自適應帶式輸送機道巡檢系統的研究

田 寶 張士魁

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251105）

目前，山東邱集煤礦井下均采用皮帶運輸。東部采區皮帶安裝在東翼總回風巷，共4 部帶式輸送機，額定輸送能力237.6 萬t/a；西翼帶式輸送機安裝2 部，額定輸送能力為356.4 萬t/a；主井底上倉皮帶為斜巷運輸，輸送能力178.2 萬t/a。鑒于該礦井下惡劣的環境條件，帶式輸送機時常發生斷帶、縱撕、跑偏、打滑、火災等事故，因此對帶式輸送機道運行工況的實時監測尤為重要[1]。原有的監控方式比較簡單，通常是人工巡檢與獨立攝像機定點監視相結合，兩者都存在一定的缺陷。其中，人工巡檢耗時耗力，效率低，某些區域限制人員進入，導致巡檢存在盲區；而固定攝像儀定點監視時，視野范圍受限，安裝數量巨大，監視過程中切換圖像慢，數據處理任務繁重，綜合效率低。

新型巡檢機器人的研究與應用能將巡檢員從高危的工作環境中解脫出來，減少了各類獨立傳感器的使用，從而降低人工和設備成本，提高了巡檢效率。將巡檢任務由定點檢升級成全線24 h 不間斷巡檢，通過AI 智能分析，準確對皮帶運行工況進行提前預判，降低運輸機停機頻率和安全事故發生的概率，對煤礦安全生產而言具有重要的實際意義。

1 研究目標

1）研究移動巡檢機器人的無線充電裝置，按照本安型電源要求設計。

2）研究移動巡檢人對音/視頻采集，對環境參數的監測，對人員熱成像和聲紋監測，以及無線傳輸技術應用，所測數據為AI 智能分析提供可靠的基礎數據[2]。

3）研究巡檢機器人故障分析的智能化識別，深度感知算法結構部署，對巡檢機器人采集的音/視頻圖像進行多模態復雜智能分析，提高識別精度。多傳感器融合部署，可以省去單獨傳感器固定安裝的不足[3]。

4）上位機軟件包括：登錄主界面、監測主界面、參數設置、操作日志、數據查詢、報表打印、幫助模塊。內核算法包括數據分析、調試升級、傳輸協議等。軟件主界面需要實現實時繪制曲線、模擬組態畫面瀏覽、故障預警及處理措施的功能。所有數據進行密采后存入數據庫，以備日后進行查詢使用[4]。

2 系統硬件設計

2.1 整體設計框架

煤礦井下帶式輸送機道自適應巡檢系統包括移動巡檢機器人、電氣控制箱、無線通信基站、井下千兆工業以太網、地面數據處理中心站、軌道驅動裝置以及各種遠程客戶平臺。系統的整體設計框圖如圖1 所示。移動巡檢機器人與固定機器人的差別在于供電方式和傳輸方式不同。固定的巡檢機器人采用有線的本安直流電源供電，傳輸也是采用工業以太網光纖接口傳輸，但是可以像移動機器人那樣360°旋轉監測，可以上下升降位置；移動巡檢機器人要沿著軌道移動巡檢，則采用5G 無線傳輸和電池供電方式工作，充電采用的是定點位置無線充電方式。

圖1 系統整體設計框圖

2.2 移動巡檢機器人

巡檢機器人模擬巡檢工沿著運輸巷道行走，既能模擬巡檢員的日常檢查工作，還能將發生過的無法復現記錄和不能準確量化對比的人工感官現象，以數字化的圖像、音頻和數值通過無線基站上傳到地面監控主機和大數據服務器歸類存儲，便于故障問題的查詢復現。

移動巡檢機器人可以覆蓋全線路上的帶式輸送機道工況，可以代替固定巡檢機器人和巡檢工的工作，實時監測運行的帶式輸送機道工況、聲紋、設備工作溫度、煙霧、氣體濃度、環境溫濕度等數據。通過地面監控軟件對數據進行智能分析，判斷機道工況是否異常。如有異常及時發出報警信息，再通知相關人員采取措施處理，從而提高了巡檢效率，也減輕巡檢員的勞動強度和風險，還減少非正常停機的頻次和時間[5]。具體的硬件設計框圖如圖2。

圖2 巡檢機器人硬件設計框圖

1）移動視頻攝像機

在運煤巷道的高溫度和粉塵環境下，移動巡檢機器人上搭載的多個紅外補光網絡攝像儀實現對帶式輸送機道的機電設備、線纜、皮帶、管路、水情等的圖像采集。數據采用5G 無線網絡上傳至地面中心站顯示并儲存，通過AI 智能分析，判斷工況是否存在異常，設備是否損壞，以及出現險情的位置，由人工報告確認是否需要停機檢修或是否存在違章操作人員等問題。具體的技術參數詳見表1。

表1 移動巡檢機器人的主要技術參數

2）無線充電裝置

巡檢機器人采用錳酸鋰電池供電，充電方式采用在定點位置進行磁場磁感應式充電，不需要電氣接線，降低產生失爆風險。

3）氣體監測傳感器

機器人主機內集成了多種氣體監測傳感器，對環境中的CO、CH4、O2的濃度值進行實時監測。若超過設定報警值范圍，立即報警。

4）紅外熱成像溫度探測

機器人內置的熱成像儀可以對運輸設備運轉過程中的溫度進行監測，遇到機電設備或者故障點存在溫度過高的現象，熱成像儀將立即報告出現險情的位置，同時還可以遙控熱成像儀指向想要監測的部位，有針對性地檢查具體的機道位置。

2.3 礦用隔爆兼本安型電氣控制箱

控制箱的主要作用是執行系統下發的斷電控制命令，以及巡檢機器人遇到突發險情后發出的斷電控制命令，對需要停機的設備進行斷電控制。控制箱作為系統的控制執行器，執行輸出的信號是開關控制接點輸出，對受控的機電設備開關進行控制。

2.4 礦用本安型5G 通信基站

基站整機采用不銹鋼外殼輕量化結構，本安型低功耗設計，滿足電信級可靠性；支持光電復合纜遠程供電，支持即插即用；滿足電信級運維管理，支持通過網管集中管理、配置、監控以及軟件升級，可提供最高4×250 mW 輸出功率，最大支持100 MHz 帶寬。

2.5 千兆工業以太環網

系統傳輸層是由本安型千兆以太環網交換機聯合組成的千兆工業以太環網，環網交換機支持千兆帶寬，符合IEEE802.3 協議，以太網電口、百兆以太網光信號接口、千兆以太網光信號接口支持全雙工。

3 巡檢機器人軌道設計

3.1 巡檢機器人行走方式

巡檢機器人行走方式決定了運動控制策略，也是機器人在煤礦井下高精度、高穩定性運行的重要基礎。常用的行走方式包括輪式行走、履帶式行走、軌道式行走等。綜合邱集煤礦有斜巷和起伏路面的情況，對現場設備產生影響最小的方式是軌道式行走。

3.2 行走軌道的設計和安裝方式

巡檢機器人安裝在8#工字鋼軌上，沿著懸掛在巷道頂部的軌道移動。為了適應巷道不規則的地形變化，還能平穩移動巡檢機器人，運載軌道就需進行特殊設計、安裝。為了便于軌道材料的運輸，將鋼軌長度裁定為6 m，在每根軌道的兩端焊接吊耳和軌道下方的吊耳座。軌道安裝時，相鄰兩根軌道通過吊耳與吊耳座之間連接，最終完成吊掛，這樣保證了軌道連接處不會分離太遠。軌道吊掛點必須使用鐵鏈完成軌道吊掛，因為受地壓變化，柔性連接能夠很好地規避該情況的發生。軌道接頭間隙不得大于10 mm，高低和左右允許偏差不得大于2 mm 和1 mm，應達到平、直、順的標準。為了限制軌道的橫向擺動，需沿縱向每組吊點安裝防擺鏈，兩條加強鏈夾角大于120°。具體的軌道吊掛方式如圖3 和圖4。

圖3 軌道吊掛示意圖

圖4 防擺鏈固定示意圖

4 結語

1）本文闡述了一種自適應運輸帶式輸送機道巡檢系統設計方案，介紹了設計目標、硬件設計架構，提出了系統功能和組件技術指標的要求，簡述了巡檢機器人安裝運行軌道的設計思路。

2）此設計方案利用邱集煤礦千兆級工業以太環網的網絡進行傳輸，實現了通過音視頻采集，氣體濃度和溫濕度監測，聲紋和煙霧探測等信息采集，再由地面軟件的AI 智能分析來判斷帶式輸送機道的運行狀態，解決了傳統人工巡檢中費時費力、效率低下、風險大的問題。

3）此設計方案提出了“5G+AI 智能分析”的理念，符合煤礦的智能化建設理念，將點保護變成為面保護，大大提高生產效率和設備運行的可靠性、安全性，提升了礦山的智能化水平，提升了煤礦裝備制造的核心競爭力，對煤礦安全生產具有重要的戰略意義。