人工智能驱动的交通运载机器人关键技术及其应用

　　轨道交通系统作为城市交通的重要组成部分，近年来得到了迅猛的发展。伴随着城市化进程的加快，轨道交通的需求日益增加，迫使相关技术不断进步与创新。中南大学刘辉教授及其青年团队，立足于国家“交通强国”战略，聚焦于交通装备与人工智能、机器人的交叉研究，致力于将先进的人工智能技术与轨道交通机器人相结合，推动轨道交通系统的智能化、自动化与高效化发展。这一研究方向不仅顺应了国家《交通强国建设纲要》的总体要求，还与《中国制造2025》战略高度契合，旨在通过技术创新提升轨道交通装备制造水平和运营效率，为我国轨道交通事业的高质量发展贡献中南力量。

　　关键技术一：轨道交通环境机器人高精度导航方法

　　提出了基于多传感器融合的轨道交通环境机器人高精度导航方法。该方法结合了激光雷达、摄像头、超声波等多种传感器，采用同步定位与地图构建算法，实现了机器人在复杂轨道交通环境中的精准定位和路径规划。系统集成了多维度坐标系和动态避障技术，能够实时检测并避让障碍物，确保导航过程的安全可靠。此外，构建了复杂环境中的几何特征描述模型库，机器人能够自适应选择最优路径，提高导航效率和精准度。最终，建立了“机器人感知定位-历史轨迹外推”数据融合模型，完成了对机器人感知定位失效的实时判别与补偿，确保了机器人在复杂轨道交通环境中的稳定导航。这一导航方法显著提升了轨道交通环境中机器人的自主运行能力。

　　关键技术二：轨道交通装备制造环境机器人运载方法

　　提出了适用于轨道交通装备制造环境的机器人运载方法，利用智能视觉识别和力觉传感技术，运载机器人能够精准定位货物和设备的位置，确保搬运过程的安全性和高效性。系统构建了机器人空间异质路径规划算法池，能够实时优化运载路径和任务分配，确保运输任务的高效完成。运载机器人配备了灵活的多维机器人手臂，通过自适应控制算法，根据货物的重量和形状动态调整抓取力度和搬运路径，避免因操作不当导致的货物损坏。这种运载方法提升了生产效率和自动化水平，同时降低了人工成本和操作风险。

　　关键技术三：轨道电气非侵入负荷监测及机器人巡检控制方法

　　开发了综合考虑运载环境、操作人员、设备对象的轨道电气NILM非侵入负荷监测及机器人巡检控制方法。采用高精度电流传感器和电压传感器，实时监测轨道电气设备的运行状态。智能巡检机器人配备了边端轻量化传感器和摄像头，能够自主完成设备巡检任务，检测设备的运行参数和外观情况。通过与云端数据处理平台的连接，系统利用大数据分析和机器学习算法，实现了对轨道电气设备运行状态的智能诊断和故障预警。巡检机器人集成了远程控制和人机交互功能，操作人员可以通过可视化界面实时监控和控制机器人。建立了机器人-无人机联合巡检控制模式，实现了任意室外场景的跨平台高效巡检与运载。该方法的智能故障诊断和预警系统能够及时发现和处理设备故障，确保轨道交通系统的安全稳定运行。

　　技术应用带来的间接效益主要体现在如下三方面：

　　(1)提高轨道交通系统的运营效率，实现智能化、自动化管理

　　通过引入基于多传感器融合的高精度导航技术，轨道交通机器人能够在复杂的交通环境中高效运行。系统采用同步定位与地图构建算法，并结合路径优化技术，使机器人能够自主选择最优路径，显著提高了运输效率。自动化的导航和运载方法减少了人为操作的错误和时间消耗，使得整体运营更加高效顺畅，从而提升了轨道交通系统的运营效率。

　　(2)提升安全性和可靠性，保障系统稳定运行

　　智能巡检和非侵入负荷监测技术的应用，使轨道交通系统的安全性和可靠性得到了显著提升。高精度传感器和大数据分析技术能够实时监测设备的运行状态，及时发现潜在故障并进行预警。通过智能故障诊断和预警系统，有效降低了事故发生率，保障了轨道交通系统的安全稳定运行。这一系统不仅提高了设备的维护效率，还增强了乘客的安全感和信任度。

　　(3)降低运营成本，提高经济效益，实现跨平台高效巡检

　　机器人技术的引入大大降低了轨道交通系统对人力资源的依赖，从而减少了人力成本。高效的自动化系统减少了设备维护和运营成本，同时提高了生产效率。智能调度和优化路径规划技术进一步减少了能源和时间的浪费，显著提高了经济效益。此外，通过机器人与无人机联合巡检控制模式，实现了任意室外场景的高效巡检与运载，拓展了系统的应用场景，提升了整体系统的灵活性和适应能力。

　　经过研究，所提出的人工智能驱动的交通运载机器人关键技术与方法，被9位国际学会主席、34位中/美/英/加院士等国内外同行在Nature等权威期刊引用并公开评价，认为本技术方案“在灵活性、计算效率、鲁棒性等方面都优于其他现有方法”，并应用于我国多条铁路以及伦敦等36个英国城市交通系统。

　　围绕“交通装备与人工智能”主题，刘辉教授入选国家青年拔尖人才(中组部)、中国工程前沿杰出青年学者(中国工程院)、交通运输部科技领军人才、英国皇家工程院杰出国际工程师奖等计划和荣誉，入选全球高被引科学家、爱思唯尔中国高被引学者。

　　主持获教育部自然科学二等奖、教育部技术发明二等奖、中国交通运输协会科技进步一等奖、中国物流与采购联合会科技进步一等奖、吴文俊人工智能科技进步奖等10余项，参与获国家科技进步一等奖、中国铁道学会科技进步特等奖等4项。获中国智能交通协会优秀科技创新领军人才、湖南省青年科技奖、中国交通运输协会首届青年奖、宝钢优秀教师奖等荣誉。

　　主持国家自然科学基金4项，国家重点研发计划课题1项，以及来自德国联邦教研部、英国交通部、英国皇家工程院等国际科研项目4项。发表SCI/EI论文131篇，其中ESI热点论文、ESI高被引论文20余篇，累计SCI他引超6000次，Web of Science H-index值超过40;第1发明人授权美国、欧洲、日本、俄罗斯、新加坡、澳大利亚等国际发明专利23项、国家发明专利38项。