選煤廠智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)

喬 奇

（淮河能源集團(tuán)選煤分公司張集選煤廠，安徽 淮南 232000）

1 概述

目前，在選煤廠巡檢的過程中存在許多的問題以及人工隱患，例如，開車前的準(zhǔn)備工作不足，正常的巡檢工作不及時，停車后的檢查工作不到位，等等。同時，由于巡檢工作單調(diào)重復(fù)，巡檢員易產(chǎn)生疲憊心理，不能保持正常的巡檢次數(shù)，導(dǎo)致選煤廠的選煤質(zhì)量下降與事故的發(fā)生。與人工巡查相比，智能機(jī)器人巡檢可以有效避免人工巡檢時出現(xiàn)疲憊、漏檢等人為因素造成的效率低的缺點(diǎn)，并且可根據(jù)需求設(shè)置定時巡檢，保證廠區(qū)內(nèi)皮帶機(jī)在整個運(yùn)行過程的安全，解決人工巡檢帶來的不確定因素，保證選煤廠的安全運(yùn)行。

一些發(fā)達(dá)國家選煤廠的自動化、智能化水平已經(jīng)達(dá)到比較高的水平[1]，可實(shí)現(xiàn)工作人員通過對上位機(jī)的監(jiān)控，來了解選煤廠的設(shè)備工作狀態(tài)以及通過操作上位機(jī)控制設(shè)備的運(yùn)行。國外某些選煤廠[2]有采用雙射線密度計(jì)來監(jiān)控選煤廠中傳感器，以及通過放射同位素比重傳感器來提高傳感器精度，選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性得以提升。在國內(nèi)，大多數(shù)選煤廠仍處于初級階段，其中發(fā)展較好的有西山斜溝選煤廠[3]擁有較為成熟的壓濾機(jī)自動控制模塊以及濃縮機(jī)自動加藥系統(tǒng)；臨礦魯西選煤廠[4]建設(shè)了三維可視化智能巡檢系統(tǒng)；棗礦高莊選煤廠[5]建設(shè)了自動化的視頻隨動控制系統(tǒng)以及壓濾機(jī)聯(lián)機(jī)自動化等。

2 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，通過上位機(jī)結(jié)合各類傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化管控，實(shí)現(xiàn)對選煤廠內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備工作狀態(tài)以及廠區(qū)內(nèi)的環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

由圖1 可以看出，系統(tǒng)整體分為五大部分，從上至下分別為：包含人機(jī)交互界面的應(yīng)用層；通過無線通信的網(wǎng)絡(luò)層；含有各類傳感器以及攝像頭的感知層；執(zhí)行層為多個巡檢機(jī)器人，完成廠區(qū)巡檢工作；底層設(shè)備為廠區(qū)內(nèi)各類設(shè)備，主要為皮帶機(jī)。操作人員通過應(yīng)用層的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行層的巡檢機(jī)器人的控制以及信息的獲取。巡檢機(jī)器人通過感知層的各類傳感器采集來自底層浮選、干選、濃縮、壓濾、干燥等設(shè)備的信息，通過網(wǎng)絡(luò)層的無線通信將信息傳輸至應(yīng)用層。

圖1 選煤廠巡檢系統(tǒng)框架圖

2.1 智能巡檢機(jī)器人

巡檢機(jī)器人需適應(yīng)選煤廠廠區(qū)環(huán)境，在對廠區(qū)內(nèi)設(shè)備的巡檢過程中需考慮到選煤廠的道路煤渣大、水分多的問題。巡檢機(jī)器人配備各類傳感器，傳感器間協(xié)同合作完成選煤廠設(shè)備的巡檢工作。皮帶巡檢機(jī)器人流程圖如圖2。

圖2 皮帶巡檢機(jī)器人流程圖

（1）電源部分。巡檢機(jī)器人使用鋰離子蓄電池作為運(yùn)行時的電力來源，采用鋰離子蓄電池可實(shí)現(xiàn)快速充電且循環(huán)壽命長。巡檢機(jī)器人在工作一段時間后，當(dāng)出現(xiàn)電量過低時，可及時到廠區(qū)內(nèi)充電處進(jìn)行充電。

（2）傳感器部分。傳感器部分除了有用于測距和避障的紅外以及超聲波傳感器，還有溫濕度傳感器、用于設(shè)備巡檢的攝像頭等。巡檢機(jī)器人在各傳感器協(xié)同配合下，完成對廠區(qū)設(shè)備巡檢。

（3）通信部分。巡檢機(jī)器人與控制中心以無線通信的方式傳輸采集到的數(shù)據(jù)信息以及視頻信息，控制中心對采集到的信息進(jìn)一步處理后，發(fā)送相應(yīng)的指令至對應(yīng)設(shè)備。

（4）控制模塊。巡檢機(jī)器人采用STM32F 系列控制模塊將采集的溫濕度信息以及位置信息進(jìn)行處理，驅(qū)動相應(yīng)位置電機(jī)。

2.2 智能識別算法

結(jié)合Faster R-CNN 目標(biāo)檢測算法對廠區(qū)內(nèi)巡檢機(jī)器人采集到的皮帶機(jī)工作視頻進(jìn)行檢測。如圖3。

圖3 Faster R-CNN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

首先，通過VGG-16 卷積網(wǎng)絡(luò)將巡檢機(jī)器人在廠區(qū)內(nèi)巡邏采集到的皮帶機(jī)圖像中的故障信息特征提取出來；其次，通過區(qū)域生成網(wǎng)絡(luò)將要檢測的皮帶機(jī)中出現(xiàn)的裂紋、破損等故障區(qū)域生成候選區(qū)域，再通過感興趣區(qū)域池化對上一階段生成的候選框尺寸大小進(jìn)行固定，以便于后面輸入全連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測；最后，將候選框送入全連接層進(jìn)行進(jìn)一步的精確定位，獲得檢測目標(biāo)即皮帶機(jī)中皮帶的故障類別的置信度以及故障區(qū)域的位置。檢測結(jié)果在第三部分展示，可以看出網(wǎng)絡(luò)模型經(jīng)訓(xùn)練后可以準(zhǔn)確地識別出皮帶損壞部分。

2.3 智能管控平臺

智能管控平臺將巡檢機(jī)器人的檢測信息通過可視化界面顯示出來，作為人機(jī)交互界面。

若出現(xiàn)設(shè)備故障，在設(shè)備非常規(guī)運(yùn)行時，巡檢機(jī)器人實(shí)時將信息反饋回控制中心，并在管控平臺上出現(xiàn)警報(bào)顯示，提醒操作人員進(jìn)行相關(guān)的處理。操作人員在獲得相應(yīng)權(quán)限后，對故障設(shè)備進(jìn)行處理。此外，對每個設(shè)備生成各自的二維碼，用于記錄該設(shè)備的信息，包括：設(shè)備狀態(tài)信息、設(shè)備巡檢情況、設(shè)備故障記錄、設(shè)備維修信息等。以001 號皮帶機(jī)為例，設(shè)備二維碼中包含信息如圖4 所示。圖5 為所有巡檢設(shè)備的二維碼管理操作界面。

圖4 皮帶機(jī)二維碼信息圖

圖5 巡檢設(shè)備二維碼操作界面

如圖6 所示，管控平臺操作界面分為四個部分：（1）選煤廠設(shè)備二維碼的查看與管理。主要分為廠區(qū)內(nèi)設(shè)備的二維碼以及巡檢機(jī)器人的二維碼。（2）巡檢機(jī)器人拍攝的實(shí)時視頻信息。主要為巡檢過程中拍攝的皮帶機(jī)視頻。（3）歷史記錄模塊。主要為設(shè)備及巡檢機(jī)器人的故障記錄以及檢修過程的記錄，包括之前的歷史記錄。（4）設(shè)備狀態(tài)模塊。主要為巡檢機(jī)器人采集的設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息以及發(fā)生故障時的報(bào)警信息。操作人員可根據(jù)相應(yīng)模塊進(jìn)行選煤廠設(shè)備的管理。

圖6 智能管控平臺操作界面

3 效果分析

巡檢機(jī)器人將采集到的皮帶機(jī)圖像信息傳輸至控制中心，經(jīng)目標(biāo)檢測算法對皮帶機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行巡檢，其檢測結(jié)果如圖7。

圖7 中第一行為輸入算法網(wǎng)絡(luò)的檢測圖片，第二行為經(jīng)過檢測算法后獲得的框選出故障區(qū)域的圖片，其中黑色邊框中的區(qū)域即為皮帶的故障區(qū)域，邊框左上角為類別以及相應(yīng)的置信度分?jǐn)?shù)。通過可視化檢測結(jié)果展示機(jī)器人巡檢過程中出現(xiàn)的皮帶故障問題，便于操作人員及時發(fā)現(xiàn)及時維修。

圖7 破損皮帶檢測結(jié)果

（1）通過智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對選煤廠眾多設(shè)備的批量管理，可有效降低人工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（2）通過使用巡檢機(jī)器人避免人為因素造成的低效問題，無需巡檢人員使用不同設(shè)備檢測各項(xiàng)指標(biāo)，無需逐步排查選煤廠內(nèi)設(shè)備，智能化的皮帶機(jī)安全巡檢有助于提高工作效率。

（3）當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時及時發(fā)現(xiàn)并報(bào)修，縮短設(shè)備異常運(yùn)行時間，增加機(jī)器使用時長，保障選煤廠內(nèi)設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語

選煤廠通過使用智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)置巡檢路線以及巡檢頻率，完成選煤廠內(nèi)設(shè)備的巡檢、廠區(qū)環(huán)境溫濕度的監(jiān)控等。該系統(tǒng)主要對皮帶機(jī)的裂紋以及破損故障進(jìn)行檢測，并通過人機(jī)交互界面可視化展現(xiàn)給工作人員進(jìn)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)選煤廠內(nèi)巡檢系統(tǒng)的智能化，有效避免由于人員疏忽造成的選煤廠安全事故的發(fā)生。