郭可意，李慧杰，王文占，王昊，王智杰，徐光平

1.內(nèi)蒙古大唐國(guó)際錫林浩特發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)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(jiān)控平臺(tái)的無(wú)人巡檢模式是近年來(lái)輸煤廊道系統(tǒng)的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，它通過(guò)利用智能傳感器、無(wú)線通信、圖像處理、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸煤廊道的全方位、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)和管理，大大提高了輸煤廊道的安全性、效率和可靠性。根據(jù)不同的輸煤廊道類(lèi)型和環(huán)境條件，無(wú)人巡檢模式可采用不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備和方式，如無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、攝像頭、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、聲音傳感器等，這些設(shè)備可以實(shí)時(shí)采集輸煤廊道的各種參數(shù)和圖像信息，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄C合巡檢監(jiān)控平臺(tái)，由平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并警報(bào)輸煤廊道的異常情況，如溫度過(guò)高、振動(dòng)過(guò)大、聲音異常、結(jié)構(gòu)變形、裂縫、堵塞等，從而有效預(yù)防和控制輸煤廊道的事故發(fā)生。

1 輸煤廊道綜合巡檢監(jiān)控平臺(tái)無(wú)人巡檢工作的常見(jiàn)問(wèn)題

輸煤廊道綜合巡檢監(jiān)控平臺(tái)無(wú)人巡檢模式是一種利用智能機(jī)器人代替人工進(jìn)行輸煤廊道的巡檢和監(jiān)控的模式，旨在提高巡檢效率和安全性，降低人力成本和風(fēng)險(xiǎn)。這一工作模式在應(yīng)用過(guò)程中暴露出無(wú)法適應(yīng)輸煤廊道環(huán)境、難以正常爬坡等問(wèn)題。輸煤廊道內(nèi)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(duì)巡檢機(jī)器人的運(yùn)行和感知能力造成了不利影響。例如，高溫會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的電池壽命縮短，濕度會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的電路板受潮，粉塵會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的攝像頭和傳感器模糊，氣體會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的通信信號(hào)干擾，光線暗會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的視覺(jué)識(shí)別困難等。輸煤廊道內(nèi)部通常存在一些上下坡、彎道、隧道等復(fù)雜地形，此類(lèi)地形因素對(duì)巡檢機(jī)器人行駛能力提出了較高要求。例如，上坡時(shí)需要機(jī)器人有足夠的動(dòng)力和牽引力，下坡時(shí)需要機(jī)器人有足夠的制動(dòng)力和穩(wěn)定性，彎道時(shí)需要機(jī)器人有足夠的轉(zhuǎn)向靈活性和精確性，隧道時(shí)需要機(jī)器人有足夠的避障能力和自適應(yīng)能力等。輸煤廊道內(nèi)部通常存在一些轉(zhuǎn)運(yùn)站，將煤從一個(gè)廊道轉(zhuǎn)移到另一個(gè)廊道。轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)部通常有一些活動(dòng)部件，如皮帶、滾筒、擋板等，這些都對(duì)巡檢機(jī)器人的穿越能力構(gòu)成了挑戰(zhàn)。例如，皮帶會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的輪胎打滑或被卷入，滾筒會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的平衡失調(diào)或被卡住，擋板會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的行進(jìn)受阻或被撞飛等[1]。

2 輸煤廊道綜合巡檢監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路

2.1 硬件設(shè)計(jì)思路與基本架構(gòu)

輸煤廊道綜合巡檢監(jiān)控平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)思路是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸煤廊道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能管理。智能巡檢機(jī)器人是巡檢模式的核心設(shè)備，需要達(dá)到以下性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。首先是能夠在輸煤廊道內(nèi)自主導(dǎo)航和定位，避免碰撞和脫軌，實(shí)現(xiàn)精確的巡檢任務(wù)分配和執(zhí)行。其次是可搭載多種傳感器和攝像頭，實(shí)時(shí)采集輸煤廊道內(nèi)的溫度、濕度、氣體濃度、煤塵濃度、結(jié)構(gòu)變形、裂縫等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圖像處理和分析。無(wú)人智能巡檢機(jī)器人的具體參數(shù)如下：體積不超過(guò)1米×0.5米×0.5米，重量不超過(guò)50千克，速度不低于1米/秒，續(xù)航時(shí)間不低于2小時(shí)，工作溫度為-10℃～60℃，工作濕度為10%～90%，內(nèi)置溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器、煤塵傳感器、應(yīng)變計(jì)、裂縫探頭等設(shè)備。例如，某煤礦采用了輸煤廊道綜合巡檢監(jiān)控平臺(tái)智能巡檢機(jī)器人巡檢模式，對(duì)其長(zhǎng)達(dá)10公里的輸煤廊道進(jìn)行了智能化巡檢。該煤礦配置了10臺(tái)智能巡檢機(jī)器人，每臺(tái)智能巡檢機(jī)器人負(fù)責(zé)1公里的巡檢區(qū)域，每天進(jìn)行兩次巡檢，每次巡檢時(shí)間為30分鐘。該煤礦還在輸煤廊道內(nèi)設(shè)置了5個(gè)充電站、10個(gè)信號(hào)放大器和20個(gè)應(yīng)急裝置，保證了智能巡檢機(jī)器人的正常運(yùn)行和安全性。智能巡檢機(jī)器人可以搭載多種傳感器和攝像頭，實(shí)時(shí)采集輸煤廊道內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圖像處理和分析，提高了巡檢數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性[2]。

硬件設(shè)施層面的主要架構(gòu)是基于MVC（模型-視圖-控制器）模式，將系統(tǒng)分為三個(gè)層次：模型層、視圖層和控制層。模型層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，包括傳感器、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器；視圖層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的展示和交互，包括終端；控制層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)和邏輯，包括網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器。運(yùn)作機(jī)制是基于事件驅(qū)動(dòng)和反饋控制的方式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某種事件時(shí)（如傳感器采集到異常數(shù)據(jù)），觸發(fā)相應(yīng)的處理流程（如發(fā)送預(yù)警信息），并根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行調(diào)整（如調(diào)節(jié)輸煤機(jī)速度）。

2.2 軟件設(shè)計(jì)思路

為做好綜合巡檢監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)工作，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)輸煤廊道的結(jié)構(gòu)和功能，將其劃分為若干個(gè)巡檢區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)或多個(gè)巡檢點(diǎn)，巡檢點(diǎn)包括視頻監(jiān)控、溫度傳感器、煙霧傳感器、水位傳感器等設(shè)備，用于實(shí)時(shí)采集輸煤廊道的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。應(yīng)在綜合巡檢監(jiān)控平臺(tái)上，建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)輸煤廊道的基本信息、巡檢區(qū)域和點(diǎn)的位置信息、設(shè)備的類(lèi)型和編號(hào)、設(shè)備的工作參數(shù)和閾值、設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄等，并在綜合巡檢監(jiān)控平臺(tái)上構(gòu)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(gè)巡檢區(qū)域和點(diǎn)的位置和狀態(tài)。用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)操作，對(duì)輸煤廊道進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移等操作，以便觀察輸煤廊道的全貌和細(xì)節(jié)。應(yīng)設(shè)置巡檢管理模塊用于設(shè)置巡檢計(jì)劃和任務(wù)，以及調(diào)度巡檢機(jī)器人。用戶可根據(jù)需要，選擇巡檢區(qū)域和點(diǎn)，設(shè)置巡檢時(shí)間和頻率，以及指定巡檢機(jī)器人的數(shù)量和類(lèi)型。巡檢機(jī)器人可根據(jù)預(yù)設(shè)的巡檢路徑，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)到各個(gè)巡檢點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通信，將采集到的視頻和數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄C合巡檢監(jiān)控平臺(tái)上，并接收平臺(tái)的指令和反饋[3]。

3 無(wú)人巡檢系統(tǒng)的功能及優(yōu)化措施

3.1 智能巡檢監(jiān)控功能

該功能是指無(wú)人巡檢設(shè)備根據(jù)預(yù)設(shè)的巡檢路線和時(shí)間，自動(dòng)啟動(dòng)并沿著輸煤廊道進(jìn)行巡檢，實(shí)時(shí)采集廊道內(nèi)的溫度、濕度、氣體濃度、照明情況、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并通過(guò)圖像識(shí)別和數(shù)據(jù)分析，判斷廊道內(nèi)是否存在異常情況，如火災(zāi)、水浸、塌方、設(shè)備故障等。如果發(fā)現(xiàn)異常，無(wú)人巡檢設(shè)備會(huì)立即向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息，并提供異常位置和類(lèi)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(fēng)險(xiǎn)。綜合巡檢監(jiān)控平臺(tái)需要對(duì)巡檢機(jī)器人收集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(yīng)的預(yù)警和處理建議。此外，綜合巡檢監(jiān)控平臺(tái)還需要對(duì)巡檢機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，如電量、故障、位置等，并根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整巡檢機(jī)器人的數(shù)量和分布[4]。

3.2 智能充電功能與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通信功能

該功能是指無(wú)人巡檢設(shè)備在完成一次巡檢任務(wù)后，或者在電量低于預(yù)設(shè)值時(shí)，自動(dòng)返回充電站進(jìn)行充電。充電站可以設(shè)置在輸煤廊道的起點(diǎn)或終點(diǎn)，或者在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置多個(gè)充電站，以保證無(wú)人巡檢設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行。該功能模塊的作用是延長(zhǎng)無(wú)人巡檢設(shè)備的使用壽命，避免因電量不足而導(dǎo)致的巡檢中斷或失聯(lián)。為滿足輸煤廊道的長(zhǎng)距離和復(fù)雜環(huán)境的特點(diǎn)，系統(tǒng)可采用分布式充電站和鋰電池供電設(shè)計(jì)方案，在輸煤廊道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或區(qū)域設(shè)置多個(gè)充電站，每個(gè)充電站都有一個(gè)唯一的識(shí)別碼和通信模塊，能夠與無(wú)人巡檢設(shè)備和監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。機(jī)器人內(nèi)置鋰電池的充放電過(guò)程受到智能管理系統(tǒng)的監(jiān)控和控制，以保證鋰電池的安全性和穩(wěn)定性。為了防止在輸煤廊道這種易燃易爆的環(huán)境中，無(wú)人巡檢設(shè)備在充電過(guò)程中產(chǎn)生火花或電弧，該系統(tǒng)采用了接觸式防打火技術(shù)，使充電樁和機(jī)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(chǎn)生[5]。

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通信功能是指無(wú)人巡檢設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或光纖網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)和圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，或者將數(shù)據(jù)和圖像存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)器中，在返回充電站時(shí)一次性上傳。該功能的作用是方便監(jiān)控中心對(duì)輸煤廊道的全面掌握，及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、微波通信等，根據(jù)不同地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，選擇最優(yōu)的通信方式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。同時(shí)，該系統(tǒng)還支持語(yǔ)音對(duì)講和視頻會(huì)議功能，方便監(jiān)控人員和現(xiàn)場(chǎng)人員之間的溝通和協(xié)作。

3.3 智能與防碰撞模塊

智能自檢功能的原理是基于機(jī)器人的傳感器、控制器、執(zhí)行器和通信模塊等組成部分的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和反饋。機(jī)器人通過(guò)內(nèi)置的軟件程序，根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔或觸發(fā)條件，啟動(dòng)自檢模式，對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行逐一掃描和測(cè)試。機(jī)器人會(huì)根據(jù)自檢結(jié)果，判斷是否存在異?；蚬收希⒔o出相應(yīng)的提示或報(bào)警信息。如果發(fā)現(xiàn)輕微的問(wèn)題，機(jī)器人會(huì)嘗試自動(dòng)修復(fù)或調(diào)整；如果發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的問(wèn)題，機(jī)器人會(huì)停止工作，并向管理中心發(fā)送求助信號(hào)。自我檢查的范圍包括機(jī)器人的電源系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)、觸覺(jué)系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)、聲音系統(tǒng)、氣味系統(tǒng)等。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)規(guī)范和性能要求，以及國(guó)家和行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的。機(jī)器人會(huì)將自檢結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的偏差值和合格率。

巡檢機(jī)器人需要能夠在復(fù)雜的輸煤廊道環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、定位、導(dǎo)航和控制，同時(shí)能夠根據(jù)巡檢任務(wù)的要求，自動(dòng)調(diào)整行駛速度和路線，以及及時(shí)響應(yīng)遠(yuǎn)程指令和緊急情況。技術(shù)人員可調(diào)節(jié)機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)，增強(qiáng)機(jī)器人的制動(dòng)系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)，增強(qiáng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和精度系統(tǒng)，增強(qiáng)機(jī)器人的避障系統(tǒng)和自適應(yīng)系統(tǒng)等。用于緊急避障的防碰撞模塊可利用搭載在智能巡檢機(jī)器人上的雷達(dá)、攝像頭、紅外線等傳感器，實(shí)時(shí)感知智能巡檢機(jī)器人周?chē)沫h(huán)境信息，如障礙物、風(fēng)速、溫度、濕度等。如果發(fā)現(xiàn)有碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整智能巡檢機(jī)器人的軌跡和姿態(tài)，以保持安全距離和避開(kāi)障礙物。

4 應(yīng)用成效分析

某電力集團(tuán)在建設(shè)一條長(zhǎng)達(dá)200公里的輸煤廊道時(shí)，采用了無(wú)人巡檢系統(tǒng)作為其綜合巡檢監(jiān)控平臺(tái)。該系統(tǒng)由多臺(tái)智能巡檢機(jī)器人、數(shù)百個(gè)傳感器、數(shù)千個(gè)攝像頭等設(shè)備組成，覆蓋了輸煤廊道的全線。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能。首先是機(jī)器人定期或隨機(jī)地進(jìn)入輸煤廊道進(jìn)行巡查拍攝，獲取高清視頻和圖片，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)分析輸煤廊道的表面狀態(tài)，如裂縫、滲水、雜物等。機(jī)器人上搭載的傳感器可持續(xù)地對(duì)輸煤廊道內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取溫度、濕度、氣體濃度、結(jié)構(gòu)變形等數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析輸煤廊道的內(nèi)部狀態(tài)，如火災(zāi)、漏水、塌方等。機(jī)器人內(nèi)置攝像頭可實(shí)時(shí)地對(duì)輸煤廊道進(jìn)行監(jiān)視，獲取動(dòng)態(tài)視頻和圖片，通過(guò)視頻分析技術(shù)分析輸煤廊道的運(yùn)行情況，如故障、堵塞、損壞等。

該系統(tǒng)可將所有設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)和信息匯總到一個(gè)中央控制室，并通過(guò)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行綜合分析和處理，生成各種報(bào)告和預(yù)警，并及時(shí)通知相關(guān)人員進(jìn)行處理。該系統(tǒng)還可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行智能優(yōu)化，提出更合理的運(yùn)維方案和建議。在輸煤廊道發(fā)生火災(zāi)、管道漏水等突發(fā)性事件時(shí)，無(wú)人巡檢系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警突發(fā)災(zāi)害發(fā)生位置和規(guī)模，并自動(dòng)啟動(dòng)三防系統(tǒng)，消除安全風(fēng)險(xiǎn)，避免更大損失。

5 結(jié)論

現(xiàn)階段無(wú)人巡檢模式還不能完全替代人工巡檢，有些復(fù)雜或隱蔽問(wèn)題可能需要人工進(jìn)行確認(rèn)或處理。因此，需要建立有效協(xié)調(diào)機(jī)制，使得無(wú)人巡檢和人工巡檢能夠相互配合，互為補(bǔ)充。無(wú)人巡檢模式還需要不斷完善其數(shù)據(jù)分析和處理能力，提高智能化水平，使其能夠更準(zhǔn)確地識(shí)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(yùn)行效率和安全性。