輸煤廊道綜合巡檢監控平臺無人巡檢系統的研究與應用

郭可意，李慧杰，王文占，王昊，王智杰，徐光平

1.內蒙古大唐國際錫林浩特發電有限責任公司，內蒙古錫林郭勒，026099 2.北京中安吉泰科技有限公司，北京，100085

0 引言

基于輸煤廊道綜合巡檢監控平臺的無人巡檢模式是近年來輸煤廊道系統的一項創新技術，它通過利用智能傳感器、無線通信、圖像處理、數據分析等技術，實現了對輸煤廊道的全方位、實時、自動化的監測和管理，大大提高了輸煤廊道的安全性、效率和可靠性。根據不同的輸煤廊道類型和環境條件，無人巡檢模式可采用不同的監測設備和方式，如無人機、機器人、攝像頭、溫度傳感器、振動傳感器、聲音傳感器等，這些設備可以實時采集輸煤廊道的各種參數和圖像信息，并通過無線網絡傳輸到綜合巡檢監控平臺，由平臺進行數據分析和處理，及時發現并警報輸煤廊道的異常情況，如溫度過高、振動過大、聲音異常、結構變形、裂縫、堵塞等，從而有效預防和控制輸煤廊道的事故發生。

1 輸煤廊道綜合巡檢監控平臺無人巡檢工作的常見問題

輸煤廊道綜合巡檢監控平臺無人巡檢模式是一種利用智能機器人代替人工進行輸煤廊道的巡檢和監控的模式，旨在提高巡檢效率和安全性，降低人力成本和風險。這一工作模式在應用過程中暴露出無法適應輸煤廊道環境、難以正常爬坡等問題。輸煤廊道內部通常溫度高、濕度大、粉塵多、氣體濃度高、光線暗等，這些都對巡檢機器人的運行和感知能力造成了不利影響。例如，高溫會導致機器人的電池壽命縮短，濕度會導致機器人的電路板受潮，粉塵會導致機器人的攝像頭和傳感器模糊，氣體會導致機器人的通信信號干擾，光線暗會導致機器人的視覺識別困難等。輸煤廊道內部通常存在一些上下坡、彎道、隧道等復雜地形，此類地形因素對巡檢機器人行駛能力提出了較高要求。例如，上坡時需要機器人有足夠的動力和牽引力，下坡時需要機器人有足夠的制動力和穩定性，彎道時需要機器人有足夠的轉向靈活性和精確性，隧道時需要機器人有足夠的避障能力和自適應能力等。輸煤廊道內部通常存在一些轉運站，將煤從一個廊道轉移到另一個廊道。轉運站內部通常有一些活動部件，如皮帶、滾筒、擋板等，這些都對巡檢機器人的穿越能力構成了挑戰。例如，皮帶會導致機器人的輪胎打滑或被卷入，滾筒會導致機器人的平衡失調或被卡住，擋板會導致機器人的行進受阻或被撞飛等[1]。

2 輸煤廊道綜合巡檢監控平臺的設計思路

2.1 硬件設計思路與基本架構

輸煤廊道綜合巡檢監控平臺的硬件設計思路是基于物聯網技術和無線傳感網絡技術，實現對輸煤廊道的實時監測和智能管理。智能巡檢機器人是巡檢模式的核心設備，需要達到以下性能參數標準。首先是能夠在輸煤廊道內自主導航和定位，避免碰撞和脫軌，實現精確的巡檢任務分配和執行。其次是可搭載多種傳感器和攝像頭，實時采集輸煤廊道內的溫度、濕度、氣體濃度、煤塵濃度、結構變形、裂縫等數據，并進行圖像處理和分析。無人智能巡檢機器人的具體參數如下：體積不超過1米×0.5米×0.5米，重量不超過50千克，速度不低于1米/秒，續航時間不低于2小時，工作溫度為-10℃～60℃，工作濕度為10%～90%，內置溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器、煤塵傳感器、應變計、裂縫探頭等設備。例如，某煤礦采用了輸煤廊道綜合巡檢監控平臺智能巡檢機器人巡檢模式，對其長達10公里的輸煤廊道進行了智能化巡檢。該煤礦配置了10臺智能巡檢機器人，每臺智能巡檢機器人負責1公里的巡檢區域，每天進行兩次巡檢，每次巡檢時間為30分鐘。該煤礦還在輸煤廊道內設置了5個充電站、10個信號放大器和20個應急裝置，保證了智能巡檢機器人的正常運行和安全性。智能巡檢機器人可以搭載多種傳感器和攝像頭，實時采集輸煤廊道內的各項數據，并進行圖像處理和分析，提高了巡檢數據的準確性和可靠性[2]。

硬件設施層面的主要架構是基于MVC（模型-視圖-控制器）模式，將系統分為三個層次：模型層、視圖層和控制層。模型層負責數據的存儲和處理，包括傳感器、節點、網關和服務器；視圖層負責數據的展示和交互，包括終端；控制層負責數據的流轉和邏輯，包括網關和服務器。運作機制是基于事件驅動和反饋控制的方式，當系統發生某種事件時（如傳感器采集到異常數據），觸發相應的處理流程（如發送預警信息），并根據反饋結果進行調整（如調節輸煤機速度）。

2.2 軟件設計思路

為做好綜合巡檢監控平臺軟件設計工作，技術人員應根據輸煤廊道的結構和功能，將其劃分為若干個巡檢區域，每個區域設置一個或多個巡檢點，巡檢點包括視頻監控、溫度傳感器、煙霧傳感器、水位傳感器等設備，用于實時采集輸煤廊道的運行狀態和環境參數。應在綜合巡檢監控平臺上，建立一個數據庫，用于存儲輸煤廊道的基本信息、巡檢區域和點的位置信息、設備的類型和編號、設備的工作參數和閾值、設備的歷史數據和報警記錄等，并在綜合巡檢監控平臺上構建可視化界面，用于顯示輸煤廊道的平面圖和三維模型，以及各個巡檢區域和點的位置和狀態。用戶可以通過鼠標或鍵盤操作，對輸煤廊道進行放大、縮小、旋轉、平移等操作，以便觀察輸煤廊道的全貌和細節。應設置巡檢管理模塊用于設置巡檢計劃和任務，以及調度巡檢機器人。用戶可根據需要，選擇巡檢區域和點，設置巡檢時間和頻率，以及指定巡檢機器人的數量和類型。巡檢機器人可根據預設的巡檢路徑，自動驅動到各個巡檢點，通過無線通信，將采集到的視頻和數據傳輸到綜合巡檢監控平臺上，并接收平臺的指令和反饋[3]。

3 無人巡檢系統的功能及優化措施

3.1 智能巡檢監控功能

該功能是指無人巡檢設備根據預設的巡檢路線和時間，自動啟動并沿著輸煤廊道進行巡檢，實時采集廊道內的溫度、濕度、氣體濃度、照明情況、設備運行狀態等數據，并通過圖像識別和數據分析，判斷廊道內是否存在異常情況，如火災、水浸、塌方、設備故障等。如果發現異常，無人巡檢設備會立即向監控中心發送報警信息，并提供異常位置和類型。該功能的作用是提高輸煤廊道的安全性和可靠性，降低人工巡檢的成本和風險。綜合巡檢監控平臺需要對巡檢機器人收集的大量數據進行智能分析和處理，以便及時發現輸煤廊道的異常情況和隱患，如裂縫、滲水、變形、堵塞、故障等，并給出相應的預警和處理建議。此外，綜合巡檢監控平臺還需要對巡檢機器人的運行狀態進行監測和管理，如電量、故障、位置等，并根據實際情況動態調整巡檢機器人的數量和分布[4]。

3.2 智能充電功能與數據遠傳通信功能

該功能是指無人巡檢設備在完成一次巡檢任務后，或者在電量低于預設值時，自動返回充電站進行充電。充電站可以設置在輸煤廊道的起點或終點，或者在適當的位置設置多個充電站，以保證無人巡檢設備的連續運行。該功能模塊的作用是延長無人巡檢設備的使用壽命，避免因電量不足而導致的巡檢中斷或失聯。為滿足輸煤廊道的長距離和復雜環境的特點，系統可采用分布式充電站和鋰電池供電設計方案，在輸煤廊道的關鍵節點或區域設置多個充電站，每個充電站都有一個唯一的識別碼和通信模塊，能夠與無人巡檢設備和監控平臺進行數據交互。機器人內置鋰電池的充放電過程受到智能管理系統的監控和控制，以保證鋰電池的安全性和穩定性。為了防止在輸煤廊道這種易燃易爆的環境中，無人巡檢設備在充電過程中產生火花或電弧，該系統采用了接觸式防打火技術，使充電樁和機器人電源在接觸前后，先通小電流再通大電流，從而避免火花產生[5]。

數據遠傳通信功能是指無人巡檢設備通過無線網絡或光纖網絡，將采集到的數據和圖像實時傳輸到監控中心，或者將數據和圖像存儲在本地存儲器中，在返回充電站時一次性上傳。該功能的作用是方便監控中心對輸煤廊道的全面掌握，及時發現和處理異常情況，提高管理效率和水平。該功能模塊可采用多種通信方式，如4G/5G網絡、衛星通信、微波通信等，根據不同地區的網絡覆蓋情況，選擇最優的通信方式，保證數據傳輸的穩定性和實時性。同時，該系統還支持語音對講和視頻會議功能，方便監控人員和現場人員之間的溝通和協作。

3.3 智能與防碰撞模塊

智能自檢功能的原理是基于機器人的傳感器、控制器、執行器和通信模塊等組成部分的狀態監測和反饋。機器人通過內置的軟件程序，根據預設的時間間隔或觸發條件，啟動自檢模式，對各個部件進行逐一掃描和測試。機器人會根據自檢結果，判斷是否存在異?；蚬收?，并給出相應的提示或報警信息。如果發現輕微的問題，機器人會嘗試自動修復或調整；如果發現嚴重的問題，機器人會停止工作，并向管理中心發送求助信號。自我檢查的范圍包括機器人的電源系統、運動系統、導航系統、視覺系統、觸覺系統、溫度系統、聲音系統、氣味系統等。檢測標準是根據機器人的設計規范和性能要求，以及國家和行業的相關標準制定的。機器人會將自檢結果與標準進行對比，計算出各項指標的偏差值和合格率。

巡檢機器人需要能夠在復雜的輸煤廊道環境中實現自動避障、定位、導航和控制，同時能夠根據巡檢任務的要求，自動調整行駛速度和路線，以及及時響應遠程指令和緊急情況。技術人員可調節機器人的動力系統和牽引系統，增強機器人的制動系統和穩定系統，增強機器人的轉向系統和精度系統，增強機器人的避障系統和自適應系統等。用于緊急避障的防碰撞模塊可利用搭載在智能巡檢機器人上的雷達、攝像頭、紅外線等傳感器，實時感知智能巡檢機器人周圍的環境信息，如障礙物、風速、溫度、濕度等。如果發現有碰撞的風險，系統會自動調整智能巡檢機器人的軌跡和姿態，以保持安全距離和避開障礙物。

4 應用成效分析

某電力集團在建設一條長達200公里的輸煤廊道時，采用了無人巡檢系統作為其綜合巡檢監控平臺。該系統由多臺智能巡檢機器人、數百個傳感器、數千個攝像頭等設備組成，覆蓋了輸煤廊道的全線。該系統可以實現以下功能。首先是機器人定期或隨機地進入輸煤廊道進行巡查拍攝，獲取高清視頻和圖片，通過圖像識別技術分析輸煤廊道的表面狀態，如裂縫、滲水、雜物等。機器人上搭載的傳感器可持續地對輸煤廊道內部進行監測，獲取溫度、濕度、氣體濃度、結構變形等數據，通過數據挖掘技術分析輸煤廊道的內部狀態，如火災、漏水、塌方等。機器人內置攝像頭可實時地對輸煤廊道進行監視，獲取動態視頻和圖片，通過視頻分析技術分析輸煤廊道的運行情況，如故障、堵塞、損壞等。

該系統可將所有設備采集到的數據和信息匯總到一個中央控制室，并通過云計算和大數據技術進行綜合分析和處理，生成各種報告和預警，并及時通知相關人員進行處理。該系統還可根據歷史數據和當前數據進行智能優化，提出更合理的運維方案和建議。在輸煤廊道發生火災、管道漏水等突發性事件時，無人巡檢系統可及時發現并預警突發災害發生位置和規模，并自動啟動三防系統，消除安全風險，避免更大損失。

5 結論

現階段無人巡檢模式還不能完全替代人工巡檢，有些復雜或隱蔽問題可能需要人工進行確認或處理。因此，需要建立有效協調機制，使得無人巡檢和人工巡檢能夠相互配合，互為補充。無人巡檢模式還需要不斷完善其數據分析和處理能力，提高智能化水平，使其能夠更準確地識別輸煤廊道的異常情況，并給出合理的處理建議，從而提高輸煤廊道的運行效率和安全性。