李 翔

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)信息化中心，山西 大同 037000）

帶式輸送機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)前煤礦井上下長距離運(yùn)輸主要發(fā)展方向，也是當(dāng)前煤礦物料輸送系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備[1]。隨著長距離帶式輸送機(jī)的普遍應(yīng)用，由帶式輸送機(jī)引起的煤礦事故也頻頻發(fā)生，比如在2020年9月27日發(fā)生在重慶松藻煤礦發(fā)生的重大火災(zāi)事故，造成16 人死亡、42 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到2 501 萬元。 引起事故的主要原因是由于帶式輸送機(jī)托輥故障導(dǎo)致膠帶局部過熱從而引起火災(zāi)，在局部過熱時(shí)沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常最終引發(fā)火災(zāi)。 帶式輸送機(jī)工作環(huán)境惡劣以及高負(fù)荷、長時(shí)間運(yùn)行、負(fù)載不均衡等工作特性，運(yùn)輸中易發(fā)生斷裂、縱撕、打滑、跑偏等故障，造成突發(fā)性安全事故[2]。 在帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷道等環(huán)境中，著火事故、爆炸性、有毒性氣體濃度超標(biāo)等也對礦山設(shè)備與工作人員的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

為了保證煤礦安全生產(chǎn)，當(dāng)前煤礦安排專人對帶式輸送機(jī)進(jìn)行定期巡檢。 受到煤礦井下特殊工況的限制，長距離帶式輸送機(jī)最短的有十幾公里，甚至達(dá)到幾十公里。 人工巡檢方式存在巡檢任務(wù)重，巡檢效率不高、巡檢結(jié)果可信度不高、存在漏檢和誤檢等問題，一方面造成工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、 另一方面有可能由于巡檢不到位引發(fā)煤礦事故，從而給煤礦企業(yè)帶來巨大損失，將會(huì)給煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)埋下隱患[3]。

本文通過對帶式輸送機(jī)巡檢系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究，設(shè)計(jì)了一種長距離帶式輸送機(jī)巡檢系統(tǒng)，利用智能傳感模塊采集環(huán)境中的參數(shù)信息，開發(fā)了人工智能算法準(zhǔn)確識(shí)別設(shè)備的故障信息并發(fā)出警示；采用智能巡檢機(jī)器人代替人工完成對帶式輸送機(jī)的高效巡檢，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高巡檢效率，從而保證煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)安全運(yùn)行，有利于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，節(jié)省煤礦巷道巡檢成本，提高煤礦安全管理水平和智能化水平。

1 長距離帶式輸送機(jī)巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

由于煤礦井下環(huán)境較為復(fù)雜，常年處于潮濕、多塵、電磁輻射等環(huán)境，并伴有瓦斯、一氧化碳、硫化氫等有毒有害氣體的侵?jǐn)_，所以設(shè)計(jì)長距離帶式輸送機(jī)巡檢系統(tǒng)需要滿足煤礦井下復(fù)雜環(huán)境檢測要求，確保煤礦井下電氣系統(tǒng)安全，滿足井下電氣設(shè)備的防爆要求[4]。 另一方面，根據(jù)煤礦井下帶式輸送機(jī)的巡檢任務(wù)，需要保證設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人滿足對應(yīng)的巡檢功能： 自主準(zhǔn)確識(shí)別帶式輸送機(jī)常見故障，真正模仿巡檢工人的行為，保證機(jī)器人具有較好的運(yùn)動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)自主行走，完成其在運(yùn)行過程中對環(huán)境中以下部位的檢測： 即對有毒有害氣體的檢測、 設(shè)備表面溫度檢測、 設(shè)備運(yùn)行聲音的檢測、 設(shè)備運(yùn)行的動(dòng)態(tài)檢測等，并且在緊急狀況下進(jìn)行報(bào)警和提醒，顯示歷史記錄信息和故障原因，為檢修工人提供參考[5]。

2 帶式輸送機(jī)智能巡檢機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

2.1 軌道支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于煤礦巷道比較狹窄，空間范圍較小，地面并不平整，輪式行走裝置并不適合煤礦井下復(fù)雜的工況環(huán)境，采用履帶式行走容易導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象；為此結(jié)合煤礦井下巷道的布置特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用軌道式移動(dòng)巡檢系統(tǒng)，即首先通過在巷道中布置運(yùn)行軌道，然后將機(jī)器人本體安裝在軌道上，通過機(jī)器人內(nèi)部驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體在軌道上運(yùn)行，完成煤礦井下帶式輸送機(jī)的巡檢任務(wù)。 相比于人工巡檢和定點(diǎn)巡檢而言，采用軌道式機(jī)器人巡檢可以合理利用巷道空間資源，可以對雙側(cè)帶式輸送機(jī)進(jìn)行巡檢，巡檢覆蓋面更廣，巡檢效果更好。

機(jī)器人支撐系統(tǒng)主要是以軌道為核心，通過在巷道上方架設(shè)運(yùn)行軌道，可以實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的自由移動(dòng)，相比履帶式或輪式行走機(jī)構(gòu)而言，軌道式行走可以滿足巷道內(nèi)全方位巡檢和識(shí)別，煤礦巷道內(nèi)軌道系統(tǒng)連接，如圖1 所示，巷道內(nèi)帶式輸送機(jī)巡檢系統(tǒng)巷道內(nèi)布置方案，如圖2 所示。

圖1 軌道連接結(jié)構(gòu)

圖2 機(jī)器人巷道內(nèi)布置

如圖1 所示的軌道系統(tǒng)是由高強(qiáng)度的鋁合金導(dǎo)軌拼接而成。 軌道平臺(tái)的實(shí)際要求承載重量為機(jī)器人的自重，大約為60 kg以上，每隔三米左右安裝一個(gè)軌道固定支架，用于對軌道的支撐，連接結(jié)構(gòu)可靠且軌道自重較小，可以根據(jù)巷道的實(shí)際情況隨意布置，包括轉(zhuǎn)彎、坡度、直線均可以實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)范圍更大，巡檢效果更好。 如圖2 所示，帶式輸送機(jī)位于巷道的中間位置，在帶式輸送機(jī)一側(cè)安裝工字型鋼軌，帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)偏斜于巷道中間位置，布置于帶式輸送機(jī)斜上方，用于對輸送帶和托輥進(jìn)行故障檢測。

2.2 智能巡檢系統(tǒng)本體結(jié)構(gòu)

長距離帶式輸送機(jī)巡檢系統(tǒng)包括支撐系統(tǒng)和本體巡檢系統(tǒng)兩部分組成。 智能巡檢系統(tǒng)本體上搭載傳感器監(jiān)測裝置、無線通信發(fā)送與接收裝置、大容量可充電鋰電池等部件。 利用軌道行走可以較為精確控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，通過在半空中對設(shè)備進(jìn)行巡檢能夠獲得更大的巡檢覆蓋面積[6]。

智能巡檢系統(tǒng)本體搭載有多種傳感器，主要包括溫度傳感器、CH4傳感器、 煙霧傳感器、CO傳感器、CO2傳感器等多種傳感器用于采集環(huán)境的溫度和有毒有害氣體濃度的數(shù)據(jù)[6]；搭載有紅外線成像儀，通過對設(shè)備表面的溫度進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測從而識(shí)別溫度變化及故障。 同時(shí)在圖像測溫系統(tǒng)上，主要采用的是熱成像網(wǎng)絡(luò)智能攝像機(jī)，可以清晰采集到清晰的圖像，通過數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)操作端口，將帶式輸送機(jī)巡檢系統(tǒng)經(jīng)過的所有畫面全部呈現(xiàn)出來，通過連續(xù)采集巷道內(nèi)的視頻信號(hào)，并且對異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。

智能巡檢機(jī)器人通過自身搭載的可見光攝像機(jī)、紅外熱成像儀和聲音采集等檢測設(shè)備，完成對帶式輸送機(jī)的巡視工作。 巡視內(nèi)容包括輸送帶運(yùn)行參數(shù)檢測，托輥運(yùn)行狀態(tài)檢測，溫度與煙霧感知，煤流監(jiān)測，環(huán)境參數(shù)監(jiān)測等。 將監(jiān)測系統(tǒng)后臺(tái)的圖像處理算法與前臺(tái)人機(jī)交互界面進(jìn)行整合，并在上位機(jī)中高清顯示煤礦井下帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀況。 通過報(bào)警系統(tǒng)對緊急故障進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，并且提示故障的主要原因，為設(shè)備的維修提供參考依據(jù)。 智能巡檢系統(tǒng)基本組成，如圖3 所示。

圖3 智能巡檢系統(tǒng)基本組成與原理

智能巡檢系統(tǒng)由外形模塊、主控模塊、通信模塊、無線充電模塊和傳感器模塊組成，其中傳感器模塊包括激光照射器、 一體化云臺(tái)、 可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀等[7]。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與煤礦架空乘人裝置較為相似，且都為循環(huán)運(yùn)行模式。 后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，屬于控制中心的主機(jī)、服務(wù)器、工業(yè)交換機(jī)、無線AP均通過有線連接，并通過無線AP連入無線網(wǎng)絡(luò)。 控制中心的系統(tǒng)里包含數(shù)據(jù)分析、圖像處理、報(bào)警、調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)、語音識(shí)別系統(tǒng)等子系統(tǒng)。 工作人員對巡檢機(jī)器人的操控以及控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)和巡檢機(jī)器人的交互通訊，可通過無線通訊方式完成。 監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要通過布置有線局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信控制，主要通過無線網(wǎng)絡(luò)與控制中心進(jìn)行通訊，在煤礦井下布置AP節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋并融入有線局域網(wǎng)，機(jī)器人自身安裝有通用的無線路由器，在有AP無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下巡檢機(jī)器人的自定位信息和工作狀態(tài)都可以很順暢地體現(xiàn)在中控室的控制主機(jī)上。

3 智能巡檢系統(tǒng)無線通信模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場的圖像、 聲音等信息傳送到上位機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是保證巡檢過程高效最重要的環(huán)節(jié)。 為此，巡檢系統(tǒng)本體自身具有信號(hào)發(fā)射裝置，用現(xiàn)場的光纖通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的光纜和100M的光纖收發(fā)器作為系統(tǒng)的主干設(shè)備，巡檢系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)終端之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

為了保證智能巡檢系統(tǒng)在千米深井煤礦帶式輸送機(jī)能夠隨時(shí)發(fā)送出井下信號(hào)，需要首先保證無線基站滿足防爆的要求，對無線基站增加防爆外殼。 智能巡檢系統(tǒng)模塊與無線通信系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸原理，如圖4 所示。

圖4 無線基站通訊系統(tǒng)原理

如表1 所示為無線基站參數(shù)信息表。

表1 無線基站參數(shù)信息

本次設(shè)計(jì)的無線基站采用WiFi 2.4G通訊，額定功率為24 W，在煤礦井下帶式輸送機(jī)的覆蓋距離≤200 m，防護(hù)等級(jí)優(yōu)于IP54，無線基站之間的通訊采用光纖，保證基站信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性。

4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用現(xiàn)場

智能巡檢系統(tǒng)自身搭載的多種傳感器和視頻成像裝置實(shí)現(xiàn)了對煤礦巷道內(nèi)帶式輸送機(jī)設(shè)備及其環(huán)境的檢測，包括煤礦井下巷道環(huán)境參數(shù)的檢測，煤礦井下帶式輸送機(jī)的智能檢測，主要對設(shè)備表面溫度、 空氣中有毒有害氣體的濃度等參數(shù)的檢測，并通過無線通信系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到集中監(jiān)控室內(nèi)，并利用上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)顯示和報(bào)警。

為此，利用Microsoft Visual軟件編寫了監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)程序和故障識(shí)別分析算法，并利用labview 2018 設(shè)計(jì)了人機(jī)操作界面。 利用上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以對井下帶式輸送機(jī)進(jìn)行清晰還原，在煤礦井下利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)異物的識(shí)別效果，智能巡檢系統(tǒng)在井下帶式輸送機(jī)異物檢測識(shí)別結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 巡檢機(jī)器人異物識(shí)別應(yīng)用現(xiàn)場

現(xiàn)場應(yīng)用表明： 采用本套智能巡檢系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天24 h不間斷巡檢，一臺(tái)設(shè)備至少可以代替人工10～20 人完成帶式輸送機(jī)的巡檢任務(wù)，大大降低了企業(yè)的巡檢成本，且能準(zhǔn)確識(shí)別帶式輸送機(jī)故障，有效避免煤礦安全事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

針對目前國內(nèi)長距離帶式輸送機(jī)采用人工巡檢存在的工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、巡檢容易出現(xiàn)紕漏，容易造成煤礦安全事故等問題，設(shè)計(jì)了一種長距離帶式輸送機(jī)智能巡檢系統(tǒng)。 該系統(tǒng)采用軌道式行走機(jī)構(gòu)和智能巡檢本體模塊，可以實(shí)現(xiàn)在狹窄巷道內(nèi)的自由移動(dòng)和信號(hào)的采集，并開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面，將帶式輸送機(jī)采集到的故障信號(hào)通過無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。 相比于人工巡檢，該方式可以代替10～20 人進(jìn)行帶式輸送機(jī)的設(shè)備巡檢，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)全天巡檢，通過紅外熱成像探查設(shè)備表面的溫度，對異常溫度進(jìn)行報(bào)警，從而達(dá)到巡檢少盲區(qū)的效果，降低企業(yè)的巡檢成本，避免長距離帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)安全事故的發(fā)生。