選煤廠智能巡檢機器人系統

喬 奇

（淮河能源集團選煤分公司張集選煤廠，安徽 淮南 232000）

1 概述

目前，在選煤廠巡檢的過程中存在許多的問題以及人工隱患，例如，開車前的準備工作不足，正常的巡檢工作不及時，停車后的檢查工作不到位，等等。同時，由于巡檢工作單調重復，巡檢員易產生疲憊心理，不能保持正常的巡檢次數，導致選煤廠的選煤質量下降與事故的發生。與人工巡查相比，智能機器人巡檢可以有效避免人工巡檢時出現疲憊、漏檢等人為因素造成的效率低的缺點，并且可根據需求設置定時巡檢，保證廠區內皮帶機在整個運行過程的安全，解決人工巡檢帶來的不確定因素，保證選煤廠的安全運行。

一些發達國家選煤廠的自動化、智能化水平已經達到比較高的水平[1]，可實現工作人員通過對上位機的監控，來了解選煤廠的設備工作狀態以及通過操作上位機控制設備的運行。國外某些選煤廠[2]有采用雙射線密度計來監控選煤廠中傳感器，以及通過放射同位素比重傳感器來提高傳感器精度，選煤廠監控系統的準確性得以提升。在國內，大多數選煤廠仍處于初級階段，其中發展較好的有西山斜溝選煤廠[3]擁有較為成熟的壓濾機自動控制模塊以及濃縮機自動加藥系統；臨礦魯西選煤廠[4]建設了三維可視化智能巡檢系統；棗礦高莊選煤廠[5]建設了自動化的視頻隨動控制系統以及壓濾機聯機自動化等。

2 系統組成

本文設計的巡檢機器人系統結構圖如圖1 所示，通過上位機結合各類傳感器實現設備的智能化管控，實現對選煤廠內生產設備工作狀態以及廠區內的環境狀況進行實時監控。

由圖1 可以看出，系統整體分為五大部分，從上至下分別為：包含人機交互界面的應用層；通過無線通信的網絡層；含有各類傳感器以及攝像頭的感知層；執行層為多個巡檢機器人，完成廠區巡檢工作；底層設備為廠區內各類設備，主要為皮帶機。操作人員通過應用層的上位機實現對執行層的巡檢機器人的控制以及信息的獲取。巡檢機器人通過感知層的各類傳感器采集來自底層浮選、干選、濃縮、壓濾、干燥等設備的信息，通過網絡層的無線通信將信息傳輸至應用層。

圖1 選煤廠巡檢系統框架圖

2.1 智能巡檢機器人

巡檢機器人需適應選煤廠廠區環境，在對廠區內設備的巡檢過程中需考慮到選煤廠的道路煤渣大、水分多的問題。巡檢機器人配備各類傳感器，傳感器間協同合作完成選煤廠設備的巡檢工作。皮帶巡檢機器人流程圖如圖2。

圖2 皮帶巡檢機器人流程圖

（1）電源部分。巡檢機器人使用鋰離子蓄電池作為運行時的電力來源，采用鋰離子蓄電池可實現快速充電且循環壽命長。巡檢機器人在工作一段時間后，當出現電量過低時，可及時到廠區內充電處進行充電。

（2）傳感器部分。傳感器部分除了有用于測距和避障的紅外以及超聲波傳感器，還有溫濕度傳感器、用于設備巡檢的攝像頭等。巡檢機器人在各傳感器協同配合下，完成對廠區設備巡檢。

（3）通信部分。巡檢機器人與控制中心以無線通信的方式傳輸采集到的數據信息以及視頻信息，控制中心對采集到的信息進一步處理后，發送相應的指令至對應設備。

（4）控制模塊。巡檢機器人采用STM32F 系列控制模塊將采集的溫濕度信息以及位置信息進行處理，驅動相應位置電機。

2.2 智能識別算法

結合Faster R-CNN 目標檢測算法對廠區內巡檢機器人采集到的皮帶機工作視頻進行檢測。如圖3。

圖3 Faster R-CNN 網絡結構圖

首先，通過VGG-16 卷積網絡將巡檢機器人在廠區內巡邏采集到的皮帶機圖像中的故障信息特征提取出來；其次，通過區域生成網絡將要檢測的皮帶機中出現的裂紋、破損等故障區域生成候選區域，再通過感興趣區域池化對上一階段生成的候選框尺寸大小進行固定，以便于后面輸入全連接網絡進行檢測；最后，將候選框送入全連接層進行進一步的精確定位，獲得檢測目標即皮帶機中皮帶的故障類別的置信度以及故障區域的位置。檢測結果在第三部分展示，可以看出網絡模型經訓練后可以準確地識別出皮帶損壞部分。

2.3 智能管控平臺

智能管控平臺將巡檢機器人的檢測信息通過可視化界面顯示出來，作為人機交互界面。

若出現設備故障，在設備非常規運行時，巡檢機器人實時將信息反饋回控制中心，并在管控平臺上出現警報顯示，提醒操作人員進行相關的處理。操作人員在獲得相應權限后，對故障設備進行處理。此外，對每個設備生成各自的二維碼，用于記錄該設備的信息，包括：設備狀態信息、設備巡檢情況、設備故障記錄、設備維修信息等。以001 號皮帶機為例，設備二維碼中包含信息如圖4 所示。圖5 為所有巡檢設備的二維碼管理操作界面。

圖4 皮帶機二維碼信息圖

圖5 巡檢設備二維碼操作界面

如圖6 所示，管控平臺操作界面分為四個部分：（1）選煤廠設備二維碼的查看與管理。主要分為廠區內設備的二維碼以及巡檢機器人的二維碼。（2）巡檢機器人拍攝的實時視頻信息。主要為巡檢過程中拍攝的皮帶機視頻。（3）歷史記錄模塊。主要為設備及巡檢機器人的故障記錄以及檢修過程的記錄，包括之前的歷史記錄。（4）設備狀態模塊。主要為巡檢機器人采集的設備狀態的數據信息以及發生故障時的報警信息。操作人員可根據相應模塊進行選煤廠設備的管理。

圖6 智能管控平臺操作界面

3 效果分析

巡檢機器人將采集到的皮帶機圖像信息傳輸至控制中心，經目標檢測算法對皮帶機運行情況進行巡檢，其檢測結果如圖7。

圖7 中第一行為輸入算法網絡的檢測圖片，第二行為經過檢測算法后獲得的框選出故障區域的圖片，其中黑色邊框中的區域即為皮帶的故障區域，邊框左上角為類別以及相應的置信度分數。通過可視化檢測結果展示機器人巡檢過程中出現的皮帶故障問題，便于操作人員及時發現及時維修。

圖7 破損皮帶檢測結果

（1）通過智能巡檢機器人系統實現對選煤廠眾多設備的批量管理，可有效降低人工成本，提高經濟效益。

（2）通過使用巡檢機器人避免人為因素造成的低效問題，無需巡檢人員使用不同設備檢測各項指標，無需逐步排查選煤廠內設備，智能化的皮帶機安全巡檢有助于提高工作效率。

（3）當設備發生故障時及時發現并報修，縮短設備異常運行時間，增加機器使用時長，保障選煤廠內設備安全可靠運行。

4 結語

選煤廠通過使用智能巡檢機器人系統設置巡檢路線以及巡檢頻率，完成選煤廠內設備的巡檢、廠區環境溫濕度的監控等。該系統主要對皮帶機的裂紋以及破損故障進行檢測，并通過人機交互界面可視化展現給工作人員進行相應操作，實現選煤廠內巡檢系統的智能化，有效避免由于人員疏忽造成的選煤廠安全事故的發生。