基于AI和5G技术的铁路智能消毒清洁机器人研究方案
时间：2023-06-05 19:30:21 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈 斌 中国铁路上海局集团有限公司沿海铁路浙江有限公司
人工AI和机器人在当下最为紧迫要去攻克的技术，是实现用技术去完成简单而重复性高、人工意愿较低的工作，以及危险区域如矿区、火灾现场及消毒杀菌的人力劳动工作。当下的保洁行业，保洁人员紧缺问题已经相当严重，机器人必将进入商用清洁市场，去从事人不愿意或不适应的清洁和消毒杀菌工作。
目前国外机器人的成本与人工成本已基本持平，在欧美等发达国家，机器人的应用成本低于人工。国外尤其是欧美、日韩对于功能型机器人的接受度普遍较高，使用机器人意愿强。
国内随着经济的快速发展，人口老龄化程度提升，使用机器人的趋势越来越明显，对机器人的接受度在快速提升。目前在国内机场、大型商场、企业大厅、广场、物流、大学、金融等领域已逐步引入了商用清洁机器人。在医疗领域尤其是疫情的影响，更是有力的促进了病房、手术室等场地对智能杀菌和消毒机器人的运用。
传统人工与智能机器人应用对比。
以上海某商场为例，表1 为人工与无人的对比。有人驾驶水平处于中间位置。一台设备平均可代替2-4 人力，运营2-3年，达到现行的运营方式。
表1 人工与无人的对比
基于以上铁路保洁现状和智能机器人的技术发展和市场应用现状，有必要在进一步提高保洁工作效率、降低总体运营成本、降低人工劳动强度、加强铁路车站公共卫生安全、管理数字化智能化等方面进行研究，逐步使用和推广基于保洁和消毒两大功能的铁路新型智能机器人。
铁路新型智能机器人拟集成业界的清洁机器人、消毒机器人的主要功能模块，并结合智能导航技术、AI 自动避障技术、综合尘推洗地消毒三位一体、全自动化（自主加排水、自主回收污水、自主充电）、5G智能云管理平台，大大提高了机器人的实用性、可维护性和高性价比。而且该方案和产品的研发价值将不仅适用于铁路车站场景，还将适用于社会其它场景如机场、商场、宾馆、企业办公大楼等，具有很大的市场推广效应和社会效益。
3.1 基于SLAM(即时定位和建图)技术的智能导航功能
（1）环境感知。具有多模态多传感器融合的环境感知能力。
（2）建图。可以实现二维和三维地图构建；
二维建图面积可达100 万m2，三位建图面积可达50 万m2；
地图构建栅格分辨率5 cm；
支持录制路径、手绘路径、路径组合、路径点等多种路径管理方式；
可绘制虚拟墙；
可设置展示区域；
可设置HighLight 区域，重点参考改区域内的环境特征；
可设置斜坡区域，对斜坡做相应处理；
可设置减速区域，以平滑减速模式度过改区域；
可使用辅助传感器基于全局地图信息匹配算法对地图进行强制闭环。
（3）定位。室内场景下平均定位精度达到3 cm 以内，任务点定位精度在2 cm 以内；
室外场景下，平均定位精度达到5 cm 以内，任务点定位精度在3 cm 以内；
在环境变化不大于30%的条件下保持定位精度。
（4）导航。具有定点导航、录制路径、手绘路径、轨道模式、组合导航等路径规划方法；
定点导航模式下，能自主生成最优路径，室内到达目标点的导航精度3 cm；
定点导航模式下能自主生成最优路径，室外到达目标点的导航精度5 cm；
录制路径模式下，可以沿示教路线运行，并自主优化路径，对路径进行平滑性处理；
手绘路径模式下，可以沿手绘规定路线运行，导航过程精度3 cm；
轨道模式下，可以自主导航到任务点，并有限沿轨道运行；
组合导航模式下，可以对上述模式进行组合；
导航最大速度可达到1.5 m/s；
支持导航过程中去噪点功能。
3.2 基于AI人工智能算法的自动避障功能
机器人采用了基于AI人工智能算法进行自动避障。
机器人可以选择遇到障碍物停止或绕行。
停障模式下，可以提前2.5 m 发现障碍物并在距离障碍物1 m及以上安全距离保持挺直；
绕障模式下，能够识别导航路径上的精致障碍物，能够提前2 m 规划平滑绕障路径；
绕障过程中和障碍物保持不少于10 cm的安全距离。
可以3s预测和识别行人、细杆、动态障碍物、静态障碍物等并采用在减速距离内减速运行并在保持一定的安全停障距离采用停车一定时间（如对障碍物停0.8 s、对人停1.5 s 或2 s-5 s）后绕障的方式。
3.3 尘推、洗地、消毒三大功能（扫、拖、消一栈式集成解决方案）
单一的扫地（尘推）或拖洗（洗地）或消毒功能无法满足当前铁路各复杂场景条件下的清洁和消毒需求，因此需要将除尘、拖洗以及消毒功能进行集成，装载在机器人运动模块上完成相应的任务。
（1）尘推模式
尘推的工作原理是尘推与地面摩擦时产生的静电，从而使灰尘吸起，为增加尘推套上的静电，许多单位使用静电除尘剂；
尘推油，学名叫“静电牵尘液”，一般是一种无色，有浓烈柴油味道的液体。顾名思义，这种材料是通过产生静电，从而将细小的微尘吸附到尘推头上带走，达到比较深度的除尘效果。尘推油也分为两种：
①水性尘推油。水性尘推油是一种水性液料。成本很低，效果一般
②油性尘推油。油性尘推油就是我们最常见到和用到的油性液料产品。它的优点是成本较低、吸附力和通用性都很强，性价比高。
（2）洗地模式
拖洗功能主要通过添加清水及洗涤剂，通过清洁刷盘与地面摩擦实现。限于机器人内空间限制以及无人化操作的需求，需要对污水进行回收以及循环利用。清洁地面后的污水通过内部的真空电机抽回进入污水箱。通过多级过滤系统将污水过滤回收复用，保证作业用水的水质。
（3）消毒模式
地面消毒—洗地和湿拖消毒。通过将洗涤剂更换为次氯酸钠溶液方式，采用洗地或湿拖模式进行地面消毒。
相对于清洁模式，消毒模式对出水（消毒液）量具有更加精准的控制，根据地面水量要求也可设置为回收或不回收模式。
3.4 自主加排水、自动回收污水、自主充电的全自动和无人化具有工作站，可以实现自主加排水、自动回收污水、自主充电功能
可以实现充电条前置自动充电；
可以实现充电条后置自动充电；
可以实现激光识别自动充电；
可以实现二维码对桩自动充电；
可以实现小空间充电坞自动充电。
工作站与设备间采用LORA（远距离无线电）通信，工作站具有实时监控清水箱和污水箱、地漏排水、加水保护、排水保护、自主导航对接功能。
3.5 支持5G的智能云管理平台
建议铁路智能机器人集成5G 通信模块，并具有自主的云管理平台，能够将清洁消毒任务数字化，自动生成报告，并可通过5G 实时监控。可以绑定邮箱，便于管理者远程管控全局。可以使用手机APP 端随时随地掌控机器工作状态；
机器人各项传感器实施监控画面和任务。
机器的参数配置：
通过平台可实现远程参数配置，实时按需更改。
机器状态查询：
机器运行状态一目了然，让管理者在电脑前即可实时掌控设备。
远程监控：
深度摄像头图像可实时传输至云平台，让管理者第一时间了解设备运行周边环境。
任务管理：
便捷的任务管理，可让管理制度时刻了解任务进度，任务调配等。
OTA升级（支持工程师）：
软件版本升级可通过OTA 方式（Over The Air），让设备第一时间更新至最新适配版本。
耗材寿命监督等：
方便使用者时刻了解掌握设备状态；
让管理者通过最便捷的方式了解到设备耗材的使用情况，避免现场查看带来的检索步骤。
支持接入第三方云平台：
通过开放的协议接口可将机器人工作状态等信息接入铁路既有的第三方云管理平台。
4.1 车站候车大厅和到达大厅解决方案
采用清洗宽度＜=800 mm/＜=500 mm 的洗地/消毒/除菌一体机方式。根据保洁的可工作时间和保洁区域合理规划机器人的设置数量。当保洁可工作时间＞4h，则每100 m/50 m区域设置1 台机器人，每100 m/50 m 区域设置1 台工作站进行自动充电和补水，实现自主加排水、自动回收污水、自主充电的全自动和无人化。
机器人具有先进的智能导航和智能算法，能够自主行走、自主避障。能够对清洁区域进行提前地图导入和路径预规划，可选择尘推和洗地模式，可对特殊区域如地毯区、大理石区支持预先区域定位设置清洁和自动识别清洁两种模式。支持84 消毒液和次氯酸钠溶液按200 ppm(即母液0.2 kg，配置100 kg 溶液)浓度配置，支持洗地和湿拖模式进行消毒，在地面覆盖消毒液水膜，进行灭活。能够对闸机进行雾化过氧化氢喷雾式消毒。
设置3D 激光雷达、深度摄像头、超声传感器和电子防撞条，自主识别环境/污渍，自动行走移动。融合自动避障、防撞、防打滑、防跌落，安全可靠。设置空气质量监测传感器。
支持智能语音、触摸屏、APP 等多种人性化交互方式。支持4G/5G 通信模块，可定时回传管理平台清洁数据(报告任务详情、反馈任务进度、检测清洁质量、空气质量等)。
4.2 检票区/出站闸机区解决方案
采用清洗宽度＜=500 mm 的洗地/消毒/除菌一体机方式。根据保洁的可工作时间和保洁区域合理规划机器人的设置数量。当保洁可工作时间＞4 h，则每50 m 区域设置1 台机器人，利用候车大厅/到达大厅的工作站进行自动充电和补水，实现自主加排水、自动回收污水、自主充电的全自动和无人化。
其他方面解决方案与上述车站候车大厅和到达大厅保持一致。
进行铁路智能机器人解决方案的研究，可以给铁路客运专业的保洁业务带来以下显著的经济效益和社会价值：
（1）推动铁路清洁消毒的数字化和智能化，提高铁路的社会形象
铁路智能机器人采用了AI 人工智能的一系列的先进视觉感知硬件（机器视觉相机、TOF 摄像头、激光雷达）、智能导航技术（SLAM 技术、GPS 技术、建图技术）、智能避障技术（深度学习和物体识别算法的先进环境感知算法）、支持5G 的智能云管理技术等。在铁路行业深入推广和采用铁路智能机器人能够推动铁路清洁消毒工作的数字化和智能化，提高铁路智能化管理水平，并进一步提高铁路的社会形象。
（2）极大程度的减轻保洁人员的工作强度
铁路智能机器人取代了保洁人员的人工或有人驾驶清洁设备的绝大多数清洁工作，将人员从占用最多清洁时间的工作里解脱了出来。保洁人员可以重点只做座椅污渍、角落和突发污渍的处理，对机器人只有少量的日常开机、带离等维护工作。因此铁路智能机器人可极大程度的减轻保洁人员的工作强度和减少工作时间。
（3）进一步减少保洁人员的数量和人力成本
铁路智能机器人通过承担绝大多数清洁工作的自动化，将大大减少每个车站的保洁人员的数量，从而降低了保洁人员的人力工资、社保、管理、安全等人力成本和管理成本，避免了保洁人员需要换班等的多重配置。通常一台机器人将大约替代3-4 人的主要工作，大约2-3 年即可相当于原有的人力成本投入。而机器人的生命周期＞8年，对铁路保洁总体成本进一步大大节省。
（4）提高保洁业务质量，增加消毒杀菌功能，更安全
由于铁路智能机器人的智能导航和人工智能相结合，路径规划、清洁、消毒、加水、充电的自动化，相比于人工或有人驾驶清洁设备其清洁质量有着更高的保障。同时还可以对清洁质量进行检测和统计。
另外，对于车站公共交通枢纽增加消毒杀菌功能，进一步提高了铁路保洁业务在保障社会公共环境卫生的健康和安全性，具有很好的社会反响和保护人民的评价。
（5）支持5G 的云平台管理，提高保洁业务的数据化和可管理化
通过支持智能语音、触摸屏、APP 等多种人性化交互方式，支持4G/5G 通信模块，可回传管理平台清洁数据(报告任务详情、反馈任务进度、检测清洁质量、空气质量等)，进一步加强了铁路客运专业对保洁业务的数据分析和有效管理。
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