智能巡檢機(jī)器人
——助力煤礦智能化發(fā)展

劉 鵬

（安陽(yáng)市主焦煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 455145）

在煤礦現(xiàn)場(chǎng)采掘生產(chǎn)逐步擴(kuò)大的今天，各類機(jī)電設(shè)備的數(shù)量呈現(xiàn)出逐步增多的趨勢(shì)。井下供電系統(tǒng)及供電設(shè)備規(guī)模變大，進(jìn)出線回路較為繁瑣，切換動(dòng)作變得更加的頻繁，運(yùn)行的環(huán)境呈現(xiàn)出相對(duì)復(fù)雜的狀態(tài)，若是沿用傳統(tǒng)的人工巡檢方式，將無(wú)法滿足現(xiàn)代化煤礦變電所的實(shí)際運(yùn)行需要。本文將結(jié)合這樣的現(xiàn)狀分析煤礦變電所智能巡檢機(jī)器人的研究與應(yīng)用，同時(shí)對(duì)智能巡檢機(jī)器人助力煤礦智能化發(fā)展提供現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)。

煤礦變電所，作為煤礦整體運(yùn)行的生命壁壘，日常的檢修維護(hù)是保障供電系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要措施。礦用智能巡檢機(jī)器人利用最先進(jìn)可靠的取像裝置開(kāi)發(fā)有效的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算，利用先進(jìn)的無(wú)線充電技術(shù)和無(wú)線數(shù)傳技術(shù)，對(duì)硐室內(nèi)設(shè)備各類故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及診斷。同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的圖像、聲音、溫度、煙霧、氣體等數(shù)據(jù)，利用后臺(tái)對(duì)資料進(jìn)行全面分析，從而診斷現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否存在故障以及對(duì)故障進(jìn)行定位。[1]

1 煤礦變電所存在的普遍問(wèn)題

1.1 變電所值班人員自我約束力差

在日常的工作中現(xiàn)場(chǎng)人員由于思想麻痹、工作態(tài)度不專心、精力不能始終投入在工作中，從而可能引發(fā)操作不符合要求?；蛘邆€(gè)別人員責(zé)任心不強(qiáng)、不懂標(biāo)準(zhǔn)、不會(huì)試驗(yàn)、對(duì)崗位責(zé)任認(rèn)識(shí)不到位、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類規(guī)章制度不遵守等這些情況都可能引起供電事故，給變電所及礦井安全運(yùn)行帶來(lái)重大安全隱患，也給人身安全帶來(lái)極大的不穩(wěn)定因素。

1.2 煤礦井下變電所電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行周期長(zhǎng)，無(wú)異常情況不會(huì)進(jìn)行頻繁操作。再加上井下條件復(fù)雜、環(huán)境潮濕，設(shè)備和電纜受環(huán)境因素影響大，可靠性逐漸降低，到一定的時(shí)候，可能出現(xiàn)故障。

1.3 煤礦供電資金投入不夠

根據(jù)煤礦企業(yè)目前的實(shí)際情況，由于資金等原因不可能對(duì)現(xiàn)有的變電所在短期內(nèi)進(jìn)行技術(shù)改造或擴(kuò)建。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)供電設(shè)備安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化水平不高

煤礦企業(yè)可能存在受投資問(wèn)題、科技水平和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的制約，造成很多煤炭企業(yè)供電設(shè)備無(wú)法正常配備堅(jiān)持供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。這樣就可能出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)供電設(shè)備運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)信息不能及時(shí)傳輸?shù)降孛孀詣?dòng)化控制室，導(dǎo)致地面自動(dòng)化管理人員及相關(guān)技術(shù)人員無(wú)法及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)井下供電設(shè)備的運(yùn)行情況，從而可能出現(xiàn)的安全隱患和問(wèn)題不能及時(shí)做出有針對(duì)性的操作和補(bǔ)救決策，進(jìn)而引起事故的擴(kuò)大，造成巨大的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。

2 智能巡檢機(jī)器人基本內(nèi)容

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由ZDX12-T 礦用本安型移動(dòng)巡檢平臺(tái)、DXH12 礦用本安型電源箱、ZDX12-F 礦用本安型移動(dòng)巡檢子站、KBA12 礦用本安型網(wǎng)絡(luò)攝像儀、GQQ5(A)礦用本質(zhì)安全型煙霧傳感器、GJC4-100 煤礦用高低濃度甲烷傳感器組成。該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的本安型在軌充電、無(wú)線數(shù)傳等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在軌道自動(dòng)或手動(dòng)控制運(yùn)行，對(duì)整個(gè)軌跡內(nèi)的聲音、圖像、氣體等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、回傳、存儲(chǔ)及分析。

2.1 高靈敏度氣體探測(cè)

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)上搭載有甲烷傳感器，當(dāng)巡檢現(xiàn)場(chǎng)有甲烷和非常規(guī)氣體：氧氣、臭氧、二氧化碳、VOC 氣體產(chǎn)生時(shí)，智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)和上位機(jī)同時(shí)報(bào)警。

（1）信號(hào)類型：電流信號(hào)；（2）信號(hào)范圍：（4～20）mA；（3）傳輸距離：≤300m。

2.2 高清移動(dòng)視頻采集

通過(guò)智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)上搭載的多個(gè)紅外網(wǎng)絡(luò)攝像儀實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)硐室內(nèi)設(shè)備、線纜、管道、水跡等畫(huà)面信息采集，圖像信息采用千兆無(wú)線通訊，傳輸至遠(yuǎn)程端上位機(jī)顯示并存儲(chǔ)，通過(guò)對(duì)圖像的瀏覽分析，判斷設(shè)備是否存在故障、損壞程度、故障位置，診斷是否需要停電維修以及有無(wú)違章操作人員的現(xiàn)象。[2]

2.3 煙霧、氣體傳感器

通過(guò)智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)上搭載有煙霧、氣體傳感器，當(dāng)巡檢現(xiàn)場(chǎng)有煙霧產(chǎn)生時(shí)，智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)和上位機(jī)同時(shí)報(bào)警。

（1）信號(hào)類型：開(kāi)關(guān)量信號(hào)；（2）信號(hào)參數(shù)：高電平：12V，低電平0V；（3）傳輸距離：≤5m。

2.4 高靈敏度溫度監(jiān)測(cè)

設(shè)備運(yùn)行期間若發(fā)生故障，損壞設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)表面溫度過(guò)高的情況。智能巡檢機(jī)器人的紅外溫度傳感器能夠快速發(fā)現(xiàn)損壞設(shè)備的故障位置，同時(shí)可遙控指向測(cè)溫儀準(zhǔn)確采集被檢測(cè)物體溫度。

2.5 高分辨率拾音器

采用拾音器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)聲音，經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程端上位機(jī)，被監(jiān)管的設(shè)備在運(yùn)行期間中出現(xiàn)異常故障，相關(guān)部位就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)明顯的聲音異常。巡檢機(jī)器人則會(huì)通過(guò)對(duì)采集的異常信息進(jìn)行全面的分析，從而斷定設(shè)備是否存在故障，進(jìn)而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確處理、避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

（1）頻率響應(yīng)：150Hz-15kHz（90dB 聲壓、A 加權(quán)）；（2）音頻輸出值：0-2.5V；（3）拾音范圍：0-100m2（連續(xù)可調(diào)）；（4）指向特性：全指向性；（5）頻率響應(yīng)：150Hz-15kHz（90dB 聲壓、A 加權(quán)）。

2.6 揚(yáng)聲播放

將傳輸?shù)穆曇粜盘?hào)進(jìn)行放大，便于在現(xiàn)場(chǎng)嘈雜的環(huán)境中，人員能清晰地聽(tīng)到語(yǔ)音內(nèi)容。

（1）功率：12w；（2）阻抗：8/16Ω；（3）頻率：200～7000Hz；（4）靈敏度：≥112dB。

2.7 本安型接觸式充電

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用鋰電池供電，充電采用本安型電源提供充電，充電過(guò)程采用接觸式，保證安全。當(dāng)巡檢機(jī)器人電量低于設(shè)定值，就會(huì)自動(dòng)到達(dá)充電樁，并發(fā)送充電指令，本安型充電器開(kāi)始實(shí)施充電。

（1）充電電壓范圍：12.5V～12.7V DC；（2）充電電流：≤ 1.6A；（3）電池組數(shù)：2 組；（4）電池型號(hào)：PL175667 錳酸鋰電池；（5）電池容量：?jiǎn)喂?jié)電池5Ah，額定電壓：3.7V；（6）電池連接方式：3 節(jié)串聯(lián)，串上兩級(jí)限流保護(hù)，并用環(huán)氧樹(shù)脂灌封為整體。

3 具體實(shí)施方法和步驟

智能巡檢機(jī)器人安裝采用懸掛式，利用膨脹螺栓固定三角支架實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道的固定，移動(dòng)巡檢裝置在軌道上做往復(fù)運(yùn)行，在軌道固定位置安裝礦用隔爆兼本安型直流電源，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)巡檢平臺(tái)進(jìn)行充電，礦用本安型移動(dòng)巡檢子站實(shí)現(xiàn)對(duì)500m 范圍內(nèi)的巡檢平臺(tái)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行收集，并通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至定制計(jì)算機(jī)。

本系統(tǒng)通過(guò)在中央變電所、泵房巷道內(nèi)行人側(cè)安裝軌道，布置軌道式巡檢機(jī)器人檢查監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)硐室內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并與集控中心進(jìn)行可靠、穩(wěn)定、即時(shí)的數(shù)據(jù)交互。實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)、音頻、視頻進(jìn)行深度分析，對(duì)環(huán)境、溫度、氣體的檢測(cè)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況的判斷、預(yù)警等功能。[3]

3.1 系統(tǒng)組成

ZX127 礦用智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要由移動(dòng)巡檢平臺(tái)、無(wú)線通訊系統(tǒng)、無(wú)線充電裝置、各種信號(hào)采集設(shè)備和軌道系統(tǒng)組成。

3.1.1 移動(dòng)巡檢平臺(tái)。集合了視頻采集、聲音采集、氣體采集、溫度采集、無(wú)線充電等功能，帶有自動(dòng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在固定軌道自動(dòng)行走。高清視頻采集，清晰度1080P，對(duì)外接口RJ45 與無(wú)線通信模塊相連，實(shí)現(xiàn)視頻信息的實(shí)時(shí)傳輸。高精度氣體采集傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧、瓦斯、粉塵等有害氣體濃度的動(dòng)態(tài)測(cè)量，可完成整個(gè)軌跡巷道內(nèi)的氣體分布情況。對(duì)復(fù)雜環(huán)境中的聲音進(jìn)行采集，按照頻率進(jìn)行區(qū)分歸類、比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常聲音的提取。

3.1.2 無(wú)線通信。采用定向無(wú)線模式，在巷道內(nèi)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸及信號(hào)覆蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)中機(jī)器人內(nèi)部采集信息的實(shí)時(shí)回傳。定向傳輸最遠(yuǎn)距離可達(dá)2Km，傳輸速率最大可達(dá)到100bps。

3.1.3 自動(dòng)充電。根據(jù)軌道長(zhǎng)度預(yù)設(shè)電量值，當(dāng)電量低于預(yù)設(shè)值時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)返回充電樁，到達(dá)充電位置后，限位開(kāi)關(guān)閉合，主控制裝置給電源觸點(diǎn)控制端下達(dá)充電命令，電源觸點(diǎn)控制端接受命令，同時(shí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行充電。

現(xiàn)場(chǎng)采用本安型電源箱作為充電來(lái)源，在接觸狀態(tài)下，實(shí)時(shí)分析機(jī)器人用電情況，當(dāng)電量低于設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人內(nèi)部電池進(jìn)行自動(dòng)充電。

實(shí)現(xiàn)了巡檢設(shè)備連續(xù)正常運(yùn)行，且能自動(dòng)進(jìn)行充電，保證了安全性，充電功率可達(dá)20W。[4]

3.2 實(shí)現(xiàn)功能

1.氣體檢測(cè)。識(shí)別巡檢泵房變電所環(huán)境空間中的氣體成分，檢測(cè)數(shù)值實(shí)時(shí)上傳控制平臺(tái)，當(dāng)識(shí)別氣體超標(biāo)定值時(shí)報(bào)警提示，移動(dòng)巡檢裝置停留報(bào)警位置等待處理。

2.視頻采集。沿著泵房變電所單側(cè)既定路線巡檢，視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳控制平臺(tái)，供工作人員排查參考。

3.溫度監(jiān)測(cè)。識(shí)別巡檢泵房變電所環(huán)境空間和設(shè)備的溫度變化，檢測(cè)數(shù)值實(shí)時(shí)上傳控制平臺(tái)，當(dāng)空間溫度超標(biāo)定值時(shí)報(bào)警提示，移動(dòng)巡檢裝置停留報(bào)警位置等待處理。

4.紅外測(cè)溫。識(shí)別延線視覺(jué)內(nèi)的物體表面溫度，如防爆開(kāi)關(guān)，泵房電機(jī)等，當(dāng)識(shí)別溫度超標(biāo)定值時(shí)報(bào)警提示，移動(dòng)巡檢裝置停留報(bào)警位置等待處理。

5.音頻識(shí)別。采集識(shí)別延線聲音，當(dāng)識(shí)別到防爆開(kāi)關(guān)或水泵電機(jī)等異常（尖銳聲音、超值分貝聲音、新增聲音）音頻時(shí)，移動(dòng)巡檢裝置停留報(bào)警位置等待處理。

6.遠(yuǎn)程視頻對(duì)講?？煽刂埔苿?dòng)監(jiān)測(cè)裝置移動(dòng)至指定位置，與現(xiàn)場(chǎng)人員視頻會(huì)議。

7.聲光報(bào)警。對(duì)檢測(cè)到的異常情況可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

8.超聲停障。機(jī)器人在巡檢時(shí)，若有人或物體障礙是可自動(dòng)停止運(yùn)行，當(dāng)人或物體不影響安全時(shí)，機(jī)器人可恢復(fù)巡檢。

9.自動(dòng)電量檢測(cè)、充電功能。巡檢裝置機(jī)器人平臺(tái)采用鋰電池供電，并自動(dòng)監(jiān)測(cè)電池電量，電量不足時(shí)自動(dòng)尋找最近的無(wú)線充電點(diǎn)進(jìn)行充電。

10.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢功能。將設(shè)備采集到各種數(shù)據(jù)和處理分析后的結(jié)果存儲(chǔ)在遠(yuǎn)程端的上位機(jī)，以便以后對(duì)歷史數(shù)據(jù)查詢比較。

11.遙控定位。巡檢設(shè)備機(jī)器人具有自動(dòng)巡檢和人員手動(dòng)操作功能，手動(dòng)操作級(jí)別高于自動(dòng)巡檢。

12.數(shù)據(jù)讀取?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)各種儀表的自動(dòng)數(shù)據(jù)讀取，并對(duì)比分析是否有超出設(shè)定范圍，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。

4 成果取得的效果

4.1 減員增效效果顯著

我礦中央變電所及中央泵房原本為雙人雙崗，現(xiàn)該項(xiàng)目的投入使用成功節(jié)約6 名職工成本。人均成本按每月6000 元計(jì)算，一年可節(jié)約432000 元，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)推動(dòng)了礦井實(shí)施機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人戰(zhàn)略方針，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效、少人無(wú)人的智能化建設(shè)目標(biāo)。

4.2 安全生產(chǎn)效果顯著

從“人工干預(yù)”到“智能分析”，自動(dòng)化控制平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自主處理分析，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)化控制、智能化操作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)、系統(tǒng)保安。中央變電所及泵房進(jìn)行智能化改造后，運(yùn)維人員未出現(xiàn)任何零敲碎打及磕手碰腳事故，具有極高的安全效益。

4.3 供電系統(tǒng)運(yùn)行可靠

該裝置連續(xù)24 小時(shí)自動(dòng)巡檢，同時(shí)對(duì)圖像、聲音、氣體、溫度等多參數(shù)的采集判斷，避免生產(chǎn)過(guò)程中不巡檢帶來(lái)的危害因素?cái)U(kuò)大，避免人員疏忽大意導(dǎo)致的危害因素漏檢，提高了變電所、泵房設(shè)備安全運(yùn)行的環(huán)境。自該設(shè)備投入使用后變電所、泵房未出現(xiàn)任何異常情況，開(kāi)關(guān)、設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行，進(jìn)一步促進(jìn)礦井安全生產(chǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。[5]

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，機(jī)器人已經(jīng)被運(yùn)用至多個(gè)領(lǐng)域，極大地便利了人們的生活，解放了人們的雙手，使其勞動(dòng)強(qiáng)度有所緩解，對(duì)于生產(chǎn)效率的提升有著較大的幫助。為了確保煤礦實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人堅(jiān)守的目的，設(shè)計(jì)出巡檢機(jī)器人已成必然的趨勢(shì)，其可以替代值班人員完成巡檢工作，經(jīng)過(guò)對(duì)專業(yè)技術(shù)的分析研究，促使這種機(jī)器人依照既定的巡檢程序落實(shí)相應(yīng)的巡檢任務(wù)，從而合理地利用先進(jìn)的儀器，促使電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)更加優(yōu)良。

智能巡檢機(jī)器人通過(guò)機(jī)器人技術(shù)代替人的眼、耳、手，利用高速的處理器代替人的大腦，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，對(duì)硐室內(nèi)設(shè)備各類故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及診斷，從而減輕值班人員的工作強(qiáng)度、降低操作風(fēng)險(xiǎn)，以達(dá)到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確預(yù)警的功能，進(jìn)而助力煤礦智能化發(fā)展。