管廊中的應(yīng)用成本，并在管廊運維過程中降低成本，提升安全性。設(shè)計單位認(rèn)為系統(tǒng)在探索管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)集約化建設(shè)方面具有先驅(qū)性，對于管廊行業(yè)發(fā)展具有一定示范性意義。管理單位認(rèn)為系統(tǒng)在運行期間，達(dá)到了設(shè)計要求，取得高效、低成本運維效果，創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。具體應(yīng)用效果如下：

1）運維模式改變

一周一次的人工巡檢變成一月一次的人工巡檢和機(jī)器人24小時自動巡檢。

2）人工成本降低

周檢變成月檢，人工成本降低50以上。

3）機(jī)器人應(yīng)用成本降低

對比市場上機(jī)器人應(yīng)用的平均成本，本系統(tǒng)機(jī)器人應(yīng)用單艙每公里造價節(jié)約近20萬元。

4）節(jié)能減耗

系統(tǒng)控制通風(fēng)、照明設(shè)備高效聯(lián)動，人員入廊時間和頻次大幅降低，對比傳統(tǒng)運維方式，電能消耗降低約75以上。

結(jié)論與展望

綜合管廊“智慧線+機(jī)器人”智能運維系統(tǒng)在示范項目上的成功應(yīng)用，創(chuàng)新一種全新的綜合管廊高效、低成本建設(shè)運維方案，一定程度上推動了地下綜合管廊系統(tǒng)建設(shè)智能化進(jìn)程。系統(tǒng)聚焦行業(yè)痛點，具備大范圍應(yīng)用條件，可為管廊管理單位帶來直觀的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景非常廣闊。

綜合管廊屬于狹長、封閉地下空間，利用機(jī)器人進(jìn)行管廊日常巡檢是必然的發(fā)展方向，綜合管廊“智慧線+機(jī)器人”智能運維系統(tǒng)獨創(chuàng)的集約化集成模式，一定會被國內(nèi)各管廊運維單位所關(guān)注。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]　中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50838-2015 城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2015.

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

[2]　 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T51274-2017 城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計劃出版社，2017.

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