用于輸煤廊道的智能巡檢機器人自動化巡視系統

高亞磊，侯 楠，趙松璞

（1.華電忻州廣宇煤電有限公司，忻州 034000；2.深圳市朗馳欣創科技股份有限公司，深圳 518000）

目前，輸煤廊道巡檢工作存在巡視盲區和效率低下的問題，使用人工巡視方式容易發生巡視疏漏和嚴重事故[1]。此外，輸煤廊道中的主要運行設備皮帶機和托輥軸承的潤滑不及時容易導致故障，進而引發快速升溫和火災風險。其中，皮帶材料是橡膠，在高溫情況下容易產生安全隱患。另外，輸煤廊道容易受環境因素影響，如惡劣天氣和地震，會影響輸煤廊道的運行可靠性。夏季雨水過多時，輸煤廊道容易出現洪澇災害，威脅設備正常運行和工作人員安全[2]。這些問題給輸煤廊道的安全運行帶來嚴重威脅。

智能巡檢機器人頻繁應用于變電站、交通物流以及煤礦等眾多場合中。為了提升輸煤廊道的監管水平，避免輸煤廊道出現安全事故，維持輸煤廊道內輸煤皮帶等設備的安全可靠運行狀態，設計智能巡檢機器人自動化巡視系統，實現輸煤廊道的日常監管。

1 智能巡檢機器人自動化巡視系統

1.1 智能巡檢機器人自動化巡視系統總體設計

智能巡檢機器人自動化巡視系統主要包括軌道傳動模塊、機器人本體、通信模塊、供電動力模塊以及監控平臺，如圖1 所示。機器人本體搭載了高清攝像頭、溫度傳感器和聲音傳感器等傳感器，通過這些傳感器采集輸煤廊道的圖像信息[3]、溫度信息等環境數據。采集到的數據通過通信模塊傳送至監控平臺，為輸煤廊道管理人員提供實時環境數據，實現輸煤廊道的實時監控。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Overall structure of system

1.2 智能巡檢機器人

智能巡檢機器人自動化巡視系統中，智能巡檢機器人的結構如圖2 所示。可以看出，智能巡檢機器人包括車廂、靜音底盤、同步帶、動力總成等部分。智能巡檢機器人設置了同步帶和同步輪的天然橡膠輪胎，保障機器人巡檢時不發出噪聲。智能巡檢機器人內設置金屬定位片以及定位芯片，為系統的監控平臺提供實時位置[4]。巡檢機器人中搭載了溫濕度傳感器、可燃氣體傳感器、一氧化碳傳感器等多個傳感器，為監控平臺提供全面的環境信息。

圖2 巡檢機器人結構圖Fig.2 Structure diagram of inspection robot

智能巡檢機器人中搭載的輸煤廊道巡檢的傳感器如圖3 所示。

圖3 巡檢機器人搭載傳感器Fig.3 Inspection robot is equipped with sensors

智能巡檢機器人在巡視系統中，主要包括如下功能：

（1）定位導航。智能巡檢機器人搭載了定位芯片。在輸煤廊道中預先吊裝軌道，利用二維碼在巡檢機器人上設置特征標識點，在機器人沿軌道行走以及定點運行時，可以實現精準定位。采用軌道導航定位技術，不受環境等因素影響，適用于復雜環境的輸煤廊道中。

（2）圖像分析。圖像分析技術是輸煤廊道巡檢的重要部分。將具有較高清晰度的高清可見光攝像頭，搭載于智能巡檢機器人中。利用高清的可見光攝像頭，采集輸煤廊道圖像[5]。利用圖像識別、目標檢測等圖像識別技術，識別輸煤廊道中設備運行狀態。由于輸煤廊道中包含眾多不同類型設備，設備型號繁多，需要高識別性能的識別算法，保障巡檢目標識別的高效性。采用深度學習算法等人工智能技術，實現輸煤廊道內設備的快速精準識別。

巡檢機器人可以依據預先設定的巡檢任務，自動規劃巡檢路徑，完成巡檢任務[6]。巡檢機器人設置了360°全方位的云臺攝像頭。巡檢機器人具備自動化報警功能，可將故障信息及時上報至監控平臺。機器人設置了防碰撞接觸裝置，巡檢機器人與人或障礙物距離過小時，及時發出報警，避免機器人與障礙物出現碰撞。

1.3 系統軌道傳動模塊設計

設計智能巡檢機器人自動化巡視系統的軌道傳動模塊時，需要充分考慮輸煤廊道的特殊環境信息，依據輸煤廊道內設備布置方式、設備架構、廊道環境和廊道走勢，設計便于機器人巡檢的軌道系統。采用高強度鋁合金材料作為傳動模塊的軌道型材料。軌道安裝時，可以采用拼接方式。依據輸煤廊道地形設計軌道坡度和軌道的彎曲度。軌道傳動模塊采用的材料需要具有較高的抗磨損性能和抗腐蝕性能。軌道傳動模塊設置鋼質防火門，利用配套的電控模塊控制防火門啟閉。軌道傳動模塊的防火門為常閉狀態。機器人穿越時，向電動模塊發送信號，電動模塊控制防火門自動化開啟，直至機器人完成防火門穿越后，電動模塊控制防火門自動化關閉。

1.4 系統通信模塊

智能巡檢機器人自動化巡視系統中的通信模塊起著關鍵的作用。該模塊可將機器人采集的信息傳送至監控平臺，并實現與輸煤廊道中的其他設備的實時通信。為確保通信的可靠性，系統在輸煤廊道中設置了多個通信基站，構建無線局域網，以提升通信網絡的負載平衡和帶寬。通過高效的通信性能，機器人與監控平臺之間可以實現可靠的數據傳輸，保障巡視任務的順利進行。這一通信模塊的結構如圖4 所示。

圖4 通信模塊結構圖Fig.4 Structure diagram of communication module

1.5 智能巡檢機器人自動化巡視系統軟件設計

智能巡檢機器人自動化巡視系統軟件設計時，需要考慮系統機器人本體嵌入微控制器的控制軟件設計，以及監控平臺的遠程數據顯示與操控軟件設計。機器人本體的微控制器，利用軟件設計控制機器人自主往返巡檢，對巡檢過程中存在的異常位置進行定位與復檢。機器人利用搭載的傳感器和攝像頭采集的數據，需要同時傳送至數據存儲模塊，利用通信模塊通過構建的通信網絡傳送至輸煤廊道管理人員的遠程監控平臺，實現輸煤廊道的實時監測。選取Visual Basic/Visual C++的集成開發軟件，開發系統的控制軟件以及遠程數據顯示軟件，實現系統機器人本體與監控平臺的數據、圖像傳輸，以及數據、圖像的顯示與存儲。系統監控平臺的軟件設計主要包括以下內容：

（1）圖像顯示模塊。利用圖像顯示模塊的軟件設計，實時顯示機器人搭載的攝像頭采集的輸煤廊道現場圖像；

（2）皮帶問題分析顯示模塊。利用皮帶問題分析顯示模塊，顯示機器人巡檢輸煤廊道的環境信息以及皮帶信息；

（3）機器人運動控制模塊。通過機器人運動控制軟件設計，實現機器人運動模式的選擇，設置自主定位復檢等巡檢功能；

（4）機器人狀態模塊。利用機器人狀態模塊實時顯示機器人的運行速度與位置信息，控制機器人運行速度；

（5）視頻分析模塊。利用視頻分析模塊，顯示輸煤廊道的實際運行狀態，檢測電子圍欄、輸煤皮帶人員是否存在翻越情況，以及是否存在未佩戴安全帽的人員。

機器人軟件設計包括本體嵌入軟件和遠程控制軟件，診斷、控制巡檢機器人，實現上位機通信功能。系統上位機設計的機器人巡檢程序流程如圖5所示。利用機器人本體嵌入式控制軟件，控制與診斷機器人運行狀態，實現上位機的通信。本體嵌入式控制軟件，初始化系統的底層配置，完成底層配置初始化后，對應用層進行初始化，包括傳感器數據采集以及上位機通訊等數據的初始化。利用循環程序執行處理函數、命令執行函數以及通訊處理函數。

圖5 上位機巡檢程序流程Fig.5 Flow chart of PC inspection program

2 實例分析

選取某集團發電有限公司的輸煤廊道作為系統測試對象。針對該電廠輸煤廊道設計的智能巡檢機器人自動化巡視系統，主要設備設置情況如表1所示。

表1 智能巡檢機器人自動化巡視系統主要設備Tab.1 Main equipment of patrol system of intelligent inspection robot

依據表1 的設備設置情況，構建智能巡檢機器人自動化巡視系統。

智能巡檢機器人自動化巡視系統中，巡檢機器人的現場圖如圖6 所示。可以看出，智能巡檢機器人自動化巡視系統設置的智能巡檢機器人，成功搭載在輸煤廊道中。智能巡檢機器人利用搭載的攝像頭，采集輸煤廊道的圖像信息以及環境信息，為輸煤廊道的智能巡檢提供良好的基礎。

圖6 輸煤廊道巡檢機器人現場Fig.6 Field picture of inspection robot in coal transport corridor

智能巡檢機器人自動化巡視系統中，巡檢機器人的參數設置如表2 所示。

表2 巡檢機器人參數設置Tab.2 Parameter settings of inspection robot

智能巡檢機器人自動化巡視系統對輸煤廊道進行巡檢，系統環境溫度監測的運行界面如圖7 所示。從圖7 系統測試結果可以看出，所設計系統利用軟件設計程序，可以實現系統的可靠運行。系統運行界面圖中，有效顯示了輸煤廊道的環境溫度信息，實現輸煤廊道環境溫度的實時監測。輸煤廊道管理人員，可以依據系統運行的界面圖，分析輸煤廊道的環境溫度運行狀態。

圖7 系統運行界面Fig.7 System operation interface

智能巡檢機器人自動化巡視系統的監控平臺，依據機器人平臺上傳的數據，判斷輸煤廊道狀態。分析機器人采集的聲音數據，判斷輸煤廊道設備是否存在異響，判斷輸煤廊道設備存在異響時及時報警。傳感器上傳的輸煤廊道設備聲音頻譜信號如圖8 所示。

圖8 輸煤廊道設備聲音頻譜信號分析Fig.8 Sound spectrum signal analysis of coal corridor equipment

分析圖8 的輸煤廊道設備聲音頻譜信號，輸煤廊道設備出現故障時，設備的聲音頻譜信號將出現異常。圖8（a）中的輸煤廊道設備聲音頻譜信號具有較高的規律性，表明輸煤廊道設備為正常運行狀態；圖8（b）中的輸煤廊道設備聲音頻譜信號呈現規律的異常聲音信號，信號存在諧波情況。圖8 實驗結果驗證，系統可以利用所采集的輸煤廊道設備的聲音頻譜信號，分析輸煤廊道設備是否存在異常。

3 結語

針對輸煤廊道設計智能巡檢機器人自動化巡視系統時，需要充分考慮輸煤廊道的實際應用環境。設計的智能巡檢機器人自動化巡視系統需要具備實時巡檢功能，同時具備振動測試功能等眾多功能。利用機器人巡檢方式，代替人工巡檢方式，充分發揮機器人的巡視功能，提升輸煤廊道的巡檢效率，為燃煤電廠中煤炭的正常輸送提供可靠保障。所設計的智能巡檢機器人自動化巡視系統有效降低輸煤廊道的人工作業成本，響應智能電站的建設要求。