用于輸煤廊道的智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)

高亞磊，侯 楠，趙松璞

（1.華電忻州廣宇煤電有限公司，忻州 034000；2.深圳市朗馳欣創(chuàng)科技股份有限公司，深圳 518000）

目前，輸煤廊道巡檢工作存在巡視盲區(qū)和效率低下的問(wèn)題，使用人工巡視方式容易發(fā)生巡視疏漏和嚴(yán)重事故[1]。此外，輸煤廊道中的主要運(yùn)行設(shè)備皮帶機(jī)和托輥軸承的潤(rùn)滑不及時(shí)容易導(dǎo)致故障，進(jìn)而引發(fā)快速升溫和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。其中，皮帶材料是橡膠，在高溫情況下容易產(chǎn)生安全隱患。另外，輸煤廊道容易受環(huán)境因素影響，如惡劣天氣和地震，會(huì)影響輸煤廊道的運(yùn)行可靠性。夏季雨水過(guò)多時(shí)，輸煤廊道容易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害，威脅設(shè)備正常運(yùn)行和工作人員安全[2]。這些問(wèn)題給輸煤廊道的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

智能巡檢機(jī)器人頻繁應(yīng)用于變電站、交通物流以及煤礦等眾多場(chǎng)合中。為了提升輸煤廊道的監(jiān)管水平，避免輸煤廊道出現(xiàn)安全事故，維持輸煤廊道內(nèi)輸煤皮帶等設(shè)備的安全可靠運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸煤廊道的日常監(jiān)管。

1 智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)

1.1 智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)主要包括軌道傳動(dòng)模塊、機(jī)器人本體、通信模塊、供電動(dòng)力模塊以及監(jiān)控平臺(tái)，如圖1 所示。機(jī)器人本體搭載了高清攝像頭、溫度傳感器和聲音傳感器等傳感器，通過(guò)這些傳感器采集輸煤廊道的圖像信息[3]、溫度信息等環(huán)境數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊傳送至監(jiān)控平臺(tái)，為輸煤廊道管理人員提供實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輸煤廊道的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of system

1.2 智能巡檢機(jī)器人

智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)中，智能巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖2 所示?？梢钥闯?，智能巡檢機(jī)器人包括車廂、靜音底盤(pán)、同步帶、動(dòng)力總成等部分。智能巡檢機(jī)器人設(shè)置了同步帶和同步輪的天然橡膠輪胎，保障機(jī)器人巡檢時(shí)不發(fā)出噪聲。智能巡檢機(jī)器人內(nèi)設(shè)置金屬定位片以及定位芯片，為系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)提供實(shí)時(shí)位置[4]。巡檢機(jī)器人中搭載了溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、一氧化碳傳感器等多個(gè)傳感器，為監(jiān)控平臺(tái)提供全面的環(huán)境信息。

圖2 巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of inspection robot

智能巡檢機(jī)器人中搭載的輸煤廊道巡檢的傳感器如圖3 所示。

圖3 巡檢機(jī)器人搭載傳感器Fig.3 Inspection robot is equipped with sensors

智能巡檢機(jī)器人在巡視系統(tǒng)中，主要包括如下功能：

（1）定位導(dǎo)航。智能巡檢機(jī)器人搭載了定位芯片。在輸煤廊道中預(yù)先吊裝軌道，利用二維碼在巡檢機(jī)器人上設(shè)置特征標(biāo)識(shí)點(diǎn)，在機(jī)器人沿軌道行走以及定點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。采用軌道導(dǎo)航定位技術(shù)，不受環(huán)境等因素影響，適用于復(fù)雜環(huán)境的輸煤廊道中。

（2）圖像分析。圖像分析技術(shù)是輸煤廊道巡檢的重要部分。將具有較高清晰度的高清可見(jiàn)光攝像頭，搭載于智能巡檢機(jī)器人中。利用高清的可見(jiàn)光攝像頭，采集輸煤廊道圖像[5]。利用圖像識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)等圖像識(shí)別技術(shù)，識(shí)別輸煤廊道中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。由于輸煤廊道中包含眾多不同類型設(shè)備，設(shè)備型號(hào)繁多，需要高識(shí)別性能的識(shí)別算法，保障巡檢目標(biāo)識(shí)別的高效性。采用深度學(xué)習(xí)算法等人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸煤廊道內(nèi)設(shè)備的快速精準(zhǔn)識(shí)別。

巡檢機(jī)器人可以依據(jù)預(yù)先設(shè)定的巡檢任務(wù)，自動(dòng)規(guī)劃巡檢路徑，完成巡檢任務(wù)[6]。巡檢機(jī)器人設(shè)置了360°全方位的云臺(tái)攝像頭。巡檢機(jī)器人具備自動(dòng)化報(bào)警功能，可將故障信息及時(shí)上報(bào)至監(jiān)控平臺(tái)。機(jī)器人設(shè)置了防碰撞接觸裝置，巡檢機(jī)器人與人或障礙物距離過(guò)小時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警，避免機(jī)器人與障礙物出現(xiàn)碰撞。

1.3 系統(tǒng)軌道傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)的軌道傳動(dòng)模塊時(shí)，需要充分考慮輸煤廊道的特殊環(huán)境信息，依據(jù)輸煤廊道內(nèi)設(shè)備布置方式、設(shè)備架構(gòu)、廊道環(huán)境和廊道走勢(shì)，設(shè)計(jì)便于機(jī)器人巡檢的軌道系統(tǒng)。采用高強(qiáng)度鋁合金材料作為傳動(dòng)模塊的軌道型材料。軌道安裝時(shí)，可以采用拼接方式。依據(jù)輸煤廊道地形設(shè)計(jì)軌道坡度和軌道的彎曲度。軌道傳動(dòng)模塊采用的材料需要具有較高的抗磨損性能和抗腐蝕性能。軌道傳動(dòng)模塊設(shè)置鋼質(zhì)防火門(mén)，利用配套的電控模塊控制防火門(mén)啟閉。軌道傳動(dòng)模塊的防火門(mén)為常閉狀態(tài)。機(jī)器人穿越時(shí)，向電動(dòng)模塊發(fā)送信號(hào)，電動(dòng)模塊控制防火門(mén)自動(dòng)化開(kāi)啟，直至機(jī)器人完成防火門(mén)穿越后，電動(dòng)模塊控制防火門(mén)自動(dòng)化關(guān)閉。

1.4 系統(tǒng)通信模塊

智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)中的通信模塊起著關(guān)鍵的作用。該模塊可將機(jī)器人采集的信息傳送至監(jiān)控平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)與輸煤廊道中的其他設(shè)備的實(shí)時(shí)通信。為確保通信的可靠性，系統(tǒng)在輸煤廊道中設(shè)置了多個(gè)通信基站，構(gòu)建無(wú)線局域網(wǎng)，以提升通信網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡和帶寬。通過(guò)高效的通信性能，機(jī)器人與監(jiān)控平臺(tái)之間可以實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，保障巡視任務(wù)的順利進(jìn)行。這一通信模塊的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 通信模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of communication module

1.5 智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮系統(tǒng)機(jī)器人本體嵌入微控制器的控制軟件設(shè)計(jì)，以及監(jiān)控平臺(tái)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示與操控軟件設(shè)計(jì)。機(jī)器人本體的微控制器，利用軟件設(shè)計(jì)控制機(jī)器人自主往返巡檢，對(duì)巡檢過(guò)程中存在的異常位置進(jìn)行定位與復(fù)檢。機(jī)器人利用搭載的傳感器和攝像頭采集的數(shù)據(jù)，需要同時(shí)傳送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，利用通信模塊通過(guò)構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)傳送至輸煤廊道管理人員的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)輸煤廊道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。選取Visual Basic/Visual C++的集成開(kāi)發(fā)軟件，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的控制軟件以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)機(jī)器人本體與監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)、圖像傳輸，以及數(shù)據(jù)、圖像的顯示與存儲(chǔ)。系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：

（1）圖像顯示模塊。利用圖像顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人搭載的攝像頭采集的輸煤廊道現(xiàn)場(chǎng)圖像；

（2）皮帶問(wèn)題分析顯示模塊。利用皮帶問(wèn)題分析顯示模塊，顯示機(jī)器人巡檢輸煤廊道的環(huán)境信息以及皮帶信息；

（3）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊。通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式的選擇，設(shè)置自主定位復(fù)檢等巡檢功能；

（4）機(jī)器人狀態(tài)模塊。利用機(jī)器人狀態(tài)模塊實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人的運(yùn)行速度與位置信息，控制機(jī)器人運(yùn)行速度；

（5）視頻分析模塊。利用視頻分析模塊，顯示輸煤廊道的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，檢測(cè)電子圍欄、輸煤皮帶人員是否存在翻越情況，以及是否存在未佩戴安全帽的人員。

機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)包括本體嵌入軟件和遠(yuǎn)程控制軟件，診斷、控制巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信功能。系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)器人巡檢程序流程如圖5所示。利用機(jī)器人本體嵌入式控制軟件，控制與診斷機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的通信。本體嵌入式控制軟件，初始化系統(tǒng)的底層配置，完成底層配置初始化后，對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行初始化，包括傳感器數(shù)據(jù)采集以及上位機(jī)通訊等數(shù)據(jù)的初始化。利用循環(huán)程序執(zhí)行處理函數(shù)、命令執(zhí)行函數(shù)以及通訊處理函數(shù)。

圖5 上位機(jī)巡檢程序流程Fig.5 Flow chart of PC inspection program

2 實(shí)例分析

選取某集團(tuán)發(fā)電有限公司的輸煤廊道作為系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象。針對(duì)該電廠輸煤廊道設(shè)計(jì)的智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)，主要設(shè)備設(shè)置情況如表1所示。

表1 智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)主要設(shè)備Tab.1 Main equipment of patrol system of intelligent inspection robot

依據(jù)表1 的設(shè)備設(shè)置情況，構(gòu)建智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)。

智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)中，巡檢機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)圖如圖6 所示?？梢钥闯?，智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)設(shè)置的智能巡檢機(jī)器人，成功搭載在輸煤廊道中。智能巡檢機(jī)器人利用搭載的攝像頭，采集輸煤廊道的圖像信息以及環(huán)境信息，為輸煤廊道的智能巡檢提供良好的基礎(chǔ)。

圖6 輸煤廊道巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Field picture of inspection robot in coal transport corridor

智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)中，巡檢機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 巡檢機(jī)器人參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter settings of inspection robot

智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)對(duì)輸煤廊道進(jìn)行巡檢，系統(tǒng)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)的運(yùn)行界面如圖7 所示。從圖7 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用軟件設(shè)計(jì)程序，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行界面圖中，有效顯示了輸煤廊道的環(huán)境溫度信息，實(shí)現(xiàn)輸煤廊道環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。輸煤廊道管理人員，可以依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的界面圖，分析輸煤廊道的環(huán)境溫度運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig.7 System operation interface

智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)，依據(jù)機(jī)器人平臺(tái)上傳的數(shù)據(jù)，判斷輸煤廊道狀態(tài)。分析機(jī)器人采集的聲音數(shù)據(jù)，判斷輸煤廊道設(shè)備是否存在異響，判斷輸煤廊道設(shè)備存在異響時(shí)及時(shí)報(bào)警。傳感器上傳的輸煤廊道設(shè)備聲音頻譜信號(hào)如圖8 所示。

圖8 輸煤廊道設(shè)備聲音頻譜信號(hào)分析Fig.8 Sound spectrum signal analysis of coal corridor equipment

分析圖8 的輸煤廊道設(shè)備聲音頻譜信號(hào)，輸煤廊道設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)備的聲音頻譜信號(hào)將出現(xiàn)異常。圖8（a）中的輸煤廊道設(shè)備聲音頻譜信號(hào)具有較高的規(guī)律性，表明輸煤廊道設(shè)備為正常運(yùn)行狀態(tài)；圖8（b）中的輸煤廊道設(shè)備聲音頻譜信號(hào)呈現(xiàn)規(guī)律的異常聲音信號(hào)，信號(hào)存在諧波情況。圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，系統(tǒng)可以利用所采集的輸煤廊道設(shè)備的聲音頻譜信號(hào)，分析輸煤廊道設(shè)備是否存在異常。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)輸煤廊道設(shè)計(jì)智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮輸煤廊道的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。設(shè)計(jì)的智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)需要具備實(shí)時(shí)巡檢功能，同時(shí)具備振動(dòng)測(cè)試功能等眾多功能。利用機(jī)器人巡檢方式，代替人工巡檢方式，充分發(fā)揮機(jī)器人的巡視功能，提升輸煤廊道的巡檢效率，為燃煤電廠中煤炭的正常輸送提供可靠保障。所設(shè)計(jì)的智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)化巡視系統(tǒng)有效降低輸煤廊道的人工作業(yè)成本，響應(yīng)智能電站的建設(shè)要求。