輸煤廊道智能巡檢機器人的開發(fā)應(yīng)用

李旭　黃曉明　司朝輝

摘 要：討論輸煤廊道中智能巡檢機器人的研發(fā)與應(yīng)用，介紹智能巡檢機器人結(jié)構(gòu)，分析組成機器人的各個部分與功能，闡述智能巡檢機器人功能設(shè)計要點，以滿足輸煤廊道巡檢要求。最后，從巡檢機器人無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）定位、輸煤廊道巡檢故障的檢測與識別及其他方面介紹智能巡檢機器人的應(yīng)用方法，實現(xiàn)輸煤廊道智能化巡檢，提高巡檢效率，為今后輸煤廊道巡檢工作技術(shù)的提升奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：輸煤廊道;智能巡檢機器人;軌道系統(tǒng);防火門

中圖分類號：TD67;TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0023-03

Development and Application of Intelligent Inspection Robot for Coal Conveying Corridor

LI Xu HUANG Xiaoming SI Zhaohui

（Guoneng Jiujiang Power Generation Limited， Jiujiang Jiangxi 332000）

Abstract： This paper discusses the development and application of intelligent inspection robot in coal transportation corridor. The structure of intelligent inspection robot is introduced， and the various parts and functions of the robot are analyzed. It introduces the key points of intelligent inspection robot function design to meet the inspection requirements of coal transport corridor. Finally， the application method of intelligent inspection robot is introduced from the aspects of RFID positioning of inspection robot， fault detection and identification of coal transportation corridor inspection， and other aspects， so as to realize intelligent inspection of coal transportation corridor， which is beneficial to improve inspection efficiency and lay a solid foundation for the improvement of coal transportation corridor inspection technology in the future.

Keywords： coal transport corridor;intelligent inspection robot;track system;fire door

輸煤廊道的線路整體較長，且周圍工作環(huán)境較差，很容易引發(fā)火災(zāi)。常規(guī)輸煤廊道巡檢為人工巡檢，定期檢查廊道設(shè)備，通過目測方式判定設(shè)備運行工況，導(dǎo)致巡檢效果難免存在遺漏之處，且反復(fù)巡檢頻率低，還可能存在盲區(qū)。伴隨行業(yè)信息化和智能化建設(shè)的逐步深入，信息技術(shù)和人工智能技術(shù)在輸煤廊道巡檢中得到了廣泛應(yīng)用。設(shè)計、生產(chǎn)的智能巡檢機器人，可以負(fù)責(zé)廊道設(shè)備及其他部分的智能化巡檢。下面將圍繞九江公司輸煤系統(tǒng)的智能巡檢機器人的開發(fā)、應(yīng)用展開討論。

1 智能巡檢機器人的組成

輸煤廊道智能巡檢機器人由軌道系統(tǒng)、巡檢機器人本體系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、監(jiān)控后臺系統(tǒng)及在線式圖像識別系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其中，軌道系統(tǒng)結(jié)合輸煤廊道環(huán)境、內(nèi)部架構(gòu)及設(shè)備布置等，可以進(jìn)行巡檢機器人軌道系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)定巡檢路線，繪制軌道安裝圖紙。選擇軌道型材時，優(yōu)先使用強度高的鋁合金。該材質(zhì)具有拼接功能，按照隧道地形決定彎曲度、坡度等參數(shù)。輸煤廊道設(shè)置若干無線基站搭建無線局域網(wǎng)，尤其要將監(jiān)控后臺接入其中，達(dá)到移動監(jiān)控系統(tǒng)中所有設(shè)備相互訪問的效果，從而加強網(wǎng)絡(luò)帶寬負(fù)載的平衡性[1]。

2 智能巡檢機器人功能設(shè)計

九江公司輸煤系統(tǒng)的智能巡檢機器人以定位系統(tǒng)為依據(jù)。當(dāng)它在軌道上行走時，可以在廊道展開全方位的快速巡檢，同時可以上傳視頻。機器人全場行走一次的時間控制在5～8 min。根據(jù)廊道智能巡檢機器人的定位分析，可以確定其在巡檢中的精準(zhǔn)度[2]?？偨Y(jié)智能巡檢機器人功能，包括在惡劣工作環(huán)境下的機器人系統(tǒng)可靠性巡檢、圖像/熱像采集與智能分析、機器學(xué)習(xí)、危險預(yù)測告警、故障診斷與控制及多傳感器信息融合等。運行原理如圖2所示。

輸煤廊道智能巡檢機器人內(nèi)部管控系統(tǒng)，在巡檢過程中若發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在缺陷，將立即智能預(yù)警，同時檢測出周圍環(huán)境的有害氣體和當(dāng)時的設(shè)備狀態(tài)，針對圖像/熱像展開智能識別、大數(shù)據(jù)分析，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)傳通信、集中遠(yuǎn)程管理。系統(tǒng)可以自動無線充電，規(guī)避安全障礙，聲音檢測與聲譜分析等。智能巡檢機器人極大地減小了人工巡檢勞動強度，可緩解超過85%的人工巡檢頻率，使得輸煤棧橋運行更加安全，提升運行與運維工作效率[3]。

針對智能巡檢機器人常規(guī)功能的設(shè)計，如設(shè)備狀態(tài)智能巡檢，要求智能機器人具備全自主巡檢功能。該功能有常規(guī)和特殊巡檢兩種方式。出現(xiàn)異?？梢择R上發(fā)出預(yù)警，將采集到的故障類型信息上傳到監(jiān)控后臺。設(shè)計數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通信功能時，應(yīng)用通信設(shè)備有利于加強數(shù)據(jù)傳輸過程的穩(wěn)定性。巡檢后臺和巡檢機器人可以相互通信。智能巡檢機器人在設(shè)計階段運行，需要提前布置好運行軌道?？紤]到輸煤廊道環(huán)境特點與作業(yè)需求，在設(shè)計時運用吊裝鋁合金覆膜防蝕軌道，可以保證軌道運行堅固度與防腐蝕效果。在軌道內(nèi)部設(shè)置一體式屏蔽履帶供電、通信線纜總成專用編碼式記步式伺服水平驅(qū)動系統(tǒng)。設(shè)計參數(shù)時，在現(xiàn)場設(shè)置200余個預(yù)置位巡檢，最大載荷為25 kg。按照上述智能巡檢機器人性能與參數(shù)，它可應(yīng)用于煤礦井上配電室巡檢、運煤皮帶檢測以及輸煤棧道巡檢等場景。根據(jù)智能巡檢過程發(fā)現(xiàn)，該機器人在輸煤廊道的巡檢工作中運用，具有紅外熱成像、定位巡檢、溫濕度監(jiān)測、儀表識別、氣體檢測、安防檢測、安防報警、局放檢測以及輔助消防等功能?；诋?dāng)前輸煤廊道巡檢情況，智能機器人在導(dǎo)航單元、通信單元和主控單元中運用，且運行時間較長，具有智能化和可調(diào)配等優(yōu)勢。若機器人在運行過程中遇到比較復(fù)雜的路況，它還具有無死角檢測的功能，適應(yīng)性極強?？梢姽鈹z像儀采集巡檢范圍內(nèi)的紅外熱像儀，可為工作人員及時發(fā)現(xiàn)異常提供依據(jù)，通過拍攝圖像與視頻作為參考。另外，智能機器人通過超聲波傳感器識別附近的障礙物，以及時做出處理，避免機器人巡檢時受損。當(dāng)機器人獲取數(shù)據(jù)后，聯(lián)合氣象站共同處理、分析數(shù)據(jù)，得到周圍環(huán)境的溫濕度、風(fēng)速等信息，從而為后續(xù)智能巡檢機器人在輸煤廊道的運行奠定基礎(chǔ)。

針對智能巡檢機器人特殊功能的設(shè)計，有害氣體與粉塵檢測功能必須要及時測定惡劣工作環(huán)境下的瓦斯、O2、CO2等氣體，并支持煤粉濃度檢測，營造健康、安全的巡檢環(huán)境。紅外測溫功能設(shè)計時，巡檢機器人通常會有紅外熱成像儀，可以實現(xiàn)整體掃描式測溫。提前設(shè)定好若干監(jiān)測點，再組織機器人定期監(jiān)測重點設(shè)施運行狀態(tài)與溫度，設(shè)定每日測溫巡檢時間，自動采集并儲存測溫信息，生成測溫報表。一旦發(fā)現(xiàn)超出預(yù)警溫度值，系統(tǒng)自動通知維護人員。設(shè)備異常聲音檢測功能設(shè)計即按照機器人移動平臺相關(guān)設(shè)備運行狀態(tài)下的聲音參數(shù)，在巡檢機器人系統(tǒng)軟件中展開頻譜分析，檢查設(shè)備是否存在異常響動。安防聯(lián)動告警的設(shè)計利用機器人搭載可見光攝像頭，具有遠(yuǎn)程檢查輸煤廊道的功能。

在遠(yuǎn)程操作平臺中，獲得機器人實時傳回的環(huán)境溫濕度、機器人運行速度等信息，在發(fā)現(xiàn)預(yù)警信號后，平臺會自動播放現(xiàn)場影像。測振功能設(shè)計為電機運行工況判斷提供了參考。了解輸煤系統(tǒng)大電機振動，巡檢人員應(yīng)用手持測振儀，智能巡檢機器人上搭載激光測振儀，實現(xiàn)電機振動情況檢測的智能化。設(shè)計過程中，設(shè)備本體需要有無線振動傳感器，且機器人移動平臺需設(shè)置通信基站。如果機器人移動至設(shè)備周圍，會自動接收傳感器測量采集的振動數(shù)據(jù)[4]。

3 智能巡檢機器人應(yīng)用

3.1 巡檢機器人無線射頻識別（RFID）定位

智能巡檢機器人內(nèi)部安裝了定位系統(tǒng)，可以自動獲取位置數(shù)據(jù)。導(dǎo)航系統(tǒng)可支持巡檢機器人基礎(chǔ)構(gòu)建，此環(huán)節(jié)應(yīng)用循跡磁引導(dǎo)的方法。但是，該方法比較復(fù)雜，工作量大，不建議在野外巡檢時使用。此次設(shè)計的智能巡檢機器人系統(tǒng)應(yīng)用無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）無源電子標(biāo)簽定位方法，降低了規(guī)?；瘶?gòu)建難度，可以保證定位精度。帶式輸送機巡檢時可以靈活應(yīng)用。

3.2 輸煤廊道巡檢故障的檢測與識別

在輸煤廊道巡檢中，應(yīng)用智能巡檢機器人，利用搭載傳感器、攝像儀器，可以采集巡檢過程中的各項數(shù)據(jù)，再利用傳感器獲取實時數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)處理后獲取故障信息。智能巡檢機器人采集圖像信息，主要利用攝像機、紅外攝像裝置，可以在各個工況下獲得高清視頻與圖像。其中，攝像機具有放大器功能，增益調(diào)節(jié)范圍較寬，按照光亮調(diào)整圖像輸出信號，得到優(yōu)質(zhì)圖像與信息。攝像機拍攝影像時，在背光條件下能夠?qū)崿F(xiàn)自動補償，加強圖像信號清晰度。通過防抖技術(shù)可以避免巡檢時嚴(yán)重晃動出現(xiàn)的圖像模糊、跳動等問題。

為了獲取故障音頻，帶式輸送機在常規(guī)運行狀態(tài)下發(fā)出噪聲和異常運行狀態(tài)下發(fā)出噪聲存在明顯區(qū)別[5]。此時，可利用拾音傳感器采集帶式輸送機托輥運行產(chǎn)生的噪聲，再轉(zhuǎn)換噪聲信息為頻譜信息，并對比儲存的常規(guī)頻譜樣本信息得到故障信息后自動發(fā)出預(yù)警。為了達(dá)到輸煤廊道現(xiàn)場巡檢要求，拾音傳感器的采樣頻率在100～20 000 Hz，最高甚至達(dá)到了48 kHz，運行溫度范圍是-40～80 ℃。工作人員設(shè)置溫度閾值和溫度報警限值，保證超溫報警功能的正常運行。

3.3 其他方面的應(yīng)用

第一，智能巡檢機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計為多模塊分體式，采用鏈條形構(gòu)型，具有良好的通過性。應(yīng)用模塊化系統(tǒng)提高了配置靈活性和重量分布的平衡性，也為機器人結(jié)構(gòu)檢修提供了方便。第二，圖像識別技術(shù)可以及時發(fā)現(xiàn)輸煤廊道的故障，如內(nèi)皮帶跑偏和漏煤等。第三，針對設(shè)備運行狀態(tài)發(fā)出的聲音，系統(tǒng)可以及時進(jìn)行頻譜分析。第四，編碼器和RFID技術(shù)相結(jié)合，可以提高機器人的定位精度。第五，根據(jù)輸煤廊道所處的環(huán)境特征研發(fā)吹掃系統(tǒng)，對機器人運行軌道進(jìn)行自動吹掃，以免巡檢軌道有雜物和塵土。第六，應(yīng)用軌道結(jié)構(gòu)、機器人雙驅(qū)動模式可以提高爬升性能，穿越樓層。第七，利用無線測振傳感器測量關(guān)鍵設(shè)備的振動數(shù)據(jù)，且相關(guān)數(shù)據(jù)可利用無線網(wǎng)關(guān)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)。

4 結(jié)語

綜上所述，輸煤廊道巡檢工作在人工智能的影響下需要朝著智能化方向轉(zhuǎn)型。應(yīng)用智能巡檢機器人不僅是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是滿足現(xiàn)場巡檢要求的有效舉措。研發(fā)、應(yīng)用智能巡檢機器人對技術(shù)人員要求較高，需要參考輸煤廊道現(xiàn)場環(huán)境、巡檢要求等完善機器人功能，提高巡檢數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，判斷現(xiàn)場安全性，為輸煤廊道其他環(huán)節(jié)的運行奠定基礎(chǔ)。

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