礦山膠帶運輸智能巡檢機器人的探索與應用

趙 磊

（內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團）有限責任公司元寶山露天煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024076）

礦山行業(yè)一直是我國能源、工業(yè)產(chǎn)業(yè)的重點基礎行業(yè)，其開采的各種礦產(chǎn)資源，滿足了社會經(jīng)濟領域發(fā)展的各種需求，為國家貢獻了巨大的財富。伴隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)智能化水平的提升，礦山行業(yè)在近年來逐步進入了現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展階段，各種現(xiàn)代化設備在生產(chǎn)過程中的應用不僅提升了效率和效益，也大大推進了安全、高效生產(chǎn)目標的實現(xiàn)，尤其是作為高效運輸環(huán)節(jié)的膠帶運輸，在作業(yè)過程中可能伴隨著各種的突發(fā)情況，通過智能巡檢機器人的應用，巡檢更具智能、高效，實現(xiàn)了對運輸全過程的監(jiān)督和管控，保障了正常的生產(chǎn)秩序。

1 礦山膠帶運輸智能巡檢機器人關鍵技術

1.1 移動平臺技術

礦山膠帶運輸智能巡檢機器人的總體構成相對復雜，移動平臺僅僅是其中的一個部分，雖然在當下的發(fā)展條件下有了多種的移動平臺，但不同的平臺下所對應的工作方式有呈現(xiàn)出各自的獨特性。各個礦山企業(yè)在移動平臺的選擇上，一般要綜合考慮巡檢現(xiàn)場的環(huán)境條件，對比輪式、履帶式或者軌道式的優(yōu)缺點，選擇最符合自身的移動平臺技術[1]。相比較而言，履帶式和輪式移動平臺的靈活性相對較高，但膠帶機地表基礎要求較高，整個的移動平臺選擇時，還需綜合考慮防潮、防振、防塵等方面的因素，如果選用的是軌道式移動平臺，一般要在巷道頂部進行軌道式移動平臺的安裝，但移動軌跡固定，靈活性受限。

1.2 定位與導航技術

定位與導航技術同樣是智能巡檢機器人中的核心技術，在這一技術的輔助下，整個的巡檢工作進行中，定位更為精準。現(xiàn)階段隨著現(xiàn)代智能化技術的不斷發(fā)展，在智能巡檢機器人的定位和導航技術中做了大量的研究，也為智能巡檢機器人的定位與導航技術提供了平臺支持，一些研究學者提出了磁軌跡引導理論，在這一理論下，經(jīng)由與RFID電子標簽的結合，為保障其定位精度，需在巡檢機器人運行路徑上進行磁軌跡的預埋，并在機器人停靠位置上埋設RFID電子標簽，雖然表現(xiàn)出定位精度高、抗干擾性強的突出優(yōu)勢，但整體的實現(xiàn)難度大，對于技術的要求相對較高，再加上運行線路的靈活性不足，使得整個的智能巡檢機器人導航定位時存在一定的問題。隨后，部分學者利用地面引導標志研發(fā)了單目視覺導航方法，這一方式下，能夠通過圖像采集的方式來記錄引導標志的自主識別，也就可以在此基礎上進行巡檢路徑、停靠位置等的自主確定，但這一導航方式下，對于外界光線的敏感性較強，一旦在露天礦山開采作業(yè)環(huán)境內(nèi)的光線不足或者地面引導標志不清晰，都會導致導航定位的精度不高[2]。為避免光線對導航定位精度的不利影響，隨后出現(xiàn)了人工路標的激光導航系統(tǒng)，這一系統(tǒng)在智能巡檢機器人中的應用，大幅度改善了傳統(tǒng)的導航定位技術局限，導航精度顯著提升，但為達到最佳的應用效果，一般要保障人工路標的激光符合要求，應用的范圍相對有限。隨著技術的不斷發(fā)展，在智能巡檢機器人導航定位領域，專業(yè)研究人員更傾向于通過高精度差分GPS定位技術來進行機器人的精準定位，在這一技術下，為保障定位工作的順利進行，需保障露天采礦作業(yè)環(huán)境內(nèi)無線傳輸信號的穩(wěn)定性，一旦在定位系統(tǒng)運行時周邊存在一定強度的電磁擾動，將會導致GPS信號無法實時到達，即發(fā)生延遲，如果現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境復雜，甚至會出現(xiàn)GPS信號丟失等問題，可能造成巡檢機器人脫離運行軌跡。針對當下的輪式和履帶式智能巡檢機器人，在導航定位中多采用的是激光導航+GPS定位技術，或者單目視覺導航+GPS定位技術。

1.3 圖像識別技術

圖像識別技術在智能巡檢機器人中的應用，可以通過高清圖像的拍攝錄制來對巡檢范圍內(nèi)設備運行情況等加以全面監(jiān)測和判定。圖像識別包含了儀表讀數(shù)、指示燈狀態(tài)、開關位置、設備運行情況、設備主要部件形變等類型，在近幾年的發(fā)展過程中，我國的圖像識別技術日漸成熟，取得了一定的發(fā)展成效，比如，儀表讀數(shù)的識別方面，完全可以將所采集到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字模板圖像庫直接匹配，匹配結束后自動輸出結果。針對指示燈、開關位置和設備狀態(tài)等的識別，利用圖像識別技術進行相應的識別，首先進行被識別對象位置的確定，此位置指的是該對象在圖像中的位置，在位置確定以后，分析被識別對象的現(xiàn)狀特點，利用Hougu變換判斷的方式來進一步確定顏色和狀態(tài)方面的信息。露天采礦作業(yè)進行中，雖然其作業(yè)環(huán)境相比井下作業(yè)環(huán)境簡單，但智能巡檢機器人的使用同樣面臨著來自環(huán)境方面的挑戰(zhàn)，露天開采作業(yè)中涉及的設備相對較多，圖像識別技術的應用關鍵是要對儀表讀數(shù)加以識別，為保障識別結果的有效性，對于一些相對復雜的設備，需建立專用的識別模板和算法，必要情況下還需進行智能巡檢機器人深度識別[3]。因為在智能巡檢機器人運行過程中，機器人的結構和組網(wǎng)方式都有各自的特殊性，圖像識別方面包含了后臺處理和就地處理兩種模式，其中，前者指的是將所拍攝到的圖像直接經(jīng)由無線技術傳輸?shù)竭h端服務器來實現(xiàn)識別，整體的識別和傳輸需消耗較長的時間，實時性較差且容易導致設備損壞及故障擴大；而就地處理是通過自行搭載的邊緣計算模塊來進行相應的識別信息和圖像處理的，整體的識別準確性、實時性高，設備出現(xiàn)故障實時發(fā)送停機信息至膠帶機控制單元停機，并呼叫值班室將故障圖像及故障說明發(fā)送至值班室，開展故障確認消除工作。

1.4 自主充電技術

隨著工業(yè)智能化時代的到來，越來越多的礦山企業(yè)都在積極采用智能巡檢機器人，在機器人研究領域，用戶希望機器人的工作電池具有極強的續(xù)航能力，這就使得智能巡檢機器人領域，也需要保障電池的續(xù)航性能。隨著電池技術研究的深入，同步的在智能機器人領域，自主充電技術也已然成為了重要性的技術，在開展電池研究設計時，不僅要適當增大電池容量，更要使得智能巡檢機器人具備良好的自主充電能力，以達到智能化巡檢的要求。現(xiàn)階段，關于智能巡檢機器人自主充電技術的研究主要表現(xiàn)在以下方面：有關人員將導航光源作為導航信息，來實現(xiàn)巡檢機器人進入充電位置實現(xiàn)與充電站的可靠連接充電，但這一技術下，環(huán)境光線可能會對導航光源造成一定的干擾；相關人員提出了巡檢機器人自主充電系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)基礎上，根據(jù)已知的環(huán)境地圖來實現(xiàn)巡檢機器人與充電站的可靠連接，但一旦在充電過程中環(huán)境地圖受到其他因素而出現(xiàn)了明顯的改變，智能巡檢機器人將無法識別充電位置，充電無法正常進行；在充電站上進行色塊和IR二極管的設置，在此基礎上引導巡檢機器人來完成與充電站的對接充電，再利用激光傳感器、PTZ彩色攝像機、里程來輔助智能巡檢機器人到達自主充電目標，但這種充電模式下，對接誤差容忍度異常小，環(huán)境光線、粉塵等造成的色差即導致無法識別充電站位置；利用磁軌道來引導與RFID標簽定位，導航定位過程中不需人工干預就可實現(xiàn)，一旦將該巡檢機器人與充電樁對接，就可自動檢測充電結構位置、極片電壓，看是否符合充電標準，因為在該充電機構中有漏斗形對接窗口的設置，使得對接誤差容忍度相對較高，即使面臨復雜的露天礦山開采環(huán)境，也同樣可以滿足自主充電的要求[4]。未來隨著智能巡檢機器人在礦山企業(yè)生產(chǎn)中應用范圍的逐步擴大，自主充電技術勢必有著巨大的技術發(fā)展?jié)摿Γ瑧獜慕佑|式和非接觸式的角度來進行技術創(chuàng)新，隨著無線充電技術的不斷成熟，智能巡檢機器人必定會實現(xiàn)非接觸式以及實時充電技術。

1.5 后臺管理及診斷技術

智能巡檢機器人具有高度的智能化特點，正是因為如此，使得在機器人設計時，后臺管理和診斷技術的應用非常重要，在后臺管理和診斷技術的支持下，智能巡檢機器人可以對所采集到的信息加以全面分析，根據(jù)分析結果來及時發(fā)送診斷結果和處理方式。機器人運行中的數(shù)據(jù)采集量相對較大，如果將這些數(shù)據(jù)直接上傳到后臺，采用人工處理的方式，將會產(chǎn)生巨大的工作量，且人工失誤必將影響到診斷結果，且通信系統(tǒng)的傳輸壓力也非常大。后臺管理和診斷技術應用以后，使得智能巡檢機器人的后臺數(shù)據(jù)處理能力得到本質提升，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的自動化，即使在機器人使用過程中出現(xiàn)了故障，該模塊也可以快速根據(jù)所掌握到的信息來進行故障識別和診斷，幫助專業(yè)人員快速制定有效的故障處理對策，達到快速恢復智能巡檢機器人工作正常狀態(tài)的目的。

2 礦山膠帶運輸智能巡檢機器人的應用

以某礦企業(yè)為例，在2019年1月，基于智能巡檢的要求，該礦山開采作業(yè)中引入了膠帶運輸智能巡檢機器人，根據(jù)相應的應用結果，應用效果相對理想，完全取代了傳統(tǒng)人工巡檢工作模式的限制。結合現(xiàn)場的工業(yè)性試驗與應用結果分析，膠帶運輸智能巡檢機器人在使用時，可以對生產(chǎn)的全過程加以安全智能化監(jiān)控，且整個系統(tǒng)的運行過程中，保持著較高的可靠性與穩(wěn)定性，可以快速識別出現(xiàn)場的潛在故障并立即將故障信息反饋給相關人員，在應用這一智能巡檢機器人以后，現(xiàn)場作業(yè)的可視化目標得以實現(xiàn)，呈現(xiàn)出巡檢可視化、一鍵智能巡檢和智能報警等方面的突出優(yōu)勢，具體監(jiān)控畫面如圖1。

圖1 智能帶式輸送機巡檢機器人現(xiàn)場監(jiān)控畫面

根據(jù)該機器人在采礦作業(yè)中的應用成果，機器人中的相應模塊能夠實時獲取現(xiàn)場畫面并對現(xiàn)場的全部參數(shù)加以實時獲取和分析，即使后臺管理人員需進行相應的數(shù)據(jù)或者現(xiàn)場畫面調取，也可以直接在相應的存儲模塊直接提取。總之，膠帶運輸智能巡檢機器人兼具實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)設置等功能，克服了控制方面的時間和空間限制。根據(jù)調查，在智能巡檢機器人應用之前，關于巡檢方面需調配85人，而在應用了該機器人以后，人員僅僅為25個，人力資源投入量大大降低，減少人員勞動強度，提高人員本質安全且節(jié)約了人力成本。

3 結語

現(xiàn)階段的礦山生產(chǎn)作業(yè)中，智能化生產(chǎn)已然取得了顯著的發(fā)展成果，尤其是智能巡檢機器人在膠帶運輸環(huán)節(jié)的使用，具有比人工巡檢突出的優(yōu)勢。但相應的技術發(fā)展尚不成熟，未來還需進一步加大智能巡檢機器人的研發(fā)和設計，提高巡檢機器人的性能。