呂紅偉

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)華越機(jī)械有限公司，山西陽(yáng)泉 045000）

0 引言

礦山機(jī)械的發(fā)展帶動(dòng)了運(yùn)輸機(jī)械的更新?lián)Q代，煤礦智能化的發(fā)展趨勢(shì)明顯。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜惡劣[1]，目前世界一流礦井的重要標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)人化值守，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化、自動(dòng)化。如果主運(yùn)輸煤流系統(tǒng)可以自主實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，則可以大大減緩煤礦生產(chǎn)的安全壓力。很多學(xué)者都對(duì)巡檢方面進(jìn)行過(guò)深入研究，主要研究方向包括對(duì)于巡檢用的各類傳感器和溫度、環(huán)境、壓力、濃度等進(jìn)行檢測(cè)，有學(xué)者研究了無(wú)人值守自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的工作原理和關(guān)鍵問(wèn)題，但是大多研究是基于遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)的，并未對(duì)自動(dòng)巡檢技術(shù)進(jìn)行深入研究[2]。

煤礦主斜井帶式輸送機(jī)具有長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、大傾角等特點(diǎn)，運(yùn)行中托輥等零部件極容易發(fā)生故障，不但會(huì)影響煤礦安全生產(chǎn)，同時(shí)會(huì)給工作人員帶來(lái)極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，并可能會(huì)造成次生事故[3]，給煤礦帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。本文設(shè)計(jì)的礦用巡檢系統(tǒng)可以有效緩解上述問(wèn)題，促進(jìn)智慧礦山的進(jìn)一步發(fā)展[4]。

1 帶式輸送機(jī)巡檢關(guān)鍵技術(shù)整體方案

本文設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)智能巡檢系統(tǒng)以巡檢故障率較高的零部件為基礎(chǔ)，包括巡檢設(shè)備主體、充電樁、通信局域網(wǎng)、掛軌、除塵清掃裝置、各類傳感器以及管理運(yùn)營(yíng)平臺(tái)等（圖1）。傳感器的作用是對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分析，主要包括礦井煙霧信息濃度、溫度指標(biāo)、氣體等。巡檢設(shè)備充電后，將數(shù)據(jù)經(jīng)由無(wú)線傳輸至管理服務(wù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)將巡檢設(shè)備記錄的運(yùn)行情況反饋，并對(duì)電機(jī)、托輥、皮帶等零部件的異常狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，同時(shí)能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

圖1 系統(tǒng)整體框架

結(jié)合帶式輸送機(jī)運(yùn)輸特點(diǎn)，巡檢設(shè)備以本安型為基準(zhǔn)，主要為了提高運(yùn)行里程，輕化自身重量，且便于與充電樁進(jìn)行匹配，解決了充電難的問(wèn)題。在煤料運(yùn)輸過(guò)程，會(huì)有很多雜質(zhì)附著在設(shè)備外表面，可以在非行人側(cè)安裝除塵裝置。實(shí)時(shí)信息采集會(huì)有數(shù)據(jù)海量的情況，所以網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用無(wú)線控制器，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度要滿足大于50 dB 的要求，以提高整個(gè)覆蓋面。無(wú)線基站由控制器連接到光纖上進(jìn)行集中管理。如果控制器不能正常工作，需要將無(wú)線基站設(shè)定為單獨(dú)運(yùn)營(yíng)模式，確保網(wǎng)絡(luò)暢通。

2 托輥故障識(shí)別和異常工況識(shí)別

本文基于信號(hào)時(shí)頻分析方法，能夠有效將周圍噪聲進(jìn)行分散緩解，故提出了基于聲壓及聲品質(zhì)分析的帶式輸送機(jī)托輥故障識(shí)別方法。巡檢設(shè)備在聲音傳感器的帶動(dòng)下，收集來(lái)自多個(gè)托輥的音頻數(shù)據(jù)，利用噪聲分析軟件求解1/3 倍頻程譜及聲品質(zhì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)以聲音識(shí)別的方式對(duì)托輥故障進(jìn)行巡檢診斷。

隨著工作環(huán)境的不斷改變，需要對(duì)各種工況進(jìn)行識(shí)別監(jiān)測(cè)。本巡檢系統(tǒng)結(jié)合深度學(xué)習(xí)的視頻技術(shù)，利用高清采集視頻圖像，以高像素?cái)z像機(jī)巡檢周邊工況。針對(duì)粉塵不是很多的場(chǎng)景，可以借助普通濾波器；若粉塵比較密集，則可以使用暗通道先驗(yàn)去霧算法通過(guò)對(duì)比度增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)視頻去霧。在統(tǒng)一算法框架中融合圖像去粉塵、去霧和光照均衡化，增強(qiáng)成像的清晰度和對(duì)比度。

對(duì)于煤礦井下需要成像的要素，如異物、煤流等引起的皮帶損傷、井下人員安全和運(yùn)行均衡速度等，一般在成像中不明顯，所以本文提出了基于目標(biāo)輪廓先驗(yàn)知識(shí)，采用候選區(qū)域生成方法，結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，完成異常工況的視頻識(shí)別，這種識(shí)別方法具有一定的非顯著性。

3 自動(dòng)巡檢機(jī)械設(shè)備核心控制

自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的核心控制主要由核心板與控制主板構(gòu)成，兩個(gè)部件協(xié)同配合。主板采用STM32F4 型處理器，核心板采用RK3399 型處理器，能夠運(yùn)算處理成像視頻、圖片，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)采集到的溫度、電量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)計(jì)算，關(guān)聯(lián)WiFi、5G 等通信方式。

在外設(shè)組件中，驅(qū)動(dòng)板和電機(jī)、減速剎車器、編碼器共同構(gòu)成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，編碼器的作用是定位巡檢機(jī)械結(jié)構(gòu)的位置，可以求解行走總里程。RFID 標(biāo)簽用來(lái)向讀寫器識(shí)別位置，驗(yàn)證校對(duì)里程。巡檢行走機(jī)構(gòu)前、后均安裝有測(cè)距傳感器，用于避障。氣體傳感器用于檢測(cè)一氧化碳等有毒氣體的含量，能夠?qū)z測(cè)結(jié)果通過(guò)通信接口上傳到巡檢系統(tǒng)?；鹧?zhèn)鞲衅鞯淖饔檬菍⒖赡芑蛞呀?jīng)發(fā)生的著火事故信息發(fā)送給控制器中。氣體和火焰自動(dòng)巡檢故障指標(biāo)如表1 所示。設(shè)備設(shè)有急停開(kāi)關(guān)，用于在突發(fā)事故發(fā)生時(shí)將電源鎖死。充電樁位置由到位開(kāi)關(guān)控制。

表1 氣體和火焰自動(dòng)巡檢故障指標(biāo)

充電樁的控制部位采用嵌入式ARM 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同充電距離的監(jiān)測(cè)感應(yīng)，自主調(diào)節(jié)負(fù)載。后臺(tái)通信部分通過(guò)以太網(wǎng)接口和充電樁相連。為滿足小數(shù)據(jù)的傳輸，增加了低頻傳輸模組。充電樁內(nèi)外均設(shè)有溫度傳感器，同時(shí)在內(nèi)部安裝有防水系統(tǒng)，保護(hù)充電樁不受潮濕環(huán)境影響。

巡檢控制系統(tǒng)除塵清掃裝置的工作原理是，對(duì)聚集堆積在設(shè)備外表殼煤灰進(jìn)行高壓噴水、吹氣。除塵裝置內(nèi)部包含有增壓水泵進(jìn)行清洗，之后進(jìn)行快速干燥，此時(shí)通過(guò)氣泵增大空氣流通循環(huán)度快速吹吸，在熱風(fēng)的作用下持續(xù)干燥。同時(shí)采用電磁閥作為吹氣閥門防止氣泄漏。除塵時(shí)長(zhǎng)由管理后臺(tái)設(shè)置，除塵器的開(kāi)啟和關(guān)閉由充電樁控制。

4 視頻智能分析系統(tǒng)

本文提出的自動(dòng)巡檢智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)在關(guān)鍵區(qū)域，如機(jī)頭機(jī)尾、工人作業(yè)段和行人側(cè)、張緊部位均安裝監(jiān)控系統(tǒng)，形成視頻分析平臺(tái)，主要用于監(jiān)測(cè)整個(gè)過(guò)程出現(xiàn)的跑偏、異物卡頓、堆煤等現(xiàn)象。視頻監(jiān)控能有效對(duì)煤層厚度和煤流運(yùn)輸狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立有效、合理的調(diào)速策略，實(shí)現(xiàn)基于視頻自適應(yīng)識(shí)別的調(diào)速控制等功能。

以鋼絲繩芯輸送帶為例，在機(jī)頭部位安裝視頻監(jiān)控和高度成像裝置，用于輸送帶異物檢測(cè)、帶面故障識(shí)別、滾筒部位溫度檢測(cè)等，圖2 為針對(duì)鋼絲繩芯輸送帶的巡視畫面。

圖2 輸送帶透視圖像

通過(guò)巡檢系統(tǒng)監(jiān)控到的鋼繩芯輸送帶圖像預(yù)測(cè)其剩余壽命，基于視頻的在線檢測(cè)可以對(duì)斷帶接頭異常故障進(jìn)行預(yù)測(cè)、掃描，檢測(cè)接頭、膠帶的腐蝕情況，并為后續(xù)維修工作提供可靠的圖像數(shù)據(jù)。

5 快速充電與除塵系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的充電方式為無(wú)線充電。在進(jìn)入巡檢的初始階段，先斷開(kāi)接收設(shè)備處，充電樁與巡檢機(jī)構(gòu)的通過(guò)LoRa 方式進(jìn)行通信，充電條件是設(shè)定閾值高于現(xiàn)存電量，閾值是界定巡檢機(jī)構(gòu)運(yùn)行或返航的分界線。巡檢機(jī)構(gòu)設(shè)有到位開(kāi)關(guān)，充電樁的相應(yīng)位置設(shè)有監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)兩者相遇時(shí)到位開(kāi)關(guān)打開(kāi)，與無(wú)線充電的接收端進(jìn)行連接，充電樁會(huì)接收充電信息，巡檢機(jī)構(gòu)將信息同時(shí)發(fā)送給后臺(tái)數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺(tái)。充電完畢后，充電樁得到開(kāi)關(guān)信號(hào)，斷開(kāi)接收端，巡檢機(jī)構(gòu)離開(kāi)充電樁繼續(xù)巡檢工作。

6 后臺(tái)管理運(yùn)營(yíng)平臺(tái)

后臺(tái)管理系統(tǒng)主要是服務(wù)器，它與地面交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接，地面與礦井之間通過(guò)光纖連接，并通過(guò)礦用交換機(jī)與基站連接。若基站數(shù)量大于等于1，則用無(wú)線漫游的形式，基站作為中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，巡檢機(jī)器人可在上面進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸交互，運(yùn)營(yíng)后臺(tái)則用于輸出控制視頻與狀態(tài)信息，包括通信、文件與計(jì)算服務(wù)等。

后臺(tái)管理系統(tǒng)可以顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)例如某一時(shí)刻下巡檢機(jī)構(gòu)的電流、剩余電量、速度等參數(shù)，氣體含量、煙霧信息等環(huán)境信息，以及零部件的振動(dòng)和聲音等檢測(cè)狀態(tài)。遠(yuǎn)程巡檢后臺(tái)管理還包括對(duì)其運(yùn)行方向的操控，監(jiān)控角度旋轉(zhuǎn)、探測(cè)焦距、巡檢變速、停止、后退等。通過(guò)歷史信息查詢，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)托輥、電機(jī)等被檢設(shè)備的狀態(tài)變化曲線、異常音視頻、巡檢機(jī)器人的巡檢軌跡等的查詢?yōu)g覽。

7 結(jié)束語(yǔ)

智能自動(dòng)化巡檢關(guān)鍵技術(shù)集成了物理、電氣、機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，經(jīng)由傳感器搜集外部環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，利用先進(jìn)的視頻分析技術(shù)和大數(shù)據(jù)算法，做到充分利用設(shè)備性能。帶式輸送機(jī)巡檢裝備關(guān)鍵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全方位的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，提升巡檢效率和準(zhǔn)確性，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常情況的聯(lián)動(dòng)處理。