礦山膠帶運輸智能巡檢機器人的探索與應(yīng)用

趙 磊

（內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司元寶山露天煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024076）

礦山行業(yè)一直是我國能源、工業(yè)產(chǎn)業(yè)的重點基礎(chǔ)行業(yè)，其開采的各種礦產(chǎn)資源，滿足了社會經(jīng)濟領(lǐng)域發(fā)展的各種需求，為國家貢獻了巨大的財富。伴隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)智能化水平的提升，礦山行業(yè)在近年來逐步進入了現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展階段，各種現(xiàn)代化設(shè)備在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用不僅提升了效率和效益，也大大推進了安全、高效生產(chǎn)目標(biāo)的實現(xiàn)，尤其是作為高效運輸環(huán)節(jié)的膠帶運輸，在作業(yè)過程中可能伴隨著各種的突發(fā)情況，通過智能巡檢機器人的應(yīng)用，巡檢更具智能、高效，實現(xiàn)了對運輸全過程的監(jiān)督和管控，保障了正常的生產(chǎn)秩序。

1 礦山膠帶運輸智能巡檢機器人關(guān)鍵技術(shù)

1.1 移動平臺技術(shù)

礦山膠帶運輸智能巡檢機器人的總體構(gòu)成相對復(fù)雜，移動平臺僅僅是其中的一個部分，雖然在當(dāng)下的發(fā)展條件下有了多種的移動平臺，但不同的平臺下所對應(yīng)的工作方式有呈現(xiàn)出各自的獨特性。各個礦山企業(yè)在移動平臺的選擇上，一般要綜合考慮巡檢現(xiàn)場的環(huán)境條件，對比輪式、履帶式或者軌道式的優(yōu)缺點，選擇最符合自身的移動平臺技術(shù)[1]。相比較而言，履帶式和輪式移動平臺的靈活性相對較高，但膠帶機地表基礎(chǔ)要求較高，整個的移動平臺選擇時，還需綜合考慮防潮、防振、防塵等方面的因素，如果選用的是軌道式移動平臺，一般要在巷道頂部進行軌道式移動平臺的安裝，但移動軌跡固定，靈活性受限。

1.2 定位與導(dǎo)航技術(shù)

定位與導(dǎo)航技術(shù)同樣是智能巡檢機器人中的核心技術(shù)，在這一技術(shù)的輔助下，整個的巡檢工作進行中，定位更為精準(zhǔn)?，F(xiàn)階段隨著現(xiàn)代智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，在智能巡檢機器人的定位和導(dǎo)航技術(shù)中做了大量的研究，也為智能巡檢機器人的定位與導(dǎo)航技術(shù)提供了平臺支持，一些研究學(xué)者提出了磁軌跡引導(dǎo)理論，在這一理論下，經(jīng)由與RFID電子標(biāo)簽的結(jié)合，為保障其定位精度，需在巡檢機器人運行路徑上進行磁軌跡的預(yù)埋，并在機器人?？课恢蒙下裨O(shè)RFID電子標(biāo)簽，雖然表現(xiàn)出定位精度高、抗干擾性強的突出優(yōu)勢，但整體的實現(xiàn)難度大，對于技術(shù)的要求相對較高，再加上運行線路的靈活性不足，使得整個的智能巡檢機器人導(dǎo)航定位時存在一定的問題。隨后，部分學(xué)者利用地面引導(dǎo)標(biāo)志研發(fā)了單目視覺導(dǎo)航方法，這一方式下，能夠通過圖像采集的方式來記錄引導(dǎo)標(biāo)志的自主識別，也就可以在此基礎(chǔ)上進行巡檢路徑、停靠位置等的自主確定，但這一導(dǎo)航方式下，對于外界光線的敏感性較強，一旦在露天礦山開采作業(yè)環(huán)境內(nèi)的光線不足或者地面引導(dǎo)標(biāo)志不清晰，都會導(dǎo)致導(dǎo)航定位的精度不高[2]。為避免光線對導(dǎo)航定位精度的不利影響，隨后出現(xiàn)了人工路標(biāo)的激光導(dǎo)航系統(tǒng)，這一系統(tǒng)在智能巡檢機器人中的應(yīng)用，大幅度改善了傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位技術(shù)局限，導(dǎo)航精度顯著提升，但為達到最佳的應(yīng)用效果，一般要保障人工路標(biāo)的激光符合要求，應(yīng)用的范圍相對有限。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在智能巡檢機器人導(dǎo)航定位領(lǐng)域，專業(yè)研究人員更傾向于通過高精度差分GPS定位技術(shù)來進行機器人的精準(zhǔn)定位，在這一技術(shù)下，為保障定位工作的順利進行，需保障露天采礦作業(yè)環(huán)境內(nèi)無線傳輸信號的穩(wěn)定性，一旦在定位系統(tǒng)運行時周邊存在一定強度的電磁擾動，將會導(dǎo)致GPS信號無法實時到達，即發(fā)生延遲，如果現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，甚至?xí)霈F(xiàn)GPS信號丟失等問題，可能造成巡檢機器人脫離運行軌跡。針對當(dāng)下的輪式和履帶式智能巡檢機器人，在導(dǎo)航定位中多采用的是激光導(dǎo)航+GPS定位技術(shù)，或者單目視覺導(dǎo)航+GPS定位技術(shù)。

1.3 圖像識別技術(shù)

圖像識別技術(shù)在智能巡檢機器人中的應(yīng)用，可以通過高清圖像的拍攝錄制來對巡檢范圍內(nèi)設(shè)備運行情況等加以全面監(jiān)測和判定。圖像識別包含了儀表讀數(shù)、指示燈狀態(tài)、開關(guān)位置、設(shè)備運行情況、設(shè)備主要部件形變等類型，在近幾年的發(fā)展過程中，我國的圖像識別技術(shù)日漸成熟，取得了一定的發(fā)展成效，比如，儀表讀數(shù)的識別方面，完全可以將所采集到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字模板圖像庫直接匹配，匹配結(jié)束后自動輸出結(jié)果。針對指示燈、開關(guān)位置和設(shè)備狀態(tài)等的識別，利用圖像識別技術(shù)進行相應(yīng)的識別，首先進行被識別對象位置的確定，此位置指的是該對象在圖像中的位置，在位置確定以后，分析被識別對象的現(xiàn)狀特點，利用Hougu變換判斷的方式來進一步確定顏色和狀態(tài)方面的信息。露天采礦作業(yè)進行中，雖然其作業(yè)環(huán)境相比井下作業(yè)環(huán)境簡單，但智能巡檢機器人的使用同樣面臨著來自環(huán)境方面的挑戰(zhàn)，露天開采作業(yè)中涉及的設(shè)備相對較多，圖像識別技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵是要對儀表讀數(shù)加以識別，為保障識別結(jié)果的有效性，對于一些相對復(fù)雜的設(shè)備，需建立專用的識別模板和算法，必要情況下還需進行智能巡檢機器人深度識別[3]。因為在智能巡檢機器人運行過程中，機器人的結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式都有各自的特殊性，圖像識別方面包含了后臺處理和就地處理兩種模式，其中，前者指的是將所拍攝到的圖像直接經(jīng)由無線技術(shù)傳輸?shù)竭h端服務(wù)器來實現(xiàn)識別，整體的識別和傳輸需消耗較長的時間，實時性較差且容易導(dǎo)致設(shè)備損壞及故障擴大；而就地處理是通過自行搭載的邊緣計算模塊來進行相應(yīng)的識別信息和圖像處理的，整體的識別準(zhǔn)確性、實時性高，設(shè)備出現(xiàn)故障實時發(fā)送停機信息至膠帶機控制單元停機，并呼叫值班室將故障圖像及故障說明發(fā)送至值班室，開展故障確認(rèn)消除工作。

1.4 自主充電技術(shù)

隨著工業(yè)智能化時代的到來，越來越多的礦山企業(yè)都在積極采用智能巡檢機器人，在機器人研究領(lǐng)域，用戶希望機器人的工作電池具有極強的續(xù)航能力，這就使得智能巡檢機器人領(lǐng)域，也需要保障電池的續(xù)航性能。隨著電池技術(shù)研究的深入，同步的在智能機器人領(lǐng)域，自主充電技術(shù)也已然成為了重要性的技術(shù)，在開展電池研究設(shè)計時，不僅要適當(dāng)增大電池容量，更要使得智能巡檢機器人具備良好的自主充電能力，以達到智能化巡檢的要求?，F(xiàn)階段，關(guān)于智能巡檢機器人自主充電技術(shù)的研究主要表現(xiàn)在以下方面：有關(guān)人員將導(dǎo)航光源作為導(dǎo)航信息，來實現(xiàn)巡檢機器人進入充電位置實現(xiàn)與充電站的可靠連接充電，但這一技術(shù)下，環(huán)境光線可能會對導(dǎo)航光源造成一定的干擾；相關(guān)人員提出了巡檢機器人自主充電系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)基礎(chǔ)上，根據(jù)已知的環(huán)境地圖來實現(xiàn)巡檢機器人與充電站的可靠連接，但一旦在充電過程中環(huán)境地圖受到其他因素而出現(xiàn)了明顯的改變，智能巡檢機器人將無法識別充電位置，充電無法正常進行；在充電站上進行色塊和IR二極管的設(shè)置，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)巡檢機器人來完成與充電站的對接充電，再利用激光傳感器、PTZ彩色攝像機、里程來輔助智能巡檢機器人到達自主充電目標(biāo)，但這種充電模式下，對接誤差容忍度異常小，環(huán)境光線、粉塵等造成的色差即導(dǎo)致無法識別充電站位置；利用磁軌道來引導(dǎo)與RFID標(biāo)簽定位，導(dǎo)航定位過程中不需人工干預(yù)就可實現(xiàn)，一旦將該巡檢機器人與充電樁對接，就可自動檢測充電結(jié)構(gòu)位置、極片電壓，看是否符合充電標(biāo)準(zhǔn)，因為在該充電機構(gòu)中有漏斗形對接窗口的設(shè)置，使得對接誤差容忍度相對較高，即使面臨復(fù)雜的露天礦山開采環(huán)境，也同樣可以滿足自主充電的要求[4]。未來隨著智能巡檢機器人在礦山企業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用范圍的逐步擴大，自主充電技術(shù)勢必有著巨大的技術(shù)發(fā)展?jié)摿?，?yīng)從接觸式和非接觸式的角度來進行技術(shù)創(chuàng)新，隨著無線充電技術(shù)的不斷成熟，智能巡檢機器人必定會實現(xiàn)非接觸式以及實時充電技術(shù)。

1.5 后臺管理及診斷技術(shù)

智能巡檢機器人具有高度的智能化特點，正是因為如此，使得在機器人設(shè)計時，后臺管理和診斷技術(shù)的應(yīng)用非常重要，在后臺管理和診斷技術(shù)的支持下，智能巡檢機器人可以對所采集到的信息加以全面分析，根據(jù)分析結(jié)果來及時發(fā)送診斷結(jié)果和處理方式。機器人運行中的數(shù)據(jù)采集量相對較大，如果將這些數(shù)據(jù)直接上傳到后臺，采用人工處理的方式，將會產(chǎn)生巨大的工作量，且人工失誤必將影響到診斷結(jié)果，且通信系統(tǒng)的傳輸壓力也非常大。后臺管理和診斷技術(shù)應(yīng)用以后，使得智能巡檢機器人的后臺數(shù)據(jù)處理能力得到本質(zhì)提升，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的自動化，即使在機器人使用過程中出現(xiàn)了故障，該模塊也可以快速根據(jù)所掌握到的信息來進行故障識別和診斷，幫助專業(yè)人員快速制定有效的故障處理對策，達到快速恢復(fù)智能巡檢機器人工作正常狀態(tài)的目的。

2 礦山膠帶運輸智能巡檢機器人的應(yīng)用

以某礦企業(yè)為例，在2019年1月，基于智能巡檢的要求，該礦山開采作業(yè)中引入了膠帶運輸智能巡檢機器人，根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用結(jié)果，應(yīng)用效果相對理想，完全取代了傳統(tǒng)人工巡檢工作模式的限制。結(jié)合現(xiàn)場的工業(yè)性試驗與應(yīng)用結(jié)果分析，膠帶運輸智能巡檢機器人在使用時，可以對生產(chǎn)的全過程加以安全智能化監(jiān)控，且整個系統(tǒng)的運行過程中，保持著較高的可靠性與穩(wěn)定性，可以快速識別出現(xiàn)場的潛在故障并立即將故障信息反饋給相關(guān)人員，在應(yīng)用這一智能巡檢機器人以后，現(xiàn)場作業(yè)的可視化目標(biāo)得以實現(xiàn)，呈現(xiàn)出巡檢可視化、一鍵智能巡檢和智能報警等方面的突出優(yōu)勢，具體監(jiān)控畫面如圖1。

圖1 智能帶式輸送機巡檢機器人現(xiàn)場監(jiān)控畫面

根據(jù)該機器人在采礦作業(yè)中的應(yīng)用成果，機器人中的相應(yīng)模塊能夠?qū)崟r獲取現(xiàn)場畫面并對現(xiàn)場的全部參數(shù)加以實時獲取和分析，即使后臺管理人員需進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)或者現(xiàn)場畫面調(diào)取，也可以直接在相應(yīng)的存儲模塊直接提取?？傊?，膠帶運輸智能巡檢機器人兼具實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置等功能，克服了控制方面的時間和空間限制。根據(jù)調(diào)查，在智能巡檢機器人應(yīng)用之前，關(guān)于巡檢方面需調(diào)配85人，而在應(yīng)用了該機器人以后，人員僅僅為25個，人力資源投入量大大降低，減少人員勞動強度，提高人員本質(zhì)安全且節(jié)約了人力成本。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段的礦山生產(chǎn)作業(yè)中，智能化生產(chǎn)已然取得了顯著的發(fā)展成果，尤其是智能巡檢機器人在膠帶運輸環(huán)節(jié)的使用，具有比人工巡檢突出的優(yōu)勢。但相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展尚不成熟，未來還需進一步加大智能巡檢機器人的研發(fā)和設(shè)計，提高巡檢機器人的性能。