城市综合管廊巡检机器人设计

城市综合管廊巡检机器人设计摘要：城市地下综合管廊建设飞速发展，传统人工巡检已无法契合管廊目前需求。智能化巡检开始运用于管廊。本文聚焦城市综合管廊巡检机器人设计，基于政策导向、市场需求与技术趋势，创新提出设计方案。功能设计贴合管廊巡检及应急需求，针对性设计了机器人紧急排水辅助、轻微泄漏初处理等应急功能，采用子母式结构增强环境适应性。实现对城市地下综合管廊的智能化管理与维护，提升城市基础设施的管理水平和运维效率，为城市的可持续发展提供有力保障，也为相关领域的技术创新，开辟了新的思路。关键词：综合管廊；巡检；城市；机器人设计；DesignofUrbanComprehensivePipeGalleryInspectionRobotAbstract:Withtherapiddevelopmentofurbanundergroundintegratedpipecorridorconstruction,traditionalmanualinspectioncannotmeetthecurrentneedsofpipecorridor.Intelligentinspectiontechnologyresearchneedstobecarriedout.Thispaperfocusesonthedesignofanurbanintegratedpipecorridorinspectionrobot,basedonthepolicyorientation,marketdemandandtechnicaltrend,andproposesaninnovativedesignscheme.FunctionaldesignADAPTStotheinspectionandemergencyrequirementsofthepipecorridor,en-dosestherobotwithemergencyfunctionssuchasemergencydrainageassistanceandminorleakageinitialtreatment,andadoptsthemother-childstructuretoenhanceenvironmentaladaptability.Torealizetheintelligentmanagementandmaintenanceoftheurbanundergroundintegratedpipecorridor,improvethemanagementlevelandoperationandmaintenanceefficiencyofurbaninfrastructure,provideastrongguaranteeforthesustainabledevelopmentofthecity,andalsoopenupnewideasfortechnologicalinnovationinrelatedfields.Keywords:ComprehensivePipeGallery,Inspection,city,Robotdesign目录TOC\o"1-3"\h\u第1章绪论 第1章绪论1.1研究背景1.1.1城市地下管廊的发展为了能有效地应对在城镇化快速推进的背景下传统道路施工引发的环境与交通问题日益凸显的现状，城市地下管廊逐渐进入人们的视野。在各城市中由于多个建设项目交叉进行施工导致了地下管道铺设需要反复开挖路面，这种结果不但会对道路结构造成破坏，在一定程度上还会导致交通拥堵和环境污染这些重要问题，还会同时引发资源过度浪费和污染物加倍排放扩散。解决这一系统性的矛盾就需要利用到地下管廊，地下管廊是通过空间集约化利用和管线综合管理的均衡模式将电力、通信、燃气、给排水等市政管线整合于统一的地下隧道空间，在其中更是配备了专业检修口、吊装口REF_Ref12849\r\h[1]。据中国新闻网的报道显示，2018年初，我国地下综合管廊开工建设的总里程已经超过了4000公里，其中已经完工的管廊里程已经逼近3000公里，除此之外还有150余公里处于施工阶段。在国家政策的推动下，我国目前的现代化城市地下综合管廊建设市场迎来了蓬勃发展的黄金时期。在2016年国务院印发的《中共中央、国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中指出，从2016年开始，我国城市地下管廊要保持着平均以每年2000公里的增速稳定增长，不久的将来投资规模将超过1.4亿元，地下管廊的总里程将超过3万公里。截至2019年相关政策发布时，我国已建和在建管廊总长度更是持续增长，投资规模巨大REF_Ref13868\r\h[2]。国家出台了一系列政策用于推进城市地下综合管廊建设，在2023年5月26日印发公布了《城市地下综合管廊建设规划技术导则》，这份规定为当前略显混乱的管廊市场定下了技术基调，统一了市场技术标准，具有深远的市场指引价值。在此之前，中共中央、国务院公布的《扩大内需战略规划纲要2022—2035年》这一政府规划报告中明确指出，各地政府根据当地的实际情况要合理地实践探索继续深入推进城市地下综合管廊的建设，这一纲要的公布，成为各地政府实施相关政策的风向标。这些政策的出台，无一不为城市地下综合管廊的建设提供有力的支持和明确的方向。1.1.2管廊问题现状及发展趋势在国务院等上级部门的指导下，各地政府因地制宜，根据自身发展情况逐渐都在即将建成的新城区中专门规划和实施了现代标准的城市地下管廊，大大提升了城市韧性，保障城市居民生活的基本需求和城市安全，美化城市景观，提升城市综合承载力，有效避免了交叉施工过程中城市道路的反复开挖，节约了城市的地面资源，合理利用了地下资源，提高了城市综合承载能力和城镇化发展质量。它给城市带来从内到外的活力，但综合管廊的建设不断增多，管廊作为城市运行的重要基础设施，因长期处于密闭复杂的环境下而面临着多重挑战。突发情况如地震、材质老化等因素会导致电缆火灾事故频发，影响城市正常运行更为严峻的是，管廊内部区域常出现空气流通不畅或温度异常现象，与灰尘和污渍积聚问题，进而引发设备故障和安全隐患。此外，水、油或其他液体的轻微泄漏若不能及时发现并封堵，将严重威胁设备安全，将极大增加运维人员的安全风险。综上所述，因管廊建设的时代需要（城市发展需要和国家政策引导）和管廊管控信息化的实际需求，管廊建设正逐步走向智慧化管理。在复杂、危险环境下，巡检机器人通过二十四小时不间断工作替代人工执行巡逻检查任务，逐渐广泛地应用在廊、隧道、地铁、化工厂、电站、机场等场合REF_Ref28167\r\h[4]。1.2国内外研究现状1.2.1综合管廊研究现状国内管廊现状，为了满足实现高标准城市化所要求的基础设施建设的任务，自2015年起，我国开始大规模建设地下综合管廊。2015年8月国务院办公厅出台了《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》之后，像是为管廊建设市场吃下了一颗“定心丸”，在这种背景的刺激下，我国多地城市地下综合管廊建设开始提速，如REF_Ref9297\h图1-1所示，根据中国城市规划学会官方网站发布的数据，管廊建成里程逐年增加，截至2022年6月底，全国279个城市、104个县，累计开工建设管廊项目1647个、长度5902公里，形成廊体3997公里。全国城市市政基础设施规划建设“十三五”规划中计划建设干线、支线地下综合管廊8000公里以上。根据《中国城市建设统计年鉴》数据，到2020年，已建管廊和新建管廊长度之和已达8841.44公里，据测算，仅25个试点城市5000余公里的高压架空线入廊，就增加了2800公顷可开发建设用地REF_Ref20287\r\h[5]。各地政府大力推进地下综合管廊建设的原因，优化城市安全保障设施，提高了灾害风险抗击能力，减少频繁道路开挖这一长期困扰市民的城市治理难题，同时，更深层次的原因就是能大幅促进集约高效地利用城市土地资源。图1-SEQ图1-\*ARABIC1全国地下综合管廊建设情况（图片来源：作者自绘）如REF_Ref20024\h图1-2所示，城市智慧管廊工程及其特色功能管廊建设逐步走向智慧化管理。据《瞭望》新闻周刊的《地下综合管廊提升城市韧性》一文中剖析：“北京旅游区管廊宜采用智慧管廊运维管理平台，通过人工检查、视频轮巡、四足机器狗等手段开展智能巡检，目前已支撑管廊结构、设备巡检总里程超过9万公里，地下综合管廊智慧管理已成为大势所趋。”2022年3月，山东省青岛市崂山区首条智慧化地下综合管廊宣告建设完成。这条地下综合管廊除了电力舱、综合舱和燃气舱三大基础模块，还为管廊增加了环境监测及设备监控系统等通信预警设施，能及时地与监督者通信。而杨茗在《城市综合管廊市场现状与发展前景》中提到近几年建设的管廊项目都还未进入全面运营管理期，且在后续运维方面目前尚无成熟的经验可以借鉴。特别是2016年以来，随着管廊建设的蓬勃发展，政府和央企更多地关注于立项和中标，没有精力研究合理的规划设计和高效的运营管理；同时，建设规模的过度增长，以及运营维护管理方面的缺失给维护人员和本身的管廊建设都带来了很多问题。图1-SEQ图1-\*ARABIC2典型城市智慧管廊工程及其特色功能（图片来源：作者自绘）国外综合管廊建设的历史最早可追溯到1833年法国巴黎建设的第一条综合管廊。经过近两百年的发展，综合管廊已成为许多发达国家城市基础设施的重要组成部分。同济大学教授束昱在谈综合管廊的国外发展时提到以法国、英国为代表的欧洲国家，综合管廊已作为城市基础设施完全由政府出资建设，以政府为主导。将综合管廊建设列入国家相关法律，强制要求能入廊的管线必须进入管廊内，从而确保了综合管廊的使用率和经济效益REF_Ref18616\r\h[5]。国际高水平的综合管廊建设和运营十分注重技术创新和智能化管理。通过智能巡检机器人、智能井盖等智能设备，在实现远程监控、故障诊断和预测性维护等功能方面，具有无可比拟的优越性。此外国外研究者经过多年实践与应用，技术相对成熟完善，且在BIM技术和GIS技术的应用上不论是从技术广度还是宽度上都具有领跑优势。而这些经验和技术为我国综合管廊建设提供了宝贵的实践意义和理论价值。综上所述，国内外综合管廊的建设虽都在快速发展，但同时也面临着不同的挑战和机遇。北京建工建元城投公司的项目经理高博曾介绍了未来应该把机器人和无人机系统进一步运用到管廊建设项目中，努力做到由机器人主导的管廊建设。1.2.2巡检机器研究现状根据对国内研究及文献现状的分析可以得出国内巡检机器人研究开始于20世纪90年代，其中中国科学院、沈阳自动化研究所等多个单位共同参与了巡检机器人的研究工作并成功取得了许多重大成果，在这基础之上也攻破了机器人的定位、导航、硬件结构等方面的难关并由此证明了机器人巡检的可行性，成功地为后续深入研究打下了良好的基础并进一步更深层次地验证了巡检机器人的发展意义REF_Ref20771\r\h[6]。技术的迭代更新与其越来越多样化的发展促进了国内巡检机器人领域的发展并通过以技术创新为核心动力不断推动行业进步，如REF_Ref3236\h图1-3所示。与此同时在综合管廊、电力设施这些基础设施建设加速的影响下巡检机器人的应用需求也日益增长，致使巡检机器人技术迭代更新更迅速。轮式巡检机器人凭借其灵活性和适应性在多种复杂环境中都展现出卓越性能，比如国网智能、亿嘉和等高新技术企业推出的轮式巡检机器人不仅能够在平坦路面高速移动，还能通过跨越小障碍完成精细化的巡检任务，如REF_Ref4507\h图1-4所示。同时挂轨式巡检机器人也凭借其具备的稳定性和高效性的双重优势特征，在电力线路、桥梁等固定路径巡检中逐步占据了重要地位，比如国自、申昊等这些企业的产品就是通过固定轨道的方式实现了精准定位与高效巡检。从智能感知与自主导航方面出发来看国内巡检机器人同样也拥有广阔的发展空间和显著的进展。图1-SEQ图1-\*ARABIC3技术检测现场（图片来源：网络）图1-SEQ图1-\*ARABIC4巡检机器人应用场景（图片来源：网络）巡检机器人在管廊极其复杂的环境下所体现出的是，在环境适应性与维护管理方面的实际运用中会遇到摄像头表面积尘、缺乏紫外线监测功能等技术性问题，针对这些挑战与难题国内企业正积极研发新型防护材料与传感器技术，用以提升机器人的环境适应性与检测能力。特别注意的是加强巡检机器人的维护与管理也是保障它们长期稳定运行的关键。可以通过建立远程监控与维护系统的两种具体方式来实现对巡检机器人运行状态的实时监测与故障预警，从而有效地减少人工干预与停机时间并逐步提高巡检效率与可靠性。机遇与挑战并存，尽管国内巡检机器人已经在技术创新与应用实践方面取得了显著成就，但在许多方面仍然面临着诸多挑战，就比如智能巡检机器人在复杂环境中的定位精度与避障能力仍然需要进一步提升，否则就会导致机器人运行运作无法达到预期效果的情况。从2009年开始人工智能、物联网、大数据等技术就不断登上世界舞台，而正是因为它们的不断发展与融合，才致使巡检机器人具备更加智能化、自主化的特点和优势，同样在这也为各类基础设施的安全运行提供更加全面和更加高效的保障REF_Ref21973\r\h[7]。本文同样对国外研究现状进行了分析，据现状来看国外众多高校和研究机构都致力于探索巡检机器人的基础理论、算法优化及系统架构，这些研究不仅仅是涵盖了机器人学、人工智能、机器视觉等多个学科领域，更是涉及了复杂环境下的任务规划、路径优化、数据融合这些高端前沿技术。全球首台移动机器人Shakey于20世纪60至70年代在SRI研究院的AI部门中正式诞生REF_Ref23805\r\h[8]。Shakey机器人配备有老式摄像机、发动机、测距仪、传感器及其所需的基础设施，如REF_Ref9493\h图1-5所示。21世纪20年代，更为新型的机器人TI由科研人员在美国电力研究院（EPRI）研制成功REF_Ref24605\r\h[9]。此外，通过3D打印等先进制造技术，可以实现巡检机器人零部件的精确制造和快速更换，进一步提升其维护性和灵活性REF_Ref23896\r\h[10]。巡检机器人在国外已经广泛应用于电力、石化、航空、铁路等多个领域，如REF_Ref9660\h图1-6所示。图1-SEQ图1-\*ARABIC5首台移动机器人（图片来源：网络）图1-SEQ图1-\*ARABIC6国外巡检机器应用场景（图片来源：网络）简言之巡检机器人在国外的学术理论研究和技术运用方面都已经取得了显著成果并在多个领域内成功得到了广泛的应用。而在未来随着技术不断进步和应用场景不断拓展的背景下巡检机器人将发挥更加重要的作用，为各行业的安全、高效运行提供强有力支持。1.3研究目的和意义1.3.1研究目的旨在结合人工与机械巡检两者优势，构建人机协同巡检系统的城市综合管廊巡检机器人，优化管廊后续维护检测功能，针对管廊应急问题，创新巡检模式，及时预警，提高防灾减灾及应对突发的能力；监测并预测结构状态，延长使用寿命，保障管廊结构安全，完善巡检机器对于管廊结构检测的缺失，完善管廊后续维护管理问题。1.3.2研究意义本课题主要针对城市地下综合管廊巡检机器人应如何设计与应用的主要问题进行研究，在研究中通过智能巡检机器人的应用实现对城市地下综合管廊的智能化管理与维护并提升城市基础设施的管理水平和运维效率。智能巡检机器人不仅仅能够及时发现并处理管廊内的安全隐患，还能有效地预防重大事故的发生并保障城市生命线在突发事件中的安全稳定运行，从而减少因事故造成的经济损失和社会影响，与此同时智能巡检机器人也为相关领域的技术创新开辟了新的思路。1.4研究思路为了全面收集并分析具体政策支持和市场需求、技术发展、用户及场景痛点等多个影响因素，通过多种渠道进行深入调研从而进一步揭示城市综合管廊巡检机器人未来的发展趋势与功能需求。为了进一步确保研究的系统性和全面性本文分别针对人和环境的需求采用适当的调研方法和分析方法进行深入探究。在研究中将通过需求与功能的转化从而明确产品所需实现的具体功能及其细节要求。在此基础上采用对比并分析市场主流产品的方式进行不同方向的概念设计，以期形成具有创新性和实用性的设计方案。在最后将进一步细化产品功能及其外观并确定产品的基本造型和形态，加快整合各项功能的实现。

1.5研究方法与框架1.5.1研究方法文献资料分析：首先通过搜集有关文献资料，结合管廊空间设计规格大小，了解当前国内外巡检机械产品的现状、设计趋势，巡检机器在城市综合管廊上应用的现状等相关问题。案例分析比较法：在进行文献资料分析后，通过对现有的巡检机械产品案例进行分析、研究，在后续探究设计方法的过程中摒弃其不足，尽量使管廊巡检工作者有更好的使用体验。问卷调查法：通过发布问卷调查访问分析管廊巡检工作者对管廊巡检机器的功能需求，结合管廊复杂环境的特点，挖掘管廊巡检工作者对于产品深层次的需求。1.5.2研究流程如REF_Ref12644\h图1-7所示，首先从选题介绍到产品设计研究展开分析，根据调查实践，对应场景构建，其次根据需求提取设计机会点，最后城市综合管廊巡检机器人设计输出。图1-SEQ图1-\*ARABIC7设计研究流程（图片来源：作者自绘）

第2章综合管廊及管廊巡检机器人分析2.1综合管廊定义及分类类型城市综合管廊又被称为“共同沟”“城市的收纳盒”，是指在城市地下规划统一布置的一条或多条廊道，通过管线、电缆、设备和设施等综合布置并采用综合管理和一体化运营的方式对城市基础设施进行统一规划、建设和管理。它基于“地下一张图”的理念将城市内各类管线进行整合并实现资源共享和综合管理的一种先进的建设模式。城市综合管廊按其所容纳的管线划分：干线型综合管廊、支线型综合管廊、缆线型综合管廊、干支线混合型综合管廊，如图2-1所示。干线综合管廊的内部净高不宜小于2.1m；支线综合管廊的内部净高不宜小于1.9m；与其他地下构筑物交叉的局部区段地净高不应小于1.4m。当不能满足最小净空要求时，可改为排管连接。综合管廊标准断面内部净宽应根据容纳的管线种类、数量、管线运输、安装、维护、检修等要求综合确定。干线综合管廊、支线综合管廊内两侧设置支架或管道时，人行通道最小净宽不宜小于1.0m；当单侧设置支架或管道时，人行通道最小净宽不宜小于0.9m。（a）干线型综合管廊（b）支线型综合管廊（c）缆线型综合管廊图2-SEQ图2-\*ARABIC1城市管廊图片（图片来源：网络）城市综合管廊根据使用环境和管理性质的不同可以分为公共管廊、企业管廊和特殊管廊。综合管廊内两侧设置支架或管道时，检修通道净宽不宜小于1.0m；单侧设置支架或管道时，检修通道净宽不宜小于0.9m。配备检修车的综合管廊检修通道宽度不宜小于2.2m。

2.2管廊环境性质分析2.2.1管廊环境的复杂性及管理现状由于综合管廊复杂的内部环境特征，因此发生地震或材质老化等因素极易发生电缆火灾等安全事故导致不能及时寻找发生事故的关键点。并且当管道内部出现气体泄漏问题时所释放的一定量有毒或可燃气体同样也会对巡检人员的人身安全造成威胁REF_Ref25232\r\h[11]。而管廊施工开挖过程中，会影响周边的不均匀沉降，在各类外部因素侵蚀下，影响整体结构安全，更影响内部水电气管线的正常运输功能。目前管廊安全管理方面已经建立了一定的应急预案和响应机制，对管廊安全管理进行分级管控，如REF_Ref11671\h图2-2所示。面对复杂多变的管廊安全事故时，快速、准确地启动应急预案，组织有效的救援和处置行动，采取综合应急预案，如REF_Ref12667\h图2-3所示。针对管廊内部环境的复杂性和潜在的安全风险，建立有效的监测与预警系统至关重要。图2-SEQ图2-\*ARABIC2安全管理金字塔分级管控模式（图片来源：作者自绘）图2-SEQ图2-\*ARABIC3综合应急预案体系示意（图片来源：作者自绘）2.2.2管廊维护影响因素及巡检要求针对管廊管理维护困难的影响因素进行研究，得出其具体的原因涵盖着内部环境、外部环境、时间演变以及技术应用多个方面。从内部环境着眼进行分析可以得出管廊内部管线密集且布局错综复杂，加之密闭空间内安全隐患难以及时察觉，相应地就增加了管理和维护的难度。从外部环境方面的分析来看，地质条件的复杂性和周边施工活动的影响都可能对管廊结构造成直接或间接的损害并对其稳定性和安全性构成不小的威胁，如REF_Ref16105\h图2-4所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC4管廊管理维护影响因素分析（图片来源：作者自绘）但传统人工巡检方式在全面性和及时性上仍旧存在不足，其中包括但不限于缺乏有效的监测和预警机制从而导致了维护管理效率低下。种种不同的因素经过不断地相互交织和共同作用构成了管廊维护管理面临的复杂问题，同时也为管廊维护管理提出新的要求和警醒。据以上统计和分析结果来看，目前管廊复杂环境下的巡检要求具体体现在以下几个方面：主要表现于安全事故预防与如何及时响应这一方面，针对管廊长期处于无人值守的密闭环境下运行的特点，更需要不断加强安全事故的预防工作并在事故端倪前进行管廊寿命预测和故障诊断以及时发现和防止安全隐患的产生。第二点则主要针对的是有毒或可燃气体泄漏的监测与处理，正是由于管道内部出现泄漏问题时可能会释放一定量的有毒或可燃气体这个原因，并且这些气体同样会对巡检人员的人身安全构成威胁，所以安装可靠的气体泄漏检测系统并实时对管廊内的气体浓度进行检测也是重中之重REF_Ref386\r\h[12]。一旦发现气体泄漏的情况应立即启动应急处理机制，与此同时也应立即通过关闭相关阀门、启动通风系统等方式来进一步确保人员安全。第三点则针对结构安全的监测与报警方面，由于地下管廊复杂的环境特征导致它极易受外部因素影响，也正因此地下管廊更容易出现结构病害的现象。要有效防止这些病害就需要通过对裂缝、变形等指标进行实时监测的方式加强对管廊结构安全的监测REF_Ref25836\r\hREF_Ref25836\r\h[13]。随着物联网大数据的更新迭代，智慧化管理系统的应用也是巡检要求中的重要节点，因此结合新时代智慧城市建设运维的要求并实施智慧管廊系统理所当然地成为重中之重。通过智慧化管理系统可以实现对管廊内各项运营指标的实时监测，从而进一步提高运维管理的效率。综合以上所有方面可以得出管廊环境检查维护管理要求涉及多个维度，其中包括安全事故预防与及时响应、有毒或可燃气体泄漏的监测与处理、结构安全的监测与报警、智慧化管理系统的应用以及施工开挖过程中的安全监测这五个方面。而这些要求在诞生之初就是旨在确保管廊在复杂环境下的安全稳定运行能够得到充分保障，并为城市的发展和居民的生活提供更加可靠的保障。2.3目前巡检机器人分析综合管廊管理工作要求的逐渐增多揭示出综合管廊巡检工作也要有更加严格准确的标准，而传统的人工巡检已经越来越难以应对各种复杂的管廊环境，及时创新是改善这个弊端的重要节点，因此智能巡检机器人及其监测技术和遥感技术开始被广泛应用在综合管廊巡检工作中。2.3.1巡检机器人市场现状及发展趋势分析巡检机器人可以实现二十四小时不间断工作替代人工在复杂、危险环境下执行巡逻检查、环境监控、故障预警、图像智能分析这些任务，伴随着越来越广泛地应用在廊道、隧道、地铁、化工厂、电站、机场等场合REF_Ref26714\r\h[14]。最近这两年发展得尤为迅速，因此很多研制机器人的企业取得了良好的发展。在科技发展的推动下，巡检机器人的性能持续优化，功能日益丰富。正因如此，这类机器人的应用范围不断拓展，市场需求也水涨船高。从REF_Ref16713\h图2-5能够看出，2023年中国智能巡检机器人市场规模达到19.71亿元。其中，电力智能巡检机器人占据了18.27亿元的份额，而其他类型的智能巡检机器人规模则为1.44亿元。图2-SEQ图2-\*ARABIC5中国智能巡检机器人行业规模（图片来源：作者自绘）随着巡检机器人行业展现出广阔的发展前景，越来越多企业纷纷涌入。这使得市场竞争愈发激烈，竞争维度涉及价格、品质、服务以及市场细分等多个方面。当下中国智能巡检机器人领域的主要企业包括国网智能、申昊科技、亿嘉和科技等，如REF_Ref18244\h图2-6所示。这些企业在市场中各展身手，推动行业持续发展。《中国智能巡检机器人行业市场现状调研及发展前景预测报告》中调研数据提到：巡检机器人的应用越来越广泛，市场需求也在不断增长，如REF_Ref18620\h图2-7所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC6巡检机器人主要企业图（图片来源：作者自绘）图2-SEQ图2-\*ARABIC7中国智能巡检机器人市场需求量（图片来源：作者自绘）伴随传感器技术、智能控制技术、数据挖掘技术以及人工智能技术等学科知识和技术的积累和应用，智能巡航机器人与各种新技术的结合愈加紧密，产生出多种新的功能与应用REF_Ref27417\r\h[15]。在管廊巡检维护管理领域中这个趋势则出现更加明显的现象，巡检机器人与智慧化管理系统的结合正逐步成为未来发展的主流方向。而巡检机器人也能凭借它强大的自主导航能力、高精度传感器以及智能识别的技术实现对管廊内部环境的全面且细致地监测。如果这些技术与智慧化管理系统能进一步深度融合，那么管廊的巡检维护管理也将迈向一个全新的高度。迄今为止越来越多的城市开始采用巡检机器人智慧化管理的方式进行城市建设巡检，通过使用机器人进入危险区域的方式以此提高安全性，通过使用自主导航和智能识别功能提升巡检效率并实现高精度传感器精准监测这一结果。在此基础上结合智慧城市建设运维的要求实施智慧管理系统，实现管廊与设备、系统的智能互联互通可以为进一步提升管廊的运维管理水平打好基础REF_Ref28102\r\h[16]。值得注意的是巡检机器人智慧化管理还能够为管廊的维护管理提供精准的数据支持，这一点优势也同样能够有助于优化维护策略从而加快提高维护效率。管廊巡检维护管理趋向巡检机器人结合智慧化管理系统发展的趋势将逐步推动管廊运维管理向更加智能化、高效化、安全化的方向发展并为城市的发展和居民的生活提供更加坚实可靠的保障。2.3.2巡检机器人分类及功能分析(1)巡检机器人分类根据工作地点可以分为陆地巡检机器人、空中巡检机器人及水下智能机器人；根据运行是否依靠轨道分为有轨与无轨机器人，越来越广泛地应用在廊、隧道、地铁、化工厂、电站、机场等场合，如REF_Ref32525\h表2-1所示。表2-SEQ表2-\*ARABIC1巡检机器人分类（表格来源：作者自绘）产品品类图片类型应用领域陆地巡检机器轮式无轨巡检石化，煤矿，变电站，配电站，发电厂等有轨/挂轨巡检智能电网，智慧档案馆，地下管廊，隧道，输电线路等空中巡检机器固定翼，多旋翼无人机电力输电线路巡检、森林防火巡检、交通应急巡检等水下巡检机器水下巡检机器用于水下侦察环境，解决人体无法长时间下水的限制(2)巡检机器人的功能技术分析目前市场上的巡检机器人主要依靠自主导航技术与路径规划技术通过GPS系统、激光雷达、深度摄像头以及多种传感器实现自主规划最优路径并在复杂环境中进行精确定位；而多传感器融合技术上，主要包含机载传感技术与数据融合与处理，搭载多种传感器，如摄像头、红外线传感器、激光雷达等，以实现对被巡检对象的全方位、多角度探测REF_Ref29346\r\h[17]。而在针对采集的数据融合与处理上，大多采用信息管控智能化平台实现对采集到的数据的自动化管理，帮助工作人员快速了解和掌握准确的巡检数据，如REF_Ref1909\h表2-2所示。巡检机器人功能在智能识别与判断技术上，大多包括智能识别与异常检测，通过技术识别，巡检机器人能够自动识别和判断异常情况，如设备故障、环境异常等，并及时采取相应解决措施REF_Ref29732\r\h[18]。还有远程监控与管理技术可以通过无线传输技术将采集到的数据传输到后台管理系统的方式实现远程监控和管理，使工作人员能够实时掌握巡检情况，及时发现问题并采取措施。部分巡检机器人还具备云端控制功能，用户通过云端平台实现对巡检机器人的远程控制和数据接收REF_Ref14558\r\h[19]。表2-SEQ表2-\*ARABIC2巡检机器人市场分析（表格来源：作者自绘）产品类型产品图片品牌功能尺寸(mm)巡检方式轮式无轨巡检国网智能设备红外测温；可见光检测；环境状态检测；全自动多功能巡检等855*615*900激光雷达，里程计，摄像头＋60度全景云台国自红外精确测温；实时数据传输；数据智能分析；三维激光导航等570*490*770激光雷达（3D）+惯导360度全景云台有轨/挂轨巡检机器人天创实时监控；巡检管理；表计识别，语音对讲；数据统计；预警联动；环境监测等590*330*420激光雷达+视觉360度全景云台申昊状态异常告警；自主定位、自主导航；安全防护；表计识别；红外测温；智能运维等350*250*400激光雷达（3D）+惯导360度全景云台而在针对极端复杂环境中巡检机器人还需要具备特殊环境适应能力以及在各种复杂地形中稳定移动的能力，如台阶、斜坡、石头等。在石油化工这类特定行业中目前市场出现了一些具备检测特定化学物质浓度、有害气体浓度等能力的巡检机器，以确保巡检过程的安全性和准确性。但针对复杂环境出现的问题预警与应急处理上，如管道水油泄漏，巡检机器人的功能上还存在缺乏。2.4城市综合管廊巡检机器人概述2.4.1城市综合管廊巡检机器人定义。在科技持续进步的时代浪潮推动下计算机科学、人工智能与自动化技术更是深植于城市基础设施的管理与维护环节。从全球城市发展的宏观层面来看智慧城市建设与基础设施智能化管理这二者都呈现出了强劲的发展势头。而对城市综合管廊这个城市地下空间的关键脉络开展高效、智能的运维管理愈发重要。​城市综合管廊巡检机器人是一个专为地下综合管廊场景打造的创新性产品，机器人充分融合了人工智能、精密机械和自动化控制这些高端前沿技术，运用这个机器人产品能全方位地感知管廊状态并实现数据实时采集的效果。通过借助与智慧管理系统的无缝对接，巡检机器人能够将监测数据实现即时上传并对于异常突发状况能够进行快速预警，为管廊运维决策提供了更精准的数据支撑。由此可见巡检机器人不仅仅是智慧城市基础设施管理的重要一环，更是推动管廊运维向智能化、高效化和安全化迈进，为城市的平稳运行与可持续发展筑牢根基的核心力量。2.4.2城市综合管廊巡检机器人功能分析目前综合管廊巡检机器人具有巡逻检查、环境监控、故障预警和图像智能分析等功能REF_Ref31325\r\h[20]。它具备灵活的移动与精准的定位能力，能替代人工在复杂危险环境下自行行走，并自主调节路径，及时汇报位置信息；拥有全方位监测功能，可对管廊内各类设备和空气质量进行监测，检测多种气体并在危险时报警；具备强大的数据采集与传输功能，采集图像、温度等数据并及时上传；支持远程操控，工作人员可远程下达指令，这些功能可以进一步提升巡检工作的效率和质量。2.4.3巡检机器人在管廊中的应用方式目前巡检机器人在综合管廊中的应用主要通过多种特定方式实现高效巡检，为管廊安全稳定运行提供有力保障。进行管廊信息采集工作：在开展综合管廊数据采集作业前清晰界定拍摄区域的边界覆盖范围。通过借助软件规划航行方向与路径这种方式的同时运用GPS系统对运行位置和路线进行实时监测。有效地采集数据：智能巡检机器人通过配套设备实现数据的采集与存储并对这一过程实施权限管理，这个管理大幅度提升了数据的精确性与安全性。目前数据采集主要采取的是支持自动和手动两种模式，工作人员凭借GPS定位和导航系统操控获取信息上传或者机器人通过自身信息传输系统将信息传送至系统。完成环境条件较差地区测绘工作：智能巡检机器人在山区、高云层区域以及高海拔等地带能够高质量地完成巡检任务获取准确的测绘数据，从而为综合管廊巡检结果的可靠性进一步提供有力支撑REF_Ref31678\r\h[21]。有效的信息处理：智能巡检机器人所搭载的遥感信息处理系统通过对拍摄图像进行预处理与校正进行并完成收集信息的初步整理和审核。此时总系统则会按照预设的标准筛选并删除不合格信息，在这时再对剩余信息进行优化从而提升信息处理的效率与质量，以此来减轻工作人员的负担并增强信息处理操作的便捷性。2.5本章小结在本文研究过程中为充分满足管廊高效、智能的运维管理需求，通过从不同角度不断分析管廊环境的复杂性，包括其内部多样的管线布局、可能存在的安全隐患以及结构安全等问题市场逐渐应用巡检机器人。研究针对目前市场上的巡检机器人进行了分类和功能分析并指出了其核心技术要点，与此同时针对巡检机器人的市场现状及发展趋势进行了分析。本文主要通过深入分析其产品功能并针对目前智能巡检机器人在综合管廊巡检中的应用方式，发现巡检机器人能够让管廊巡检工作变得更加方便快捷的有效结论，这种结论也验证了的确能够通过有效获取更多更加精确的数据信息，从而减少实际数据与巡检数据差距和巡检工作量并提高巡检准确程度，有效减少巡检成本。

第3章城市综合管廊巡检机器人调研分析3.1城市综合管廊巡检机器人需求研究3.1.1目标用户群体城市综合管廊巡检机器人的目标用户群体主要包括管廊管理人员、巡检工作人员、维护技术人员三类人群，如REF_Ref20369\h图3-1所示。对管廊管理人员而言，他们主要负责管廊的整体运维管理和制定巡检计划、监控管廊运行状态以及处理异常情况等方面。想要通过应用巡检机器人实现远程监控、数据分析和异常预警的这些功能，减轻管理人员的工作压力、安全隐患并提高管理效率。对巡检工作人员这类直接参与管廊巡检并负责按照巡检计划对管廊内部进行细致检查的人来说，希望能够替代他们在这些复杂、危险的环境中执行巡检任务，在工作中大大减少人员伤亡风险的同时有效提高巡检的准确性和效率。维护技术人员这类用户群体主要负责管廊内部各类设备的日常维护和故障处理。巡检机器人对于他们而言可以起到一定的辅助作用，实时监测功能能够帮助他们及时发现并报告潜在的故障，从而提高设备维护的效率和准确性。图3-SEQ图3-\*ARABIC1用户需求画像（图片来源：作者自绘）3.1.2用户调研方法及内容用户调研方法在开展用户需求调研时，主要采用线上问卷调查方法。通过对不同行业的巡检机器人用户的问卷调查。在此调研过程中，有大量的巡检机器人用户为各大环境建设行业，可根据不同使用场景针对性问卷调查需求。调查内容对城市综合管廊巡检机器人的调查内容包括以下几个方面：研究初期要充分收集目标用户的基本信息，比如要从目标用户实际从事的行业、所处的工作单位以及具体职务等作为重要抓手，以便对用户群体进行细分和特征分析。深度调查目标用户对巡检机器人的功能需求，比如对环境监测、设备状态监测、异常预警、自主导航、避障防撞、紧急排水、简易清洁等功能的需求有何侧重点，通过调查功能需求的方式深度了解用户对各项功能的重视程度和优先级，以便在产品设计和功能优化时做出合理决策。调查目标用户对巡检机器人的性能需求，比如从移动性能、续航能力、稳定性等各个方面进行分步研究。巡检机器人能否在复杂的使用场景中稳定移动，同时是否能适应不同的布局与环境是用户关注的焦点所在。综合来看通过问卷调查的方法对城市综合管廊巡检机器人的目标用户群体进行调研时，可以全面了解用户对产品的功能、性能、使用体验等方面的需求和期望，如表3-1所示。这些调研的信息对于产品的设计、开发、优化和改进具有重要意义，也同样有助于提升产品的市场竞争力和用户满意度。表3-SEQ表3-\*ARABIC1个人调研问卷主要信息（表格来源：作者自绘）调研内容具体信息用户基本信息行业、工作单位、职务存在的问题城市综合管廊巡检工作面临的主要挑战功能需求基本功能，应急功能性能与外观需求移动性能，环境适应性，外观结构改进建议功能优化、性能提升、外观设计等方面的建议3.2用户调研分析3.2.1用户调研数据分析本文针对用户实际调研数据进行了详细的分析，通过线上问卷的方式广泛收集了全国各地的管廊巡检行业人员的意见数据。本次调研共回收了126份调查问卷，经过筛选排除了24份无效问卷，并最终得到了102份真实有效的反馈。调研对象覆盖城市综合管廊相关的多个行业，主要集中在管廊运维管理的关键岗位，如REF_Ref20476\h图3-2所示。职务或角色都分别涉及了管廊管理、运维、安全等多个方面，这也进一步确保了调研结果的全面性和代表性，如REF_Ref20506\h图3-3所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC2调研对象行业（图片来源：作者自绘）图3-SEQ图3-\*ARABIC3调研对象岗位（图片来源：作者自绘）调查中发现目前管廊巡检存在的一些问题，69.7%的调查用户认为管廊内部环境复杂，安全隐患多。78.79%的调查用户反映巡检效率低。69.7%的用户表示巡检数据不全面，难以做出准确判断。84.85%的调查用户指出应急响应速度慢，事故处理不及时,如REF_Ref20610\h图3-4所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC4管廊巡检问题（图片来源：作者自绘）3.2.2用户需求总结分析通过对调查问卷的分析得出用户对巡检机器人的需求主要集中在提高巡检效率、全面检测数据、管廊事故处理等这几方面。根据所得的需求数据进行了系统的归纳与整理，得出管廊巡检机器人的功能需求清单,如表3-2所示。表3-SEQ表3-\*ARABIC2从业人员需求列表（表格来源：作者自绘）需求类别需求简述检测数据需求环境监测、设备状态监测系统运行需求自主导航、避障防撞应急处理需求紧急排水封堵功能、简易清洁，紧急引导人机交互需求简便操作方式、安全性强化、保养的高效性、维修友好性、智能化特性其他价格合理性、电量提示功能、故障报警系统经过对用户意向的细致数据分析，结合问卷调查，清晰地认识到，绝大多数调查对象都对管廊巡检机器人的主要功能需求方面有如下需求，用户普遍期望机器人能够实时监测环境参数（81.82%）、实现自主导航与定位（72.73%）、进行红外测温与可见光检测（90.91%），以及提供环境智能监控与安防报警功能（81.82%），如REF_Ref20699\h图3-5所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC5主要必备功能需求（图片来源：作者自绘）图3-SEQ图3-\*ARABIC6特殊应急功能需求（图片来源：作者自绘）在管廊巡检机器人性能方面，如REF_Ref20963\h图3-7所示，69.7%的用户要求机器人在复杂地形中稳定移动；93.94%的用户希望机器人能将环境监测数据传输至现有管理系统，并关注设备状态数据、巡检轨迹与位置信息。在外观结构设计上，如REF_Ref21103\h图3-8所示用户普遍要求机器人具备高安全性（87.88%）、指示灯（90.91%）、结构维护简单方便（93.94%），以及醒目的提示性色彩（54.55%）。图3-SEQ图3-\*ARABIC7性能功能需求（图片来源：作者自绘）图3-SEQ图3-\*ARABIC8外观结构需求（图片来源：作者自绘）研究获得用户需求列表以后采用了对问卷数据进行梳理的方式得到巡检机器人的功能列表。如REF_Ref10811\h表3-3所示：表3-SEQ表3-\*ARABIC3巡检机器人功能需求总结（表格来源：作者自绘）需求点需求简述环境信息采集需求实时监测管廊内部环境参数（如温度、湿度、气体浓度等）移动性能需求各种复杂地形中稳定移动，适应不同的管线布局与环境智能巡检模式日常巡检模式和检测维修模式防撞与避障需求对管廊环境识别进行避障防撞结构健康监测需求立体动态数据结合管廊内部状况分析，进行使用寿命的预测应急处理与引导功能需求紧急排水辅助，轻微泄漏的初步处理，紧急引导撤离结构需求简便操作方式、维修方便3.3本章小结本章围绕城市综合管廊巡检机器人展开深入调研与分析。通过明确目标用户群体的不同需求，运用线上问卷调查法收集多方面信息，对问卷进行详细分析后发现目前管廊巡检工作存在诸多难题，基于此，用户对巡检机器人在功能、性能和外观结构等方面提出了明确需求。这些调研成果系统地归纳出巡检机器人的功能需求清单，为后续巡检机器人的设计、研发和优化提供了全面且关键的依据，有助于打造更贴合实际需求、高效实用的城市综合管廊巡检机器人产品，提升管廊运维管理水平。

第4章城市综合管廊巡检机器人设计实践4.1设计概述4.1.1设计原则管廊环境的复杂性和不确定性在日常的作业中为运营人员带来了极大的人身危险，因此，在以人为本的前提下，管廊巡检机器必须同时拥有保证安全的相关功能，同时这也是设计巡检机器首要考虑的因素，因此安全原则是本文设计原则中的第一个重点。而精准性原则也是巡检机器的核心重点要求，它直接关乎产品功能的实现。这个原则要求巡检机器人在不同的复杂管廊环境下都能够实现高效的巡检检测维护管理，管廊巡检机器人的设计必须紧密结合管廊场景的特点和用户的实际需求，而这恰恰需要对管廊巡检机器人造型、结构、移动方式以及作业范围等进行深入的分析和优化，以进一步确保管廊巡检机器人在实际作业中能够准确无误地完成巡检应急处理任务，从而有效地提高巡检效率并降低人力成本。4.1.2产品功能与造型色彩分析深入解析用户需求是产品设计的核心环节，针对如REF_Ref21815\h图4-1所示的产品痛点问题，用户产品功能需求包括了对巡检机器功能上的需求以及性能方面的需求。对巡检机器功能上的需求主要表现在如REF_Ref21884\h图4-2所示：图4-SEQ图4-\*ARABIC1痛点问题总结（图片来源：作者自绘）图4-SEQ图4-\*ARABIC2功能需求思维导图（图片来源：作者自绘）基本功能需求：针对环境因素监测方面，采集温湿度，氧气，可燃气体，沉降状态，精选信息与数据处理分析，随时对管廊环境进行健康监测，将已有智慧管廊监控系统中的信息接入管廊结构的监测系统，以便综合评估影响管廊结构性能的外界因素，管廊立体动态数据结合管廊内部自然损伤等状况分析，进行使用寿命的预测。在系统控制功能中，自主防撞与避障系统让智能巡检机器人来辨别遇到的障碍物，再通过改变行驶方向进行躲避。而在智能控制系统中，它的侧重点则是如何实现机器人智能巡检的各种模式、怎样对发现的问题进行预警告知以及对管廊内的各项数据进行采集和分析，相当于巡检机器人的“大脑”。地下综合管廊智能巡检机器人由核心动力与通信模块、环境调控模块、应急处置三大基础的功能模块组成。核心动力模块即机器人自身携带高强度电池组和备用应急充电设备，保证在管廊异构环境中的持续机动能力和应对突发状况的能力。环境调控功能模块主要是对周边环境的动态变化进行捕捉，然后通过分布式传感器阵列实时采集温湿度、气体浓度等数据，并且判断是否有无异常情况。该模块具备一定自主的环境适应能力和环境监测能力，是监测者了解内部管廊的重要功能。应急模块则是具体地针对管廊典型风险场景进行预设准备，机器人装备了全方位的处置装置：第一是配置排水模组，搭载小型吸水泵与智能水位感知装置，可以对一定的积水量进行快速抽排；第二是清洁维护单元配备旋转毛刷等工具对通风百叶及设备表面实施定点除尘作业；第三是泄漏应急处置装置，可以针对非危化品（如水、油）的管道小面积的渗漏封堵问题；第四是突发情况声光告警装置，在面对突发情况时，可以及时发出预警，正确的指引逃生路径。该功能架构设计源于对既有巡检设备的技术瓶颈分析，重点强化了复杂地下空间的自主决策能力与协同处置效能。通过构建环境感知－智能分析－联动控制的技术闭环，显著提升了管廊机电设备的可靠性，同时将降低运维人员的人身危险。这种集成化解决方案有效推进了城市地下生命线工程的数字化运维转型，为构建人形城市基础设施提供了关键技术支撑。管廊巡检机器人的外观色彩设计也是需要仔细考究的重要因素。这对于运行效能和人机交互体验具有显著影响。考虑到管廊内部基本上都会存在温湿度波动、粉尘积聚等复杂的作业状况，设备外壳首要应该特别注重结构牢固。在材质选择方面，需选用高机械强度与抗磨损抗锈蚀特性的复合材料，保障设备在阴暗的狭小空间内长期稳定运行。如REF_Ref22325\h图4-3所示，现有的工业级巡检机器人普遍采用低饱和度色系设计方案，如深灰、哑光黑等中性色调，这种视觉降噪处理可以有效地减少机器人自身对管廊内部监控系统的光学干扰。部分高端型号的机器人还在机身四周集成2～4块LED频闪警示灯与反光标识条纹，一旦检测到管廊内气体泄漏或者气体成分异常时，可以及时地向监测者提供相应的预警信息。（a.）材质参考图（b.）色彩质感参考图图4-SEQ图4-\*ARABIC3色彩材质参考图（图片来源：网络）

4.1.3设计草图展示根据上文提到的设计原理以及功能的分析，笔者进行了如REF_Ref24862\h图4-4所示一系列的草图绘制。图4-SEQ图4-\*ARABIC4初步设计草图（图片来源：作者自绘）4.2设计方案构想与制定4.2.1设计方案构想根据所需功能结合管廊环境考虑结构，结合不同机器推敲形态，对机身指示灯、摄像头和检测扫描等功能位置进行设计，对功能进行分区设计，如REF_Ref25016\h图4-5所示进行设计初步方案设计。巡视功能：子机器仓位于车身顶部，方便子机器出仓后通过管廊顶部轨道进行巡检任务，子母机器均配有摄像头通过摄像头，对管道问题进行记录，并通过机器手臂进行应急处理。检测功能：设置激光雷达自动识别障碍物，视觉雷达检测前方管道与设备的破损情况，环境监测的空气传感器位于车头位置，空气由此进入内部的各类传感器，通过检测系统检测空气中各种物质含量。应急处理功能：设置存储水箱位于车身底部，用于管道机器的简易清洁与维护、紧急排水辅助，设计存储应急堵塞材料的材料仓，通过简易的封堵材料，对轻微泄漏进行初步封堵处理。清洁浮尘功能：采用高压气体喷口，伸缩式风管，优化气流路径，高效清除表面浮尘，避免清理过程中意外刮擦物体图4-SEQ图4-\*ARABIC5初步设计方案（图片来源：作者自绘）4.2.2设计方案制定针对上文的功能使用设计上对产品形态进行设计修改，生成如REF_Ref24653\h图4-6、REF_Ref24663\h图4-7所示三种形态机器设计方案，配备不同适配形态的子机器。图4-SEQ图4-\*ARABIC6方案一设计图（图片来源：作者自绘）图4-SEQ图4-\*ARABIC7其他方案设计图（图片来源：作者自绘）如REF_Ref18308\hREF_Ref28660\h图4-8主方案配色（图片来源：作者自绘）所示对主方案产品进行配色选择。一种为青绿色为主色，搭配黑色与亮黄色的车灯颜色，整体风格较为暗沉，符合地下管廊环境。一种以黑白色为主色，搭配橙色为车灯与检测雷达的提示色，整体风格较为明亮。图4-SEQ图4-\*ARABIC8主方案配色（图片来源：作者自绘）方案二是偏直线的几何造型设计，如REF_Ref29806\h图4-9所示。整体呈现梯形切割面，车身上方的机械滑轨与主方案不同，整个车顶面皆是机械臂滑轨，车身留有车辆货舱空间，帮助清障搬运东西，同时轮胎采用履带式，便于在复杂环境里前行。图4-SEQ图4-\*ARABIC9方案二（图片来源：作者自绘）方案三是偏圆滑的造型设计，如REF_Ref30094\h图4-10所示。采用多个切面对机器前脸进行切割，车身上方与方案二不同，留有子机器的车舱，车头前方设有车灯与雷达扫描装置，针对管廊的复杂环境，对车身底盘进行加固防震，采用并列的三轮轮毂架减轻机器在爬坡上楼梯时对机器车身的影响。图4-SEQ图4-\*ARABIC10方案三（图片来源：作者自绘）4.2.3尺寸结构详解根据管廊环境调研和产品功能需要，如REF_Ref30319\h图4-11所示，设计得出产品尺寸，机器人高度经特别设计，能够避开管廊上方错综复杂的悬挂管线，防止碰撞，又能让检测设备顺利采集管廊顶部及高处设备的数据，轮胎尺寸在遭遇爬梯、检修平台时也能顺利通过。宽度上，能配合避障系统，使机器人在管廊狭窄通道和转弯半径小的区域，灵活穿梭于转向，提升巡检效率。在长度方面，既满足了搭载大容量蓄电装置，又为各类功能和储存模块预留空间。根据需要选择适合的巡检模式，包括日常模式和紧急模式，以适应不同的管廊环境需求。日常模式下，可选择小子机器快速巡检，发现问题发送定位，主机器出动针对问题紧急处理；或主机器（子母机器）巡检。紧急模式下，出现极端情况如地震或洪涝等情况，系统针对管廊环境进行应急处理方案，机器快速出动处理，减少极端情况对管廊的伤害。图4-SEQ图4-\*ARABIC11产品设计尺寸图（图片来源：作者自绘）巡检过程中，通过车头的视觉雷达与车两侧的激光雷达对管廊路况与管廊廊体结构与设备进行记录，检测遇到障碍物，再通过改变行驶方向进行躲避或是通过机械手臂进行清障处理；针对管廊环境内气体，通过车头传感器进入车体内部后对管廊气体里各种物质含量，发现泄漏问题，发送指令，推出机械手臂下方材料仓内的堵塞材料通过机械手臂对泄漏处进行封堵，水泄漏情况机械臂封堵的同时采用机器储藏仓内的吸水设备，对积水进行快速抽取和排放，以防止积水扩大影响设备安全。日常模式包含针对管廊易积尘或需要定期清洁的区域对管廊内设备进行检查，通过储藏仓内的清洁工具，在巡检过程中进行简易清洁和维护，减少因灰尘和污渍导致的设备故障和安全隐患。设备检查时对于软件故障或误操作而停止工作的设备，通过远程控制系统或点触设备上按钮进行重启操作，恢复设备的正常运行。机械设备根据环境要求设置多种充电模式，巡检过程中电量低可通过机器自带的充电设备进行紧急充电，巡检工作结束可通过机器充电口连接自主充电桩进行充电产品结构如REF_Ref30773\h图4-12所示，机器最上方是机械夹可用于抓取物品，其下方连接着补漏液体喷口，用于喷出针对管道泄漏的补漏材料，补漏液体输送管道负责传输补漏材料；接着是机械臂移动轨道，给上方的机械臂提供移动路径；轨道下方是材料储存仓，用于储存补漏材料。主体部分有摄像头用于拍摄画面，多处设有散热孔帮助散热，还有NFC触碰区域便于近距离非接触式通信。前部有防撞保险杠起缓冲保护作用，然后底部旁边是水箱。底部是避震装置，轮毂支撑着轮胎，轮胎具备自动充放气功能。图4-SEQ图4-\*ARABIC12产品结构图（图片来源：作者自绘）4.3设计展示4.3.1效果图展示机械臂子仓口车灯及防撞装置储藏仓检测雷达及气体检测传感器充电口图4-SEQ图4-\*ARABIC13产品细节图（图片来源：作者自绘）4.3.2产品使用环境展示产品使用场景如REF_Ref31573\h图4-14、REF_Ref31622\h图4-15所示：图4-SEQ图4-\*ARABIC14场景图（图片来源：作者自绘）*图4-SEQ图4-\*ARABIC15产品使用场景图（图片来源：作者自绘）4.3.3产品工作方法与流程工作方式在REF_Ref31942\h图4-16中展示的这个产品系统，支持完成极其完备繁复的巡检管理需求，能够依照需求灵活定制巡检任务与智能化管理。系统不仅允许设定多样化的路线和不同频次的例行检查，还能将包括设备信息在内的所有检查记录存储至数据库中。与此同时，摄像头拍摄的视频监控文件也被全部保存在系统里，由此可见，这些都为管理人员提供了便捷的方法查看相关记录及详细资料。异常警告的实时更新以及问题反馈上传功能，也是实际情况表明效率提升的重要因素。同时，依据每周或每月的数据汇总进行分析，用于形成专业数据报告。图4-SEQ图4-\*ARABIC16巡检管理系统（图片来源：作者自绘）分析系统作为管廊运维的核心技术智慧中枢，如REF_Ref32213\h图4-17示通过管廊巡检机器上传的信息进行统计分析，守住了管廊安全的大门。设备状态反馈实时更新，使得任何潜在问题都难以逃过这一层检查。廊道障碍物阻碍或泄露等场景会被迅捷锁定引发警报，对异常信息统一处理，巡检设置、录像管理、大量冗余数据管理合作整合，从任务规划细化到数据长期存储，以及事件追溯功能，形成巡检机器－巡检任务发布系统－巡检管理分析系统相当严密与高度智慧确保的信息安全保障网络。图4-SEQ图4-\*ARABIC17巡检管理分析系统（图片来源：作者自绘）同时可以如REF_Ref32487\h图4-18所示手机端设定巡检记录的巡检方式，查看设备巡检视频记录与数据记录，发现问题第一时间通知管理人员，最大化地降低损失和设备的运行成本，并保证巡检数据的可靠和真实性。图4-SEQ图4-\*ARABIC18巡检管理系统手机端（图片来源：作者自绘）图4-SEQ图4-\*ARABIC19手机端功能界面（图片来源：作者自绘）工作流程如REF_Ref10084\h图4-20所示机器工作程序的流程如下：通过巡检系统设备对巡检任务进行设置，并选择相对应的巡检模式后开始巡检工作。如REF_Ref18033\h图4-21所示通过摄像头巡查管道，管道情况正常则对管道信息进行记录并上传视频至系统后台，巡检工作完成后对信息进行统计分析；情况紧急时通知上传系统并提供灯光指示引导管廊内工作人员撤离；巡检过程中由检测传感器检测环境数据，数据正常则上传空气物质含量数据至系统分析，若出现空气流通不畅等情况则操作环境控制设备调节参数，存在泄漏情况则先初步封堵并同步上传定位通知抢修；巡检同时对管廊廊体廊道与设备进行检查，对不清晰的管道标识进行更换或修复，检查管道设备积尘脏污情况并清洁，对机械管道进行清障处理。最后巡检工作完成后上传巡检记录报告。图4-SEQ图4-\*ARABIC20工作流程图（图片来源：作者自绘）图4-SEQ图4-\*ARABIC21操作流程图（图片来源：作者自绘）

4.3.4展板展示图4-SEQ图4-\*ARABIC21展板1展示（图片来源：作者自绘）图4-SEQ图4-\*ARABIC22展板2展示（图片来源：作者自绘）4.4本章小结本章介绍了综合管廊巡检机器人的设计过程，通过前期的用户调研，获取了用户对城市综合管廊巡检机器人的具体需求列表，这些需求涵盖了巡检数据、紧急情况处理、准确性以及对管廊运行的安全等多个方面。基于这些需求数据和使用场景，分析并总结了产品功能点，通过对设计要素和设计原则的分析与总结，归纳出了一套切实可行的设计策略。展示了设计草图、细化方案、建模效果和最终方案的功能结构设计、工作流程设计和版式设计等方面的内容。该设计采用子母结构通过不同巡检模式满足了管廊日常与紧急情况的不同需要，整个设计流程贯穿注重安全性的设计思想，注重用户需求，深刻考虑产品的功能性、多样化和智能化，为应对管廊复杂环境下巡检问题提供了更加便捷和高效的解决方案。

第5章研究总结与展望5.1研究总结本研究提出了一种面向城市地下综合管廊的智能巡检装备的设计思路，深入地对管廊运维的痛点难点以及预设的用户场景需求进行了合理分析，创新性提出了模块化子母机器人的架构。针对不同需要采取不同巡检模式，优化了针对管廊环境的检测模式与突发情况的应急处理方案设计，集成了紧急排水、轻微泄漏处理等应急功能，期待提高管廊巡检的数据准确性，保证管廊的巡检效率与信息数据的完整性。5.2展望本研究针对巡检机器人的具体设计思路提出了一些理论性、可操作性的设计思路，研究巡检机器人的道路仍任重道远。未来可进一步优化机器人的感知系统、导航算法和应急处理能力，提升其在复杂管廊环境中的适应性和稳定性。在现有设计基础上，拓展完善智能巡检装备在隧道工程、地下仓储等密闭空间的场景可适应性；在此基础上，要建立响应迅速的人机协同智能运维平台，开发可控可用的远程协作模式；针对机器人推进配套技术标准的研制，努力将巡检机器人制造打造成一条涵盖设备制造、系统集成、运维服务的完整产业链。或许在不久的将来，相信随着AI云计算与大数据技术不断与巡检机器人深度融合，巡检机器人会如预期中的那样运用自己的“智慧”为新型美丽城市建设提供更加智能、人性化、多样化的基础设施运维。

参考文献史明霞,张敏特,何谛.城市地下综合管廊结构智能化监测与评估[J].价值工程,2022,41(28):23-26.油新华.我国城市综合管廊建设发展现状与未来发展趋势[J].隧道建设,2018,38(10):1603-1611.郭红,王旭.综合管廊智能监测系统管体结构监测优化设计探究[J].中国建设信息化,2024,(15):72-75.李欢.智能巡检机器人在综合管