城市地下軌道智能檢測機器人集中控制系統及實現方法
【專利摘要】本發明的目的是提供一種城市地下軌道智能檢測機器人集中控制系統，該系統通過集中控制方式，融合不同站點的檢測機器人，將檢測機器人統一調度，統籌規劃，集中管理。進一步，通過定位系統對機器人準確導航、定位，采集電氣設備狀態和軌道運行狀態，即時向監控中心返回檢測數據和機器人本體工作狀態，同時，監控中心通過無線網絡對機器人實施監控并對返回的數據進行處理，即時發現軌道狀態的外觀異常和內部熱缺陷等故障，從而實現對城市地下軌道網絡安全、可靠地巡檢。
【專利說明】城市地下軌道智能檢測機器人集中控制系統及實現方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及軌道設備維護領域，特別涉及一種用于城市地下軌道智能檢測機器人 集中控制系統及實現方法。
【背景技術】
[0002] 傳統的市地下軌道巡檢工作主要由工作人員來完成，對于夜間巡檢的城市地下 軌道，會加大工作人員的勞動強度。巡檢工作是一件非常困難的工作，尤其對線路較長、 環境較惡劣的城市地下軌道，需要耗費大量的人力和時間；同時對于無人巡檢或少人巡 檢的地下軌道，當電氣設備故障時的應急指揮調度難度也非常大。因此運用智能機器人 系統在一定程度上代替人工對地下軌道實行自動巡檢，將成為地下軌道巡檢的發展趨勢。
【發明內容】
[0003] 有鑒于此，本發明的目的是提供一種城市地下軌道智能檢測機器人集中控制系 統，該系統通過集中控制方式，融合不同站點的檢測機器人，將檢測機器人統一調度，統籌 規劃，集中管理。
[0004] 進一步，通過定位系統對機器人準確導航、定位，采集電氣設備狀態和軌道運行 狀態，即時向監控中心返回檢測數據和機器人本體工作狀態，同時，監控中心通過無線網 絡對機器人實施監控并對返回的數據進行處理，即時發現軌道狀態的外觀異常和內部熱 缺陷等故障，從而實現對城市地下軌道網絡安全、可靠地巡檢。 本發明的目的是通過以下技術方案實現的： 城市地下軌道智能檢測機器人集中控制系統包括監控層、通信層和工作層，其中 所述監控層包括以下組成部分 數據管理站 其作用表現為數據信息管理，其包括數據管理工作中心、歷史數據服務器、監控工作 站、維護工作站、報表工作站。
[0005] 前置通訊 其作用表現為用作展現數據管理的窗口，其包括打印機、顯示屏幕。
[0006] 服務器 其作用表現為與互聯網絡連接端口，其包括安全隔離墻、web服務器。
[0007] 顯然，服務器、前置通訊與數據管理站通過局域網絡相互連接。
[0008] 所述工作層包括安全隔離墻和站點工作站 所述站點工作站包括監控中心、通訊網絡和巡檢機器人，所述監控中心通過通訊網絡 與巡檢機器人實現遠程監控和數據交換，其中， 所述監控中心包括以下組成部分： 監控主機平臺 其作用表現為中央數據處理系統； 巡檢監測后臺 其作用表現為接收巡檢機器人發回的監測數據并進行處理； 機器人遠程控制通訊裝置、 其作用表現為向巡檢機器人交換控制指令和檢測數據； 所述巡檢機器人包括以下組成部分： 機器人控制模塊 其作用表現為巡檢機器人本體數據控制中心； 機器人本體 其包括運動結構、驅動系統，其中，驅動系統與機器人控制模塊電聯接； 機器人導航系統 其作用表現為用于調整機器人的運動路徑規劃，其與機器人控制模塊電聯接； 機器人通訊模塊， 其作用表現為監控中心與機器人控制模塊間信息交換； 檢測系統，其包括圖像檢測裝置和超聲檢測裝置 其作用表現為檢測地下軌道運行狀態和電氣設備狀態； 所述監控層、工作層同過通信層相互交換數據。
[0009] 進一步監控層服務器包括安全隔離墻、web服務器，所述web服務器通過通訊層獲取數 據信息，經過安全隔離墻處理后，通過局域網傳輸至數據管理中心，經由數據管理工作站數 據分配，傳輸至歷史數據服務器、監控工作站、維護工作站、報表工作站和前端通訊。
[0010] 進一步，所述通訊層為廣域互聯網，其監控層服務器、工作層均通過廣域互聯網進 行數據交換。
[0011] 進一步，工作層安全隔離墻與通訊層想連接，并進行數據傳輸，所述工作層安全隔 離墻傳輸數據來至站點工作站，顯然，站點工作站數據通過安全隔離墻處理，通過廣域互 聯網，傳輸至監控層工作站。
[0012] 進一步，工作層一個安全隔離墻與一個站點工作站組成一個工作層基站，工作層 由若干個基站組成。
[0013] 進一步站點工作站巡檢監測后臺塊包括現場信號處理子模塊、電氣設備監控模 塊、軌道狀態監控模塊和監測數據存儲模塊，所述現場信號處理子模塊通過通訊網絡得到 巡檢機器人采集的相關數據，經過處理后傳輸至電氣設備監控模塊、軌道狀態監控模塊和 監測數據存儲模塊； 進一步，所述監控中心監測數據存儲模塊還包括電子地圖，用于顯示城市地下軌道 模擬場景以及巡檢機器人的實時位置和行走路線； 進一步，所述機器人導航系統包括多個定位傳感器，以及與機器人本體機構相聯接的 電控系統，所述電控系統根據定位傳感器采集的數據調整巡檢機器人的運動姿態； 進一步，所述定位傳感器包括超聲波傳感器、激光傳感器和室內GPS，所述室內GPS根 據事先設置在城市地下軌道系統的基站網絡進行實時數據交換，保證行走路線； 進一步，所述檢測系統包括圖像檢測裝置和超聲檢測裝置，所述的圖像檢測裝置包括 可見光攝像機和紅外攝像儀；所述超聲檢測裝置包括超聲波傳感器；所述檢測系統采集現 場數據信息通過通信網絡輸送至監控中心。
[0014] 進一步，所述通信網絡采用2. 4G無線網絡，同時在城市地下軌道網絡中，設有 2. 4G無線信號轉發基站； 本發明的有益效果是： 1. 本系統通過巡檢機器人對城市地下軌道的電氣設備狀態和軌道運行狀態檢測，并通 過通訊網絡實時將采集的相關數據發送至監控中心，工作人員可以對城市地下軌道的電氣 設備狀態和軌道運行狀態做實時監控； 2. 本系統通過信號處理子模塊、電氣設備狀態巡檢子模塊、軌道運行狀態監測子模塊 針對監控數據進行分析、處理，并對危險區域進行預警； 3. 本系統還包括電子地圖模塊，監控中心根據電子地圖，對巡檢機器人的工作過程進 行全面展現，其顯示直觀，便于工作人員及時地了解現場的巡檢狀況； 4. 本發明還具有可靠的機器人導航系統，使機器人要能夠沿著預設路線巡游，同時對 電氣設備狀態和軌道運行狀態能夠準確定位； 5. 本發明基于軟復制技術的數據庫雙機一致性處理機制，保證了數據庫的一致性。
[0015] 6.本發明采用動態數據管理技術極大減輕了數據錄入的負擔；提供數據管理庫， 能全面處理各種數據管理的需求；與圖形平臺具有無縫接口，提供模擬預演功能。
[0016] 7.本發明采用集中控制模式，融合不同站點的檢測機器人，將檢測機器人統一調 度，統籌規劃，集中管理。
[0017] 本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并 且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者 可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利 要求書來實現和獲得。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進 一步的詳細描述，其中： 圖1為集控網絡框圖； 圖2為本發明的站點工作站系統布局框圖； 圖3為通訊網絡連接拓撲圖； 圖4為檢測系統傳輸的結構示意圖； 圖5為電子地圖的組成示意圖； 圖6為數據管理層級圖。
【具體實施方式】
[0019] 以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實 施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。
[0020] 圖1為本發明的集控網絡框圖，如圖1所示，城市地下軌道智能檢測機器人集中 控制系統包括監控層、通信層和工作層，其中： 所述監控層包括以下組成部分 數據管理站 其作用表現為數據信息管理，其包括數據管理工作中心、歷史數據服務器、監控工作 站、維護工作站、報表工作站。
[0021] 前置通訊 其作用表現為用作展現數據管理的窗口，其包括打印機、顯示屏幕。
[0022] 服務器 其作用表現為與互聯網絡連接端口，其包括安全隔離墻、web服務器。
[0023] 顯然，服務器、前置通訊與數據管理站通過局域網絡相互連接。
[0024] 所述工作層包括安全隔離墻和站點工作站 所述站點工作站包括監控中心、通訊網絡和巡檢機器人，所述監控中心通過通訊網絡 與巡檢機器人實現遠程監控和數據交換，其中， 所述監控中心包括以下組成部分： 監控主機平臺 其作用表現為中央數據處理系統； 巡檢監測后臺 其作用表現為接收巡檢機器人發回的監測數據并進行處理； 機器人遠程控制通訊裝置、 其作用表現為向巡檢機器人交換控制指令和檢測數據； 所述巡檢機器人包括以下組成部分： 機器人控制模塊 其作用表現為巡檢機器人本體數據控制中心； 機器人本體 其包括運動結構、驅動系統，其中，驅動系統與機器人控制模塊電聯接； 機器人導航系統 其作用表現為用于調整機器人的運動路徑規劃，其與機器人控制模塊電聯接； 機器人通訊模塊， 其作用表現為監控中心與機器人控制模塊間信息交換； 檢測系統，其包括圖像檢測裝置和超聲檢測裝置 其作用表現為檢測地下軌道運行狀態和電氣設備狀態； 所述監控層、工作層同過通信層相互交換數據。
[0025] 優先地，web服務器通過廣域互聯網獲取數據，經過安全隔離墻進行處理傳輸至數 據管理工作站；數據管理工作站將原始數據經行備份處理并傳輸至歷史數據服務器，監控 工作站實時顯示前端站點工作站運行時間、運行數據、運行畫面；維護工作站其作用為維護 數據管理中心軟件系統；報表工作站為數據集中輸出平臺。
[0026] 所述安全隔離墻對傳輸數據經行加密、解密處理。
[0027] 所述前端通訊其包括打印機、顯示屏幕，其作用為對外部展示運行效果。
[0028] 所述工作層安全隔離墻與通訊層想連接，并進行數據傳輸，所述工作層安全隔離 墻傳輸數據來至站點工作站，顯然，站點工作站數據通過安全隔離墻處理，通過廣域互聯 網，傳輸至監控層工作站。
[0029] 進一步，工作層一個安全隔離墻與一個站點工作站組成一個工作層基站，工作層 由若干個基站組成。
[0030] 進一步站點工作站巡檢監測后臺塊包括現場信號處理子模塊、電氣設備監控模 塊、軌道狀態監控模塊和監測數據存儲模塊，所述現場信號處理子模塊通過通訊網絡得到 巡檢機器人采集的相關數據，經過處理后傳輸至電氣設備監控模塊、軌道狀態監控模塊和 監測數據存儲模塊； 圖2為本發明的站點工作站系統布局框圖，如圖2所示，本發明的站點工作站系統， 主要包括控制中心6、通訊網絡7和巡檢機器人8三大部分，監控中心6通過通訊網絡7與 巡檢機器人8實現遠程操控和數據傳輸，其中，監控中心主要包括以下組成部分 ： 監控主機平臺16 ; 巡檢監控后臺17 :包括信號處理子模塊1、電機設備控制子模塊2、軌道狀態監控模塊 3、監控數據儲存模塊4; 遠程控制裝置5 ; 巡檢機器人7包括以下組成部分： 機器人控制模塊9,其作用表現為巡檢機器人本體數據控制中心； 機器人本體15,其包括運動結構、驅動系統，其中，驅動系統與機器人控制模塊電聯 接； 機器人導航系統10,其作用表現為用于調整機器人的運動路徑規劃，其與機器人控制 模塊電聯接； 機器人通訊模塊11，其作用表現為監控中心與機器人控制模塊間信息交換； 檢測系統12,其包括圖像檢測裝置和超聲檢測裝置，其作用表現為檢測地下軌道運行 狀態和電氣設備狀態； 圖3為通訊網絡連接拓撲圖，如圖所示，通訊網絡包括監控中心端天線、轉發基站、 機器人本體端天線、機器人本體。
[0031] 圖4為檢測系統傳輸的結構示意圖，本傳輸結構將圖像檢測裝置、超聲檢測裝置 采集的數據信息，通過通訊網絡與監控后臺的電氣設備監控模塊和軌道狀態監控模塊經行 數據交換，使監控后臺獲取電氣設備和軌道運行狀態數據。 圖5為電子地圖的組成示意圖，如圖所示，該電子地圖主要包含電子地圖，機器人狀態 和路徑規劃三大板塊，其中，電子地圖用于展現城市地下軌道的模擬場景，巡檢機器人通過 無線網絡將自身所處的位置、行走路線、正在進行的工作等狀態信息回傳至監控中心后臺， 經過處理后在電子地圖上展現給工作人員。這使得工作人員以非常直觀的方式了解現場 的情況，也使得人機界面十分友好。 機器人狀態顯示是在利用虛擬地圖技術的基礎上，通過3D圖形方式實時展現機器人 行走路徑、機器人運行狀態、設備定位位置以及實施路徑規劃等。在虛擬地圖開發軟件和計 算機硬件的支持下，將實際的地理空間信息與計算機虛擬的圖形界面關聯起來實現對機器 人狀態的遠程監控。 路徑規劃分為全局路徑規劃和局域路徑運行，全局路徑規劃是由電子地圖提供相應地 圖信息和任務信息，按照路徑最短、轉彎最少、綜合最優等多種策略，規劃處機器人的運動 路徑；局域路徑運行時機器人通過導航系統收集周圍環境數據和全局路徑規劃的結果進行 綜合分析，實時給出機器人局部路徑，即巡檢機器人的速度和轉彎角度命令，傳輸給控制模 塊。
[0032] 控制模塊通過實時接收局部行為規劃結果，對車體進行動力學建模，將接收到的 速度指令分解到各個電機，解算出各個電機需要承受的速度，從而實現機器人的自主運動。
[0033] 圖6為數據管理層次圖，所述數據管理層次包括基站層、組件層、邏輯層和管理 層。其中組件層包括： JSP組件： JSP組件使用Java編程語言編寫類XML的tags和scriptlets，來封裝產生動態輸出 的處理邏輯。網頁還能通過tags和scriptlets訪問存在于服務端的資源的應用邏輯。JSP 將網頁邏輯與網頁設計的顯示分離，可重用的基于組件的設計，將表示邏輯從Servlet中 分離出來。
[0034] Servlet 組件： 本發明實現在服務器上運行Java，本組件可使用Java編程語言實現。在通信量大的服 務器上，Java servlet的優點在于它們的執行速度更快于CGI程序。各個用戶請求被激活 成單個程序中的一個線程，而無需創建單獨的進程，其降低服務器端處理請求的系統開銷。
[0035] 所述管理層包括： 數據庫管理系統： 其對數據庫進行統一的管理和控制，以保證數據庫的安全性和完整性。工作人員通 過數據庫管理系統訪問數據庫中的數據，也可以進行數據庫的維護工作；其可實現多個應 用程序和用戶用不同的方法在同時或不同時刻去建立、修改和詢問數據庫。本發明采用 DBMS提供數據定義語言DDL (Data Definition Language)與數據操作語言DML (Data Manipulation Language),供用戶定義數據庫的模式結構與權限約束，實現對數據的追加、 刪除等操作。
[0036] 網絡管理系統： 其包括路由器、交換機、服務器、工作站、安全隔離墻、前置通訊等硬件設備，并以虛擬 連接形式展現，給網絡系統管理員提供一個全面系統的網絡管理視圖。
[0037] 客戶管理系統： 其作用為集中管理、維護站點工作站管理平臺，各個站點工作站可通過客戶管理系統 進行數據上報、分析、下載。
[0038] 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照 較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明 的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在 本發明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1. 城市地下軌道智能檢測機器人集中控制系統包括監控層、通信層和工作層，其中所 述監控層包括以下組成部分；數據管理站、其作用表現為數據信息管理，其包括數據管理工 作中心、歷史數據服務器、監控工作站、維護工作站、報表工作站；前置通訊，其作用表現為 用作展現數據管理的窗口，其包括打印機、顯示屏幕；服務器、其作用表現為與互聯網絡連 接端口，其包括安全隔離墻、web服務器。
2. 根據權利要求1，所述站點工作站包括監控中心、通訊網絡和巡檢機器人，所述監 控中心通過通訊網絡與巡檢機器人實現遠程監控和數據交換。
3. 根據權利要求2,所述監控中心包括：監控主機平臺，其作用表現為中央數據處理 系統；巡檢監測后臺，其作用表現為接收巡檢機器人發回的監測數據并進行處理；機器人 遠程控制通訊裝置，其作用表現為向巡檢機器人交換控制指令和檢測數據。
4. 根據權利要求3,所述巡檢機器人包括以下組成部分：機器人控制模塊，其作用表 現為巡檢機器人本體數據控制中心；機器人本體，其包括運動結構、驅動系統，其中，驅動 系統與機器人控制模塊電聯接；機器人導航系統，其作用表現為用于調整機器人的運動路 徑規劃，其與機器人控制模塊電聯接；機器人通訊模塊，其作用表現為監控中心與機器人控 制模塊間信息交換；檢測系統，其包括圖像檢測裝置和超聲檢測裝置。
5. 根據權利要求1，所述監控層服務器包括安全隔離墻、web服務器，所述web服務器 通過通訊層獲取數據信息，經過安全隔離墻處理后，通過局域網傳輸至數據管理中心，經由 數據管理工作站數據分配，傳輸至歷史數據服務器、監控工作站、維護工作站、報表工作站 和前端通訊。
6. 根據權利要求5,所述通訊層為廣域互聯網，其監控層服務器、工作層均通過廣域互 聯網進行數據交換。
7. 根據權利要求3,所述工作層安全隔離墻與通訊層想連接，并進行數據傳輸，所述工 作層安全隔離墻傳輸數據來至站點工作站，顯然，站點工作站數據通過安全隔離墻處理， 通過廣域互聯網，傳輸至監控層工作站。
8. 根據權利要求6,所述站點工作站巡檢監測后臺塊包括現場信號處理子模塊、電氣 設備監控模塊、軌道狀態監控模塊和監測數據存儲模塊，所述現場信號處理子模塊通過通 訊網絡得到巡檢機器人采集的相關數據，經過處理后傳輸至電氣設備監控模塊、軌道狀態 監控模塊和監測數據存儲模塊。
【文檔編號】G05B19/418GK104122843SQ201310142997
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月24日 優先權日:2013年4月24日
【發明者】付秀琢, 張紅霞, 高立營 申請人:山東輕工業學院