□□ 鄭俊華，劉永鋒,李棟慶 (.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006；.山西科達自控股份有限公司，山西 太原 030006)

引言

煤炭是我國重要的能源材料，供應(yīng)了我國70%以上的工業(yè)動力和燃料以及化工原料。煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展直接影響著我國工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，但是煤礦的作業(yè)環(huán)境惡劣復(fù)雜，存在著瓦斯、水、火等災(zāi)害隱患，一旦發(fā)生災(zāi)害必將造成巨大損失。煤礦的智能化程度低，大量在地面上應(yīng)用成熟的技術(shù)無法在井下使用，造成煤礦的生產(chǎn)效率低[1-3]。煤礦事故的發(fā)生嚴(yán)重威脅著煤礦工作者的生命安全，使得人們越來越關(guān)注煤礦生產(chǎn)安全和煤礦的預(yù)警能力，對自動化程度的要求越來越高。國家也提倡無人值守，以便提高煤礦的生產(chǎn)率，減少人員傷亡[4-6]。

目前水泵房、變電所、大型輸送帶輸送機巷道等場所的巡視和檢修工作大部分是依靠人工定時檢查、駐點值守，而這些場所環(huán)境復(fù)雜、空間狹小、積水情況常見，對人工巡視造成非常大的阻礙和干擾；人工巡檢容易受到個人經(jīng)驗、情緒、主觀意識的影響，同時受到監(jiān)測手段、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析方面的制約，通常花費大量的人力不能得到有效的數(shù)據(jù)，且得到的數(shù)據(jù)難以形成系統(tǒng)性結(jié)果，參考意義不高；當(dāng)設(shè)備有問題不能及時發(fā)現(xiàn)，會導(dǎo)致?lián)p害擴大化；另一方面在復(fù)雜的設(shè)備運行環(huán)境下多人多頻次巡檢也會增加人員人身安全的不確定性[7-10]。若現(xiàn)場人員的巡檢任務(wù)能由機器人代替，則可大大減輕生產(chǎn)的安全壓力，不僅排除了“人”這一環(huán)節(jié)的安全問題，同時也可保證其他環(huán)節(jié)處于安全狀態(tài)。

針對上述問題，提出了設(shè)計一種基于AI分析的礦用智能巡檢裝置，該裝置可自由設(shè)定和改變機器人的運行路線及運行速度，確保其能夠進入危險區(qū)域進行環(huán)境勘測、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理，使用靈活方便，使企業(yè)的巡檢過程進入智能化。

1 系統(tǒng)功能

礦用智能巡檢裝置主要包括礦用巡檢裝置主機、礦用隔爆兼本安型充電樁、礦用無線通訊系統(tǒng)、調(diào)度平臺軟件和運行軌道。其中，巡檢機器人搭載多傳感器對站內(nèi)設(shè)備進行全天候巡檢監(jiān)控，替代人工完成巡檢、探測、監(jiān)控、故障診斷與預(yù)警報警任務(wù)。同時，所有采集數(shù)據(jù)與報警數(shù)據(jù)通過無線基站網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。

基于AI分析的礦用智能巡檢裝置包括：1臺巡檢主機，2臺礦用隔爆兼本安型充電樁分別安裝在首端，1臺礦用隔爆兼本安型無線通訊基站，1套上位機調(diào)度軟件，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 組成結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

礦用智能巡檢裝置的硬件包括：機器人動力系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。

2.1 動力系統(tǒng)

機器人采用經(jīng)過防爆改造的伺服電機作為動力。單片機作為驅(qū)動控制單元，控制巡檢小車本體運行，并實現(xiàn)電量、速度、位置、功耗、溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)(實時)檢測。同時，ARM主控板對電機狀態(tài)可自動核算與修正，具有動態(tài)控制特性。

2.2 定位系統(tǒng)

通過對運行時間、編碼器、校正器的數(shù)據(jù)進行混合計算，并結(jié)合電磁感應(yīng)、光電感應(yīng)數(shù)據(jù)、視頻AI識別數(shù)據(jù)，實現(xiàn)巡檢位置的準(zhǔn)確定位?？筛鶕?jù)上位機預(yù)先設(shè)定或臨時手動設(shè)定的位置要求，執(zhí)行快速到位與定點巡檢工作。

2.3 供電系統(tǒng)

巡檢裝置采用鋰電池供電，可實時監(jiān)測自身電量并上傳電池電量信息，當(dāng)監(jiān)測到電池電量低于某一極限值時，機器人會自動停止巡檢工作，返回就近的充電站充電。該供電系統(tǒng)通過靈活創(chuàng)新應(yīng)用本安防爆技術(shù)，解決了長距離防爆巡檢裝置的電池質(zhì)量大、設(shè)備爬坡動力不足的問題。

2.4 通訊系統(tǒng)

巡檢裝置機載的視頻和數(shù)據(jù)通過內(nèi)置無線網(wǎng)橋統(tǒng)一傳輸，在巡檢沿線墻壁上安裝礦用本安型通信基站，通過高增益定向天線對巡檢沿線進行無線信號覆蓋，單基站覆蓋范圍可以達到200 m。借鑒航空、地鐵等行業(yè)的前沿技術(shù)，巡檢機器人無線通信設(shè)備可以實現(xiàn)在基站間流暢地自動切換。

2.5 控制系統(tǒng)

搭載高性能ARM核心芯片，巡檢機器人可根據(jù)上位機指令要求，實現(xiàn)自主巡檢和遠(yuǎn)程手動操作兩種模式。在手動運行模式下，機器人可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程手動調(diào)速，快速到達預(yù)定巡檢點；自主巡檢模式下，機器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的運動速度和關(guān)鍵巡檢位置，定時自主行走巡檢，同時具有故障自檢功能。

2.6 自主充電設(shè)備設(shè)計

該巡檢裝置可自動到位充電，采用可靠的接觸式充電方式，充電設(shè)備符合本質(zhì)安全性要求。巡檢裝置進入充電站前，二者開始進行狀態(tài)自檢、信息交互與邏輯判定，同時對攝像頭進行清潔。二者判定狀態(tài)正確后，分別打開對接插頭的防護艙門并開始插頭對接，檢驗插頭對接到位后，切換為充電回路，設(shè)備開始充電，電池充滿后自動斷電保護，準(zhǔn)備下次巡檢任務(wù)。

3 軟件設(shè)計

巡檢裝置的智能視頻算法，引入深度學(xué)習(xí)、AI、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器感知、計算機視覺和語音識別技術(shù)，對現(xiàn)場采集的設(shè)備數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、聲音、圖像等內(nèi)容進行自主學(xué)習(xí)及綜合性的數(shù)據(jù)挖掘分析。對設(shè)備及環(huán)境因素形成趨勢分析預(yù)判，當(dāng)上述因素發(fā)生異常時數(shù)據(jù)分析平臺可以根據(jù)趨勢分析預(yù)測形成預(yù)警，保證安全，防止事故的發(fā)生。

通過軟件的設(shè)計，巡檢機器人在運行軌道上自動往復(fù)移動，實時采集監(jiān)控通道內(nèi)皮帶機設(shè)備、環(huán)境、運行狀況等各項數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)故障就地報警。把采集的數(shù)據(jù)及報警數(shù)據(jù)通過無線基站網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4 測試結(jié)果

測試結(jié)果如圖2所示，機器人報警數(shù)據(jù)能夠顯示系統(tǒng)故障、參數(shù)故障、欠壓報警、過壓報警、峰值電流警告、位置偏差報警、編碼器報警、速度偏差報警、功率模塊溫度警告、功率模塊溫度報警、速度超限報警、Flash故障、電流偏差值故障的報警內(nèi)容。機器人參數(shù)能夠顯示當(dāng)前環(huán)境溫度、電池電流、機器人電壓、運行速度以及當(dāng)前環(huán)境中O2、CH4、H2S、CO等氣體濃度。機器人AI分析功能，能夠分析皮帶的運行情況、有無煤、下井人員是否帶安全帽等。

圖2 測試結(jié)果

5 結(jié)語

巡檢裝置主機能夠沿安裝軌道作往返運動，實現(xiàn)巡檢系統(tǒng)的采集與就地報警功能。在主控制板的控制下，巡檢主機能夠通過搭載各種傳感器實時監(jiān)測，在環(huán)境狀況中執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測功能(實時對刀閘開合狀態(tài)、運行指示燈、儀表狀態(tài)、煙火、溫度高低進行監(jiān)測)，具有視頻采集能力；測量數(shù)據(jù)可以實時上報；具有無線通訊功能，利用搭載的智能視頻分析算法完全可以實現(xiàn)無人值守，在軌道兩端分別設(shè)有1臺巡檢裝置充電站，采用可靠的接觸式充電，充電設(shè)備符合礦用隔爆兼本安型要求，用于向I類礦用本質(zhì)安全型設(shè)備供電。該充電站具有設(shè)備導(dǎo)向裝置、攝像機擦拭裝置、充電狀態(tài)檢測與過充保護模組。本安型通訊基站用于井下網(wǎng)絡(luò)組建、本安設(shè)計，適用于井下各類地域。通過煤礦企業(yè)一定時間的運行表明，該裝置能夠穩(wěn)定運行，對煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的意義。