帶式輸送機巡檢關鍵技術研究

呂紅偉

（陽泉煤業集團華越機械有限公司，山西陽泉 045000）

0 引言

礦山機械的發展帶動了運輸機械的更新換代，煤礦智能化的發展趨勢明顯。煤礦井下環境復雜惡劣[1]，目前世界一流礦井的重要標準是無人化值守，實現設備智能化、自動化。如果主運輸煤流系統可以自主實現自動化，則可以大大減緩煤礦生產的安全壓力。很多學者都對巡檢方面進行過深入研究，主要研究方向包括對于巡檢用的各類傳感器和溫度、環境、壓力、濃度等進行檢測，有學者研究了無人值守自動巡檢系統的工作原理和關鍵問題，但是大多研究是基于遠程監控等技術的，并未對自動巡檢技術進行深入研究[2]。

煤礦主斜井帶式輸送機具有長距離、大運量、大傾角等特點，運行中托輥等零部件極容易發生故障，不但會影響煤礦安全生產，同時會給工作人員帶來極大的安全風險，并可能會造成次生事故[3]，給煤礦帶來巨大的經濟財產損失。本文設計的礦用巡檢系統可以有效緩解上述問題，促進智慧礦山的進一步發展[4]。

1 帶式輸送機巡檢關鍵技術整體方案

本文設計的帶式輸送機智能巡檢系統以巡檢故障率較高的零部件為基礎，包括巡檢設備主體、充電樁、通信局域網、掛軌、除塵清掃裝置、各類傳感器以及管理運營平臺等（圖1）。傳感器的作用是對各項性能指標數據信息進行采集、分析，主要包括礦井煙霧信息濃度、溫度指標、氣體等。巡檢設備充電后，將數據經由無線傳輸至管理服務平臺，實時將巡檢設備記錄的運行情況反饋，并對電機、托輥、皮帶等零部件的異常狀態數據進行反饋，同時能進行運動調節控制。

圖1 系統整體框架

結合帶式輸送機運輸特點，巡檢設備以本安型為基準，主要為了提高運行里程，輕化自身重量，且便于與充電樁進行匹配，解決了充電難的問題。在煤料運輸過程，會有很多雜質附著在設備外表面，可以在非行人側安裝除塵裝置。實時信息采集會有數據海量的情況，所以網絡架構采用無線控制器，網絡信號強度要滿足大于50 dB 的要求，以提高整個覆蓋面。無線基站由控制器連接到光纖上進行集中管理。如果控制器不能正常工作，需要將無線基站設定為單獨運營模式，確保網絡暢通。

2 托輥故障識別和異常工況識別

本文基于信號時頻分析方法，能夠有效將周圍噪聲進行分散緩解，故提出了基于聲壓及聲品質分析的帶式輸送機托輥故障識別方法。巡檢設備在聲音傳感器的帶動下，收集來自多個托輥的音頻數據，利用噪聲分析軟件求解1/3 倍頻程譜及聲品質指標，實現以聲音識別的方式對托輥故障進行巡檢診斷。

隨著工作環境的不斷改變，需要對各種工況進行識別監測。本巡檢系統結合深度學習的視頻技術，利用高清采集視頻圖像，以高像素攝像機巡檢周邊工況。針對粉塵不是很多的場景，可以借助普通濾波器；若粉塵比較密集，則可以使用暗通道先驗去霧算法通過對比度增強實現視頻去霧。在統一算法框架中融合圖像去粉塵、去霧和光照均衡化，增強成像的清晰度和對比度。

對于煤礦井下需要成像的要素，如異物、煤流等引起的皮帶損傷、井下人員安全和運行均衡速度等，一般在成像中不明顯，所以本文提出了基于目標輪廓先驗知識，采用候選區域生成方法，結合深度神經網絡模型，完成異常工況的視頻識別，這種識別方法具有一定的非顯著性。

3 自動巡檢機械設備核心控制

自動巡檢系統的核心控制主要由核心板與控制主板構成，兩個部件協同配合。主板采用STM32F4 型處理器，核心板采用RK3399 型處理器，能夠運算處理成像視頻、圖片，通過對實時采集到的溫度、電量等進行監測計算，關聯WiFi、5G 等通信方式。

在外設組件中，驅動板和電機、減速剎車器、編碼器共同構成驅動機構，編碼器的作用是定位巡檢機械結構的位置，可以求解行走總里程。RFID 標簽用來向讀寫器識別位置，驗證校對里程。巡檢行走機構前、后均安裝有測距傳感器，用于避障。氣體傳感器用于檢測一氧化碳等有毒氣體的含量，能夠將檢測結果通過通信接口上傳到巡檢系統?；鹧鎮鞲衅鞯淖饔檬菍⒖赡芑蛞呀洶l生的著火事故信息發送給控制器中。氣體和火焰自動巡檢故障指標如表1 所示。設備設有急停開關，用于在突發事故發生時將電源鎖死。充電樁位置由到位開關控制。

表1 氣體和火焰自動巡檢故障指標

充電樁的控制部位采用嵌入式ARM 系統，實現對不同充電距離的監測感應，自主調節負載。后臺通信部分通過以太網接口和充電樁相連。為滿足小數據的傳輸，增加了低頻傳輸模組。充電樁內外均設有溫度傳感器，同時在內部安裝有防水系統，保護充電樁不受潮濕環境影響。

巡檢控制系統除塵清掃裝置的工作原理是，對聚集堆積在設備外表殼煤灰進行高壓噴水、吹氣。除塵裝置內部包含有增壓水泵進行清洗，之后進行快速干燥，此時通過氣泵增大空氣流通循環度快速吹吸，在熱風的作用下持續干燥。同時采用電磁閥作為吹氣閥門防止氣泄漏。除塵時長由管理后臺設置，除塵器的開啟和關閉由充電樁控制。

4 視頻智能分析系統

本文提出的自動巡檢智能視頻監控系統在關鍵區域，如機頭機尾、工人作業段和行人側、張緊部位均安裝監控系統，形成視頻分析平臺，主要用于監測整個過程出現的跑偏、異物卡頓、堆煤等現象。視頻監控能有效對煤層厚度和煤流運輸狀況進行監測，建立有效、合理的調速策略，實現基于視頻自適應識別的調速控制等功能。

以鋼絲繩芯輸送帶為例，在機頭部位安裝視頻監控和高度成像裝置，用于輸送帶異物檢測、帶面故障識別、滾筒部位溫度檢測等，圖2 為針對鋼絲繩芯輸送帶的巡視畫面。

圖2 輸送帶透視圖像

通過巡檢系統監控到的鋼繩芯輸送帶圖像預測其剩余壽命，基于視頻的在線檢測可以對斷帶接頭異常故障進行預測、掃描，檢測接頭、膠帶的腐蝕情況，并為后續維修工作提供可靠的圖像數據。

5 快速充電與除塵系統

本文設計的充電方式為無線充電。在進入巡檢的初始階段，先斷開接收設備處，充電樁與巡檢機構的通過LoRa 方式進行通信，充電條件是設定閾值高于現存電量，閾值是界定巡檢機構運行或返航的分界線。巡檢機構設有到位開關，充電樁的相應位置設有監測裝置，當兩者相遇時到位開關打開，與無線充電的接收端進行連接，充電樁會接收充電信息，巡檢機構將信息同時發送給后臺數據管理服務平臺。充電完畢后，充電樁得到開關信號，斷開接收端，巡檢機構離開充電樁繼續巡檢工作。

6 后臺管理運營平臺

后臺管理系統主要是服務器，它與地面交換機通過網線連接，地面與礦井之間通過光纖連接，并通過礦用交換機與基站連接。若基站數量大于等于1，則用無線漫游的形式，基站作為中轉環節，巡檢機器人可在上面進行數據的傳輸交互，運營后臺則用于輸出控制視頻與狀態信息，包括通信、文件與計算服務等。

后臺管理系統可以顯示實時數據與歷史數據例如某一時刻下巡檢機構的電流、剩余電量、速度等參數，氣體含量、煙霧信息等環境信息，以及零部件的振動和聲音等檢測狀態。遠程巡檢后臺管理還包括對其運行方向的操控，監控角度旋轉、探測焦距、巡檢變速、停止、后退等。通過歷史信息查詢，可以實現對現場托輥、電機等被檢設備的狀態變化曲線、異常音視頻、巡檢機器人的巡檢軌跡等的查詢瀏覽。

7 結束語

智能自動化巡檢關鍵技術集成了物理、電氣、機械等多學科領域知識，經由傳感器搜集外部環境的動態變化以及設備運行狀態，利用先進的視頻分析技術和大數據算法，做到充分利用設備性能。帶式輸送機巡檢裝備關鍵技術可以實現全方位的狀態監測，提升巡檢效率和準確性，并實現了對異常情況的聯動處理。