露天礦山輸煤廊道巡檢機器人

肖 鹿，李 凱，王 偉，劉夢婷

（1.中國礦業大學，江蘇徐州 221116；2.新疆天池能源有限責任公司，新疆昌吉 831100；3.北京郵電大學，北京 102206）

我國作為全球最大的煤炭產出與消耗國之一，其煤炭需求在能源總需求中的比重過半[1-2]。在追求經濟效益的同時，我國也逐漸重視礦山能源開采以及運輸過程中的安全問題。加強煤礦機電安全管理，消除各類運輸設備隱患，對煤礦的持續生產具有重要意義[3]。就傳統的礦用設備管理方式而言，依靠大量的人力與時間成本，雖然帶來一定的安全保障，但企業也需要投入精力去保障巡檢人員的自身安全。這一管理模式已無法適用于“智慧礦山”的發展理念。坐落于新疆準東煤田大井礦區的南露天煤礦地處殘丘狀剝蝕平原，屬大陸干旱荒漠氣候，夏季高溫炎熱絕對氣溫可達40 ℃以上，冬季嚴寒。帶式輸送機作為煤炭重要的運送設備，主要負責煤炭礦區至各轉載站及分流倉之間的運輸，也可作為礦區至火電廠上倉煤炭供應的運輸橋梁。惡劣環境下輸送機運行時容易產生膠帶跑偏、撕裂、打滑等故障現象[4]，嚴重時，托輥會因疲勞損壞與膠帶直接摩擦生熱，停機時灼傷甚至點燃膠帶而釀成火災。在高風險的礦區環境下，數字化礦山的建設尤其是巡檢機器人的應用對于保障人員安全減輕工作負擔具有重要意義。

1 巡檢機器人研究現狀

巡檢機器人在國外的研究始于20 世紀80 年代，主要集中在日本、美國、加拿大等具有良好工業技術基礎的國家。在日本，sawada[5]于1991 年發表的文章中描述了一種輸電線巡檢機器人，利用架設在輸電線上方的地線對巡檢機器人進行導航，并利用弧形機械臂完成越障動作；此后，日本在巡檢機器人的視覺識別、定位導航技術方面的研究獲得顯著成果[6-7]。21 世紀初，加拿大魁北克水電研究中心研制的LineScout[8]巡檢機器人采用爪臂等結構能夠跨越巡檢線路上間隔器、防振錘等障礙，并載有可見光和紅外視頻檢測器進行實時監控；此外，巴西圣保羅大學研制了用于檢測變電站內熱點的巡檢機器人，該巡檢機器人通過攜帶的紅外攝像機沿著架設在高空的軌道鋼纜進行巡檢[9]。

巡檢機器人在國內的研究起步于20 世紀90 年代，研究機構數量少，多集中在電力設備安全維護方面。國網山東電力科學研究院及其下屬單位率先開展變電站巡檢機器人的研究，并于2004 年研制出第一臺功能樣機[10-11]；2012 年，中國科學院沈陽自動化研究所研制出軌道式巡檢機器人，可在極端天氣下全天候執行巡檢任務[12]。浙江國自機器人技術公司[13]獨立研發的輪式巡檢機器人搭載先進傳感設備，能在復雜的環境下執行巡檢任務，擁有國產機器人技術研發的較高水準。此外，由國家電網主導的已經投入使用的SmartGuard[14]巡檢機器人采用了磁軌結合RFID 導航方式，增加了機器人巡檢運行的穩定性。

隨著國內巡檢機器人技術研究的深入，巡檢機器人的應用也不在局限于電力能源產業。中信重工[15]針對煤礦井下水泵房研制了一種結構緊湊、體積小的巡檢機器人，能應用在空間狹窄的礦井中，通過搭載各類傳感器及攝像裝置實現泵房全方位監控；中煤科工集團譚棟才設計的集多種檢測技術于一體的大型礦用帶式輸送機智能監控系統[16]，在一定程度上更新了煤炭行業帶式輸送機電氣控制技術規范，但視頻監視、數據采集設備布置分散，并未形成集多類傳感器、視頻監控器于一體的巡檢機器人結構形式，在基礎設備的布置上投入較大；陸文濤等[17]針對煤礦輸送機研發了一種具有全面監控功能的巡檢機器人系統，在一定程度上減少了監測設備的數量；為應對露天煤礦嚴酷的環境條件，龔桂榮[18]在分析帶式輸送機常見故障原因后，研究設計了自驅動式齒輪齒條傳動巡檢機器人，經過樣機調試和現場實際應用驗證了設計的可行性。

綜上可知，目前巡檢機器人的研究不僅僅局限在電力行業中，在礦山方面的研究與應用也處于高速發展期。該技術的運用將極大提高礦山資源運輸的安全系數，降低風險發生概率。

2 巡檢系統架構與關鍵技術

2.1 巡檢系統結構

該巡檢機器人通過裝載的高清攝像裝置、紅外熱成像、以及拾音傳感器組模塊完成對帶式輸送機運行設備關鍵信息的檢測。數據采集模塊將收集到的信息通過無線AP 與5G 基站橋接，實現巡檢機器人的無線通訊功能，最終通過構建的工業環網將處理過的信息傳輸至上位機終端，并實現組態界面集中展示，機器人系統整體網絡結構如圖1。

圖1 機器人系統整體網絡結構

2.2 巡檢機器人驅動形式

為滿足不同的工業需求，巡檢機器人在整體外形構造及運行方式多種多樣。就目前研究而言，應用于礦山及電力能源行業的巡檢機器人驅動構造包含輪式、履帶式、軌道式、以及懸系式4 種形式。輪式機器人具有移動靈活、行動高效的特點，多應用于礦山探測、電力巡檢以及醫療衛生等；軌道式巡檢機器人可在指定的軌道上運行，在長距離、固定的監測對象使用場景下，擁有較高的可靠性且不易受外界影響，適用于煤礦帶式輸送機的巡檢工作。巡檢運行軌道采用含滑觸線的“H”型鋼導軌，可進行拼接，并可根據現場環境設計彎曲度和坡度，轉彎半徑小于1 m，承載重量大于80 kg，其中軌道及配件材質具有防銹、防腐蝕性。

機器人主機外殼采用防腐設計，涂有保護涂層，外表光潔、均勻，無傷痕、毛刺等缺陷，并具有防靜電和電磁干擾功能，能夠達到IP65 防護等級以上。

2.3 供電系統設計

巡檢機器人的供電采用分布式供電站為滑觸導軌進行供電，機器人連接受電弓通過滑觸導軌取電。機器人內部帶有備用電池（不低于20 Ah）系統，當外部供電異常時可緊急切換為內部供電，使用電池系統返回初始位置，可保證2 h 獨立運行。目前巡檢機器人常用的電池種類主要有鋰電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘電池。系統使用的鋰離子電池具有質量輕、儲能高的特性，極大地減輕體積和重量給機器人帶來的負擔，在24 V 的電壓下，理論充電時間3 h，可在-40～80 ℃溫度范圍內正常供電。

在電池內部供電系統中，由于其供電線路短，布線相對簡便，因此可用集中式供電方式進行供電，由于不同設備所需電壓不同，通過變壓裝置將電源電壓轉換為合適的電壓，巡檢機器人電源供電圖如圖2。

圖2 巡檢機器人電源供電圖

2.4 基于RFID 巡檢定位

巡檢機器人依靠內置的定位系統獲取其具體位置信息，通過導航系統實現巡檢機器人循跡。磁引導方式基礎構建復雜工作量大，不適用于野外巡檢；GPS 引導易受磁場干擾，無法保持高精度定位巡檢；機器人定位方式多種多樣，且定位精度和構建難以程度也高低不一，定位方式的精度與構建難以程度對比如圖3。

在本系統采用的RFID 無源電子標簽定位方式不僅易于規模化構建，且具有較高的定位精度，能夠很好地應用在帶式輸送機巡檢任務中，巡檢機器人定位原理如圖4。

裝載在巡檢機器人中的信號讀取器發射射頻信號，信號范圍內的無源電子標簽獲取射頻信號后被激活，并將存儲在內部的編碼信息通過內置天線發射至讀取器，經過讀取器內部的邏輯控制模塊對信息進行處理后獲取標簽的位置信息，最終將解碼的定位信息通過無線傳輸至上位機，從而實現巡檢機器人的定位。

圖3 定位方式的精度與構建難以程度對比

圖4 巡檢機器人定位原理

2.5 故障檢測識別

巡檢機器人通過搭載的各類傳感器及攝像裝置完成巡檢過程的數據采集任務，主要使用的傳感器包括紅外傳感器、高清攝像頭以及獲取聲音信號的拾音頭等。在獲取實時數據后通過相應處理技術獲取故障信息并做出預警。

1）圖像信息獲取。攝像機和紅外攝像裝置是巡檢機器人獲取外界信息的重要裝置。為獲取不同工況下的高清視頻圖像，攝像機具備如下性能[19]：①攝像機放大器具有較寬的增益調節范圍，根據不同光亮條件下自動調整圖像信號輸出，從而獲取優質圖像信息；②在拍攝過程中，在背光條件下進行自動補償，保證持續獲取高質量圖像信號；③利用防抖技術避免巡檢過程中因晃動而造成的圖像模糊跳動的現象。所選的可見光攝像頭具有30 倍最小光學變焦，分辨率1 080 px，視頻幀數大于25 fps，具備夜視功能。此外，為滿足露天煤礦惡劣環境下的工作要求，攝像裝置可在溫度范圍-40～80 ℃，濕度0～100%RH 的條件下正常運行。

2）故障音頻獲取。帶式輸送機在正常運行時所發出的噪音與異常運行狀態的噪音有著較大區別。通過拾音傳感器獲取帶式輸送機托輥運行時所發出的噪聲，將獲取的噪聲信息轉換為頻譜信息，對比存儲的正常狀態下的頻譜樣本，從而獲取故障信息并發出預警。為滿足工業現場需要，拾音傳感器支持采樣頻率范圍為100～20 000 Hz，最高可達48 kHz，可在-40～80 ℃溫度范圍下正常工作。

3）紅外測溫。帶式輸送機運行過程中，諸如托輥等關鍵設備在運轉時生成大量熱能，局部溫度快速上升產生自燃現象。高清攝像頭和拾音設備無法獲取溫度信息，依靠人力定點測溫也失去巡檢機器人的意義。系統通過加裝的紅外熱成像設備，實現巡檢線路上帶式輸送機托輥溫度的實時檢測，利用組態界面展示溫度畫面以及溫升曲線。此外，通過設定溫度閾值，限定溫度報警條件，實現超溫報警。

3 主要功能特點

巡檢機器人主要功能特點如圖5。

圖5 巡檢機器人主要功能特點

1）設備狀態智能巡檢功能。巡檢機器人具有全自動、遙控、就地3 種控制模式。全自動巡檢方式下機器人不僅可完成常規巡檢，也可根據制定的目標執行巡視任務；遙控巡檢模式下可通過專用操作臺遠程遙控機器人完成巡視工作，并完成實時數據的采集和存儲。就地控制模式下可通過移動終端操作，獲取監測數據，為工作人員提供故障判斷依據。

2）設備狀態檢測功能。膠帶沿線標注坐標，巡檢機器人可實時監測上下托輥，獲取現場的高清視頻圖像、紅外測溫圖像、環境溫濕度、沿線托輥溫度、運行狀態、托輥聲音等信號并發送至上位機。當設備出現異常時，巡檢機器人停止運動并向上位機發出報警信息和坐標位置。

3）機器人智能供電功能。采用分布式供電站配合鋰電池組供電方式，分布式供電站在軌道沿線對軌道進行供電，通過檢測系統實時對供電狀態進行檢測，具備安全可靠特性。機器人供電狀態可實時上傳至上位機，確保機器人供電正常，能量充足，運行可靠。

4）機器人自檢功能。巡檢機器人具備對自身電源、驅動器、通信及控制系統工作裝填自檢功能，故障發生時發出報警，并向操控中心發送故障類型、停機位置信息。

5）數據遠程通信功能。巡檢機器人綜合運用有線與無線2 種信號傳輸模式，檢測后端和機器人控制器之間利用有線通信方式，并以無線通信形式完成機器人主體和控制器之間的網絡通信。

6）機器人雙重限位功能：機器人具有雙重限位功能，軌道起始及末尾位置安裝有固定式機械限位，機器人安裝有限位開關，機器人接近機械限位時優先進行保護。

4 應用問題

1）電池能源設計。鋰電池極易受環境氣溫影響。西北地區煤礦使用的巡檢機器人受冬季嚴寒影響，其巡航時間大大低于電池平均續航時間，且充電時間也遠遠超出標準充電時長。帶式輸送機巡檢機器人在20～36 ℃下的平均續航時間為10 h[20]，但在實際的使用中，其冬季續航時間不足6 h。因此，巡檢機器人能源系統的設計需要充分考慮使用地的環境條件，通過適當的改進措施，應對極端天氣的影響。

2）結構與性能。多數巡檢機器人采用殼體內嵌傳感器的構造形態，在礦山運行的機器人為防止煤塵進入機體內，其外殼密封性較好，但良好的密封性也造成散熱性的缺失。在高溫環境下，搭載多種傳感器及電源系統的巡檢機器人內部產生的熱量可能使殼體內部溫度高達70～80 ℃。因此，防塵與散熱性能的平衡是機器人結構設計時需要考量的重要一項。

3）音頻采集。設備在不同的運行狀態下會產生不同的噪聲。實際應用場景音源雜亂，采集的聲音除設備自身噪音外還包括自然環境、工作人員及動物所發出的聲響，很難保證聲信號的“純凈性”。因此，在音頻數據采集過程中，排除雜音干擾也是提高檢測設備診斷準確率的重要保障。

5 結語

1）數據是設備故障監測識別研究的基礎，規劃和構建大數據庫對露天煤礦設備故障識別、故障演化推理以及后續的科學研究具有重要戰略意義。通過巡檢機器人獲取到的礦山設備數據具有多元化、碎片化特點，為提高采集數據的可靠性，可對多源信號的采樣規則、維度轉換等數據規整算法開展研究，提高采集數據的質量。

2）利用深度學習技術構建故障診斷模型是實現智能化應用的必要途徑。巡檢機器人采集到的數據具有量大、多源以及持續性的特點，為故障診斷模型構建提供了數據基礎。通過樣本的反復訓練，最終可以獲取適用于帶式輸送機各項故障現象的高精度分類模型。

3）5G 技術作為新一代的通信技術演進升級的重要方向，將成為現代工業、礦山開采業未來發展的基本通訊保障。5G 技術憑借超高寬帶、極低時延優勢融入巡檢機器人技術的研發中，可以解決因網絡帶寬問題帶來的視頻丟幀卡頓以及通訊延遲問題，極大地提高巡檢機器人信號傳輸效率和質量。擴大5G 應用規模，深化5G+巡檢機器人技術融合能夠保障礦山巡檢體系高效穩定運轉，為數字化礦山的發展奠定廣闊空間。