礦山膠帶運(yùn)輸智能巡檢機(jī)器人的探索與應(yīng)用

陳繼勛

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅蘭州，730207）

0 引言

帶式輸送機(jī)作為煤炭工業(yè)中最重要的運(yùn)輸設(shè)備之一，其所具有的實(shí)際情況，直接影響著煤礦的生產(chǎn)和安全。在針對(duì)礦山開采過程中，所具有的必要安全性進(jìn)行保障時(shí)，其中一個(gè)關(guān)鍵性環(huán)節(jié)就是礦山的安全巡檢,在這里面包括的關(guān)鍵性檢查內(nèi)容有電力、作業(yè)環(huán)境、排水系統(tǒng)以及開采系統(tǒng)等方面及環(huán)節(jié)。在安全檢查領(lǐng)域，不僅要求相關(guān)人員在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行相關(guān)檢查，而且還需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和物力實(shí)現(xiàn)礦山綜合經(jīng)營(yíng)，把握最終進(jìn)行檢查的目的。由于大部分礦運(yùn)輸路線長(zhǎng)，運(yùn)輸系統(tǒng)復(fù)雜，雖然安裝了一些安全控制裝置，但由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的安裝位置有限，安裝了安全帶監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)和防煙系統(tǒng)，產(chǎn)生了一定的效果，設(shè)備可能出現(xiàn)故障，不能對(duì)事故做出及時(shí)的預(yù)防措施；工作人員必須進(jìn)行地下巡查，但由于相關(guān)工作人員在責(zé)任心以及專業(yè)水平方面欠缺，巡查往往不經(jīng)檢查就進(jìn)行。如果輸送機(jī)不工作，不僅會(huì)影響公司的生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及工人的安全。同時(shí),使用人工進(jìn)行巡檢的方式存在著諸多問題，如使用人工工作量大且效率低下，同時(shí)造成了在人力資源方面的浪費(fèi)等問題。與此同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)在勞動(dòng)強(qiáng)度方面的降低，大幅度提高礦山相關(guān)管理水平，從而有助于促使礦山的工作管理模式，朝著數(shù)字化、自動(dòng)化方向不斷深入發(fā)展，從而在礦山的安全生產(chǎn)方面，發(fā)揮著其獨(dú)特的重要作用。目前，雖然機(jī)器人的研究還不成熟，但隨著國(guó)家“智能化”戰(zhàn)略和“安全礦山”戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)機(jī)器人的研究起到了很大的推動(dòng)作用。

然而,目前供應(yīng)于煤礦方面應(yīng)用的智能巡檢機(jī)器人，尤其是利用膠帶運(yùn)輸方向的相關(guān)研究，仍然處于不完善不成熟的階段。但由于現(xiàn)在在人力方面的成本持續(xù)增長(zhǎng)的現(xiàn)實(shí),國(guó)家不斷推出相關(guān)戰(zhàn)略方針政策,對(duì)這一方面的研究，以及在礦山方面的實(shí)際應(yīng)用都提出了對(duì)應(yīng)更高層次的要求,在礦山作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)，對(duì)該類機(jī)器人的研究不斷完善推動(dòng)，發(fā)揮出其獨(dú)特的關(guān)鍵性作用。

在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種帶有皮帶轉(zhuǎn)換器的通用控制機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無人值守和事故預(yù)警。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了該項(xiàng)目的可行性?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該控制機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控皮帶變換器的運(yùn)行情況，達(dá)到“無人監(jiān)管、無人巡邏”的目的，有效減少了井下控制作業(yè)次數(shù)。

1 膠帶運(yùn)輸智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用要求及結(jié)構(gòu)組成

■1.1 膠帶運(yùn)輸智能巡檢機(jī)器人工作原理

礦井智能控制機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和上傳控制功能的主體。本實(shí)用新型采用簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，電路設(shè)計(jì)能夠保證固有安全。它還可以確保他能夠在煤礦的特殊環(huán)境中執(zhí)行控制功能。由低照度的大型動(dòng)態(tài)攝像機(jī)采集的圖像可以實(shí)時(shí)反映輸送機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，并隨時(shí)間檢測(cè)錯(cuò)誤；如果膠帶輸送機(jī)異常，故障部件通常會(huì)發(fā)出明顯的異常聲響，可采集聲音從而得出結(jié)果分析和評(píng)估；安裝的煙霧探測(cè)器通過運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙霧濃度，并在首次出現(xiàn)報(bào)警值時(shí)，發(fā)送針對(duì)爆炸控制指示器的報(bào)警信號(hào)；設(shè)置的紅外溫度檢測(cè)器不與帶式輸送機(jī)接觸，而是通過測(cè)量其發(fā)出的紅外輻射強(qiáng)度來計(jì)算表面溫度，以便快速檢測(cè)輸送機(jī)溫度并防止事故發(fā)生。如果其他環(huán)境流量計(jì)的參數(shù)異常，應(yīng)同時(shí)在本地和遠(yuǎn)程激活；為了解決移動(dòng)設(shè)備電源不舒適的問題，拖動(dòng)電纜，機(jī)器人本體內(nèi)部電路采用爆炸性鋰電池供電，低能耗設(shè)計(jì)，并可補(bǔ)充無線流量。

■1.2 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人應(yīng)用要求

由于分析了煤礦井下的基礎(chǔ)條件，尤其是處于膠帶運(yùn)輸方面的實(shí)際工作環(huán)境，具有一定的特殊性與復(fù)雜性,因此用于此類環(huán)境進(jìn)行巡檢工作的智能機(jī)器人，需要符合以下描述的條件。

（1）該類機(jī)器人所工作的環(huán)境，客觀條件方面濕度較大,因此需要充分考慮到，濕度可能會(huì)機(jī)器人在精度以及穩(wěn)定性等方面造成一定程度上的影響。

（2）礦山的相關(guān)工作會(huì)涉及到使用大型的機(jī)電類設(shè)備，在其附近一般具有較強(qiáng)的電磁以及射頻等干擾情況,這一點(diǎn)要求該類機(jī)器人的系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上，應(yīng)當(dāng)具備較強(qiáng)的抗電磁以及射頻干擾的能力。

（3）其工作空間在長(zhǎng)度方面較大但較為狹小，同時(shí)具有許多的起伏轉(zhuǎn)彎,這對(duì)該類機(jī)器人在其行走方面的速度、最大行走范圍距離受到了一定的限制。同時(shí)在其爬坡以及轉(zhuǎn)彎半徑方面提出全新的較高要求。

（4）同時(shí)在礦山生產(chǎn)中的部分特殊環(huán)節(jié)以及特殊情況，如膠帶運(yùn)輸廊道上的相關(guān)巡檢工作的開展，要求該類機(jī)器人，需要更高的智能水平，以及在監(jiān)控方面的功能更加強(qiáng)大。

（5）該類機(jī)器人首先應(yīng)當(dāng)確保其安全,因此應(yīng)當(dāng)具備在充電時(shí)的相關(guān)閉鎖功能。

（6）該類機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具備針對(duì)各類環(huán)境的檢測(cè)分析，客觀條件采集以及遠(yuǎn)程控制和本體自檢等相關(guān)功能。

（7）該機(jī)器人應(yīng)當(dāng)通過其遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)平臺(tái),該平臺(tái)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)在環(huán)境以及設(shè)備之間的連續(xù)移動(dòng)的智能監(jiān)測(cè)體系，以及在應(yīng)急火災(zāi)發(fā)生時(shí)的報(bào)警與解決處置功能。

■1.3 膠帶運(yùn)輸智能巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)上述地目標(biāo)與功能,針對(duì)該類機(jī)器人，在其系統(tǒng)上的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是以下將會(huì)描述到的幾個(gè)系統(tǒng)的集合[1]。該類智能機(jī)器人的具體結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)組成

1.3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

由于在礦山的膠帶運(yùn)輸廊道內(nèi)，地形具有較高的復(fù)雜性，能夠確保機(jī)器人在工作時(shí)都能實(shí)現(xiàn)行走的平穩(wěn)性,需要具備較好的適應(yīng)能力。因此,在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作時(shí),應(yīng)當(dāng)在其左右具備壓緊機(jī)構(gòu)，同時(shí)還有水平以及垂直的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),這些機(jī)構(gòu)可以全方位保障機(jī)器人的穩(wěn)定巡檢功能[2]。具體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.2 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)主要是通過對(duì)云臺(tái)搭載的基礎(chǔ)，該云臺(tái)應(yīng)當(dāng)具備高度的一體化水平以及高性能表現(xiàn),能夠利用紅外熱成像以及可見光攝像機(jī)，相關(guān)圖像參數(shù)見表1。

表1 圖像采集系統(tǒng)參數(shù)表

1.3.3 語音對(duì)講及應(yīng)急廣播系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由多個(gè)功能共同構(gòu)成,能夠完成現(xiàn)場(chǎng)與調(diào)度室之間，進(jìn)行必要的交互式交流，以及在緊急狀態(tài)下的通訊功能。根據(jù)相關(guān)的應(yīng)用要求,該系統(tǒng)能夠充分完成語音監(jiān)聽操作，其具體范圍區(qū)間為5～80m2,實(shí)際輸出阻抗的范圍為600～1000 Ω，屬于非平衡電阻,在1 m 之外距離40 dB的實(shí)際音源情況下,具體信噪比處于85 dB,其能夠接收的頻率范圍區(qū)間為20～20 kHz。

1.3.4 環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)

在該機(jī)器人進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)部分的系統(tǒng)中，具體應(yīng)當(dāng)包括諸多方面。尤其是對(duì)于礦山，這類具有特殊性質(zhì)的作業(yè)環(huán)境,關(guān)鍵的一項(xiàng)工作就是針對(duì)氣體的檢測(cè)。該類機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)工作能夠?qū)怏w進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測(cè),其中包括四種，當(dāng)其超出一定限度之后，該系統(tǒng)就可進(jìn)行報(bào)警操作。相關(guān)氣體檢測(cè)指標(biāo)見表2。

表2 氣體檢測(cè)指標(biāo)

在進(jìn)行溫度以及濕度的檢測(cè)時(shí)，機(jī)器人所能達(dá)到的具體測(cè)量范圍為:溫度區(qū)間-40℃～+123.8℃,濕度區(qū)間0%～100%RH,同時(shí)溫度的測(cè)量的誤差范圍為±0.5℃，以及濕度的測(cè)量的誤差范圍為±4.5%RH。在進(jìn)行煙霧檢測(cè)時(shí)，機(jī)器人的靈敏度處于0.5 db/m(±0.1 dB/m)。進(jìn)行光照度檢測(cè)時(shí)的測(cè)量范圍區(qū)間處于0～65535 Lux,同時(shí)能夠根據(jù)所處光照條件場(chǎng)景的不同，進(jìn)行合理的智能調(diào)整操作,具體表現(xiàn)為:在夜間且無月亮照明時(shí)，光照測(cè)量區(qū)間為0.001～0.02 Lux,在夜間有月亮照明時(shí)，光照測(cè)量區(qū)間為0.02～0.3 Lux,在陰天狀態(tài)下，同時(shí)處于室內(nèi)條件時(shí)，測(cè)量區(qū)間為5～50 Lux,在陰天條件下并處于室外時(shí)，測(cè)量范圍為50～500 Lux,在晴天條件下，并處于室內(nèi)時(shí)，測(cè)量區(qū)間為100～1000 Lux。另一項(xiàng)重要的巡檢工作就是火焰探測(cè),往往選擇采用通過對(duì)紫外線波長(zhǎng)(185～260 nm)進(jìn)行檢測(cè)的，相關(guān)輻射類型探測(cè)器進(jìn)行火焰檢測(cè),實(shí)際檢測(cè)參數(shù)見表3。

表3 火焰探測(cè)參數(shù)指標(biāo)

1.3.5 智能防撞與避障系統(tǒng)

機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具備在防撞與避障的智能化功能體系，和相關(guān)操作系統(tǒng)作為機(jī)器人長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分。該系統(tǒng)可以不間斷地檢測(cè)隧道內(nèi)的障礙物和人員，同時(shí)可以針對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)從而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的主要功能,一旦檢測(cè)到出現(xiàn)障礙，機(jī)器人能夠進(jìn)行自動(dòng)停止并開啟報(bào)警操作。該系統(tǒng)同時(shí)對(duì)斷電期間的制動(dòng)功能進(jìn)行了設(shè)置,當(dāng)該機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行工作過程中,如果突發(fā)故障導(dǎo)致斷電現(xiàn)象的發(fā)生,該機(jī)器人的移動(dòng)等可以實(shí)現(xiàn)立即停止,從而有效對(duì)其進(jìn)行保護(hù)[3]。

2 膠帶運(yùn)輸智能巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

■2.1 膠帶運(yùn)輸智能巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過在礦山實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的工業(yè)性試驗(yàn)中可以看出,該類機(jī)器人能夠很好地滿足膠帶運(yùn)輸在運(yùn)輸安全方面的監(jiān)控工作實(shí)際需求,具有穩(wěn)定可靠的實(shí)際監(jiān)測(cè)性能,具有極高強(qiáng)度的故障識(shí)別與判斷能力,能夠及時(shí)有效地進(jìn)行報(bào)警操作，且所傳達(dá)信息精確有效。該類機(jī)器人還在管理層面，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了直觀可視化。通過對(duì)膠帶運(yùn)輸?shù)墓芾硐到y(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)建設(shè),實(shí)現(xiàn)了以上所描述的各項(xiàng)功能體系。

該類機(jī)器人也可在操作界面進(jìn)行監(jiān)控的實(shí)時(shí)性選擇，以及針對(duì)歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)的具體設(shè)置,最終能夠?qū)υ擃愌矙z機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膠帶運(yùn)輸過程的遠(yuǎn)程控制、在線監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程和功能，建立了膠帶運(yùn)輸通道無人檢測(cè)與管理一體化的全新模式。

■2.2 智能帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人應(yīng)用效果

機(jī)器人可以合理高效收集聲音，機(jī)器人本體上同時(shí)具備高清晰度的拾音器和高分貝的揚(yáng)聲器，可以理解機(jī)器人本體與遠(yuǎn)程控制終端之間的半雙工通信，并在工作狀態(tài)下現(xiàn)場(chǎng)采集聲音，并具有設(shè)備異常的聲音識(shí)別功能，在發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備可通過傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的遠(yuǎn)程控制和本地緊急制動(dòng)接口快速懸掛；還可以制定各種應(yīng)急程序，以自動(dòng)根據(jù)可能特殊情況發(fā)送警報(bào)和傳輸命令；并將因斷電造成的損失降至最低水平。

該機(jī)器人將不同的傳感器組合在一起，并收集來自不同傳感器的信號(hào)，這些信號(hào)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的形式提供和上傳。無線傳輸將使其能夠克服空間和距離限制，節(jié)省電纜安裝工作并降低施工成本。

膠帶運(yùn)輸方面的智能巡檢機(jī)器人，在其自動(dòng)化程度以及故障處理的速度與效率方面都實(shí)現(xiàn)了提升,從而使得工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，減少了由于事故發(fā)生所造成的損失,在技術(shù)經(jīng)濟(jì)相關(guān)效益方面表現(xiàn)得更為良好。在確保了生產(chǎn)安全與穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上,該類機(jī)器人還實(shí)現(xiàn)了利用自動(dòng)化模式，從而能夠達(dá)到減弱人的作用的目標(biāo)。

3 結(jié)語

該類機(jī)器人能夠綜合使用各種傳感器，針對(duì)礦山作業(yè)客觀環(huán)境，以及設(shè)備等方面所產(chǎn)生的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集統(tǒng)計(jì),并將集團(tuán)大數(shù)據(jù)分析的高層次優(yōu)勢(shì)，最大程度發(fā)揮出來。利用相關(guān)大數(shù)據(jù)算法，能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行具體判斷與及時(shí)掌握,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的實(shí)際性能最大化利用，提高在效率以及準(zhǔn)確性層面大大提高。另外該類機(jī)器人在礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用，是對(duì)“自動(dòng)化減人”的一種典型的表現(xiàn)形式,降低了在人工方面的成本,使得整體生產(chǎn)中的自動(dòng)化程度，以及故障處理工作的效率顯著提高。