基于AI分析的礦用智能巡檢裝置設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)①

□□ 鄭俊華，劉永鋒,李棟慶 (.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006；.山西科達(dá)自控股份有限公司，山西 太原 030006)

引言

煤炭是我國重要的能源材料，供應(yīng)了我國70%以上的工業(yè)動(dòng)力和燃料以及化工原料。煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展直接影響著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但是煤礦的作業(yè)環(huán)境惡劣復(fù)雜，存在著瓦斯、水、火等災(zāi)害隱患，一旦發(fā)生災(zāi)害必將造成巨大損失。煤礦的智能化程度低，大量在地面上應(yīng)用成熟的技術(shù)無法在井下使用，造成煤礦的生產(chǎn)效率低[1-3]。煤礦事故的發(fā)生嚴(yán)重威脅著煤礦工作者的生命安全，使得人們?cè)絹碓疥P(guān)注煤礦生產(chǎn)安全和煤礦的預(yù)警能力，對(duì)自動(dòng)化程度的要求越來越高。國家也提倡無人值守，以便提高煤礦的生產(chǎn)率，減少人員傷亡[4-6]。

目前水泵房、變電所、大型輸送帶輸送機(jī)巷道等場(chǎng)所的巡視和檢修工作大部分是依靠人工定時(shí)檢查、駐點(diǎn)值守，而這些場(chǎng)所環(huán)境復(fù)雜、空間狹小、積水情況常見，對(duì)人工巡視造成非常大的阻礙和干擾；人工巡檢容易受到個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、情緒、主觀意識(shí)的影響，同時(shí)受到監(jiān)測(cè)手段、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析方面的制約，通?；ㄙM(fèi)大量的人力不能得到有效的數(shù)據(jù)，且得到的數(shù)據(jù)難以形成系統(tǒng)性結(jié)果，參考意義不高；當(dāng)設(shè)備有問題不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致?lián)p害擴(kuò)大化；另一方面在復(fù)雜的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境下多人多頻次巡檢也會(huì)增加人員人身安全的不確定性[7-10]。若現(xiàn)場(chǎng)人員的巡檢任務(wù)能由機(jī)器人代替，則可大大減輕生產(chǎn)的安全壓力，不僅排除了“人”這一環(huán)節(jié)的安全問題，同時(shí)也可保證其他環(huán)節(jié)處于安全狀態(tài)。

針對(duì)上述問題，提出了設(shè)計(jì)一種基于AI分析的礦用智能巡檢裝置，該裝置可自由設(shè)定和改變機(jī)器人的運(yùn)行路線及運(yùn)行速度，確保其能夠進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行環(huán)境勘測(cè)、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理，使用靈活方便，使企業(yè)的巡檢過程進(jìn)入智能化。

1 系統(tǒng)功能

礦用智能巡檢裝置主要包括礦用巡檢裝置主機(jī)、礦用隔爆兼本安型充電樁、礦用無線通訊系統(tǒng)、調(diào)度平臺(tái)軟件和運(yùn)行軌道。其中，巡檢機(jī)器人搭載多傳感器對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行全天候巡檢監(jiān)控，替代人工完成巡檢、探測(cè)、監(jiān)控、故障診斷與預(yù)警報(bào)警任務(wù)。同時(shí)，所有采集數(shù)據(jù)與報(bào)警數(shù)據(jù)通過無線基站網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。

基于AI分析的礦用智能巡檢裝置包括：1臺(tái)巡檢主機(jī)，2臺(tái)礦用隔爆兼本安型充電樁分別安裝在首端，1臺(tái)礦用隔爆兼本安型無線通訊基站，1套上位機(jī)調(diào)度軟件，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 組成結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

礦用智能巡檢裝置的硬件包括：機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)

機(jī)器人采用經(jīng)過防爆改造的伺服電機(jī)作為動(dòng)力。單片機(jī)作為驅(qū)動(dòng)控制單元，控制巡檢小車本體運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)電量、速度、位置、功耗、溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)(實(shí)時(shí))檢測(cè)。同時(shí)，ARM主控板對(duì)電機(jī)狀態(tài)可自動(dòng)核算與修正，具有動(dòng)態(tài)控制特性。

2.2 定位系統(tǒng)

通過對(duì)運(yùn)行時(shí)間、編碼器、校正器的數(shù)據(jù)進(jìn)行混合計(jì)算，并結(jié)合電磁感應(yīng)、光電感應(yīng)數(shù)據(jù)、視頻AI識(shí)別數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)巡檢位置的準(zhǔn)確定位?？筛鶕?jù)上位機(jī)預(yù)先設(shè)定或臨時(shí)手動(dòng)設(shè)定的位置要求，執(zhí)行快速到位與定點(diǎn)巡檢工作。

2.3 供電系統(tǒng)

巡檢裝置采用鋰電池供電，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身電量并上傳電池電量信息，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池電量低于某一極限值時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)停止巡檢工作，返回就近的充電站充電。該供電系統(tǒng)通過靈活創(chuàng)新應(yīng)用本安防爆技術(shù)，解決了長(zhǎng)距離防爆巡檢裝置的電池質(zhì)量大、設(shè)備爬坡動(dòng)力不足的問題。

2.4 通訊系統(tǒng)

巡檢裝置機(jī)載的視頻和數(shù)據(jù)通過內(nèi)置無線網(wǎng)橋統(tǒng)一傳輸，在巡檢沿線墻壁上安裝礦用本安型通信基站，通過高增益定向天線對(duì)巡檢沿線進(jìn)行無線信號(hào)覆蓋，單基站覆蓋范圍可以達(dá)到200 m。借鑒航空、地鐵等行業(yè)的前沿技術(shù)，巡檢機(jī)器人無線通信設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)在基站間流暢地自動(dòng)切換。

2.5 控制系統(tǒng)

搭載高性能ARM核心芯片，巡檢機(jī)器人可根據(jù)上位機(jī)指令要求，實(shí)現(xiàn)自主巡檢和遠(yuǎn)程手動(dòng)操作兩種模式。在手動(dòng)運(yùn)行模式下，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)調(diào)速，快速到達(dá)預(yù)定巡檢點(diǎn)；自主巡檢模式下，機(jī)器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)速度和關(guān)鍵巡檢位置，定時(shí)自主行走巡檢，同時(shí)具有故障自檢功能。

2.6 自主充電設(shè)備設(shè)計(jì)

該巡檢裝置可自動(dòng)到位充電，采用可靠的接觸式充電方式，充電設(shè)備符合本質(zhì)安全性要求。巡檢裝置進(jìn)入充電站前，二者開始進(jìn)行狀態(tài)自檢、信息交互與邏輯判定，同時(shí)對(duì)攝像頭進(jìn)行清潔。二者判定狀態(tài)正確后，分別打開對(duì)接插頭的防護(hù)艙門并開始插頭對(duì)接，檢驗(yàn)插頭對(duì)接到位后，切換為充電回路，設(shè)備開始充電，電池充滿后自動(dòng)斷電保護(hù)，準(zhǔn)備下次巡檢任務(wù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

巡檢裝置的智能視頻算法，引入深度學(xué)習(xí)、AI、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器感知、計(jì)算機(jī)視覺和語音識(shí)別技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的設(shè)備數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、聲音、圖像等內(nèi)容進(jìn)行自主學(xué)習(xí)及綜合性的數(shù)據(jù)挖掘分析。對(duì)設(shè)備及環(huán)境因素形成趨勢(shì)分析預(yù)判，當(dāng)上述因素發(fā)生異常時(shí)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)可以根據(jù)趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)形成預(yù)警，保證安全，防止事故的發(fā)生。

通過軟件的設(shè)計(jì)，巡檢機(jī)器人在運(yùn)行軌道上自動(dòng)往復(fù)移動(dòng)，實(shí)時(shí)采集監(jiān)控通道內(nèi)皮帶機(jī)設(shè)備、環(huán)境、運(yùn)行狀況等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)故障就地報(bào)警。把采集的數(shù)據(jù)及報(bào)警數(shù)據(jù)通過無線基站網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果如圖2所示，機(jī)器人報(bào)警數(shù)據(jù)能夠顯示系統(tǒng)故障、參數(shù)故障、欠壓報(bào)警、過壓報(bào)警、峰值電流警告、位置偏差報(bào)警、編碼器報(bào)警、速度偏差報(bào)警、功率模塊溫度警告、功率模塊溫度報(bào)警、速度超限報(bào)警、Flash故障、電流偏差值故障的報(bào)警內(nèi)容。機(jī)器人參數(shù)能夠顯示當(dāng)前環(huán)境溫度、電池電流、機(jī)器人電壓、運(yùn)行速度以及當(dāng)前環(huán)境中O2、CH4、H2S、CO等氣體濃度。機(jī)器人AI分析功能，能夠分析皮帶的運(yùn)行情況、有無煤、下井人員是否帶安全帽等。

圖2 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

巡檢裝置主機(jī)能夠沿安裝軌道作往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)巡檢系統(tǒng)的采集與就地報(bào)警功能。在主控制板的控制下，巡檢主機(jī)能夠通過搭載各種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在環(huán)境狀況中執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測(cè)功能(實(shí)時(shí)對(duì)刀閘開合狀態(tài)、運(yùn)行指示燈、儀表狀態(tài)、煙火、溫度高低進(jìn)行監(jiān)測(cè))，具有視頻采集能力；測(cè)量數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)上報(bào)；具有無線通訊功能，利用搭載的智能視頻分析算法完全可以實(shí)現(xiàn)無人值守，在軌道兩端分別設(shè)有1臺(tái)巡檢裝置充電站，采用可靠的接觸式充電，充電設(shè)備符合礦用隔爆兼本安型要求，用于向I類礦用本質(zhì)安全型設(shè)備供電。該充電站具有設(shè)備導(dǎo)向裝置、攝像機(jī)擦拭裝置、充電狀態(tài)檢測(cè)與過充保護(hù)模組。本安型通訊基站用于井下網(wǎng)絡(luò)組建、本安設(shè)計(jì)，適用于井下各類地域。通過煤礦企業(yè)一定時(shí)間的運(yùn)行表明，該裝置能夠穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的意義。