自適應(yīng)帶式輸送機道巡檢系統(tǒng)的研究

田 寶 張士魁

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251105）

目前，山東邱集煤礦井下均采用皮帶運輸。東部采區(qū)皮帶安裝在東翼總回風(fēng)巷，共4 部帶式輸送機，額定輸送能力237.6 萬t/a；西翼帶式輸送機安裝2 部，額定輸送能力為356.4 萬t/a；主井底上倉皮帶為斜巷運輸，輸送能力178.2 萬t/a。鑒于該礦井下惡劣的環(huán)境條件，帶式輸送機時常發(fā)生斷帶、縱撕、跑偏、打滑、火災(zāi)等事故，因此對帶式輸送機道運行工況的實時監(jiān)測尤為重要[1]。原有的監(jiān)控方式比較簡單，通常是人工巡檢與獨立攝像機定點監(jiān)視相結(jié)合，兩者都存在一定的缺陷。其中，人工巡檢耗時耗力，效率低，某些區(qū)域限制人員進(jìn)入，導(dǎo)致巡檢存在盲區(qū)；而固定攝像儀定點監(jiān)視時，視野范圍受限，安裝數(shù)量巨大，監(jiān)視過程中切換圖像慢，數(shù)據(jù)處理任務(wù)繁重，綜合效率低。

新型巡檢機器人的研究與應(yīng)用能將巡檢員從高危的工作環(huán)境中解脫出來，減少了各類獨立傳感器的使用，從而降低人工和設(shè)備成本，提高了巡檢效率。將巡檢任務(wù)由定點檢升級成全線24 h 不間斷巡檢，通過AI 智能分析，準(zhǔn)確對皮帶運行工況進(jìn)行提前預(yù)判，降低運輸機停機頻率和安全事故發(fā)生的概率，對煤礦安全生產(chǎn)而言具有重要的實際意義。

1 研究目標(biāo)

1）研究移動巡檢機器人的無線充電裝置，按照本安型電源要求設(shè)計。

2）研究移動巡檢人對音/視頻采集，對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，對人員熱成像和聲紋監(jiān)測，以及無線傳輸技術(shù)應(yīng)用，所測數(shù)據(jù)為AI 智能分析提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。

3）研究巡檢機器人故障分析的智能化識別，深度感知算法結(jié)構(gòu)部署，對巡檢機器人采集的音/視頻圖像進(jìn)行多模態(tài)復(fù)雜智能分析，提高識別精度。多傳感器融合部署，可以省去單獨傳感器固定安裝的不足[3]。

4）上位機軟件包括：登錄主界面、監(jiān)測主界面、參數(shù)設(shè)置、操作日志、數(shù)據(jù)查詢、報表打印、幫助模塊。內(nèi)核算法包括數(shù)據(jù)分析、調(diào)試升級、傳輸協(xié)議等。軟件主界面需要實現(xiàn)實時繪制曲線、模擬組態(tài)畫面瀏覽、故障預(yù)警及處理措施的功能。所有數(shù)據(jù)進(jìn)行密采后存入數(shù)據(jù)庫，以備日后進(jìn)行查詢使用[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 整體設(shè)計框架

煤礦井下帶式輸送機道自適應(yīng)巡檢系統(tǒng)包括移動巡檢機器人、電氣控制箱、無線通信基站、井下千兆工業(yè)以太網(wǎng)、地面數(shù)據(jù)處理中心站、軌道驅(qū)動裝置以及各種遠(yuǎn)程客戶平臺。系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖1 所示。移動巡檢機器人與固定機器人的差別在于供電方式和傳輸方式不同。固定的巡檢機器人采用有線的本安直流電源供電，傳輸也是采用工業(yè)以太網(wǎng)光纖接口傳輸，但是可以像移動機器人那樣360°旋轉(zhuǎn)監(jiān)測，可以上下升降位置；移動巡檢機器人要沿著軌道移動巡檢，則采用5G 無線傳輸和電池供電方式工作，充電采用的是定點位置無線充電方式。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

2.2 移動巡檢機器人

巡檢機器人模擬巡檢工沿著運輸巷道行走，既能模擬巡檢員的日常檢查工作，還能將發(fā)生過的無法復(fù)現(xiàn)記錄和不能準(zhǔn)確量化對比的人工感官現(xiàn)象，以數(shù)字化的圖像、音頻和數(shù)值通過無線基站上傳到地面監(jiān)控主機和大數(shù)據(jù)服務(wù)器歸類存儲，便于故障問題的查詢復(fù)現(xiàn)。

移動巡檢機器人可以覆蓋全線路上的帶式輸送機道工況，可以代替固定巡檢機器人和巡檢工的工作，實時監(jiān)測運行的帶式輸送機道工況、聲紋、設(shè)備工作溫度、煙霧、氣體濃度、環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)。通過地面監(jiān)控軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，判斷機道工況是否異常。如有異常及時發(fā)出報警信息，再通知相關(guān)人員采取措施處理，從而提高了巡檢效率，也減輕巡檢員的勞動強度和風(fēng)險，還減少非正常停機的頻次和時間[5]。具體的硬件設(shè)計框圖如圖2。

圖2 巡檢機器人硬件設(shè)計框圖

1）移動視頻攝像機

在運煤巷道的高溫度和粉塵環(huán)境下，移動巡檢機器人上搭載的多個紅外補光網(wǎng)絡(luò)攝像儀實現(xiàn)對帶式輸送機道的機電設(shè)備、線纜、皮帶、管路、水情等的圖像采集。數(shù)據(jù)采用5G 無線網(wǎng)絡(luò)上傳至地面中心站顯示并儲存，通過AI 智能分析，判斷工況是否存在異常，設(shè)備是否損壞，以及出現(xiàn)險情的位置，由人工報告確認(rèn)是否需要停機檢修或是否存在違章操作人員等問題。具體的技術(shù)參數(shù)詳見表1。

表1 移動巡檢機器人的主要技術(shù)參數(shù)

2）無線充電裝置

巡檢機器人采用錳酸鋰電池供電，充電方式采用在定點位置進(jìn)行磁場磁感應(yīng)式充電，不需要電氣接線，降低產(chǎn)生失爆風(fēng)險。

3）氣體監(jiān)測傳感器

機器人主機內(nèi)集成了多種氣體監(jiān)測傳感器，對環(huán)境中的CO、CH4、O2的濃度值進(jìn)行實時監(jiān)測。若超過設(shè)定報警值范圍，立即報警。

4）紅外熱成像溫度探測

機器人內(nèi)置的熱成像儀可以對運輸設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中的溫度進(jìn)行監(jiān)測，遇到機電設(shè)備或者故障點存在溫度過高的現(xiàn)象，熱成像儀將立即報告出現(xiàn)險情的位置，同時還可以遙控?zé)岢上駜x指向想要監(jiān)測的部位，有針對性地檢查具體的機道位置。

2.3 礦用隔爆兼本安型電氣控制箱

控制箱的主要作用是執(zhí)行系統(tǒng)下發(fā)的斷電控制命令，以及巡檢機器人遇到突發(fā)險情后發(fā)出的斷電控制命令，對需要停機的設(shè)備進(jìn)行斷電控制?？刂葡渥鳛橄到y(tǒng)的控制執(zhí)行器，執(zhí)行輸出的信號是開關(guān)控制接點輸出，對受控的機電設(shè)備開關(guān)進(jìn)行控制。

2.4 礦用本安型5G 通信基站

基站整機采用不銹鋼外殼輕量化結(jié)構(gòu)，本安型低功耗設(shè)計，滿足電信級可靠性；支持光電復(fù)合纜遠(yuǎn)程供電，支持即插即用；滿足電信級運維管理，支持通過網(wǎng)管集中管理、配置、監(jiān)控以及軟件升級，可提供最高4×250 mW 輸出功率，最大支持100 MHz 帶寬。

2.5 千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)

系統(tǒng)傳輸層是由本安型千兆以太環(huán)網(wǎng)交換機聯(lián)合組成的千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)交換機支持千兆帶寬，符合IEEE802.3 協(xié)議，以太網(wǎng)電口、百兆以太網(wǎng)光信號接口、千兆以太網(wǎng)光信號接口支持全雙工。

3 巡檢機器人軌道設(shè)計

3.1 巡檢機器人行走方式

巡檢機器人行走方式?jīng)Q定了運動控制策略，也是機器人在煤礦井下高精度、高穩(wěn)定性運行的重要基礎(chǔ)。常用的行走方式包括輪式行走、履帶式行走、軌道式行走等。綜合邱集煤礦有斜巷和起伏路面的情況，對現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)生影響最小的方式是軌道式行走。

3.2 行走軌道的設(shè)計和安裝方式

巡檢機器人安裝在8#工字鋼軌上，沿著懸掛在巷道頂部的軌道移動。為了適應(yīng)巷道不規(guī)則的地形變化，還能平穩(wěn)移動巡檢機器人，運載軌道就需進(jìn)行特殊設(shè)計、安裝。為了便于軌道材料的運輸，將鋼軌長度裁定為6 m，在每根軌道的兩端焊接吊耳和軌道下方的吊耳座。軌道安裝時，相鄰兩根軌道通過吊耳與吊耳座之間連接，最終完成吊掛，這樣保證了軌道連接處不會分離太遠(yuǎn)。軌道吊掛點必須使用鐵鏈完成軌道吊掛，因為受地壓變化，柔性連接能夠很好地規(guī)避該情況的發(fā)生。軌道接頭間隙不得大于10 mm，高低和左右允許偏差不得大于2 mm 和1 mm，應(yīng)達(dá)到平、直、順的標(biāo)準(zhǔn)。為了限制軌道的橫向擺動，需沿縱向每組吊點安裝防擺鏈，兩條加強鏈夾角大于120°。具體的軌道吊掛方式如圖3 和圖4。

圖3 軌道吊掛示意圖

圖4 防擺鏈固定示意圖

4 結(jié)語

1）本文闡述了一種自適應(yīng)運輸帶式輸送機道巡檢系統(tǒng)設(shè)計方案，介紹了設(shè)計目標(biāo)、硬件設(shè)計架構(gòu)，提出了系統(tǒng)功能和組件技術(shù)指標(biāo)的要求，簡述了巡檢機器人安裝運行軌道的設(shè)計思路。

2）此設(shè)計方案利用邱集煤礦千兆級工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)了通過音視頻采集，氣體濃度和溫濕度監(jiān)測，聲紋和煙霧探測等信息采集，再由地面軟件的AI 智能分析來判斷帶式輸送機道的運行狀態(tài)，解決了傳統(tǒng)人工巡檢中費時費力、效率低下、風(fēng)險大的問題。

3）此設(shè)計方案提出了“5G+AI 智能分析”的理念，符合煤礦的智能化建設(shè)理念，將點保護(hù)變成為面保護(hù)，大大提高生產(chǎn)效率和設(shè)備運行的可靠性、安全性，提升了礦山的智能化水平，提升了煤礦裝備制造的核心競爭力，對煤礦安全生產(chǎn)具有重要的戰(zhàn)略意義。