何傳平

(廣西北部灣投資集團有限公司沿海高速公路分公司，廣西 欽州 535000)

0 引言

目前在高速公路沿線施工中，傳統(tǒng)的警示與防護方法主要采用維修警示牌、反光錐桶等設(shè)施，提醒過往的車輛進行避讓。但這些傳統(tǒng)設(shè)施還存在警示效果差的弊端，尤其在嚴(yán)重霧霾、雨霧天氣情況下，高速公路上駕駛者因視覺疲勞或不遵守交通規(guī)則等原因，導(dǎo)致沖擊施工區(qū)域，危及施工維護人員生命安全。

目前一些施工路段還采用了簡易搖旗模特放置在施工區(qū)域前方，通過擺動搖旗，有利于提升司機的關(guān)注度，對過往車輛的警示作用有所提高。但是此類搖旗模特功能結(jié)構(gòu)單一，無法滿足現(xiàn)代智慧工地的使用和管理要求。

鑒于上述現(xiàn)狀，本文結(jié)合路段施工情況和現(xiàn)代智慧化工地管理要求，設(shè)計了高速公路智能施工警示機器人。該機器人集成自由擺臂、爆閃燈、錄像拍照、測速警示、語音播報、遠(yuǎn)程控制、GPS北斗定位、現(xiàn)場溫濕度采集、無線通信等功能為一體，能有效提高對過往車輛的示警效果，并且對現(xiàn)場通行情況進行預(yù)判，保護現(xiàn)場施工人員生命安全，保障施工維修任務(wù)的順利進行。

1 智能施工警示機器人系統(tǒng)方案

智能施工警示機器人主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包含結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計。機器人結(jié)構(gòu)件主要有機器人外殼、擺臂轉(zhuǎn)動機構(gòu)、報警燈、外置太陽能充電板等。機器人底座配置有配電箱，內(nèi)部安裝有充電電路、主控電路、電池。軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)傳輸處理中心、遠(yuǎn)程管理中心及移動端。應(yīng)用程序包括移動端APP、PC端WEB界面和電視大屏端等。

智能施工警示機器人主要功能如下：

(1)機器人處于工作狀態(tài)時，自動上下或左右擺臂，報警燈處于頻閃狀態(tài)。

(2)機器人眼睛部位裝有500萬像素紅外攝像機，頭部通過遠(yuǎn)程控制，自由轉(zhuǎn)動進行攝像、抓拍。通過4G模塊可將圖片傳輸至后臺，供管理人員查看。

(3)機器人體內(nèi)裝有溫濕度傳感器及GPS模塊，環(huán)境數(shù)據(jù)及位置數(shù)據(jù)可通過4G模塊傳至后臺。

(4)機器人底部配電箱裝有主控平臺及電池，負(fù)責(zé)整個產(chǎn)品的控制及供電。

(5)機器人身上裝有測速雷達，可實現(xiàn)車流量檢測，并實時上報。

(6)機器人身上安裝有喇叭及音頻模塊，可遠(yuǎn)程喊話。

智能施工警示機器人系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 智能施工警示機器人系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 智能施工警示機器人系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能施工警示機器人的控制核心是控制總成，可遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)雙臂上下持續(xù)擺動，擺動頻率可調(diào)整，擺動啟?？涩F(xiàn)場通過開關(guān)或遠(yuǎn)程通過指令控制，手臂末端可持物體能自由替換，如指揮旗或LED發(fā)光指揮棒等。此外在硬件設(shè)計上增加了很多人性化設(shè)計，如燈光示警、太陽能供電、車流量統(tǒng)計、北斗及GPS定位、內(nèi)嵌攝像頭實時錄像、溫濕度及電源傳感監(jiān)測、語音播報、4G/5G數(shù)據(jù)傳輸?shù)?見下頁圖2)。

圖2 硬件組成框圖

2.1 太陽能供電

太陽能供電部分采用便攜環(huán)保的單晶體硅材料供電，能將太陽能輻射能通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能并存儲在鋰電池里，太陽能板功率：100 W，開路電流：6.1 A，工作電壓：18 V；尺寸：(930×650×30×25) mm，工作電流：5.6 A，工作溫度：-40 ℃～85 ℃。開路電壓：21.6 V，功率公差：±3%，采用效率>18%的高效多晶電池片，材料防腐蝕、耐老化、抗沖擊、弱光性好，節(jié)能環(huán)保。

2.2 車流量檢測雷達

搭配車流計數(shù)雷達，能準(zhǔn)確獲取當(dāng)前路段車流量、車道占有率、平均車速、車型分類等；車道流量檢測精度≥95%，車道占有率檢測精度≥95%，平均車速檢測精度≥95%；車型分類不低于4型，并可自定義。獲取的車流數(shù)據(jù)可實時匯總上傳至云端數(shù)據(jù)中心，并可通過遠(yuǎn)程下發(fā)指令控制雷達采集數(shù)據(jù)頻率及其他配置。

2.3 ATGM336H-5N定位模塊

定位模塊采用ATGM336H-5N定位模塊。ATGM336H-5N系列模塊是高性能BDS/GNSS全星座定位導(dǎo)航模塊系列的總稱。該系列模塊產(chǎn)品都是基于中科微第四代低功耗GNSS SOC單芯片——AT6558，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國的BDS(北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO、日本的QZSS以及衛(wèi)星增強系統(tǒng)SBAS(WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS)。AT6558是一款真正意義的六合一多模衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片，包含32個跟蹤通道，可以同時接收六個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號，并且實現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時。本系列模塊具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢。[1]

定位模塊的主要功能是采集產(chǎn)品所在位置經(jīng)緯度信息，當(dāng)遠(yuǎn)程管理中心發(fā)起位置獲取指令時，可將產(chǎn)品當(dāng)前位置實時上傳至數(shù)據(jù)中心。支持GPS+北斗BDS雙模定位，搜星速度<5 s，符合智能施工警示機器人應(yīng)用需求(見圖3)。

2.4 攝像頭模塊

產(chǎn)品頭部內(nèi)嵌海思攝像頭模塊，支持?jǐn)z像及拍照模式，可配置定時拍照回傳至數(shù)據(jù)中心。該模塊為防水、防塵設(shè)計，帶夜視功能，支持自動對焦，拍照像素500萬，當(dāng)出現(xiàn)異常時可及時報警。該模塊具有不受距離限制、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定就可以遠(yuǎn)程實時觀看、安裝施工方便、不用長距離輸電等優(yōu)點。

圖3 定位模塊功能框圖

2.5 溫濕度及電流檢測

產(chǎn)品底部內(nèi)嵌溫濕度傳感器，可檢測周圍環(huán)境溫度及濕度，可配置定時采集數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)中心，或由遠(yuǎn)程管理中心下發(fā)指令實時獲取數(shù)據(jù)。溫度測量范圍為-20 ℃～60 ℃，溫度測量誤差為±2 ℃；濕度測量范圍為20%～95%，濕度測量誤差為±5%。

由于智能施工警示機器人采用太陽能供電設(shè)計，根據(jù)施工現(xiàn)場的情況，難免會遭遇連續(xù)陰雨天氣，導(dǎo)致設(shè)備電量不足無法實現(xiàn)正常功能。為此，設(shè)計中加入了霍爾電流檢測模塊，可以實時檢測設(shè)備的充放電情況，計算鋰電池剩余電量，當(dāng)電量較低時可遠(yuǎn)程提醒管理員更換電池或者手動充電，并可設(shè)置進入低功耗模式。

2.6 語音播報

語音播報采用KT403A解碼芯片。該芯片可連接喇叭現(xiàn)場控制播放指定音頻，或由遠(yuǎn)程管理中心下發(fā)音頻文件播放，音頻可控制音量，自動循環(huán)播放。KT403A MP3音頻解碼芯片是一個提供串口控制的語音芯片，完美地集成了MP3、WAV、WMA的硬解碼，同時軟件支持SD卡驅(qū)動和USB驅(qū)動，支持FAT16、FAT32文件系統(tǒng)。該芯片通過簡單的串口指令即可完成播放指定的音樂，以及選擇播放模式等功能。無須繁瑣地底層操作，使用方便、穩(wěn)定可靠是此款產(chǎn)品的最大特點[2]。見圖4。

圖4 KT401A芯片框架圖

芯片為SOC方案，集成了一個16位的MCU，以及一個專門針對音頻解碼的DSP，采用硬解碼的方式，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和音質(zhì)。小巧的封裝尺寸更加方便嵌入警示機器人內(nèi)部。

2.7 4G無線傳輸模塊

4G無線模塊采用E840-TTL-4G04物聯(lián)網(wǎng)串口透傳DTU通信數(shù)據(jù)傳輸至全網(wǎng)通GPRS/3G/MQTT 4G傳輸模塊。該產(chǎn)品軟件功能完善，覆蓋絕大多數(shù)常規(guī)應(yīng)用場景。E840-TTL-4G04是為實現(xiàn)串口設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，模塊使用2.0 mm排針方便客戶設(shè)備集成，使用+5 V～+18 V寬電壓供電。該模塊支持移動、聯(lián)通、電信4G卡，通信與LED指示采用兼容電平(+3.3 V～+5 V)，具有抗干擾能力，適合使用在一些電磁干擾強的環(huán)境當(dāng)中，如一些電力行業(yè)當(dāng)中。E840-TTL-4G04的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，可實現(xiàn)串口設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)雙向透傳，可將警示機器人采集數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，接收遠(yuǎn)程管理中心下發(fā)指令。模塊支持全網(wǎng)通(移動、聯(lián)通2/3/4G，電信4G)五模4G模塊，支持MQTT標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，支持物聯(lián)網(wǎng)卡、SIM卡，支持自定義MAC地址、心跳包，支持IOT技術(shù)。[3]

3 智能施工警示機器人系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能施工警示機器人系統(tǒng)軟件主要分為管理中心軟件和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器軟件。其中，后臺服務(wù)器軟件的主要功能有：用于接收各4G節(jié)點智能示警機器人采集后上報的數(shù)據(jù)源，可對數(shù)據(jù)進行分類儲存，根據(jù)自定義數(shù)據(jù)分析后，導(dǎo)出可視化數(shù)據(jù)，并提供標(biāo)準(zhǔn)化接口供前端軟件應(yīng)用，且服務(wù)器集成了視頻推流和錄像功能，用于監(jiān)控及操作已實地應(yīng)用的智能施工警示機器人。

系統(tǒng)的主要功能分為：自動警示、遠(yuǎn)程控制、信息采集分析等。根據(jù)軟件功能設(shè)計了軟件拓?fù)鋱D(見圖5)。

圖5 智能施工警示機器人系統(tǒng)軟件拓?fù)鋱D

軟件拓?fù)鋱D主要含有警示機器人設(shè)備、4G通信模塊、服務(wù)器、管理中心和用戶端。用戶端主要功能有：可單獨或批量遠(yuǎn)程對機器人下發(fā)相應(yīng)智能模塊指令，并監(jiān)控各節(jié)點機器人位置及狀態(tài)。

要實現(xiàn)上述軟件的功能，除了保證視頻推流功能外，保證數(shù)據(jù)實時收發(fā)并處理是關(guān)鍵。后臺服務(wù)端通過4G網(wǎng)關(guān)服務(wù)器進行通信，數(shù)據(jù)通信通過加密的MQTT服務(wù)會話主題，能夠有效解決數(shù)據(jù)并發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和安全性等問題。

移動端界面主要有手機APP和微信小程序，可實時更新查看當(dāng)前設(shè)備的剩余電量、現(xiàn)場溫濕度等參數(shù)，實現(xiàn)在危險路段或維修路段進行現(xiàn)場自動搖擺機械臂、打開聲光報警燈、語音播報等多類型警示提醒。通過移動端應(yīng)用軟件可實現(xiàn)施工現(xiàn)場如發(fā)生交通事故或其他緊急情況下遠(yuǎn)程下發(fā)指令控制機器人擺臂運動啟停及其他智能硬件的功能操作，便于管理，節(jié)省運維人力。實現(xiàn)智能硬件采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并可將數(shù)據(jù)上傳至云端管理中心，進行數(shù)據(jù)分析整理后通過接口共享給第三方應(yīng)用，用于上一級管理人員對現(xiàn)場處置決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)，同時提升車主的高速公路使用體驗。

4 智能施工警示機器人的應(yīng)用及優(yōu)勢

目前智能施工警示機器人已完成樣機測試階段，并在廣西沿海高速公路現(xiàn)場施工中應(yīng)用，相比傳統(tǒng)的施工封道搖旗機器人，增加了很多智能化、人性化設(shè)置，可遠(yuǎn)程監(jiān)控施工環(huán)境的安全性，安全員可在手機或者中心查看施工現(xiàn)場的環(huán)境，且提示通行車輛效果明顯，增加了語音播報提示施工區(qū)域減速慢行，在危險路段或維修路段進行多類型加強提醒，在現(xiàn)場自動搖擺機械臂，達到警示目的，避免施工現(xiàn)場發(fā)生交通事故。

5 結(jié)語

本文針對當(dāng)前高速公路施工存在安全隱患的需求進行了分析，并基于需求設(shè)計了智能施工警示機器人。本文設(shè)計的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用了4G通信傳輸?shù)姆绞?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、速度和實時性，方便快捷，可實現(xiàn)在遠(yuǎn)程下發(fā)指令可控制機器人運動啟停，及其他智能硬件的功能操作，便于管理，節(jié)省運維人力。當(dāng)發(fā)生異常時，能夠迅速發(fā)出報警信息，及時排查施工隱患。通過實際案例應(yīng)用證明，該系統(tǒng)設(shè)計符合高速公路智能施工警示機器人系統(tǒng)的要求。