機(jī)器人在巡檢領(lǐng)域的應(yīng)用

霍成全

摘? 要：隨著礦山逐步轉(zhuǎn)入地下開采，開采環(huán)境隨之改變，采礦過程的安全與經(jīng)濟(jì)成為礦山要解決的重點(diǎn)問題，礦山面臨的市場(chǎng)形勢(shì)與技術(shù)變革壓力迫使礦山通過自動(dòng)化改造、數(shù)字化運(yùn)營(yíng)、智能化集控系統(tǒng)搭建實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

一、成果簡(jiǎn)介

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是直接應(yīng)用于企業(yè)設(shè)備管理的一項(xiàng)新技術(shù)，其在降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高企業(yè)設(shè)備運(yùn)行效率、減少非計(jì)劃停機(jī)、提升運(yùn)營(yíng)水平、提高企業(yè)現(xiàn)代化科學(xué)管理和數(shù)字化管理等方面發(fā)揮重要作用。在未來的生產(chǎn)與管理上也有此必要性和迫切性，實(shí)施巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是一項(xiàng)應(yīng)用價(jià)值很高的項(xiàng)目。

二、成果的產(chǎn)生背景

長(zhǎng)期以來，皮帶輸送系統(tǒng)和泵站的巡檢工作主要依靠人工進(jìn)行定時(shí)檢查、駐點(diǎn)值守。依靠人工檢查容易受到個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、主觀意識(shí)的影響，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)大量人力不能得到有效的數(shù)據(jù)結(jié)果。軌道式智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是一套結(jié)合人工智能、自動(dòng)控制、機(jī)器視覺、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的綜合性系統(tǒng)。該系統(tǒng)很好地解決了當(dāng)前人員只能進(jìn)行定時(shí)檢查、駐點(diǎn)值守的情況，避免復(fù)雜的環(huán)境、狹小的空間、噪音大、不安全因素等對(duì)人員巡檢的影響，檢視結(jié)果不受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和情緒、主觀意識(shí)的影響，不受監(jiān)測(cè)手段、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析方面的制約，最大程度提高安全性和對(duì)設(shè)備的保護(hù)能力。實(shí)現(xiàn)完整有效的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)有著重大意義，可為企業(yè)安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

三、成果的基本內(nèi)涵

巡檢系統(tǒng)的智能分析功能主要由計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)，在視頻分析和決策方面主要以深度學(xué)習(xí)為核心。

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一種方法，它源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并將人工智能推上了新的高度，在圖像、視頻、音頻等分析方面應(yīng)用廣泛。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿人類神經(jīng)系統(tǒng)，用于模式識(shí)別的算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這個(gè)術(shù)語來源于這些系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)背后的靈感，這些系統(tǒng)是用于模擬生物大腦自身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)，以便計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行特定的任務(wù)。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一類包含卷積計(jì)算且具有深度結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是深度學(xué)習(xí)的代表算法之一。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有表征學(xué)習(xí)能力，能夠按其階層結(jié)構(gòu)對(duì)輸入信息進(jìn)行平移不變分類。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決了傳統(tǒng)較深的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)太多，很難訓(xùn)練的問題，使用了“局部感受野”和“權(quán)植共享”的概念，大大減少了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的數(shù)量。

智能巡檢系統(tǒng)后臺(tái)引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)異常工況圖像進(jìn)行判斷。通過學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和表示層次，獲得信息實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的智能識(shí)別功能。隨著模型的迭代，數(shù)據(jù)閉環(huán)的形成，系統(tǒng)的識(shí)別精度會(huì)越來越高。

四、成果的具體實(shí)踐和主要做法

皮帶巡檢機(jī)器人的應(yīng)用

巡檢機(jī)器人主要由移動(dòng)巡檢平臺(tái)、無線通訊系統(tǒng)、充電裝置、各種信號(hào)采集設(shè)備和軌道系統(tǒng)組成。采用了先進(jìn)的無線充電、無線數(shù)傳等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在軌道自動(dòng)或手動(dòng)控制運(yùn)行，對(duì)整個(gè)軌跡內(nèi)的聲音、圖像、氣體等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、回傳、存儲(chǔ)及分析。

系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)無線終端，此終端支持802.11N標(biāo)準(zhǔn)的高性能、高帶寬、多功能工業(yè)級(jí)無線終端，該終端基于802.11N MIMO（多進(jìn)多出）技術(shù)，采用了2T2R的構(gòu)架，支持20/40MHz頻寬，最高物理層帶寬可達(dá)300Mbps。

機(jī)器人掛載雙光譜熱成像攝像機(jī)，用來識(shí)別皮帶機(jī)表面、托輥、電機(jī)表面、減速機(jī)表面、橋架、電纜等溫度情況。與傳統(tǒng)的接觸式溫度檢測(cè)相比，熱成像溫度識(shí)別具有范圍更大、精度滿足需求、故障率低的特點(diǎn)。使用巡檢機(jī)器人掛載熱成像攝像機(jī)，在擴(kuò)大檢測(cè)跨度的同時(shí)更能靈活部署。除測(cè)溫外，熱成像攝像機(jī)還具有很好的煙霧識(shí)別功能。

軌道材料為標(biāo)準(zhǔn)10號(hào)工字鋼。軌道的安裝通常是采用吊頂安裝方式，不具備吊頂條件的還可以采用支架方式。由于現(xiàn)場(chǎng)加工制作軌道會(huì)嚴(yán)重拖長(zhǎng)施工工期，因此采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪后，統(tǒng)一加工的方法，每一根軌道都有固定的安裝位置，這樣會(huì)大大提高施工效率。

為了保證巡檢效率，皮帶行人側(cè)單側(cè)布置一條軌道，設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人1臺(tái);

軟件功能

為智能巡檢系統(tǒng)開發(fā)了控制軟件，具備實(shí)時(shí)信息采集、設(shè)備控制、圖像分析、故障狀態(tài)識(shí)別、報(bào)警通知、歷史信息存儲(chǔ)和查看等功能。

軌道式智能巡檢系統(tǒng)具有如下功能：

（1）移動(dòng)行走功能：具有沿軌道前后移動(dòng)行走、調(diào)速、啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向等功能。

（2）巡檢模式：系統(tǒng)具備手動(dòng)/自動(dòng)模式巡檢功能，手動(dòng)方式為人工控制機(jī)器人巡檢;自動(dòng)巡檢方式在無人監(jiān)控的情況下，巡檢機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)指令自動(dòng)巡檢。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：系統(tǒng)具備歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢功能。

（4）視頻采集功能：系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集顯示皮帶機(jī)廊圖像的功能。

（5）熱成像圖像顯示功能：系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集顯示皮帶機(jī)廊熱成像圖像的功能。

（6）測(cè)溫及火點(diǎn)檢測(cè)功能：系統(tǒng)具備熱成像測(cè)溫及火點(diǎn)檢測(cè)功能。

（7）聲音采集功能：采集設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的聲音信息，通過快速傅里葉變換分析聲音的時(shí)域和頻域信息，當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正常時(shí)發(fā)出報(bào)警。

（8）云臺(tái)控制功能：系統(tǒng)具有云臺(tái)PTZ控制功能，倍率、焦距控制功能。

（9）精確定位功能：機(jī)器人具有精確定位功能，機(jī)器人的控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)位置對(duì)運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行決策。

（10）一鍵返航功能：不論智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)處于何種工作狀態(tài)，只要啟動(dòng)一鍵返航功能，智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)應(yīng)中止當(dāng)前任務(wù)，按預(yù)先設(shè)定的策略安全返航。

（11）報(bào)警功能：裝置具有聲光報(bào)警功能，當(dāng)裝置檢測(cè)到任何一類傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，聲光報(bào)警器應(yīng)運(yùn)行發(fā)出聲光報(bào)警，引起操作人員注意。

（12）通訊功能：支持標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通訊協(xié)議，將各狀態(tài)及數(shù)據(jù)通訊到上層系統(tǒng)。

（13）避障功能：機(jī)器人能夠在檢測(cè)到人員或影響運(yùn)行的異物接近時(shí)及時(shí)停止行走，避免危險(xiǎn)發(fā)生。

（14）自主充電功能：機(jī)器人具有自主充電功能，能夠與皮帶機(jī)內(nèi)充電設(shè)備配合完成自主充電，電池電量不足時(shí)能夠自動(dòng)返回充電

（15）智能識(shí)別功能：系統(tǒng)具有根據(jù)預(yù)訓(xùn)練模型對(duì)異常工況進(jìn)行智能識(shí)別功能（基于深度學(xué)習(xí)算法）。

熱成像技術(shù)噴淋系統(tǒng)的應(yīng)用

實(shí)施方案

在皮帶下料口3米處分別布置一臺(tái)固定安裝的熱成像攝像機(jī)，用于檢測(cè)4條皮帶上超溫的物體進(jìn)行檢測(cè)，攝像機(jī)檢測(cè)的溫度上限為550℃，極限耐溫70℃，理論上，皮帶上的高溫紅球不損壞熱成像攝像機(jī)。熱成像攝像機(jī)對(duì)區(qū)域內(nèi)的平均溫度和超高溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過程序進(jìn)行控制若超過設(shè)定值，則通過PLC控制器控制對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)型電動(dòng)球閥，當(dāng)溫度恢復(fù)到正常溫度時(shí)關(guān)閉電動(dòng)球閥。4臺(tái)固定點(diǎn)熱成像攝像機(jī)，當(dāng)熱成像攝像機(jī)發(fā)現(xiàn)皮帶有紅球下落時(shí)，攝像頭內(nèi)置的報(bào)警輸出點(diǎn)傳送到PLC控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)閥門進(jìn)行開啟，對(duì)皮帶進(jìn)行噴水。

五、成果取得的效益和效果

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是直接應(yīng)用于企業(yè)設(shè)備管理的一項(xiàng)新技術(shù)，其在降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高企業(yè)設(shè)備運(yùn)行效率、減少非計(jì)劃停機(jī)、提升運(yùn)營(yíng)水平、提高企業(yè)現(xiàn)代化科學(xué)管理和數(shù)字化管理等方面發(fā)揮重要作用。在未來的生產(chǎn)與管理上也有此必要性和迫切性，實(shí)施巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是一項(xiàng)應(yīng)用價(jià)值很高的項(xiàng)目。

改造效益：

（1）減少人員在泵站嘈雜的環(huán)境中作業(yè)，降低人員安全隱患，降低職業(yè)病的發(fā)生.

（2）系統(tǒng)的投入取代現(xiàn)場(chǎng)巡檢維護(hù)崗位，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中存在的隱患，將故障消滅在萌芽狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無人化目標(biāo).

效果分析：

（1）降本：減少崗位人員6人，年節(jié)約協(xié)力費(fèi)用成本約50萬元.

（2）增效：巡檢機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患問題，將故障消滅在萌芽狀態(tài)，避免事故擴(kuò)大， 提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性 .

（3）減員：智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用可取代人工巡檢，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無人化，減少崗位人員6人.