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。
人民交通24小时值班手机:17801261553 商务合作:010-67683008转602 E-mail:zzs@rmjtzz.com
Copyright 人民交通杂志 All Rights Reserved 版权所有 复制必究 百度统计 地址:北京市丰台区南三环东路6号A座四层
增值电信业务经营许可证号:京B2-20201704 本刊法律顾问:北京安济律师事务所主任 李宝柱
京公网安备 11010602130064号 京ICP备18014261号-2 广播电视节目制作经营许可证:(京)字第16597号