[摘" " 要]在我國當(dāng)前的智能生產(chǎn)以及管控建設(shè)過程中，巡檢機(jī)器人已經(jīng)能夠有效代替部分人工操作，并且具備較強(qiáng)的應(yīng)用質(zhì)量。以巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)作為主要研究對象，分析混合通信技術(shù)?；旌贤ㄐ偶夹g(shù)能夠有效改善遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的巡檢模式，同時(shí)可以在實(shí)時(shí)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，提升巡檢機(jī)器人的工作有效性，能夠?yàn)楣ぷ魅藛T的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供良好平臺(tái)。

[關(guān)鍵詞]混合通信技術(shù);機(jī)器人;遠(yuǎn)程巡檢;監(jiān)控系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

隨著信息技術(shù)的不斷創(chuàng)新，當(dāng)前利用科技來改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式，已經(jīng)成為多方關(guān)注的重點(diǎn)。以智能化技術(shù)為基準(zhǔn)打造的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，更是可以為當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展提供有效保障。以案例分析法和理論分析法作為主要分析方式，針對性分析遠(yuǎn)程巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的通信技術(shù)，不僅能夠進(jìn)一步提升通信技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，也可以為巡檢機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)新提供根本保障。

1 研究現(xiàn)狀

國外的巡檢機(jī)器人最初誕生于1980年，以美國、日本以及加拿大等國家為首，落實(shí)了巡檢機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)，同時(shí)取得了較為明顯的進(jìn)展[1]。綜合最初的巡檢機(jī)器人研發(fā)情況來看，雖然具備翻越障礙物的功能，但是自重和尺寸較大，實(shí)用性不高，同時(shí)也未配備無線通信模塊，只可以利用IC卡來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這種方式導(dǎo)致信息傳輸存在困難。

國內(nèi)1990年開始開展關(guān)于巡檢機(jī)器人的研究。武漢大學(xué)設(shè)計(jì)的越障功能擺臂式兩臂機(jī)器人得到了社會(huì)的關(guān)注，后續(xù)以此技術(shù)體系為基礎(chǔ)，又研發(fā)出了多種類型的障礙物識(shí)別技術(shù)以及遠(yuǎn)程遙控體系。但是從綜合實(shí)際應(yīng)用情況來看，由于機(jī)器人需要深入到環(huán)境較為惡劣的區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，大部分障礙物的遮擋會(huì)進(jìn)一步降低通信的有效性。這就要求要在通信體系方面進(jìn)行深入研究和分析，打造高質(zhì)量的通信技術(shù)，確保能夠?yàn)闄C(jī)器人的遠(yuǎn)程控制提供更多的可能性。

2 智能巡檢機(jī)器人通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)涉及到光纖通信網(wǎng)絡(luò)和中繼（無線）傳感器這兩個(gè)重要的組成結(jié)構(gòu)。從具體的網(wǎng)絡(luò)傳感模型角度來看，多跳分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)傳感器都被劃分成了不同的“簇”。每一個(gè)“簇”都包含了一個(gè)簇頭以及多個(gè)節(jié)點(diǎn)[2]，其中，多個(gè)成員節(jié)點(diǎn)會(huì)將感知到的信息直接發(fā)送到簇頭，簇頭再將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整合，然后發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。在這樣的傳輸結(jié)構(gòu)中，不同節(jié)點(diǎn)具有不同的職能。例如，能量較低的節(jié)點(diǎn)將直接進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測以及數(shù)據(jù)信息的收集，然后將其進(jìn)行上一級傳送，而能量較高的節(jié)點(diǎn)將直接轉(zhuǎn)化為簇頭，主要處理收集到的相關(guān)信息，并且進(jìn)行信息發(fā)送。

另外，結(jié)合簇的實(shí)際分化方式來看，可以綜合每一個(gè)節(jié)點(diǎn)距離簇頭的實(shí)際距離進(jìn)行劃分。例如，可以將其分成多跳簇結(jié)構(gòu)（圖1a）以及單跳簇結(jié)構(gòu)（圖1b）。

2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

綜合傳感器本身的可移動(dòng)性特點(diǎn)，整體通信網(wǎng)絡(luò)可以劃分成移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和靜止傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中，靜止傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都不可移動(dòng)，適用于當(dāng)前的大部分場合。在某些特殊的遠(yuǎn)程巡檢要求下，則需要使用移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)可移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，可以進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，同時(shí)也可以滿足特殊的巡檢和遠(yuǎn)程操控需求。

2.3 網(wǎng)絡(luò)連通問題分析

當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的驗(yàn)證方式，往往是無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂乞?yàn)證方法。主要指在確保網(wǎng)絡(luò)連通的情況下，促使網(wǎng)絡(luò)整體的通信結(jié)構(gòu)能夠滿足稀疏狀態(tài)下的實(shí)際通信要求。全面減少工作節(jié)點(diǎn)數(shù)，簡化通信節(jié)點(diǎn)之間的路由機(jī)制，降低節(jié)點(diǎn)能耗，從而進(jìn)行通信質(zhì)量的提升。

3 巡檢機(jī)器人通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)以及優(yōu)化策略

3.1 組網(wǎng)方案分析

綜合技術(shù)條件以及通信方案，本文借助某電力桿塔巡檢機(jī)器人作為主要研究對象，通過無線多跳中心節(jié)點(diǎn)混合組網(wǎng)方案進(jìn)行通信模塊的研發(fā)。這種方案能夠?yàn)闄C(jī)器人主體提供高效便捷的通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將opgw光纜通信設(shè)備作為主要的輔助設(shè)備，能夠有效增強(qiáng)通信的質(zhì)量以及穩(wěn)定性。從具體的通信節(jié)點(diǎn)角度來講，無線通信設(shè)備每隔10km布置通信節(jié)點(diǎn)，光纖通信模塊以及大功率無線通信設(shè)備，需要每間隔40km布置通信節(jié)點(diǎn)[3]。

多跳簇多跳無線網(wǎng)絡(luò)主要是通過多條通信路徑來為機(jī)器人提供通信服務(wù)，其中，通信協(xié)議是建立在能量基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)的，確保利用最小的功耗來提供最為穩(wěn)定的通信鏈路以及切換方案。核心設(shè)備是大功率無線通信設(shè)備，能夠有效提升整體通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)信息的傳輸質(zhì)量。

3.2 輔助性設(shè)備分析

3.2.1 太陽能基站及上下線裝置

除了對機(jī)器人通信外，通信網(wǎng)絡(luò)能夠與太陽能基站、上下線裝置進(jìn)行通信連接。太陽能基站能夠建立在本地網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，生成串口通信協(xié)議，上下線裝置通信按照本地局（無線/有線）域網(wǎng)的通信協(xié)議工作。

3.2.2 通信節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)

在整體機(jī)器人的通信方案設(shè)置過程中，以無線多跳中心節(jié)點(diǎn)混合式組網(wǎng)方式作為核心方案，其中，通信節(jié)點(diǎn)主要分為普通通信節(jié)點(diǎn)以及跳簇中心通信節(jié)點(diǎn)這兩種類型。前者主要指建立在機(jī)器人系統(tǒng)個(gè)體組件的基礎(chǔ)上，提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)的通信體系。例如，機(jī)器人本體利用無線鏈路和通信節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，太陽能充電基站以及上下線裝置則采用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。太陽能充電基站采用RS232串行接口，自動(dòng)上下線裝置采用RJ45網(wǎng)線接口。

3.2.3 通信設(shè)備及天線

例如，在電力工程桿塔的巡檢中應(yīng)用智能機(jī)器人，假設(shè)桿塔節(jié)點(diǎn)的最大距離為10km，中心節(jié)點(diǎn)與桿塔之間的最大距離為40km，每一個(gè)桿塔上都要配備無線通信設(shè)備，且所有的設(shè)備型號(hào)以及規(guī)格相同，這時(shí)節(jié)點(diǎn)通信的最大距離需要以中心節(jié)點(diǎn)和桿塔之間的距離為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

微波中繼通信是遠(yuǎn)距離無線傳輸?shù)闹匾M成部分，其中的通信電磁波以微波為主，波長控制在0.1～1000mm。這樣能夠有效避開微波公用頻段，避免受到其他信號(hào)的干擾，同時(shí)也可以選擇頻率控制在4000MHz的特高頻無線電[4]。綜合這樣的傳輸介質(zhì)，可以結(jié)合其自由空間路徑和損耗情況進(jìn)行軟件分析，利用Matlab軟件繪制具體的二維曲線，如圖2所示。

建立在最遠(yuǎn)40km的通信條件下，無線電頻率控制在4000MHz，最終的路徑損耗數(shù)值為136.5dB。數(shù)值滿足具體的傳輸需求，能夠有效保障數(shù)據(jù)信息的傳輸，具有精準(zhǔn)性和及時(shí)性。

無線通信系統(tǒng)中的天線主要分為全向天線和定向天線。全向天線能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍以及大角度的通信信號(hào)接收以及發(fā)射，定向天線只能針對某一個(gè)方向或?qū)δ骋粋€(gè)角度范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行發(fā)射和接收。綜合巡檢機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過程中的具體通信組網(wǎng)天線選擇情況見表1。

3.3 巡檢機(jī)器人遠(yuǎn)程遙控通信結(jié)構(gòu)

在以上通信技術(shù)、節(jié)點(diǎn)、設(shè)備和天線等多種要素的整合基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸概率以及轉(zhuǎn)發(fā)概率來驗(yàn)證機(jī)器人中心節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)通信的可能性，由此打造整體的通信點(diǎn)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

3.4 后臺(tái)終端遙控系統(tǒng)

后臺(tái)終端遙控系統(tǒng)涉及機(jī)器人系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、集中顯示系統(tǒng)和應(yīng)急指揮系統(tǒng)等多種模塊[5]。后臺(tái)監(jiān)控需要直接介入到電網(wǎng)中心，綜合開放接口來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控。大屏幕監(jiān)控墻顯示相關(guān)數(shù)據(jù)信息以及機(jī)器人自身的運(yùn)行狀態(tài)，建立在服務(wù)器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自身核心系統(tǒng)的管理。服務(wù)器往往以監(jiān)控終端以及工業(yè)級的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為主。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)功能見圖4，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制中心與電力系統(tǒng)的對接，這種遠(yuǎn)程系統(tǒng)可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享。

另外在多機(jī)器人并行通信方式的主從控制模式下，只要設(shè)定相對應(yīng)的機(jī)器人通信系統(tǒng)，便可以建立并聯(lián)的連接網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從屬機(jī)器人與主機(jī)器人的通信。主機(jī)器人將接收到的信息進(jìn)行匯總整合之后，可以直接通過后臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)顯示相關(guān)信息[6]。在這種并聯(lián)通信結(jié)構(gòu)中，各機(jī)器人都可以完成不同的任務(wù)，從而滿足智能化巡檢的需求。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前智能化生產(chǎn)以及管控過程中，落實(shí)好機(jī)器人巡檢體系的創(chuàng)新以及混合通信技術(shù)的研發(fā)，打造科學(xué)有效的通信模式，能夠有效提升巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控質(zhì)量。建立在上述技術(shù)體系的基礎(chǔ)上，不斷進(jìn)行技術(shù)體系創(chuàng)新和試驗(yàn)，能夠進(jìn)一步提升巡檢機(jī)器人的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用范圍。通信技術(shù)的優(yōu)化也可以為我國相關(guān)工程的技術(shù)研發(fā)提供有效保障。

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作者簡介

陳丹（1994—），女，安徽安慶人，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)槭姓缆贰⒔煌üこ探ㄔO(shè)管理。