邵珠娟 鄧曉剛 程豪杰 杜才溢 張玉江，，3

(1.山東能源臨沂礦業(yè)集團有限責任公司，山東省臨沂市，276017；2.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西省太原市，030024；3.山東能源集團博士后科研工作站，山東省濟南市，250014)

礦山安全巡檢是保證礦山開采安全的重點工作之一，其主要的檢查內(nèi)容包括排水系統(tǒng)、開采系統(tǒng)、電力、礦內(nèi)外環(huán)境等。安全巡檢工作不僅需要安全巡檢人員每天定時開展巡檢工作，還要投入大量的時間和物力，以確保全面掌握整個礦山運行情況。當前，人工巡檢方式存在工作量大、效率低、過分依賴巡檢人員經(jīng)驗以及人力資源浪費等問題。隨著技術(shù)的進步和礦山等高危行業(yè)要求的提高，通過智能巡檢機器人來代替人工巡檢，實現(xiàn)直觀可視化管理，對降低勞動強度、提高煤礦管理水平、推動礦山工作管理模式向數(shù)字化、現(xiàn)代化方向發(fā)展以及確保礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義。

智能巡檢機器人多應用于電力、油田管道、地下管廊的安全巡檢，可以實現(xiàn)可見光、紅外線、語音交互、環(huán)境檢測及智能分析功能。隨著煤礦行業(yè)“自動化減人，智能化無人”的要求，當前礦用巡檢機器人開始越來越受到重視。楊學軍等[1]研究人員開展了液壓支架巡檢機器人姿態(tài)研究，并提出了相關模型，對液壓支架直線度、姿態(tài)等重要參量進行結(jié)算；蔣春鵬[2]提出了改進的電動輸電線巡檢機器人方案，并對其關鍵結(jié)構(gòu)進行設計；潘祥生、周展等[3-5]研究人員研究了一種適用于煤礦井下巷道的礦用懸線式巡檢機器人，分析了其動力學特性和控制系統(tǒng)；李學民[6]分析了特殊環(huán)境下井下巡檢機器人的研究現(xiàn)狀及關鍵技術(shù)；裴文良等[7]研究人員研發(fā)了適用于水泵房、變電站等井下硐室設備自動巡檢的防爆巡檢機器人；張士海[8]詳細介紹了龍王溝煤礦主斜井應用的礦用巡檢機器人，認為礦用巡檢機器人的應用顯著提高了巡檢效率，具有良好的經(jīng)濟技術(shù)效益；陸文濤、馬靜雅等[9， 10]研究人員設計了礦用輸送機巡檢機器人，提高了帶式輸送機的故障處理效率。

然而，煤礦用智能帶式輸送機巡檢機器人的研究仍然不成熟，隨著現(xiàn)在人力成本不斷提高，國家提出“智能制造”戰(zhàn)略和“安全礦山”方針，對智能帶式輸送機巡檢機器人在煤礦的應用提出了更高的要求，現(xiàn)場應用效果對智能帶式輸送機巡檢機器人研究的完善發(fā)揮了重要的推動作用。

1 智能帶式輸送機巡檢機器人應用要求及結(jié)構(gòu)組成

1.1 智能帶式輸送機巡檢機器人應用要求

鑒于煤礦井下帶式輸送機工作環(huán)境的特殊性和復雜性，智能帶式輸送機巡檢機器人需要滿足以下條件。

(1)工作環(huán)境濕度大，需要考慮濕度對智能帶式輸送機巡檢機器人精度和穩(wěn)定性的影響。

(2)大型機電設備附近存在電磁和射頻干擾，要求智能帶式輸送機巡檢機器人系統(tǒng)具備較強的抗干擾能力。

(3)工作空間具有長度大、起伏轉(zhuǎn)彎且空間狹小等特點，這對智能帶式輸送機巡檢機器人的行走速度、最大行走距離、爬坡能力、轉(zhuǎn)彎半徑、控制方式提出較高要求。

(4)運煤廊道巡檢要求具有一定的智能性和強大的監(jiān)控功能，包括對機電設備溫度監(jiān)控、氣體濃度監(jiān)控、視頻監(jiān)控等功能。

(5)智能帶式輸送機巡檢機器人應保證安全，具備充電閉鎖功能。

(6)智能帶式輸送機巡檢機器人具備環(huán)境檢測分析、聲音采集及雙向?qū)χv、本體自檢、遠程控制等功能。

(7)通過強大的遠程監(jiān)控平臺，具備實現(xiàn)環(huán)境與設備不間斷的移動監(jiān)控監(jiān)測、應急火災報警與處置的功能。

1.2 智能帶式輸送機巡檢機器人結(jié)構(gòu)組成

為了實現(xiàn)上述功能，智能帶式輸送機巡檢機器人設計有驅(qū)動系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、語音對講及應急廣播系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、智能防撞與避障系統(tǒng)等。智能帶式輸送機巡檢機器人結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 智能帶式輸送機巡檢機器人結(jié)構(gòu)組成

(1)驅(qū)動系統(tǒng)。由于選煤廠帶式輸送機廊道內(nèi)地形復雜，智能帶式輸送機巡檢機器人運行軌道存在轉(zhuǎn)彎、上下坡困難等情況，為了使智能帶式輸送機巡檢機器人在各種情況下都能平穩(wěn)行走，需要有較好適應能力的行走機構(gòu)。因此，設計了驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)設計有左右壓緊機構(gòu)、水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和垂直旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，可保障智能帶式輸送機巡檢機器人多方位穩(wěn)定巡檢。驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(2)圖像采集系統(tǒng)。圖像采集系統(tǒng)搭載一體化高性能云臺，紅外熱成像及可見光攝像機參數(shù)見表1。

表1 圖像采集系統(tǒng)參數(shù)表

(3)語音對講及應急廣播系統(tǒng)。語音對講和應急廣播系統(tǒng)集擴音對講、語音監(jiān)聽、消防廣播和調(diào)度功能于一體，實現(xiàn)現(xiàn)場與調(diào)度室的交互式對話及緊急通訊。根據(jù)使用要求，該系統(tǒng)語音監(jiān)聽范圍為5～80 m2，且靈敏度可調(diào)，輸出阻抗為600～1000 Ω的非平衡電阻，在1 m距離40 dB音源情況下，信噪比為85 dB，接收頻率范圍為20～20 kHz。

(4)環(huán)境檢測系統(tǒng)。環(huán)境檢測系統(tǒng)具備氣體檢測、溫度濕度檢測、煙霧檢測、光照度檢測和火焰探測功能。對于礦山特殊工作環(huán)境來說，氣體檢測尤為重要。智能帶式輸送機巡檢機器人檢測實現(xiàn)了4種氣體高濃度連續(xù)檢測，可實現(xiàn)超限報警。氣體檢測指標見表2。

表2 氣體檢測指標

溫度、濕度檢測的測量范圍為溫度-40℃～+123.8℃，濕度為0%～100%RH，溫度和濕度的測量精度分別為±0.5℃和±4.5%RH。煙霧檢測靈敏度為0.5 db/m(±0.1 dB/m)。光照度檢測的測量范圍為0～65535 Lux，并且可按照不同光照場景進行智能調(diào)整，具體為：黑夜時為0.001～0.02 Lux，月夜時為0.02～0.3 Lux，陰天室內(nèi)時為5～50 Lux，陰天室外時為50～500 Lux，晴天室內(nèi)時為100～1000 Lux?；鹧嫣綔y也尤為重要，火焰探測采用檢測紫外線波長(185～260 nm)的紫外光輻射探測器，檢測參數(shù)見表3。

表3 火焰探測參數(shù)指標

(5)智能防撞與避障系統(tǒng)。智能防撞與避障系統(tǒng)是保證智能帶式輸送機巡檢機器人長期穩(wěn)定運行的重要組成部分。該系統(tǒng)通過對障礙物和隧道內(nèi)工作人員進行探測和自身高精度定位，實現(xiàn)智能防撞和避障功能，遇到障礙自動停止并報警。同時，從本質(zhì)安全角度考慮，加裝安全觸邊，防止碰撞造成人員及設備損傷。該系統(tǒng)的探測距離為0～3 m，探測角度為120°，可實時更新自身位置信息，定位精度達0.01 m。同時設置有斷電制動功能，當智能帶式輸送機巡檢機器人在運行過程中，如遇故障斷電，智能帶式輸送機巡檢機器人可立即停止，起到保護作用。

2 智能帶式輸送機巡檢機器人現(xiàn)場應用及效果

2.1 智能帶式輸送機巡檢機器人現(xiàn)場應用

2019年1月，智能帶式輸送機巡檢機器人在山東能源臨沂礦業(yè)集團下屬的山東里能魯西礦業(yè)有限公司(以下簡稱魯西煤礦)進行現(xiàn)場應用。通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗及應用，智能帶式輸送機巡檢機器人滿足帶式輸送機運輸安全監(jiān)控的實際需求，系統(tǒng)運行狀況良好，監(jiān)測性能穩(wěn)定可靠，故障識別能力強，報警及時且信息準確可信。智能帶式輸送機巡檢機器人實現(xiàn)了直觀可視化的管理。通過帶式輸送機管理系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)了巡檢可視化、一鍵智能巡檢、智能報警等功能。智能帶式輸送機巡檢機器人現(xiàn)場監(jiān)控畫面及運行參數(shù)如圖3所示。

圖3 智能帶式輸送機巡檢機器人現(xiàn)場監(jiān)控畫面及運行參數(shù)

由圖3可以看出，智能帶式輸送機巡檢機器人系統(tǒng)對現(xiàn)場畫面及監(jiān)控設備運行參數(shù)可以實時調(diào)取。在視頻監(jiān)控的同時，在右上角實時顯示紅外攝像機監(jiān)控圖像并顯示最高溫度。

智能帶式輸送機巡檢機器人可通過操作界面實現(xiàn)實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)設置等功能，實現(xiàn)對智能帶式輸送機巡檢機器人的遠程控制，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測與現(xiàn)場巡檢相結(jié)合，在帶式輸送機廊道內(nèi)打造無人巡視與處置管理新模式。智能帶式輸送機巡檢機器人功能設置界面如圖4所示。

2.2 智能帶式輸送機巡檢機器人應用效果

魯西煤礦在智能帶式輸送機巡檢機器人應用前，人員定額為85人，應用智能帶式輸送機巡檢機器人后，人員定額為25人，年節(jié)約資金500萬元以上。智能帶式輸送機巡檢機器人提高了自動化程度和故障處理效率，大大降低了工人的勞動強度和事故帶來的損失，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。在保證安全和生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下，智能帶式輸送機巡檢機器人實現(xiàn)了“自動化減人”的目標。

圖4 智能帶式輸送機巡檢機器人功能設置界面

3 結(jié)語

(1)智能帶式輸送機巡檢機器人可以通過各種傳感器對設備、作業(yè)空間環(huán)境等基礎數(shù)據(jù)進行搜集，并充分發(fā)揮集團大數(shù)據(jù)分析中心優(yōu)勢，利用大數(shù)據(jù)算法及時掌握和判斷設備的運行狀況，實現(xiàn)了設備性能的充分利用。

(2)智能帶式輸送機巡檢機器人可以實現(xiàn)對帶式輸送機廊道工作環(huán)境和設備的全方位監(jiān)測，實現(xiàn)可視化管理和實施預警，提升了巡檢效率和準確性。進一步通過機器人和技術(shù)人員的聯(lián)動互饋，實現(xiàn)了對異常情況的及時處理。

(3)智能帶式輸送機巡檢機器人的應用實現(xiàn)了“自動化減人”的目標，降低了成本，提高了自動化程度和故障處理效率。