肖 鹿，李 凱，王 偉，劉夢婷

（1.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116；2.新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆昌吉 831100；3.北京郵電大學(xué)，北京 102206）

我國作為全球最大的煤炭產(chǎn)出與消耗國之一，其煤炭需求在能源總需求中的比重過半[1-2]。在追求經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，我國也逐漸重視礦山能源開采以及運(yùn)輸過程中的安全問題。加強(qiáng)煤礦機(jī)電安全管理，消除各類運(yùn)輸設(shè)備隱患，對煤礦的持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義[3]。就傳統(tǒng)的礦用設(shè)備管理方式而言，依靠大量的人力與時(shí)間成本，雖然帶來一定的安全保障，但企業(yè)也需要投入精力去保障巡檢人員的自身安全。這一管理模式已無法適用于“智慧礦山”的發(fā)展理念。坐落于新疆準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)的南露天煤礦地處殘丘狀剝蝕平原，屬大陸干旱荒漠氣候，夏季高溫炎熱絕對氣溫可達(dá)40 ℃以上，冬季嚴(yán)寒。帶式輸送機(jī)作為煤炭重要的運(yùn)送設(shè)備，主要負(fù)責(zé)煤炭礦區(qū)至各轉(zhuǎn)載站及分流倉之間的運(yùn)輸，也可作為礦區(qū)至火電廠上倉煤炭供應(yīng)的運(yùn)輸橋梁。惡劣環(huán)境下輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生膠帶跑偏、撕裂、打滑等故障現(xiàn)象[4]，嚴(yán)重時(shí)，托輥會因疲勞損壞與膠帶直接摩擦生熱，停機(jī)時(shí)灼傷甚至點(diǎn)燃膠帶而釀成火災(zāi)。在高風(fēng)險(xiǎn)的礦區(qū)環(huán)境下，數(shù)字化礦山的建設(shè)尤其是巡檢機(jī)器人的應(yīng)用對于保障人員安全減輕工作負(fù)擔(dān)具有重要意義。

1 巡檢機(jī)器人研究現(xiàn)狀

巡檢機(jī)器人在國外的研究始于20 世紀(jì)80 年代，主要集中在日本、美國、加拿大等具有良好工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的國家。在日本，sawada[5]于1991 年發(fā)表的文章中描述了一種輸電線巡檢機(jī)器人，利用架設(shè)在輸電線上方的地線對巡檢機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航，并利用弧形機(jī)械臂完成越障動(dòng)作；此后，日本在巡檢機(jī)器人的視覺識別、定位導(dǎo)航技術(shù)方面的研究獲得顯著成果[6-7]。21 世紀(jì)初，加拿大魁北克水電研究中心研制的LineScout[8]巡檢機(jī)器人采用爪臂等結(jié)構(gòu)能夠跨越巡檢線路上間隔器、防振錘等障礙，并載有可見光和紅外視頻檢測器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；此外，巴西圣保羅大學(xué)研制了用于檢測變電站內(nèi)熱點(diǎn)的巡檢機(jī)器人，該巡檢機(jī)器人通過攜帶的紅外攝像機(jī)沿著架設(shè)在高空的軌道鋼纜進(jìn)行巡檢[9]。

巡檢機(jī)器人在國內(nèi)的研究起步于20 世紀(jì)90 年代，研究機(jī)構(gòu)數(shù)量少，多集中在電力設(shè)備安全維護(hù)方面。國網(wǎng)山東電力科學(xué)研究院及其下屬單位率先開展變電站巡檢機(jī)器人的研究，并于2004 年研制出第一臺功能樣機(jī)[10-11]；2012 年，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制出軌道式巡檢機(jī)器人，可在極端天氣下全天候執(zhí)行巡檢任務(wù)[12]。浙江國自機(jī)器人技術(shù)公司[13]獨(dú)立研發(fā)的輪式巡檢機(jī)器人搭載先進(jìn)傳感設(shè)備，能在復(fù)雜的環(huán)境下執(zhí)行巡檢任務(wù)，擁有國產(chǎn)機(jī)器人技術(shù)研發(fā)的較高水準(zhǔn)。此外，由國家電網(wǎng)主導(dǎo)的已經(jīng)投入使用的SmartGuard[14]巡檢機(jī)器人采用了磁軌結(jié)合RFID 導(dǎo)航方式，增加了機(jī)器人巡檢運(yùn)行的穩(wěn)定性。

隨著國內(nèi)巡檢機(jī)器人技術(shù)研究的深入，巡檢機(jī)器人的應(yīng)用也不在局限于電力能源產(chǎn)業(yè)。中信重工[15]針對煤礦井下水泵房研制了一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的巡檢機(jī)器人，能應(yīng)用在空間狹窄的礦井中，通過搭載各類傳感器及攝像裝置實(shí)現(xiàn)泵房全方位監(jiān)控；中煤科工集團(tuán)譚棟才設(shè)計(jì)的集多種檢測技術(shù)于一體的大型礦用帶式輸送機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)[16]，在一定程度上更新了煤炭行業(yè)帶式輸送機(jī)電氣控制技術(shù)規(guī)范，但視頻監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集設(shè)備布置分散，并未形成集多類傳感器、視頻監(jiān)控器于一體的巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式，在基礎(chǔ)設(shè)備的布置上投入較大；陸文濤等[17]針對煤礦輸送機(jī)研發(fā)了一種具有全面監(jiān)控功能的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，在一定程度上減少了監(jiān)測設(shè)備的數(shù)量；為應(yīng)對露天煤礦嚴(yán)酷的環(huán)境條件，龔桂榮[18]在分析帶式輸送機(jī)常見故障原因后，研究設(shè)計(jì)了自驅(qū)動(dòng)式齒輪齒條傳動(dòng)巡檢機(jī)器人，經(jīng)過樣機(jī)調(diào)試和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

綜上可知，目前巡檢機(jī)器人的研究不僅僅局限在電力行業(yè)中，在礦山方面的研究與應(yīng)用也處于高速發(fā)展期。該技術(shù)的運(yùn)用將極大提高礦山資源運(yùn)輸?shù)陌踩禂?shù)，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。

2 巡檢系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該巡檢機(jī)器人通過裝載的高清攝像裝置、紅外熱成像、以及拾音傳感器組模塊完成對帶式輸送機(jī)運(yùn)行設(shè)備關(guān)鍵信息的檢測。數(shù)據(jù)采集模塊將收集到的信息通過無線AP 與5G 基站橋接，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的無線通訊功能，最終通過構(gòu)建的工業(yè)環(huán)網(wǎng)將處理過的信息傳輸至上位機(jī)終端，并實(shí)現(xiàn)組態(tài)界面集中展示，機(jī)器人系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)形式

為滿足不同的工業(yè)需求，巡檢機(jī)器人在整體外形構(gòu)造及運(yùn)行方式多種多樣。就目前研究而言，應(yīng)用于礦山及電力能源行業(yè)的巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)構(gòu)造包含輪式、履帶式、軌道式、以及懸系式4 種形式。輪式機(jī)器人具有移動(dòng)靈活、行動(dòng)高效的特點(diǎn)，多應(yīng)用于礦山探測、電力巡檢以及醫(yī)療衛(wèi)生等；軌道式巡檢機(jī)器人可在指定的軌道上運(yùn)行，在長距離、固定的監(jiān)測對象使用場景下，擁有較高的可靠性且不易受外界影響，適用于煤礦帶式輸送機(jī)的巡檢工作。巡檢運(yùn)行軌道采用含滑觸線的“H”型鋼導(dǎo)軌，可進(jìn)行拼接，并可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計(jì)彎曲度和坡度，轉(zhuǎn)彎半徑小于1 m，承載重量大于80 kg，其中軌道及配件材質(zhì)具有防銹、防腐蝕性。

機(jī)器人主機(jī)外殼采用防腐設(shè)計(jì)，涂有保護(hù)涂層，外表光潔、均勻，無傷痕、毛刺等缺陷，并具有防靜電和電磁干擾功能，能夠達(dá)到IP65 防護(hù)等級以上。

2.3 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人的供電采用分布式供電站為滑觸導(dǎo)軌進(jìn)行供電，機(jī)器人連接受電弓通過滑觸導(dǎo)軌取電。機(jī)器人內(nèi)部帶有備用電池（不低于20 Ah）系統(tǒng)，當(dāng)外部供電異常時(shí)可緊急切換為內(nèi)部供電，使用電池系統(tǒng)返回初始位置，可保證2 h 獨(dú)立運(yùn)行。目前巡檢機(jī)器人常用的電池種類主要有鋰電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘電池。系統(tǒng)使用的鋰離子電池具有質(zhì)量輕、儲能高的特性，極大地減輕體積和重量給機(jī)器人帶來的負(fù)擔(dān)，在24 V 的電壓下，理論充電時(shí)間3 h，可在-40～80 ℃溫度范圍內(nèi)正常供電。

在電池內(nèi)部供電系統(tǒng)中，由于其供電線路短，布線相對簡便，因此可用集中式供電方式進(jìn)行供電，由于不同設(shè)備所需電壓不同，通過變壓裝置將電源電壓轉(zhuǎn)換為合適的電壓，巡檢機(jī)器人電源供電圖如圖2。

圖2 巡檢機(jī)器人電源供電圖

2.4 基于RFID 巡檢定位

巡檢機(jī)器人依靠內(nèi)置的定位系統(tǒng)獲取其具體位置信息，通過導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人循跡。磁引導(dǎo)方式基礎(chǔ)構(gòu)建復(fù)雜工作量大，不適用于野外巡檢；GPS 引導(dǎo)易受磁場干擾，無法保持高精度定位巡檢；機(jī)器人定位方式多種多樣，且定位精度和構(gòu)建難以程度也高低不一，定位方式的精度與構(gòu)建難以程度對比如圖3。

在本系統(tǒng)采用的RFID 無源電子標(biāo)簽定位方式不僅易于規(guī)?；瘶?gòu)建，且具有較高的定位精度，能夠很好地應(yīng)用在帶式輸送機(jī)巡檢任務(wù)中，巡檢機(jī)器人定位原理如圖4。

裝載在巡檢機(jī)器人中的信號讀取器發(fā)射射頻信號，信號范圍內(nèi)的無源電子標(biāo)簽獲取射頻信號后被激活，并將存儲在內(nèi)部的編碼信息通過內(nèi)置天線發(fā)射至讀取器，經(jīng)過讀取器內(nèi)部的邏輯控制模塊對信息進(jìn)行處理后獲取標(biāo)簽的位置信息，最終將解碼的定位信息通過無線傳輸至上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的定位。

圖3 定位方式的精度與構(gòu)建難以程度對比

圖4 巡檢機(jī)器人定位原理

2.5 故障檢測識別

巡檢機(jī)器人通過搭載的各類傳感器及攝像裝置完成巡檢過程的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，主要使用的傳感器包括紅外傳感器、高清攝像頭以及獲取聲音信號的拾音頭等。在獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后通過相應(yīng)處理技術(shù)獲取故障信息并做出預(yù)警。

1）圖像信息獲取。攝像機(jī)和紅外攝像裝置是巡檢機(jī)器人獲取外界信息的重要裝置。為獲取不同工況下的高清視頻圖像，攝像機(jī)具備如下性能[19]：①攝像機(jī)放大器具有較寬的增益調(diào)節(jié)范圍，根據(jù)不同光亮條件下自動(dòng)調(diào)整圖像信號輸出，從而獲取優(yōu)質(zhì)圖像信息；②在拍攝過程中，在背光條件下進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，保證持續(xù)獲取高質(zhì)量圖像信號；③利用防抖技術(shù)避免巡檢過程中因晃動(dòng)而造成的圖像模糊跳動(dòng)的現(xiàn)象。所選的可見光攝像頭具有30 倍最小光學(xué)變焦，分辨率1 080 px，視頻幀數(shù)大于25 fps，具備夜視功能。此外，為滿足露天煤礦惡劣環(huán)境下的工作要求，攝像裝置可在溫度范圍-40～80 ℃，濕度0～100%RH 的條件下正常運(yùn)行。

2）故障音頻獲取。帶式輸送機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)所發(fā)出的噪音與異常運(yùn)行狀態(tài)的噪音有著較大區(qū)別。通過拾音傳感器獲取帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行時(shí)所發(fā)出的噪聲，將獲取的噪聲信息轉(zhuǎn)換為頻譜信息，對比存儲的正常狀態(tài)下的頻譜樣本，從而獲取故障信息并發(fā)出預(yù)警。為滿足工業(yè)現(xiàn)場需要，拾音傳感器支持采樣頻率范圍為100～20 000 Hz，最高可達(dá)48 kHz，可在-40～80 ℃溫度范圍下正常工作。

3）紅外測溫。帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中，諸如托輥等關(guān)鍵設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)生成大量熱能，局部溫度快速上升產(chǎn)生自燃現(xiàn)象。高清攝像頭和拾音設(shè)備無法獲取溫度信息，依靠人力定點(diǎn)測溫也失去巡檢機(jī)器人的意義。系統(tǒng)通過加裝的紅外熱成像設(shè)備，實(shí)現(xiàn)巡檢線路上帶式輸送機(jī)托輥溫度的實(shí)時(shí)檢測，利用組態(tài)界面展示溫度畫面以及溫升曲線。此外，通過設(shè)定溫度閾值，限定溫度報(bào)警條件，實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警。

3 主要功能特點(diǎn)

巡檢機(jī)器人主要功能特點(diǎn)如圖5。

圖5 巡檢機(jī)器人主要功能特點(diǎn)

1）設(shè)備狀態(tài)智能巡檢功能。巡檢機(jī)器人具有全自動(dòng)、遙控、就地3 種控制模式。全自動(dòng)巡檢方式下機(jī)器人不僅可完成常規(guī)巡檢，也可根據(jù)制定的目標(biāo)執(zhí)行巡視任務(wù)；遙控巡檢模式下可通過專用操作臺遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人完成巡視工作，并完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和存儲。就地控制模式下可通過移動(dòng)終端操作，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，為工作人員提供故障判斷依據(jù)。

2）設(shè)備狀態(tài)檢測功能。膠帶沿線標(biāo)注坐標(biāo)，巡檢機(jī)器人可實(shí)時(shí)監(jiān)測上下托輥，獲取現(xiàn)場的高清視頻圖像、紅外測溫圖像、環(huán)境溫濕度、沿線托輥溫度、運(yùn)行狀態(tài)、托輥聲音等信號并發(fā)送至上位機(jī)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，巡檢機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)并向上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信息和坐標(biāo)位置。

3）機(jī)器人智能供電功能。采用分布式供電站配合鋰電池組供電方式，分布式供電站在軌道沿線對軌道進(jìn)行供電，通過檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)對供電狀態(tài)進(jìn)行檢測，具備安全可靠特性。機(jī)器人供電狀態(tài)可實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)，確保機(jī)器人供電正常，能量充足，運(yùn)行可靠。

4）機(jī)器人自檢功能。巡檢機(jī)器人具備對自身電源、驅(qū)動(dòng)器、通信及控制系統(tǒng)工作裝填自檢功能，故障發(fā)生時(shí)發(fā)出報(bào)警，并向操控中心發(fā)送故障類型、停機(jī)位置信息。

5）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信功能。巡檢機(jī)器人綜合運(yùn)用有線與無線2 種信號傳輸模式，檢測后端和機(jī)器人控制器之間利用有線通信方式，并以無線通信形式完成機(jī)器人主體和控制器之間的網(wǎng)絡(luò)通信。

6）機(jī)器人雙重限位功能：機(jī)器人具有雙重限位功能，軌道起始及末尾位置安裝有固定式機(jī)械限位，機(jī)器人安裝有限位開關(guān)，機(jī)器人接近機(jī)械限位時(shí)優(yōu)先進(jìn)行保護(hù)。

4 應(yīng)用問題

1）電池能源設(shè)計(jì)。鋰電池極易受環(huán)境氣溫影響。西北地區(qū)煤礦使用的巡檢機(jī)器人受冬季嚴(yán)寒影響，其巡航時(shí)間大大低于電池平均續(xù)航時(shí)間，且充電時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)充電時(shí)長。帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人在20～36 ℃下的平均續(xù)航時(shí)間為10 h[20]，但在實(shí)際的使用中，其冬季續(xù)航時(shí)間不足6 h。因此，巡檢機(jī)器人能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要充分考慮使用地的環(huán)境條件，通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，應(yīng)對極端天氣的影響。

2）結(jié)構(gòu)與性能。多數(shù)巡檢機(jī)器人采用殼體內(nèi)嵌傳感器的構(gòu)造形態(tài)，在礦山運(yùn)行的機(jī)器人為防止煤塵進(jìn)入機(jī)體內(nèi)，其外殼密封性較好，但良好的密封性也造成散熱性的缺失。在高溫環(huán)境下，搭載多種傳感器及電源系統(tǒng)的巡檢機(jī)器人內(nèi)部產(chǎn)生的熱量可能使殼體內(nèi)部溫度高達(dá)70～80 ℃。因此，防塵與散熱性能的平衡是機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考量的重要一項(xiàng)。

3）音頻采集。設(shè)備在不同的運(yùn)行狀態(tài)下會產(chǎn)生不同的噪聲。實(shí)際應(yīng)用場景音源雜亂，采集的聲音除設(shè)備自身噪音外還包括自然環(huán)境、工作人員及動(dòng)物所發(fā)出的聲響，很難保證聲信號的“純凈性”。因此，在音頻數(shù)據(jù)采集過程中，排除雜音干擾也是提高檢測設(shè)備診斷準(zhǔn)確率的重要保障。

5 結(jié)語

1）數(shù)據(jù)是設(shè)備故障監(jiān)測識別研究的基礎(chǔ)，規(guī)劃和構(gòu)建大數(shù)據(jù)庫對露天煤礦設(shè)備故障識別、故障演化推理以及后續(xù)的科學(xué)研究具有重要戰(zhàn)略意義。通過巡檢機(jī)器人獲取到的礦山設(shè)備數(shù)據(jù)具有多元化、碎片化特點(diǎn)，為提高采集數(shù)據(jù)的可靠性，可對多源信號的采樣規(guī)則、維度轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)規(guī)整算法開展研究，提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2）利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)構(gòu)建故障診斷模型是實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用的必要途徑。巡檢機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)具有量大、多源以及持續(xù)性的特點(diǎn)，為故障診斷模型構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過樣本的反復(fù)訓(xùn)練，最終可以獲取適用于帶式輸送機(jī)各項(xiàng)故障現(xiàn)象的高精度分類模型。

3）5G 技術(shù)作為新一代的通信技術(shù)演進(jìn)升級的重要方向，將成為現(xiàn)代工業(yè)、礦山開采業(yè)未來發(fā)展的基本通訊保障。5G 技術(shù)憑借超高寬帶、極低時(shí)延優(yōu)勢融入巡檢機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)中，可以解決因網(wǎng)絡(luò)帶寬問題帶來的視頻丟幀卡頓以及通訊延遲問題，極大地提高巡檢機(jī)器人信號傳輸效率和質(zhì)量。擴(kuò)大5G 應(yīng)用規(guī)模，深化5G+巡檢機(jī)器人技術(shù)融合能夠保障礦山巡檢體系高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，為數(shù)字化礦山的發(fā)展奠定廣闊空間。