云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局 馮俊宗 昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院 羅靈琳

近年以來隨著信息技術(shù)發(fā)展和信息安全的需要，為便于集中統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)中心朝集成化、中心化方向發(fā)展。隨著設(shè)備服役年限的增加易因設(shè)備故障、絕緣老化、過載過流、自燃或外界因素等造成設(shè)備故障[1]。然而數(shù)據(jù)中心作為不間斷的重要設(shè)備全天候運行，倘若依靠人工不僅費時費力，而且當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心一般安裝氣體滅火系統(tǒng)（六氟丙烷），極端條件下人身安全也受到嚴(yán)重威脅。故有必要利用機器人對數(shù)據(jù)中心各機柜進行定時巡檢，將工作過程采集的現(xiàn)場信息及時反饋給工作人員，實現(xiàn)遠程的監(jiān)測與控制。

當(dāng)前火情機器人隨著機器人智能控制技術(shù)的發(fā)展，具備了集現(xiàn)場偵查和滅火一體化的功能，大大提高了其自動化和智能化程度。我國四川省的瀘州市就利用特種機器人組建了一支機器人的消防救援大隊，用于保障人民的生命和財產(chǎn)安全。文獻[2-3]展示了當(dāng)前國內(nèi)較為先進的火情機器人的情況，即具有多傳感器和攝像裝置反饋現(xiàn)場狀況并同時攜帶滅火裝置，甚至可以實現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場的人員救援。越來越多的無人值守場所配置先進的集巡檢、報警、滅火一體的火情機器人以適應(yīng)智慧城市發(fā)展的需要。

當(dāng)前對機器人的巡檢路徑優(yōu)化集中在算法研究文獻[4-6]。文獻[4]提出利用深度學(xué)習(xí)方法在無先驗條件下設(shè)立獎懲函數(shù)機制優(yōu)化路徑規(guī)劃；文獻[5]針對機器人轉(zhuǎn)角問題，加入轉(zhuǎn)角因子和評價函數(shù)來約束蟻群算法，達到改進路徑的目的；文獻[6]對更為復(fù)雜的無人機路徑問題進行了展望，介紹了路徑模型建立的過程并比較了常見集群算法的優(yōu)劣。當(dāng)前研究鮮有對巡檢設(shè)備周期性巡查路徑優(yōu)化的研究。

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展和安全穩(wěn)定運行的需要，越來越多無人值守的重要場所配置機器人進行火情隱患巡檢，機器人的研究主要集中在利用算法的優(yōu)化路徑，但是對機器人的巡檢路徑研究很少有針對其內(nèi)部設(shè)施進行分周期段的優(yōu)化配置，嚴(yán)重制約了巡檢機器人的自動化和智能化水平。

針對巡檢設(shè)備周期性巡查路徑的優(yōu)化問題，本文通過對一般化的數(shù)據(jù)中心的布局進行了建模，對其內(nèi)部不同機柜分布狀況、巡檢周期性進行了深入探討?；诋?dāng)前機器人工作方式和路徑中存在的不足，提出了一種分時段路徑優(yōu)化策略，改進了原有的巡檢方式，使得巡檢路徑和巡檢時間有了較大縮短，增加了有限時間內(nèi)機器人的充電時間，提高機器人工作效率。旨在提升機器人巡檢工作效率和可靠性。

1 機柜內(nèi)部情況分析建模

通常用于數(shù)據(jù)中心、變電站等重要場所的巡檢機器人，主要完成車輛路線規(guī)劃、導(dǎo)航及避障控制，機械臂方位計算及控制、圖像處理、紅外探測及位置計算、完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)交互等。通常機器人巡檢方式為磁帶導(dǎo)航，在機器人車體兩側(cè)對稱安裝電磁感應(yīng)線圈，將磁條貼于地面上，機器人通過感應(yīng)磁條中的磁信號強弱進行識別和跟蹤，從而達到引導(dǎo)。目前磁帶導(dǎo)航常與RFID 射頻識別技術(shù)結(jié)合使用，通過在關(guān)鍵位置放置電子標(biāo)簽，使得機器人完成轉(zhuǎn)彎、加減速、停車等動作。

數(shù)據(jù)中心重要設(shè)備機柜繁多，不同機柜功能、數(shù)量不一，重要程度區(qū)分明顯。針對涉及多個機柜的火情機器人巡檢作業(yè)而言，若缺乏合理的巡檢作業(yè)優(yōu)化方案，則將嚴(yán)重影響巡檢過程效率，故而有必要針對火情機器人巡檢路徑開展優(yōu)化工作，下面首先對機柜內(nèi)部情況進行建模。

以某公司數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場為例，數(shù)據(jù)中心內(nèi)包含有網(wǎng)絡(luò)機柜、數(shù)據(jù)機柜、通信機柜以及機房內(nèi)部的控制中心。機房近似為矩形，長a 約16米、寬b 約為12米，由勾股定理可得機房內(nèi)對角線長約20米。圖1所示為機房內(nèi)部，圖2為巡檢機器人裝置。

圖1 機房的內(nèi)部布局

圖2 巡檢機器人

機器人從初始待命位置充電完成后出發(fā)對上述機柜進行巡檢，中心內(nèi)不同類型機柜分類擺放。數(shù)據(jù)中心機房包含數(shù)據(jù)機柜13個，通信機柜10個以及網(wǎng)絡(luò)機柜6個。由于不同機柜的重要程度和設(shè)備數(shù)量不一，對各機柜的巡查周期也不一樣。對數(shù)據(jù)機柜30分鐘檢查一次檢查時間約6分鐘，通信機柜60分鐘檢查一次檢查時間約4分鐘，網(wǎng)絡(luò)機柜120分鐘檢查一次檢查時間約2分鐘，機器人的行進速度約為10m/min。根據(jù)其擺放位置進行簡化建模，建模過程中將中心內(nèi)各機柜的空間縮為一點，在布局圖中標(biāo)注其位置，忽略機柜長寬對機器人巡檢的影響。同時室內(nèi)中央有工作人員集中統(tǒng)一調(diào)度的控制平臺。圖3所示即為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的布局情況。

圖3 機柜內(nèi)布局建模圖

基于上述分析，本文在考慮機器人具有避障功能的基礎(chǔ)上，針對巡檢任務(wù)流程開展優(yōu)化工作。計及巡檢環(huán)節(jié)限制條件，優(yōu)化過程應(yīng)有如下基本假設(shè)：機房內(nèi)部機柜重要程度有差異，巡檢周期與重要程度相關(guān)；機器人執(zhí)行巡檢任務(wù)返回待命點后即能充電；簡化分析，將機柜在空間上壓縮，忽略其長寬對路徑影響；各設(shè)備巡檢涉及的作業(yè)環(huán)節(jié)數(shù)目與類型均相同，不同作業(yè)環(huán)節(jié)之間的轉(zhuǎn)換時長忽略不計；機器人轉(zhuǎn)向?qū)λ俣鹊挠绊懞娃D(zhuǎn)向造成的位移距離忽略不計。

2 算例分析

通過前述的建模分析，對優(yōu)化前后的機器人行進路徑與巡檢作業(yè)耗時進行分析。

優(yōu)化前當(dāng)前機器人在待命位置充電完成后先到數(shù)據(jù)機柜巡檢動作完成后，接著去往網(wǎng)絡(luò)機柜，在10分鐘巡查完網(wǎng)絡(luò)機柜后前往通信機柜，完成后返回充電待命點。完成一次巡查行進路程相當(dāng)于繞數(shù)據(jù)中心一周。機器人巡檢作業(yè)過程如圖4示。機器人行進路徑S 和耗時T 有如下公式：

圖4 優(yōu)化前機器人巡檢作業(yè)路徑

其中si為單次路徑的行程，ti為單次路徑耗時，tj為單次巡檢機柜耗時，i 表示巡檢路徑，j 表示巡檢機柜編號。由上述公式可知，機器人巡檢行程為56m，耗時為17.6min。

不同機柜巡查之間不存在明顯的先后順序關(guān)系，分時段路徑優(yōu)化充分考慮了不同設(shè)備更換作業(yè)之間的獨立性，優(yōu)化巡查路徑過程示意圖如圖5所示。在首先以30分鐘為周期時啟用路徑1然后返回待命位置；以60分鐘為周期時啟用路徑1,2然后返回；當(dāng)全面巡查時啟用路徑1、2、3、4返回待命位置。與原有方案相比較針對不同巡查周期規(guī)劃不同路徑，不必每次都巡查一周回到待命點完成后再進行巡檢動作。

圖5 分時段路徑優(yōu)化方案

具體巡檢作業(yè)流程如下。Step1：機器人充電完成后首次執(zhí)行巡檢任務(wù)，對周期為30分鐘的數(shù)據(jù)機柜進行巡查返回充電待命點；Step2：機器人執(zhí)行完上述任務(wù)后啟動對數(shù)據(jù)機柜和通信機柜巡查，執(zhí)行路徑為1,2完成作業(yè)后返回；Step3：執(zhí)行完step2后返回待命點在間隔30分鐘后啟動step1；Step4：啟動對全部機柜的巡查，按規(guī)劃路徑1、2、3、4執(zhí)行返回待命點充電。

上述過程為一個完整的全體機柜的巡檢周期，完成上述步驟后等待下一個巡檢作業(yè)周期執(zhí)行上述步驟。提出行進路徑和行進時間的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

J=min[S,T] （3）

根據(jù)上述分時段路徑優(yōu)化，其行進路程和耗時計算需在式1、式2基礎(chǔ)上加入返回待命點的行進路程和時間，有如下公式：

其中sn-0和tn-0分別表示巡檢完成的最后位置與待命點的直線距離和通過直線回到待命點的時間。

本文通過第二節(jié)的優(yōu)化方案對原有的路徑規(guī)劃進行了調(diào)整，以執(zhí)行兩次完整巡檢流程4小時算例時間，對機器人的行進路徑和作業(yè)時間對比分析。圖6所示為現(xiàn)有方案與優(yōu)化策略的耗費時間和行進距離的對比。

圖6 優(yōu)化前后巡檢時間與行程

通過式（2）～（5）的計算研究表明和圖6優(yōu)化前后巡檢時間與行程的對比所示，在本文所述4小時內(nèi)，優(yōu)化前的巡檢時間為140.8分鐘、行程為448m。優(yōu)化后巡檢行程為272m、巡檢時間為67.2分鐘。由上述的研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的巡檢策略節(jié)約了一半以上時間，節(jié)約巡檢作業(yè)時間52%，巡檢距離也大大縮短，巡檢距離縮短了約40%。所述優(yōu)化策略有效節(jié)約了用于巡檢路程的時間也縮短了巡檢的路程。巡檢時間和行進路徑的減少，可以有限時間內(nèi)延長機器人充電的時間，提高其夜間巡檢的穩(wěn)定性以及可靠性。

3 結(jié)語

本文通過對一般化數(shù)據(jù)中心內(nèi)布局進行了建模分析，計及機器人已有的避障功能，對中心內(nèi)部布局和機器人行進和作業(yè)時間都給定了具體可靠數(shù)據(jù)，針對原有的全覆蓋式巡檢作業(yè)路徑進行了優(yōu)化，提出了分時段作業(yè)路徑的優(yōu)化方案，通過上述的算例分析表明所述方法能大大縮短機器人的巡檢時間以及行進距離，在有限時間內(nèi)提高了機器人的工作效率同時隨著夜間機器人動作時間的減小，可以提高機器人充電時間，大大提高了機器人夜間巡檢的可靠性。

由此可見，針對機器人的優(yōu)化方案不僅可以從優(yōu)化巡檢的路徑出發(fā)，也可以從巡檢策略的制定入手。在制定較優(yōu)的巡檢策略后、再對機器人的巡檢路徑進行優(yōu)化，能大大提高機器人的利用率，避免無必要動作，從而獲得滿意的效果。