井下作業(yè)面智能巡檢控制系統(tǒng)的研究

邵海峰

（山西寧武大運(yùn)華盛能源集團(tuán)有限公司，山西 寧武 036700）

引言

隨著綜采技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦井下的機(jī)械化綜采設(shè)備數(shù)量不斷增加，極大地提升了綜采效率和經(jīng)濟(jì)效益，為了確保井下綜采設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，目前采用在綜采面配備4人巡檢小組對設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測的方案。但由于井下綜采面的地質(zhì)情況比較復(fù)雜、能見度極差，因此人員巡檢不僅效率極其低下而且發(fā)現(xiàn)問題的數(shù)量極其有限，導(dǎo)致井下綜采設(shè)備的運(yùn)行故障率高，嚴(yán)重影響了井下綜采作業(yè)效率和安全性的進(jìn)一步提升。

結(jié)合煤礦井下綜采面設(shè)備的分布及實(shí)際地質(zhì)情況，項(xiàng)目組提出了一種新的井下作業(yè)面智能巡檢控制系統(tǒng)，以巡檢機(jī)器人為核心，實(shí)現(xiàn)了井下巡檢路徑、巡檢時機(jī)的靈活調(diào)整，消除了狹小空間人工無法巡檢、設(shè)備運(yùn)行時人工巡檢安全性差的不足，實(shí)現(xiàn)了對綜采面作業(yè)狀況的動態(tài)“無人化”監(jiān)測，將安全監(jiān)測人員數(shù)量減少了75%，對故障識別準(zhǔn)確性達(dá)98.2%，極大地提升了井下設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

1 自動巡檢機(jī)器人

結(jié)合井下設(shè)備巡檢的實(shí)際需求，項(xiàng)目組提出的自動巡檢機(jī)器人采用了模塊化的設(shè)計(jì)模式[1]，包括了自動巡檢控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、集控模塊、電氣控制模塊，組合靈活性高，能夠快速進(jìn)行調(diào)整和更換，提高了巡檢機(jī)器人的應(yīng)用靈活性，該機(jī)器人自動巡檢系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

自動巡檢控制模塊，主要是用于控制巡檢機(jī)器人在井下巡檢路線、巡檢時間、巡檢模式，使巡檢機(jī)器人能夠在井下自動巡檢。網(wǎng)絡(luò)通信模塊，主要采用了高速無線數(shù)據(jù)通信，解決了有線傳輸時機(jī)器人巡檢路線受限、線纜易損傷的難題，實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人、控制中心的雙向數(shù)據(jù)高速通信。集控模塊，主要在集控室，主要用于對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷和報警，同時滿足人工遠(yuǎn)程操控巡檢機(jī)器人進(jìn)行專項(xiàng)巡檢的需求。電氣控制模塊，主要包括強(qiáng)電控制和弱電控制兩個部分，強(qiáng)電控制主要用于為巡檢機(jī)器人的行走系統(tǒng)供電，弱電系統(tǒng)主要用于控制巡檢機(jī)器人的信號發(fā)射及監(jiān)測模塊的供電。

圖1 巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

整個巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要包括巡檢軌道、懸軌支撐機(jī)構(gòu)、機(jī)器人本體等，用于保證巡檢機(jī)器人在井下自動巡檢的控制需求，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

由圖2可知，驅(qū)動裝置架及迂回裝置架在整個系統(tǒng)的兩側(cè)，在巡檢機(jī)器人系統(tǒng)上布置有活動懸架臂以及線路調(diào)整滾輪，能夠根據(jù)井下的環(huán)境和巡檢需求，靈活地調(diào)整巡檢路線高度，避開設(shè)備等，提高使用的靈活性。

圖2 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

懸軌支撐機(jī)構(gòu)主要采用了支撐架和滑軌配合的結(jié)構(gòu)，當(dāng)綜采面的液壓支架進(jìn)行拉架后，支撐機(jī)構(gòu)能夠沿著滑軌在前側(cè)和后側(cè)進(jìn)行靈活的移動，確保巡檢機(jī)器人能夠根據(jù)巡檢要求進(jìn)行重點(diǎn)部位專檢或者往復(fù)觀測。為了保證機(jī)器人能夠靈活的穿越支架等擋護(hù)結(jié)構(gòu)對狹小空間綜采作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，在擋護(hù)結(jié)構(gòu)的一側(cè)設(shè)置了浮動滑輪座，當(dāng)巡檢機(jī)器人需要進(jìn)行穿越時，抱鎖機(jī)構(gòu)將浮動滑輪座頂起，滿足機(jī)器人的越障監(jiān)測需求。該懸軌支撐機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 懸軌支撐結(jié)構(gòu)示意圖

3 巡檢數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人在巡檢過程中，主要是依靠布置在巡檢機(jī)器人本體上的視頻監(jiān)控裝置、熱成像裝置及氣體傳感器對巡檢區(qū)域的環(huán)境及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。由于傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控裝置的視角不足，因此巡檢機(jī)器人在巡檢過程中需要在一個位置多次旋轉(zhuǎn)監(jiān)測窗口才能滿足自動監(jiān)測需求，效率較低。為了獲取足夠大的監(jiān)測視角，項(xiàng)目組采用了硬件和軟件成像優(yōu)化的方案，多個視頻監(jiān)測裝置在同一時間段監(jiān)測圖像處理不同步、無法拼接的難題，可以滿足2 ms同時對4幅圖片進(jìn)行處理，提升了同時監(jiān)測的視角范圍。

為了提高巡檢機(jī)器人監(jiān)測的準(zhǔn)確性，采用了可見光視頻監(jiān)測及紅外熱成像監(jiān)測雙重判斷的模式，由于熱成像視角小于可見光視角，因此采用可見光初次判斷，再對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行紅外成像補(bǔ)充監(jiān)測的監(jiān)測邏輯，滿足了監(jiān)測準(zhǔn)確性和監(jiān)測效率的雙重需求?？梢姽饧凹t外熱成像監(jiān)測結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 應(yīng)用可靠性分析

目前該井下作業(yè)面智能巡檢控制系統(tǒng)已經(jīng)在多個綜采面投入應(yīng)用，通過對該控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高，將井下綜采面巡檢人員數(shù)量由最初的4人降低到了目前的1人，人員數(shù)量降低了75%。

圖4 可見光及紅外熱成像監(jiān)測結(jié)構(gòu)示意圖

巡檢機(jī)器人的監(jiān)測準(zhǔn)確性高，對比3個月的報警數(shù)據(jù)，共檢測出異常點(diǎn)164項(xiàng)，核實(shí)確認(rèn)161項(xiàng)，3項(xiàng)為誤報，對綜采設(shè)備的運(yùn)行故障監(jiān)測準(zhǔn)確性高達(dá)98.2%，有效地提升了井下設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性，初步實(shí)現(xiàn)了“無人化”智能巡檢，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綜采面的“無人化”綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。該智能巡檢控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用如圖5所示。

圖5 智能巡檢控制系統(tǒng)應(yīng)用圖

5 結(jié)論

1）自動巡檢機(jī)器人采用了模塊化的設(shè)計(jì)模式，包括了自動巡檢控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、集控模塊、電氣控制模塊，組合靈活性高，能夠快速進(jìn)行調(diào)整和更換；

2）可見光視頻監(jiān)測及紅外熱成像監(jiān)測雙重判斷的模式，滿足了監(jiān)測準(zhǔn)確性和監(jiān)測效率的雙重需求；

3）該智能巡檢系統(tǒng)將安全監(jiān)測人員數(shù)量減少了75%，對故障識別準(zhǔn)確性達(dá)98.2%，顯著提升了井下作業(yè)面設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。