机器人在巡检领域的应用

霍成全

摘  要：随着矿山逐步转入地下开采，开采环境随之改变，采矿过程的安全与经济成为矿山要解决的重点问题，矿山面临的市场形势与技术变革压力迫使矿山通过自动化改造、数字化运营、智能化集控系统搭建实现跨越式发展。

一、成果简介

智能巡检机器人系统是直接应用于企业设备管理的一项新技术，其在降低工人劳动强度、提高企业设备运行效率、减少非计划停机、提升运营水平、提高企业现代化科学管理和数字化管理等方面发挥重要作用。在未来的生产与管理上也有此必要性和迫切性，实施巡检机器人系统是一项应用价值很高的项目。

二、成果的产生背景

长期以来，皮带输送系统和泵站的巡检工作主要依靠人工进行定时检查、驻点值守。依靠人工检查容易受到个人经验、主观意识的影响，受到监测手段、数据记录、数据分析方面的制约，通常花费大量人力不能得到有效的数据结果。轨道式智能巡检机器人系统是一套结合人工智能、自动控制、机器视觉、物联网等技术的综合性系统。该系统很好地解决了当前人员只能进行定时检查、驻点值守的情况，避免复杂的环境、狭小的空间、噪音大、不安全因素等对人员巡检的影响，检视结果不受个人经验和情绪、主观意识的影响，不受监测手段、数据记录、数据分析方面的制约，最大程度提高安全性和对设备的保护能力。实现完整有效的巡检机器人系统有着重大意义，可为企业安全生产保驾护航。

三、成果的基本内涵

巡检系统的智能分析功能主要由计算机软件来实现，在视频分析和决策方面主要以深度学习为核心。

深度学习是机器学习的一种方法，它源于人工神经网络，并将人工智能推上了新的高度，在图像、视频、音频等分析方面应用广泛。

神经网络是模仿人类神经系统，用于模式识别的算法。神经网络这个术语来源于这些系统架构设计背后的灵感，这些系统是用于模拟生物大脑自身神经网络的基本结构，以便计算机能够执行特定的任务。

卷积神经网络是一类包含卷积计算且具有深度结构的神经网络，是深度学习的代表算法之一。卷积神经网络具有表征学习能力，能够按其阶层结构对输入信息进行平移不变分类。卷积神经网络解决了传统较深的网络参数太多，很难训练的问题，使用了“局部感受野”和“权植共享”的概念，大大减少了网络参数的数量。

智能巡检系统后台引入卷积神经网络对异常工况图像进行判断。通过学习样本数据的内在规律和表示层次，获得信息实现对图像的智能识别功能。随着模型的迭代，数据闭环的形成，系统的识别精度会越来越高。

四、成果的具体实践和主要做法

皮带巡检机器人的应用

巡检机器人主要由移动巡检平台、无线通讯系统、充电装置、各种信号采集设备和轨道系统组成。采用了先进的无线充电、无线数传等技术，实现了机器人在轨道自动或手动控制运行，对整个轨迹内的声音、图像、气体等参数的实时采集、回传、存储及分析。

系统采用工业级无线终端，此终端支持802.11N标准的高性能、高带宽、多功能工业级无线终端，该终端基于802.11N MIMO（多进多出）技术，采用了2T2R的构架，支持20/40MHz频宽，最高物理层带宽可达300Mbps。

机器人挂载双光谱热成像摄像机，用来识别皮带机表面、托辊、电机表面、减速机表面、桥架、电缆等温度情况。与传统的接触式温度检测相比，热成像温度识别具有范围更大、精度满足需求、故障率低的特点。使用巡检机器人挂载热成像摄像机，在扩大检测跨度的同时更能灵活部署。除测温外，热成像摄像机还具有很好的烟雾识别功能。

轨道材料为标准10号工字钢。轨道的安装通常是采用吊顶安装方式，不具备吊顶条件的还可以采用支架方式。由于现场加工制作轨道会严重拖长施工工期，因此采用现场测绘后，统一加工的方法，每一根轨道都有固定的安装位置，这样会大大提高施工效率。

为了保证巡检效率，皮带行人侧单侧布置一条轨道，设计巡检机器人1台;

软件功能

为智能巡检系统开发了控制软件，具备实时信息采集、设备控制、图像分析、故障状态识别、报警通知、历史信息存储和查看等功能。

轨道式智能巡检系统具有如下功能：

（1）移动行走功能：具有沿轨道前后移动行走、调速、启动、停止、转向等功能。

（2）巡检模式：系统具备手动/自动模式巡检功能，手动方式为人工控制机器人巡检;自动巡检方式在无人监控的情况下，巡检机器人根据预设指令自动巡检。

（3）数据存储：系统具备历史数据存储及查询功能。

（4）视频采集功能：系统具有实时采集显示皮带机廊图像的功能。

（5）热成像图像显示功能：系统具有实时采集显示皮带机廊热成像图像的功能。

（6）测温及火点检测功能：系统具备热成像测温及火点检测功能。

（7）声音采集功能：采集设备运转时的声音信息，通过快速傅里叶变换分析声音的时域和频域信息，当设备运转不正常时发出报警。

（8）云台控制功能：系统具有云台PTZ控制功能，倍率、焦距控制功能。

（9）精确定位功能：机器人具有精确定位功能，机器人的控制系统能够根据实时位置对运动控制进行决策。

（10）一键返航功能：不论智能机器人巡检系统处于何种工作状态，只要启动一键返航功能，智能机器人巡检系统应中止当前任务，按预先设定的策略安全返航。

（11）报警功能：装置具有声光报警功能，当装置检测到任何一类传感器的检测数据出现异常时，声光报警器应运行发出声光报警，引起操作人员注意。

（12）通讯功能：支持标准工業通讯协议，将各状态及数据通讯到上层系统。

（13）避障功能：机器人能够在检测到人员或影响运行的异物接近时及时停止行走，避免危险发生。

（14）自主充电功能：机器人具有自主充电功能，能够与皮带机内充电设备配合完成自主充电，电池电量不足时能够自动返回充电

（15）智能识别功能：系统具有根据预训练模型对异常工况进行智能识别功能（基于深度学习算法）。

热成像技术喷淋系统的应用

实施方案

在皮带下料口3米处分别布置一台固定安装的热成像摄像机，用于检测4条皮带上超温的物体进行检测，摄像机检测的温度上限为550℃，极限耐温70℃，理论上，皮带上的高温红球不损坏热成像摄像机。热成像摄像机对区域内的平均温度和超高温度进行监测，通过程序进行控制若超过设定值，则通过PLC控制器控制对应调节型电动球阀，当温度恢复到正常温度时关闭电动球阀。4台固定点热成像摄像机，当热成像摄像机发现皮带有红球下落时，摄像头内置的报警输出点传送到PLC控制系统中，系统自动对阀门进行开启，对皮带进行喷水。

五、成果取得的效益和效果

智能巡检机器人系统是直接应用于企业设备管理的一项新技术，其在降低工人劳动强度、提高企业设备运行效率、减少非计划停机、提升运营水平、提高企业现代化科学管理和数字化管理等方面发挥重要作用。在未来的生产与管理上也有此必要性和迫切性，实施巡检机器人系统是一项应用价值很高的项目。

改造效益：

（1）减少人员在泵站嘈杂的环境中作业，降低人员安全隐患，降低职业病的发生.

（2）系统的投入取代现场巡检维护岗位，实现现场实时监控能及时发现设备运行中存在的隐患，将故障消灭在萌芽状态，实现现场无人化目标.

效果分析：

（1）降本：减少岗位人员6人，年节约协力费用成本约50万元.

（2）增效：巡检机器人系统实时监测能及时发现隐患问题，将故障消灭在萌芽状态，避免事故扩大， 提升系统运行可靠性 .

（3）减员：智能巡检机器人的应用可取代人工巡检，实现现场无人化，减少岗位人员6人.