學(xué)校名稱

長沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

李冠金

201551050231

自動化

男

2015

劉建魁

201551050233

自動化

男

2015

劉浩南

201551050121

自動化

男

2015

伍  瑤

201551050216

自動化

男

2015

指導(dǎo)教師

張輝

職稱

博士、講師、研究生導(dǎo)師

項目所屬

一級學(xué)科

控制科學(xué)與工程

項目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

1..2017年全國電子設(shè)計大賽湖南賽區(qū)省級三等獎

參與人：李冠金、劉建魁、劉浩南

時間：2017.8

獲獎項目名稱及主要工作：滾球控制系統(tǒng)；

                        李冠金：硬件設(shè)計與制作、系統(tǒng)搭建

                        劉建魁：算法設(shè)計、軟件編寫

                        劉浩南：硬件設(shè)計、文書撰寫

2.長沙理工大學(xué)學(xué)生課外科技立項項目優(yōu)勝獎

參與人：劉浩南

時間：2016.12

獲獎項目名稱及主要工作：基于嵌入式STM32的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)；

劉浩南：任組長，app編寫

3.長沙理工大學(xué)“物電杯”電子設(shè)計創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎

參與人：劉浩南

時間：2015.11

獲獎項目名稱及主要工作：基于51單片機的數(shù)字搶答器；

劉浩南：成果展示

4.2016年湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃成功結(jié)題

參與人：劉浩南

時間：2017.4

獲獎項目名稱及主要工作：基于嵌入式STM32的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)；

劉浩南：任組長，app編寫，文書撰寫

指導(dǎo)教師承擔科研課題情況

張輝（研究方向：機器人檢測與控制、圖像處理、嵌入式系統(tǒng)），男，博士，長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院自動化系副主任，2012年5月獲湖南大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)博士，2013年7月進入湖南大學(xué)控制科學(xué)與工程博士后科研流動站和湖南千山制藥機械股份有限公司從事博士后的研究工作，主要從事模式識別、機器視覺檢測技術(shù)、智能機器人等領(lǐng)域研究工作。已主持完成了湖南省博士論文創(chuàng)新基金項目、長沙市科技計劃重點項目，并作為主研人員參與完成了國家863項目（大型高速醫(yī)藥自動化生產(chǎn)線上的產(chǎn)品檢測包裝智能機器人-2007AA04Z244）、國家自然科學(xué)基金重點項目（高速精密制造生產(chǎn)線的視覺檢測與智能優(yōu)化控制技術(shù)研究-60775047）等。

目前，負責主持國家自然科學(xué)基金項目、國家支撐計劃項目課題、江蘇省重大科技成果轉(zhuǎn)化項目、湖南省自然科學(xué)基金、教育廳優(yōu)秀青年項目、長沙市科技計劃重大專項課題等多項省部重點項目，在國內(nèi)外刊物上發(fā)表30多篇論文，授權(quán)國家發(fā)明專利16項，計算機軟件著作權(quán)4項，獲省部級科學(xué)技術(shù)進步獎12項，碩士學(xué)位論文獲湖南省優(yōu)秀碩士論文，在工業(yè)機器人控制、模式識別與圖像處理、智能機器人系統(tǒng)等領(lǐng)域具有扎實的研究基礎(chǔ)和獨立承擔國家級科研項目的能力。主持項目如下：

[1] 國家自然科學(xué)基金項目：醫(yī)藥大輸液微小異物視覺檢測與識別方法研究（61401046），主持人：張輝

[2] 國家科技支撐計劃項目子課題：大型醫(yī)藥制造機器人自動化生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備(2015BAF11B01)，主持人：張輝

[3] 江蘇省重大科技成果轉(zhuǎn)化項目：高速高精度理瓶清洗檢測包裝自動化生產(chǎn)線研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化(BA2015156)，主持人：張輝

[4] 湖南省自然科學(xué)基金項目：醫(yī)藥大輸液微小異物目標視覺檢測識別方法研究 (13JJ4058)，主持人：張輝

[5] 湖南省教育廳科學(xué)研究青年項目：液體藥品中可見異物視覺檢測與識別方法研究（13B135），主持人：張輝

[6] 長沙市科技計劃重大專項子課題：先進鑄鐵件自動精整工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用（K1404019-11），主持人：張輝

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

現(xiàn)代城市的正常運行，背后需要一個極其復(fù)雜的體系來支撐---城市管網(wǎng)。每座建筑都有很深的地基，加之在建筑下面掏洞修管道也無法實施，因此這些管網(wǎng)不會從街區(qū)的中間斜穿而過，而是與道路并行。當管線出現(xiàn)問題的時候，如果是小問題，還勉強能夠應(yīng)付；可是如果有了大問題，或者線路升級，就必須把道路挖開了。不僅影響交通，還勞民傷財。

隨著城市的發(fā)展，地下綜合管廊必成為發(fā)展的趨勢，即在城市地下建造一個隧道空間，將電力、通信，燃氣、供熱、給排水等各種工程管線集于一體，設(shè)有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測系統(tǒng)，實施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一建設(shè)和管理。地下管廊不僅保了持路容完整和美觀，在檢修時對居民生活沒有過多影響，有效利用了道路下的空間，節(jié)約了城市用地。便于各種管線的敷設(shè)、增減、維修和日常管理。

目前中國僅有北京、上海、深圳、蘇州、沈陽等少數(shù)幾個城市建有綜合管廊

，許多城市管廊在建當中。目前，全國正在開展地下綜合管廊建設(shè)示范試點。在15年確定了“地下綜合管廊”十大試點城市。16年又確定包括廣州、成都在內(nèi)的十五個試點城市。除此之外，各地對城市地下綜合管廊建設(shè)也具有很高的積極性，不少省市主動請纓搞項目試點，并紛紛出臺相關(guān)規(guī)劃。地下綜合管廊的建設(shè)狀況欣欣向榮。這便是著名的“馬路拉鏈”現(xiàn)象。

    截止至18年3月1日，湖南地下管廊建設(shè)項目多達66個。據(jù)悉，這66個在建地下綜合管廊項目分布在長沙市、湘潭市、衡陽市、衡山縣、邵陽市、常德市、郴州市、益陽市、永州市、吉首市、張家界市、祁陽縣等12個市縣。其中，長沙市項目最多，共31個，長沙市也是全國首批“地下綜合管廊”十大試點城市之一。目前，長沙市首座地下綜合管廊控制中心在雨花區(qū)高鐵新城落成，將利用管廊內(nèi)已經(jīng)布有的監(jiān)控和安全防范等多項系統(tǒng)，將實現(xiàn)對管廊的24小時智能監(jiān)控。

地下管廊的正常運行，少不了精心的維護。由于管廊位處地下，通風條件差，空氣質(zhì)量不能保證，還時長產(chǎn)生積水的情況，其環(huán)境情況堪憂。而且隧道通常短則幾公里、長則數(shù)十公里。使用人員進行巡檢將耗費大量的人力資源，且巡檢時須攜帶大量裝備，增加身體負擔，影響巡檢任務(wù)。而且人工巡檢數(shù)據(jù)記錄落后、主觀性強，通常以目測為主，不同工作經(jīng)驗、技能水平人員對巡檢質(zhì)量影響極大，數(shù)據(jù)分析可行性差，且易發(fā)生漏巡、錯巡等，巡檢質(zhì)量差。若出現(xiàn)責任心不強的巡檢人員，會造成巡檢不到位，漏檢等現(xiàn)象，致使地下管廊各設(shè)施存在一定的安全隱患，從而造成嚴重的后果。并且地下綜合管廊的運維情況及其復(fù)雜一旦發(fā)生險情，巡檢人員生命安全將受到威脅，更無法處置危情。如此廣袤的工作區(qū)域，巡檢人員不可能完全實時掌握地下管廊運行工況。

于是管廊巡檢機器人應(yīng)運而生，管廊機器人可以對管廊內(nèi)的電力、水力、通訊管線設(shè)施進行表面外觀與實時發(fā)熱情況分析。全面監(jiān)測管廊內(nèi)各類設(shè)施設(shè)備狀態(tài)，管廊巡檢采用標準化設(shè)備分類及數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)客觀、安全性高、可追溯，不受作業(yè)人員心理狀態(tài)、作業(yè)水平等影響，不產(chǎn)生漏巡及錯巡等，防患設(shè)備故障隱患，巡檢質(zhì)量高，提高了管廊管理效率。其環(huán)境適應(yīng)能力強，惡劣環(huán)境下照常巡檢，可深入危情現(xiàn)場，將現(xiàn)場情況及時上傳到?jīng)Q策中心，并配合處理異常。采用綜合化的運維管理平臺，將機器人系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等多維子系統(tǒng)進行高度融合，使作業(yè)平臺更專業(yè)、更專一。

本項目致力于研究其環(huán)境監(jiān)測部分，設(shè)計以及制作出其環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，安裝至管廊巡檢機器人上實現(xiàn)其環(huán)境監(jiān)測的功能。

本項目研制的管廊巡檢機器人的環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，致力于實現(xiàn)以下功能：

（1）空氣質(zhì)量檢測：由于管廊位處地下，氣體不易流通，很容易產(chǎn)生有害氣體超標的情況，對人員和設(shè)備產(chǎn)生安全隱患，管廊巡視機器人攜帶氣體檢測芯片，可識別有害氣。實現(xiàn)對氣體如甲醛、二氧化碳、硫化氫、氧氣等濃度定量監(jiān)測，以及周圍溫濕度等環(huán)境信息。

（2）溫度檢測：紅外測溫，觀測現(xiàn)場的溫度情況，智能分析設(shè)備及電線的溫度分布情況，智能識別熱源、火災(zāi)源，發(fā)生事故時能及時報警，保證安全。

（3）視頻監(jiān)控：管廊巡視機器人攜帶高清攝像頭巡檢管廊，我們通過圖像觀察設(shè)備的運行狀況，觀察現(xiàn)場狀況。還可進行智能算法圖像處理對所拍攝設(shè)備的圖片進行智能識別，分析設(shè)備的損壞情況。

（4）水位檢測：地下濕氣重，易積水，管廊巡視機器人有積水檢測功能，可檢測水位情況，防止損壞設(shè)備以及危險的發(fā)生。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

 地下綜合管廊是綜合利用地下空間的一種手段，一些發(fā)達國家已實現(xiàn)了將市政設(shè)施的地下供、排水管網(wǎng)發(fā)展到地下大型供水系統(tǒng)、地下大型能源供應(yīng)系統(tǒng)、地下大型排水及污水處理系統(tǒng)，與地下軌道交通和地下街相結(jié)合，構(gòu)成完整的地下空間綜合利用系統(tǒng)。

隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，城市規(guī)模的逐漸壯大，越來越多的城市選擇使用地下綜合管廊來管理和維護城市供電、供水、供氣。

國內(nèi)地下綜合管廊狀態(tài)監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀

在我國北京、上海、深圳、蘇州、沈陽等這些建有綜合管廊的城市中，地下綜合管廊監(jiān)測主要分為應(yīng)用層、傳輸層和展示層。其中應(yīng)用層包括管廊監(jiān)控單元、管道監(jiān)測單元、線纜監(jiān)測單元、通訊單元和照明單元，每個單元由前端傳感器或探頭、以及監(jiān)控單元則稱單個智能前端設(shè)備，前端傳感器負責采集現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)備的狀態(tài)信息，探頭用于管廊內(nèi)的照明、通訊、警報等，監(jiān)控單元對采集的設(shè)備狀態(tài)信息進行預(yù)處理、上傳服務(wù)器和對聯(lián)動設(shè)備下達命令。

目前，除了這種由多個傳感所組成的管廊監(jiān)測系統(tǒng)，還出現(xiàn)了使用管道機器人對管道內(nèi)部監(jiān)測。在管道內(nèi)部安裝機器人導(dǎo)軌，使得機器人24小時不間斷巡邏監(jiān)控管內(nèi)情況。從而精確有效快速地找到故障點，并且對管道內(nèi)的實時信息有了更加清晰的了解。如今，有深圳施羅德公司的USR巡檢機器人，廣東大倉機器人科技有限公司自主研發(fā)的消防巡檢機器人等。在我國寧波、蚌埠、淮安、鄭州等地，已經(jīng)相繼出現(xiàn)利用機器人檢測污水管道、地下管廊。

從2016年以來，相繼出現(xiàn)人發(fā)表了關(guān)于地下管廊的專利，如北京中電北斗科技有限公司的《一種管廊電纜狀態(tài)與氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)》，廈門市政管廊投資管理有限公司的《城市綜合管廊管道爆裂自動監(jiān)測系統(tǒng)》，青島智慧城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司的《一種用于地下綜合管廊的區(qū)域監(jiān)測控制設(shè)備》，還有楊穎等人發(fā)表的論文《城市地下綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)研究及應(yīng)用》，以上專利和論文均是利用多個傳感器監(jiān)控，固定式的對目標進行監(jiān)測，將多個傳感器得到數(shù)據(jù)通過遠程通訊傳達到管廊監(jiān)控中心。

國外地下綜合管廊狀態(tài)監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀

由于管道安全具有特殊的重要性，管道發(fā)達的西方國家早在20世紀50年代就開始了管道檢測技術(shù)研究。

1965年美國TUBOSCOPE公司首次采用漏磁檢測器對管道實施了內(nèi)檢測；1973年英國天然氣公司采用漏磁檢測器對其管轄的一條直徑為600mm管道成功地進行了內(nèi)檢測。

法國巴黎地下管網(wǎng)系統(tǒng)是地下綜合管廊概念的發(fā)源地。地下管道的每個區(qū)域每年都要檢查2次并記錄在案。巴黎地下管道管理局使用先進的光纜鋪設(shè)機器人和管道檢測機器人提高管道檢修和建設(shè)的效率。

2013年日本成功開發(fā)水中管道檢測機器人，該機器人可以拍攝管道內(nèi)圖像，并進行自動分析，找出有可能出現(xiàn)管道坍塌事故的區(qū)域。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機管線巡檢與機器人巡檢被國內(nèi)外大量使用。例如，發(fā)表于2005年7月的“Autonomous robotic monitoring of underground cable systems”，講述了多地點多物理量的環(huán)境監(jiān)測可以由自主機器人移動平臺完成，利用機器人上多個傳感器組成的傳感器陣列可以測量電纜的受熱情況，破損情況等。

此外，還有國外的學(xué)者和工程師還提出了一種基于磁場傳感的新型無損檢測方法，用于地下電纜運行狀態(tài)監(jiān)測和通電狀態(tài)識別，并發(fā)表了相關(guān)文章“Operation-State Monitoring and Energization-Status Identification for Underground Power Cables by Magnetic Field Sensing”。

本項目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

1.2017年全國電子設(shè)計大賽湖南賽區(qū)省級三等獎

2.長沙理工大學(xué)2016年科技立項校級優(yōu)勝獎

3.長沙理工大學(xué)“物電杯”電子設(shè)計創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎

4.2016年湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃成功結(jié)題

項目的創(chuàng)新點和特色

創(chuàng)新點

1. 電路簡單，低功耗，易于集成，抗干擾能力強

基于ARM的檢測系統(tǒng)性能優(yōu)良，可做到體積小、低功耗、低成本。同時易于集成，抗干擾能力強。

2. 利用智能圖像識別算法，檢測管廊地質(zhì)結(jié)構(gòu)，精準查找管道漏點

結(jié)合高清攝像頭、紅外成像儀、氣體傳感器等檢測設(shè)備，利用智能圖像識別技術(shù)，進行灰度變換、增強圖像對比度等操作，由此判斷管廊地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化以及精準查找出管道漏點。

特色

1. 首次將管廊檢測系統(tǒng)配置于掛軌機器人，做到實時動態(tài)檢測，超限預(yù)警

檢測系統(tǒng)結(jié)合機器人掛軌運行，移動速度快，工作效率高，受地形影響較小?？蓪崿F(xiàn)24小時自主巡檢，數(shù)據(jù)報表自動生成，檢測項目超限定值及時預(yù)警。

2. 通過PC端操作平臺和手機端APP實現(xiàn)在線監(jiān)測

PC端、手機端與機器人端通過互聯(lián)網(wǎng)實時通訊，可在PC端操作平臺和手機APP上遠程遙測，實現(xiàn)對多條管廊、多臺機器人的實時管理和監(jiān)控，為管廊運營決策提供輔助手段。

3. 檢測全面化，檢測范圍涵蓋氣體，溫度，濕度，水位，圖像等多方面

利用相關(guān)傳感器，克服地下環(huán)境干擾，定量測量管廊內(nèi)部有毒氣體含量、積水水位、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，做到對管廊環(huán)境的充分把握。

項目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

器件選型：

根據(jù)設(shè)計所需要求以及市面上傳感器價格的綜合考慮，現(xiàn)初步選定有關(guān)氣體檢測及溫濕度檢測部分的傳感器如下：

1. 對于主控芯片我們選用stm32f103rct6單片機。

2. 對于溫濕度的監(jiān)測我們選用SHT31的溫濕度傳感器。

3. 對于甲醛的檢測我們選用福申公司FS00501的甲醛傳感器。

4. 對于的檢測我們選用Sense Air S8的紅外傳感器。

5. 對于煙霧、的監(jiān)測我們分別選用MQ-2煙霧傳感器、MQ-4甲烷傳感器。

6. 對于氧氣的檢測我們選用煒盛科技的電化學(xué)模組ME2-傳感器。

7. 對于硫化氫的檢測我們選用煒盛科技的電化學(xué)模組ME2-傳感器。

硬件設(shè)計

硬件設(shè)計中主要是將每個傳感器與進行通信，使傳感器的數(shù)據(jù)可以正確的反饋給主控芯片。下圖是硬件設(shè)計示意圖：

軟件設(shè)計

軟件設(shè)計思路如下圖所示：

預(yù)期成果

1.開發(fā)出一套適用于地下管廊巡檢機器人的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；

2.申請發(fā)明專利1項和實用新型專利1項；

3.寫出實驗報告，中文核心期刊論文1篇。

年度目標和工作內(nèi)容（分年度寫）

2018年4-12月 硬件設(shè)計與制作，軟件算法設(shè)計與編寫；申請實用新型專利1項。

2018年10月-2019年4月 作品調(diào)試，申請發(fā)明專利1項，論文撰寫1篇。

指導(dǎo)教師意見

本創(chuàng)新項目符合國家發(fā)展需求，課題組成員能結(jié)合自身專業(yè)特長，制定了翔實可行的研究內(nèi)容和技術(shù)路線，預(yù)期能獲得較好的科研成果，建議立項資助。

簽字：                   日期：