人工智能技术在铁路站房保洁领域应用的探讨

陶琪超 中国铁路上海局集团有限公司上海华铁旅客服务有限公司

1 研究背景

中国高铁因其安全性高、速度快、乘坐舒适，已经成为我们国家展示自己实力的一张名片。干净、舒适、整洁的环境也是打造中国高铁形象的重要一环。

铁路站点的清洁工作普遍存在复杂、多样，清洁面积较大、工作时间较长等特点，保洁需求量大，保洁工作难度较高。而目前就清洁行业中一线从业者来看，50-60岁年龄段的人群是主力军。他们随着年龄的增加，将逐步退出行业，而年轻一代选择从业的越来越少。面对人力成本的不断增加和一线清洁人员老龄化的现实，如何既要满足社会各方对于高铁车站干净、舒适、整洁的要求，同时要降低清洁行业对人工作业的依赖。

目前清洁行业已经由纯人工逐渐向机械化转型，但仍然无法满足行业的需求，因此“智能化清洁”是清洁行业转型发展的必由之路。通过引入人工智能技术，研究智能化清洁设备，完成一系列的清洁工作也成为发展所需。

此外，对于近年来不断出现的诸如疫情等突发公共卫生事件，为了有效阻断病毒等传播，使用智能机器代替人工进行清洁卫生工作将是未来发展的必然趋势。

根据站房地面的实际清洗需要，引入“智能化清洁”理念，即以传统清洁技术为依托，通过开发和应用人工智能科技，解决效率和成本之间的矛盾，从而达到提高清洁效率，降低人力成本和改善劳动条件的目的。用全新的理念和最新的科技，彻底颠覆传统的清洁方式，实现清洁工从低阶体力劳动者向设备管理者的角色转变。在铁路站房，针对性地研发一套可用于站房地面清洗的机器人。设计一套清洗机器人管理系统。

2 研制方案

2.1 已有相关清洁机器人的研发

（1）新型清洁机器人，设计了一种基于螺旋运动原理的新型扫拖一体清洁机器人和相适应的控制系统。它利用弹性螺旋凸起与地面的相互作用和相对运动，实现拖地和扫地功能，理论分析表明其具有更佳的清洁能力，同时它还具有自动清洗和水循环等功能。针对其特殊的运动和受力模式，给出了其运动约束条件，分析并给出了侧滑情况下的运动学模型。

（2）自动擦地机，其原理是将拖布在竖直方向旋转，在拖布的上方有喷水杆，湿润的、旋转着的拖布的边缘和地面接触，擦走了地面的灰尘，在脏拖布的旋转过程中,首先被淋上清水，稀释了灰尘,然后碰上一阻挡杆,将灰尘脏水甩到集水槽里，干净的、湿润的拖布进行下一轮的擦地。该产品适合于水泥、陶瓷地面的清洁。

（3）自动地面清洗机，是集喷液、洗地、清洁、吸水、吸尘为一体的机电一体化产品,它是在吸尘器的基础上,经研宄而发展起来的另一类新型地面清洗机。自动地面清洗机通过用洗涤液对地面进行清洗，并将污水吸收，达到清洁地面的目的。

2.2 站房地面清洁机器人的研发方案

2.2.1 站房地面清洗机器人系统的组成

站房地面清洗机器人系统由清洁机器人本体、智能补给站和清洁管理系统三维一体组成（如图1所示）。

图1 站房地面清洁机器人

站房地面清洗机器人本体：站房地面清洗机器人本体采用适用于室内平坦地面的机器人通用轮式底盘，采用三轮结构（2个驱动轮、1个万向轮），该结构具有结构紧凑、转弯半径小，运行噪音低，工作效率高等特点。该底盘采用大功率直流无刷电机驱动，相比于传统直流碳刷电机具有噪音小、寿命长、免维护的特点。融合了多种环境感知传感器。此外，机器人选用锂电池，具备电量监控、过充/过放保护等电源管理功能，可实现自动作业、自动避障、自动充电、自动加水及清洁液、自动排污等功能，做到无人值守。

站房地面清洗机器人智能补给站：智能补给站搭载通讯系统，保持与机器人本体的联络，确保两者准确对接。同时配置充电桩、清水管、排污管，为机器人本体实现自动充电、自动加水、自动排污提供服务。

清洁管理系统：清洁管理系统可实时查看机器人的状态信息、故障信息，保障机器人的现场部署和日常使用运维。

2.2.2 原理

机器人本体环境感知和运动控制是核心技术，机器人通过环境感知了解周围环境。站房地面清洗机器人是利用搭载在机器人本体上的激光雷达、IMU惯性测量单元、里程计数器，一边计算自身位置，一边构建环境地图，以解决机器人在未知环境中运动时的定位与地图构建问题（如图2所示）。

图2 激光建图和定位

通过开发场景应用，实现机器人的调度、路径规划，从而解决大面积地面清洗问题。智能补给站实现自动充电、自动加水、自动排污，使站房地面清洗真正意义上实现无人值守作业。

（1）智能导航定位和地图构建

通过同步定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，以下简称SLAM）解决方案和算法，可以实现路径规划和导航运动控制。定位系统通过激光雷达和深度摄像头，结合多种外部和内部的传感器将当前及历史数据进行处理，利用算法解出机器人所在位置的准确坐标。同时，将每个坐标点取得的传感器数据拼接起来，形成完整的地图。生成的地图同时又可作为验证坐标的依据。

（2）复杂环境识别、自主规划路径和安全防护

机器人本体配置多种传感模式的环境感知系统。能够通过传感器获取周围的环境信息，自动避障。采用激光雷达来实现SLAM，用深度摄像头实现立体避障，用超声波来补偿激光雷达和深度相机的检测盲点。

通过多重传感器融合，机器人本体可以准确灵活避障和防撞，自主规划路线，实现自动巡航。

超声雷达+防跌落传感器近距离探测防护；示廓转向灯和语音播报可以提醒附近人员及时避让；防撞感应和急停按钮应对紧急情况。

（3）智能洗地系统

清洗机器人的核心任务是要高效、迅捷地完成地面清洗工作。高质量完成清洗任务是最基本的功能。

实现自主擦洗、自主排污水、自主加注清水、自主充电等功能。触摸屏作为用户与机器人之间的交互工具，可以完成地图管理、路径规划、任务管理等各项功能设置，如机器人行走速度、出水量、刷盘压力等。另配有辅助性物理按钮，必要时可进行手动任务操作。

通过洗地机悬浮式扒头结构、机头扒头电动升降系统、污水箱内藏式吸水口及过滤装置等技术实现了功能模块的自动上装下装，提高了清洁效率节省了机器人成本。

运用运动力学相关分析，对清洁机器人的移动进行精确地控制，提高机器人移动效率及工作效率，并降低整体功耗。

（4）物联网清洁管理系统

通过物联网管理系统，实现多台机器人协同作业，将机器人的各种运行数据进行监测和汇总分析，形成使用报告，极大提升清洁工作的管理效率。

远程访问和监控每一台机器人，包括设备的身份和位置、实时状态、运行时间、操作人员信息、问题记录、服务记录、电量和运行轨迹监测等。

2.2.3 站房地面清洗机器人的技术特点

采用激光雷达和多重传感器融仑,实现了机器人路径规划、自动导航、定位、避障等功能。

通过站房地面清洗机器人专用管理软件,实现了机器人自动清洗地面、自动避障、自动充电、自动加清水、自动排污水、清洁剂自动分配等功能。

通过物联网技术,实现了机器人远程参数设置、清洗任务派遣，且机器人可实时上传数据到云端进行监测和汇总分析，形成使用报告,极大提升了清洁工作的管理效率。

2.2.4 针对铁路站房的安全技术

铁路站房人员、设备、障碍物多，情况复杂。站房地面清洗机器人集成了10多个传感器，分别覆盖机器人一周，利用算法融合激光、单目/双目视觉、超声波、地磁、防撞条等多维度传感器数据，能够最大程度实现对动态/静态环境的感知。

机器人在运行过程中，采用了激光雷达、超声波、深度摄像头、防撞条等多重方式保证机器人运行安全可靠，保证清洁作业有序进行。

①提前规划：站房地面清洗机器人在使用过程中需提前进行建图，并针对可能的安全隐患进行安全部署，预设机器人作业时的清洗轨迹，规避可能的风险。

②设置电子围栏：机器人利用激光定位，能够实时获取机器人在地图上的实时位置，在机器人现场作业前，提前在系统里设置好危险区域，将机器人限定在安全区域，确保机器人安全运行。

③安全距离：机器人运行时，针对静态和动态障碍物系统设置了安全距离，模拟驾驶经验，当机器人检测到测距传感器的距离达到减速或停车阈值时，执行三级减速或直接停车。

④语音提醒和急停：机器人上配置急停按钮，在出现紧急情况时，可直接拍下急停，机器人会停止所有的运动，保证现场安全可控，机器人设置最后一道防线：防撞条，当发生碰撞时，立即触发紧急停止。

机器人上搭载声音提醒功能，在机器人作业时，提醒人群避让。

3 探索使用

3.1 主要实现功能

通过引入人工智能技术，研究智能化清洁设备，按照设定的任务或者远程操控，自动清洗、自动避障、自动充电、自动加注清水及清洁剂、自动排污，无需人工干预完成铁路站房地面大部分的清洁作业。

3.2 在铁路上海站的使用

（1）技术性能测试场景

站房地面清洗机器人于2020年年底投入上海站进行实地场景运行测试。测试地点位于上海站11号候车厅。其中，补给站安装地点：11号候车厅茶水间。

（2）技术性能符合性

在进行了30多个工作日，近300 h的运行测试后，站房洗地机器人在性能上完全达到了设计要求。即：自动行走移动、自主识别环境和避障、自动清洗、自动充电、自动换水等功功能，以及智能语音提醒和本地触屏APP等多种人性化交互方式。

（3）实效性

在已构建的上海站11号候车室地图上，划分出10个任务区，分别为：座椅通道1-4区，外围通道1-6区，当以上4个分区按照托管方式执行任务时，可以15 min或20 min间隔依次设置派遣时间。这种设置方式适合白天作业。由于白天客流量大，分区分时段执行更能保障任务完成率。夜间托管作业时，由于旅客流量大大降低，可设置一次性整体作业。

经过近300 h的运行测试，每天00:00-05:00为最佳作业时间段。该时段候车旅客稀少，作业通勤效率大大提高。到达任务启动预设时间点后，机器人自行启动清洗任务。可同时设置多个定时任务；在一个任务未结束，另一个任务开始时间到了时，先执行完当前任务，再执行时间到了的任务。普通模式下清洁后地面干净、干燥，无污渍和水渍，吸扒升起后，污水残留量符合设计要求

（4）效益分析

按照上海站候车室目前的设备及人员配备进行测算：

以上海站5-12号8个候车厅为例，其中11号、12号候车厅保洁面积相同，为其余候车大厅保洁面积的1.5倍。

目前地面清洗保洁安排：分白、夜两班，白班5-10号各安排一人大厅地面流动保洁，11-12号2个候车厅安排一人地面流动保洁，配小型驾驶式洗地机4台，另安排1人驾驶一台大型洗地机（白班专用）清洗南北通道等。夜班安排2人，驾驶2台大型洗地机（夜班专用）清洗地面。这样实际一天需10人，大型洗地机3台，小型洗地机4台

若使用站房地面洗地机器人，每天0:00-6:00，两台机器人可完成8个候车大厅90%的地面清洁(11号侯车厅实际清洗时间63 min），剩余10%面积可白班分配2人2机（传统小型驾驶式洗地机）巡回作业，在1 h左右完成，白天机器人分时段反复清洗南北通道和大厅清洗大面积，另两台驾驶式洗地机流动作业。另配1人作为机动并对机器人进行必要的检查维护以及设备折旧、耗材替换等费用。可减少7个人工，节约设备投入3台。

同时经过研发、设计、生产，至设备投入现实场景应用测试等一系列过程，最大程度上达到了产品设计要求，并持续迭代升级。使用智能机器代替人工进行清洁卫生工作将是未来发展的必然趋势。

4 结束语

通过对铁路站房地面清洗设备的智能化技术难点、方案、原理、安全分析等方面进行研究和探讨，主要针对车站的清洁领域，利用人工智能技术特点，推动车站清洁作业智能化，减少对人工作业的依赖，提升清洁效率，降低人工成本。