礦山膠帶運輸智能巡檢機器人的探索與應用

陳繼勛

（蘭州石化職業(yè)技術大學，甘肅蘭州，730207）

0 引言

帶式輸送機作為煤炭工業(yè)中最重要的運輸設備之一，其所具有的實際情況，直接影響著煤礦的生產和安全。在針對礦山開采過程中，所具有的必要安全性進行保障時，其中一個關鍵性環(huán)節(jié)就是礦山的安全巡檢,在這里面包括的關鍵性檢查內容有電力、作業(yè)環(huán)境、排水系統(tǒng)以及開采系統(tǒng)等方面及環(huán)節(jié)。在安全檢查領域，不僅要求相關人員在規(guī)定的時間內進行相關檢查，而且還需要耗費大量的時間和物力實現(xiàn)礦山綜合經營，把握最終進行檢查的目的。由于大部分礦運輸路線長，運輸系統(tǒng)復雜，雖然安裝了一些安全控制裝置，但由于監(jiān)測點的安裝位置有限，安裝了安全帶監(jiān)測保護系統(tǒng)和防煙系統(tǒng)，產生了一定的效果，設備可能出現(xiàn)故障，不能對事故做出及時的預防措施；工作人員必須進行地下巡查，但由于相關工作人員在責任心以及專業(yè)水平方面欠缺，巡查往往不經檢查就進行。如果輸送機不工作，不僅會影響公司的生產效率，嚴重時還會危及工人的安全。同時,使用人工進行巡檢的方式存在著諸多問題，如使用人工工作量大且效率低下，同時造成了在人力資源方面的浪費等問題。與此同時，能夠實現(xiàn)在勞動強度方面的降低，大幅度提高礦山相關管理水平，從而有助于促使礦山的工作管理模式，朝著數(shù)字化、自動化方向不斷深入發(fā)展，從而在礦山的安全生產方面，發(fā)揮著其獨特的重要作用。目前，雖然機器人的研究還不成熟，但隨著國家“智能化”戰(zhàn)略和“安全礦山”戰(zhàn)略的實施，對機器人的研究起到了很大的推動作用。

然而,目前供應于煤礦方面應用的智能巡檢機器人，尤其是利用膠帶運輸方向的相關研究，仍然處于不完善不成熟的階段。但由于現(xiàn)在在人力方面的成本持續(xù)增長的現(xiàn)實,國家不斷推出相關戰(zhàn)略方針政策,對這一方面的研究，以及在礦山方面的實際應用都提出了對應更高層次的要求,在礦山作業(yè)現(xiàn)場的實際應用效果統(tǒng)計，對該類機器人的研究不斷完善推動，發(fā)揮出其獨特的關鍵性作用。

在此基礎上，本文提出了一種帶有皮帶轉換器的通用控制機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)無人值守和事故預警。通過現(xiàn)場應用，驗證了該項目的可行性?，F(xiàn)場試驗表明，該控制機器人能夠實時監(jiān)控皮帶變換器的運行情況，達到“無人監(jiān)管、無人巡邏”的目的，有效減少了井下控制作業(yè)次數(shù)。

1 膠帶運輸智能巡檢機器人應用要求及結構組成

■1.1 膠帶運輸智能巡檢機器人工作原理

礦井智能控制機器人是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和上傳控制功能的主體。本實用新型采用簡化設計，結構緊湊，體積小，重量輕，電路設計能夠保證固有安全。它還可以確保他能夠在煤礦的特殊環(huán)境中執(zhí)行控制功能。由低照度的大型動態(tài)攝像機采集的圖像可以實時反映輸送機的實際工作狀態(tài)，并隨時間檢測錯誤；如果膠帶輸送機異常，故障部件通常會發(fā)出明顯的異常聲響，可采集聲音從而得出結果分析和評估；安裝的煙霧探測器通過運輸實時監(jiān)測煙霧濃度，并在首次出現(xiàn)報警值時，發(fā)送針對爆炸控制指示器的報警信號；設置的紅外溫度檢測器不與帶式輸送機接觸，而是通過測量其發(fā)出的紅外輻射強度來計算表面溫度，以便快速檢測輸送機溫度并防止事故發(fā)生。如果其他環(huán)境流量計的參數(shù)異常，應同時在本地和遠程激活；為了解決移動設備電源不舒適的問題，拖動電纜，機器人本體內部電路采用爆炸性鋰電池供電，低能耗設計，并可補充無線流量。

■1.2 智能帶式輸送機巡檢機器人應用要求

由于分析了煤礦井下的基礎條件，尤其是處于膠帶運輸方面的實際工作環(huán)境，具有一定的特殊性與復雜性,因此用于此類環(huán)境進行巡檢工作的智能機器人，需要符合以下描述的條件。

（1）該類機器人所工作的環(huán)境，客觀條件方面濕度較大,因此需要充分考慮到，濕度可能會機器人在精度以及穩(wěn)定性等方面造成一定程度上的影響。

（2）礦山的相關工作會涉及到使用大型的機電類設備，在其附近一般具有較強的電磁以及射頻等干擾情況,這一點要求該類機器人的系統(tǒng)在設計上，應當具備較強的抗電磁以及射頻干擾的能力。

（3）其工作空間在長度方面較大但較為狹小，同時具有許多的起伏轉彎,這對該類機器人在其行走方面的速度、最大行走范圍距離受到了一定的限制。同時在其爬坡以及轉彎半徑方面提出全新的較高要求。

（4）同時在礦山生產中的部分特殊環(huán)節(jié)以及特殊情況，如膠帶運輸廊道上的相關巡檢工作的開展，要求該類機器人，需要更高的智能水平，以及在監(jiān)控方面的功能更加強大。

（5）該類機器人首先應當確保其安全,因此應當具備在充電時的相關閉鎖功能。

（6）該類機器人應當具備針對各類環(huán)境的檢測分析，客觀條件采集以及遠程控制和本體自檢等相關功能。

（7）該機器人應當通過其遠程控制監(jiān)測平臺,該平臺應當能夠實現(xiàn)在環(huán)境以及設備之間的連續(xù)移動的智能監(jiān)測體系，以及在應急火災發(fā)生時的報警與解決處置功能。

■1.3 膠帶運輸智能巡檢機器人結構組成

為了能夠更好的實現(xiàn)上述地目標與功能,針對該類機器人，在其系統(tǒng)上的設計應當是以下將會描述到的幾個系統(tǒng)的集合[1]。該類智能機器人的具體結構組成如圖1 所示。

圖1 結構組成

1.3.1 驅動系統(tǒng)

由于在礦山的膠帶運輸廊道內，地形具有較高的復雜性，能夠確保機器人在工作時都能實現(xiàn)行走的平穩(wěn)性,需要具備較好的適應能力。因此,在進行驅動系統(tǒng)的設計工作時,應當在其左右具備壓緊機構，同時還有水平以及垂直的旋轉機構,這些機構可以全方位保障機器人的穩(wěn)定巡檢功能[2]。具體驅動系統(tǒng)的結構示意圖如圖2 所示。

圖2 驅動系統(tǒng)結構示意圖

1.3.2 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)主要是通過對云臺搭載的基礎，該云臺應當具備高度的一體化水平以及高性能表現(xiàn),能夠利用紅外熱成像以及可見光攝像機，相關圖像參數(shù)見表1。

表1 圖像采集系統(tǒng)參數(shù)表

1.3.3 語音對講及應急廣播系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由多個功能共同構成,能夠完成現(xiàn)場與調度室之間，進行必要的交互式交流，以及在緊急狀態(tài)下的通訊功能。根據(jù)相關的應用要求,該系統(tǒng)能夠充分完成語音監(jiān)聽操作，其具體范圍區(qū)間為5～80m2,實際輸出阻抗的范圍為600～1000 Ω，屬于非平衡電阻,在1 m 之外距離40 dB的實際音源情況下,具體信噪比處于85 dB,其能夠接收的頻率范圍區(qū)間為20～20 kHz。

1.3.4 環(huán)境檢測系統(tǒng)

在該機器人進行環(huán)境檢測部分的系統(tǒng)中，具體應當包括諸多方面。尤其是對于礦山，這類具有特殊性質的作業(yè)環(huán)境,關鍵的一項工作就是針對氣體的檢測。該類機器人進行檢測工作能夠對氣體進行持續(xù)性監(jiān)測,其中包括四種，當其超出一定限度之后，該系統(tǒng)就可進行報警操作。相關氣體檢測指標見表2。

表2 氣體檢測指標

在進行溫度以及濕度的檢測時，機器人所能達到的具體測量范圍為:溫度區(qū)間-40℃～+123.8℃,濕度區(qū)間0%～100%RH,同時溫度的測量的誤差范圍為±0.5℃，以及濕度的測量的誤差范圍為±4.5%RH。在進行煙霧檢測時，機器人的靈敏度處于0.5 db/m(±0.1 dB/m)。進行光照度檢測時的測量范圍區(qū)間處于0～65535 Lux,同時能夠根據(jù)所處光照條件場景的不同，進行合理的智能調整操作,具體表現(xiàn)為:在夜間且無月亮照明時，光照測量區(qū)間為0.001～0.02 Lux,在夜間有月亮照明時，光照測量區(qū)間為0.02～0.3 Lux,在陰天狀態(tài)下，同時處于室內條件時，測量區(qū)間為5～50 Lux,在陰天條件下并處于室外時，測量范圍為50～500 Lux,在晴天條件下，并處于室內時，測量區(qū)間為100～1000 Lux。另一項重要的巡檢工作就是火焰探測,往往選擇采用通過對紫外線波長(185～260 nm)進行檢測的，相關輻射類型探測器進行火焰檢測,實際檢測參數(shù)見表3。

表3 火焰探測參數(shù)指標

1.3.5 智能防撞與避障系統(tǒng)

機器人應當具備在防撞與避障的智能化功能體系，和相關操作系統(tǒng)作為機器人長期穩(wěn)定運行的重要組成部分。該系統(tǒng)可以不間斷地檢測隧道內的障礙物和人員，同時可以針對實際物體進行精確定位，實現(xiàn)從而實現(xiàn)該系統(tǒng)的主要功能,一旦檢測到出現(xiàn)障礙，機器人能夠進行自動停止并開啟報警操作。該系統(tǒng)同時對斷電期間的制動功能進行了設置,當該機器人在實際運行工作過程中,如果突發(fā)故障導致斷電現(xiàn)象的發(fā)生,該機器人的移動等可以實現(xiàn)立即停止,從而有效對其進行保護[3]。

2 膠帶運輸智能巡檢機器人現(xiàn)場應用及效果

■2.1 膠帶運輸智能巡檢機器人現(xiàn)場應用

通過在礦山實地現(xiàn)場進行的工業(yè)性試驗中可以看出,該類機器人能夠很好地滿足膠帶運輸在運輸安全方面的監(jiān)控工作實際需求,具有穩(wěn)定可靠的實際監(jiān)測性能,具有極高強度的故障識別與判斷能力,能夠及時有效地進行報警操作，且所傳達信息精確有效。該類機器人還在管理層面，創(chuàng)新性地實現(xiàn)了直觀可視化。通過對膠帶運輸?shù)墓芾硐到y(tǒng)進行對應建設,實現(xiàn)了以上所描述的各項功能體系。

該類機器人也可在操作界面進行監(jiān)控的實時性選擇，以及針對歷史數(shù)據(jù)和相關參數(shù)的具體設置,最終能夠對該類巡檢機器人，實現(xiàn)了對膠帶運輸過程的遠程控制、在線監(jiān)控和遠程操作，并結合現(xiàn)場檢測過程和功能，建立了膠帶運輸通道無人檢測與管理一體化的全新模式。

■2.2 智能帶式輸送機巡檢機器人應用效果

機器人可以合理高效收集聲音，機器人本體上同時具備高清晰度的拾音器和高分貝的揚聲器，可以理解機器人本體與遠程控制終端之間的半雙工通信，并在工作狀態(tài)下現(xiàn)場采集聲音，并具有設備異常的聲音識別功能，在發(fā)生故障時，設備可通過傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的遠程控制和本地緊急制動接口快速懸掛；還可以制定各種應急程序，以自動根據(jù)可能特殊情況發(fā)送警報和傳輸命令；并將因斷電造成的損失降至最低水平。

該機器人將不同的傳感器組合在一起，并收集來自不同傳感器的信號，這些信號以計算機網絡的形式提供和上傳。無線傳輸將使其能夠克服空間和距離限制，節(jié)省電纜安裝工作并降低施工成本。

膠帶運輸方面的智能巡檢機器人，在其自動化程度以及故障處理的速度與效率方面都實現(xiàn)了提升,從而使得工作人員的勞動強度大大降低，減少了由于事故發(fā)生所造成的損失,在技術經濟相關效益方面表現(xiàn)得更為良好。在確保了生產安全與穩(wěn)定的基礎之上,該類機器人還實現(xiàn)了利用自動化模式，從而能夠達到減弱人的作用的目標。

3 結語

該類機器人能夠綜合使用各種傳感器，針對礦山作業(yè)客觀環(huán)境，以及設備等方面所產生的基礎數(shù)據(jù)進行收集統(tǒng)計,并將集團大數(shù)據(jù)分析的高層次優(yōu)勢，最大程度發(fā)揮出來。利用相關大數(shù)據(jù)算法，能夠對設備運行狀態(tài)進行具體判斷與及時掌握,實現(xiàn)了設備的實際性能最大化利用，提高在效率以及準確性層面大大提高。另外該類機器人在礦山生產中的應用，是對“自動化減人”的一種典型的表現(xiàn)形式,降低了在人工方面的成本,使得整體生產中的自動化程度，以及故障處理工作的效率顯著提高。