智能帶式輸送機巡檢機器人在煤礦的應用

邵珠娟 鄧曉剛 程豪杰 杜才溢 張玉江，，3

(1.山東能源臨沂礦業集團有限責任公司，山東省臨沂市，276017；2.太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024；3.山東能源集團博士后科研工作站，山東省濟南市，250014)

礦山安全巡檢是保證礦山開采安全的重點工作之一，其主要的檢查內容包括排水系統、開采系統、電力、礦內外環境等。安全巡檢工作不僅需要安全巡檢人員每天定時開展巡檢工作，還要投入大量的時間和物力，以確保全面掌握整個礦山運行情況。當前，人工巡檢方式存在工作量大、效率低、過分依賴巡檢人員經驗以及人力資源浪費等問題。隨著技術的進步和礦山等高危行業要求的提高，通過智能巡檢機器人來代替人工巡檢，實現直觀可視化管理，對降低勞動強度、提高煤礦管理水平、推動礦山工作管理模式向數字化、現代化方向發展以及確保礦山的安全生產具有重要意義。

智能巡檢機器人多應用于電力、油田管道、地下管廊的安全巡檢，可以實現可見光、紅外線、語音交互、環境檢測及智能分析功能。隨著煤礦行業“自動化減人，智能化無人”的要求，當前礦用巡檢機器人開始越來越受到重視。楊學軍等[1]研究人員開展了液壓支架巡檢機器人姿態研究，并提出了相關模型，對液壓支架直線度、姿態等重要參量進行結算；蔣春鵬[2]提出了改進的電動輸電線巡檢機器人方案，并對其關鍵結構進行設計；潘祥生、周展等[3-5]研究人員研究了一種適用于煤礦井下巷道的礦用懸線式巡檢機器人，分析了其動力學特性和控制系統；李學民[6]分析了特殊環境下井下巡檢機器人的研究現狀及關鍵技術；裴文良等[7]研究人員研發了適用于水泵房、變電站等井下硐室設備自動巡檢的防爆巡檢機器人；張士海[8]詳細介紹了龍王溝煤礦主斜井應用的礦用巡檢機器人，認為礦用巡檢機器人的應用顯著提高了巡檢效率，具有良好的經濟技術效益；陸文濤、馬靜雅等[9， 10]研究人員設計了礦用輸送機巡檢機器人，提高了帶式輸送機的故障處理效率。

然而，煤礦用智能帶式輸送機巡檢機器人的研究仍然不成熟，隨著現在人力成本不斷提高，國家提出“智能制造”戰略和“安全礦山”方針，對智能帶式輸送機巡檢機器人在煤礦的應用提出了更高的要求，現場應用效果對智能帶式輸送機巡檢機器人研究的完善發揮了重要的推動作用。

1 智能帶式輸送機巡檢機器人應用要求及結構組成

1.1 智能帶式輸送機巡檢機器人應用要求

鑒于煤礦井下帶式輸送機工作環境的特殊性和復雜性，智能帶式輸送機巡檢機器人需要滿足以下條件。

(1)工作環境濕度大，需要考慮濕度對智能帶式輸送機巡檢機器人精度和穩定性的影響。

(2)大型機電設備附近存在電磁和射頻干擾，要求智能帶式輸送機巡檢機器人系統具備較強的抗干擾能力。

(3)工作空間具有長度大、起伏轉彎且空間狹小等特點，這對智能帶式輸送機巡檢機器人的行走速度、最大行走距離、爬坡能力、轉彎半徑、控制方式提出較高要求。

(4)運煤廊道巡檢要求具有一定的智能性和強大的監控功能，包括對機電設備溫度監控、氣體濃度監控、視頻監控等功能。

(5)智能帶式輸送機巡檢機器人應保證安全，具備充電閉鎖功能。

(6)智能帶式輸送機巡檢機器人具備環境檢測分析、聲音采集及雙向對講、本體自檢、遠程控制等功能。

(7)通過強大的遠程監控平臺，具備實現環境與設備不間斷的移動監控監測、應急火災報警與處置的功能。

1.2 智能帶式輸送機巡檢機器人結構組成

為了實現上述功能，智能帶式輸送機巡檢機器人設計有驅動系統、圖像采集系統、語音對講及應急廣播系統、環境檢測系統、智能防撞與避障系統等。智能帶式輸送機巡檢機器人結構組成如圖1所示。

圖1 智能帶式輸送機巡檢機器人結構組成

(1)驅動系統。由于選煤廠帶式輸送機廊道內地形復雜，智能帶式輸送機巡檢機器人運行軌道存在轉彎、上下坡困難等情況，為了使智能帶式輸送機巡檢機器人在各種情況下都能平穩行走，需要有較好適應能力的行走機構。因此，設計了驅動系統，該系統設計有左右壓緊機構、水平旋轉機構和垂直旋轉機構，可保障智能帶式輸送機巡檢機器人多方位穩定巡檢。驅動系統結構示意圖如圖2所示。

圖2 驅動系統結構示意圖

(2)圖像采集系統。圖像采集系統搭載一體化高性能云臺，紅外熱成像及可見光攝像機參數見表1。

表1 圖像采集系統參數表

(3)語音對講及應急廣播系統。語音對講和應急廣播系統集擴音對講、語音監聽、消防廣播和調度功能于一體，實現現場與調度室的交互式對話及緊急通訊。根據使用要求，該系統語音監聽范圍為5～80 m2，且靈敏度可調，輸出阻抗為600～1000 Ω的非平衡電阻，在1 m距離40 dB音源情況下，信噪比為85 dB，接收頻率范圍為20～20 kHz。

(4)環境檢測系統。環境檢測系統具備氣體檢測、溫度濕度檢測、煙霧檢測、光照度檢測和火焰探測功能。對于礦山特殊工作環境來說，氣體檢測尤為重要。智能帶式輸送機巡檢機器人檢測實現了4種氣體高濃度連續檢測，可實現超限報警。氣體檢測指標見表2。

表2 氣體檢測指標

溫度、濕度檢測的測量范圍為溫度-40℃～+123.8℃，濕度為0%～100%RH，溫度和濕度的測量精度分別為±0.5℃和±4.5%RH。煙霧檢測靈敏度為0.5 db/m(±0.1 dB/m)。光照度檢測的測量范圍為0～65535 Lux，并且可按照不同光照場景進行智能調整，具體為：黑夜時為0.001～0.02 Lux，月夜時為0.02～0.3 Lux，陰天室內時為5～50 Lux，陰天室外時為50～500 Lux，晴天室內時為100～1000 Lux。火焰探測也尤為重要，火焰探測采用檢測紫外線波長(185～260 nm)的紫外光輻射探測器，檢測參數見表3。

表3 火焰探測參數指標

(5)智能防撞與避障系統。智能防撞與避障系統是保證智能帶式輸送機巡檢機器人長期穩定運行的重要組成部分。該系統通過對障礙物和隧道內工作人員進行探測和自身高精度定位，實現智能防撞和避障功能，遇到障礙自動停止并報警。同時，從本質安全角度考慮，加裝安全觸邊，防止碰撞造成人員及設備損傷。該系統的探測距離為0～3 m，探測角度為120°，可實時更新自身位置信息，定位精度達0.01 m。同時設置有斷電制動功能，當智能帶式輸送機巡檢機器人在運行過程中，如遇故障斷電，智能帶式輸送機巡檢機器人可立即停止，起到保護作用。

2 智能帶式輸送機巡檢機器人現場應用及效果

2.1 智能帶式輸送機巡檢機器人現場應用

2019年1月，智能帶式輸送機巡檢機器人在山東能源臨沂礦業集團下屬的山東里能魯西礦業有限公司(以下簡稱魯西煤礦)進行現場應用。通過現場工業性試驗及應用，智能帶式輸送機巡檢機器人滿足帶式輸送機運輸安全監控的實際需求，系統運行狀況良好，監測性能穩定可靠，故障識別能力強，報警及時且信息準確可信。智能帶式輸送機巡檢機器人實現了直觀可視化的管理。通過帶式輸送機管理系統的建設，實現了巡檢可視化、一鍵智能巡檢、智能報警等功能。智能帶式輸送機巡檢機器人現場監控畫面及運行參數如圖3所示。

圖3 智能帶式輸送機巡檢機器人現場監控畫面及運行參數

由圖3可以看出，智能帶式輸送機巡檢機器人系統對現場畫面及監控設備運行參數可以實時調取。在視頻監控的同時，在右上角實時顯示紅外攝像機監控圖像并顯示最高溫度。

智能帶式輸送機巡檢機器人可通過操作界面實現實時監控、歷史數據、參數設置等功能，實現對智能帶式輸送機巡檢機器人的遠程控制，實現遠程在線監測與現場巡檢相結合，在帶式輸送機廊道內打造無人巡視與處置管理新模式。智能帶式輸送機巡檢機器人功能設置界面如圖4所示。

2.2 智能帶式輸送機巡檢機器人應用效果

魯西煤礦在智能帶式輸送機巡檢機器人應用前，人員定額為85人，應用智能帶式輸送機巡檢機器人后，人員定額為25人，年節約資金500萬元以上。智能帶式輸送機巡檢機器人提高了自動化程度和故障處理效率，大大降低了工人的勞動強度和事故帶來的損失，取得了良好的技術經濟效益。在保證安全和生產穩定的前提下，智能帶式輸送機巡檢機器人實現了“自動化減人”的目標。

圖4 智能帶式輸送機巡檢機器人功能設置界面

3 結語

(1)智能帶式輸送機巡檢機器人可以通過各種傳感器對設備、作業空間環境等基礎數據進行搜集，并充分發揮集團大數據分析中心優勢，利用大數據算法及時掌握和判斷設備的運行狀況，實現了設備性能的充分利用。

(2)智能帶式輸送機巡檢機器人可以實現對帶式輸送機廊道工作環境和設備的全方位監測，實現可視化管理和實施預警，提升了巡檢效率和準確性。進一步通過機器人和技術人員的聯動互饋，實現了對異常情況的及時處理。

(3)智能帶式輸送機巡檢機器人的應用實現了“自動化減人”的目標，降低了成本，提高了自動化程度和故障處理效率。