带式输送机巡检关键技术研究

吕红伟

（阳泉煤业集团华越机械有限公司，山西阳泉 045000）

0 引言

矿山机械的发展带动了运输机械的更新换代，煤矿智能化的发展趋势明显。煤矿井下环境复杂恶劣[1]，目前世界一流矿井的重要标准是无人化值守，实现设备智能化、自动化。如果主运输煤流系统可以自主实现自动化，则可以大大减缓煤矿生产的安全压力。很多学者都对巡检方面进行过深入研究，主要研究方向包括对于巡检用的各类传感器和温度、环境、压力、浓度等进行检测，有学者研究了无人值守自动巡检系统的工作原理和关键问题，但是大多研究是基于远程监控等技术的，并未对自动巡检技术进行深入研究[2]。

煤矿主斜井带式输送机具有长距离、大运量、大倾角等特点，运行中托辊等零部件极容易发生故障，不但会影响煤矿安全生产，同时会给工作人员带来极大的安全风险，并可能会造成次生事故[3]，给煤矿带来巨大的经济财产损失。本文设计的矿用巡检系统可以有效缓解上述问题，促进智慧矿山的进一步发展[4]。

1 带式输送机巡检关键技术整体方案

本文设计的带式输送机智能巡检系统以巡检故障率较高的零部件为基础，包括巡检设备主体、充电桩、通信局域网、挂轨、除尘清扫装置、各类传感器以及管理运营平台等（图1）。传感器的作用是对各项性能指标数据信息进行采集、分析，主要包括矿井烟雾信息浓度、温度指标、气体等。巡检设备充电后，将数据经由无线传输至管理服务平台，实时将巡检设备记录的运行情况反馈，并对电机、托辊、皮带等零部件的异常状态数据进行反馈，同时能进行运动调节控制。

图1 系统整体框架

结合带式输送机运输特点，巡检设备以本安型为基准，主要为了提高运行里程，轻化自身重量，且便于与充电桩进行匹配，解决了充电难的问题。在煤料运输过程，会有很多杂质附着在设备外表面，可以在非行人侧安装除尘装置。实时信息采集会有数据海量的情况，所以网络架构采用无线控制器，网络信号强度要满足大于50 dB 的要求，以提高整个覆盖面。无线基站由控制器连接到光纤上进行集中管理。如果控制器不能正常工作，需要将无线基站设定为单独运营模式，确保网络畅通。

2 托辊故障识别和异常工况识别

本文基于信号时频分析方法，能够有效将周围噪声进行分散缓解，故提出了基于声压及声品质分析的带式输送机托辊故障识别方法。巡检设备在声音传感器的带动下，收集来自多个托辊的音频数据，利用噪声分析软件求解1/3 倍频程谱及声品质指标，实现以声音识别的方式对托辊故障进行巡检诊断。

随着工作环境的不断改变，需要对各种工况进行识别监测。本巡检系统结合深度学习的视频技术，利用高清采集视频图像，以高像素摄像机巡检周边工况。针对粉尘不是很多的场景，可以借助普通滤波器；若粉尘比较密集，则可以使用暗通道先验去雾算法通过对比度增强实现视频去雾。在统一算法框架中融合图像去粉尘、去雾和光照均衡化，增强成像的清晰度和对比度。

对于煤矿井下需要成像的要素，如异物、煤流等引起的皮带损伤、井下人员安全和运行均衡速度等，一般在成像中不明显，所以本文提出了基于目标轮廓先验知识，采用候选区域生成方法，结合深度神经网络模型，完成异常工况的视频识别，这种识别方法具有一定的非显著性。

3 自动巡检机械设备核心控制

自动巡检系统的核心控制主要由核心板与控制主板构成，两个部件协同配合。主板采用STM32F4 型处理器，核心板采用RK3399 型处理器，能够运算处理成像视频、图片，通过对实时采集到的温度、电量等进行监测计算，关联WiFi、5G 等通信方式。

在外设组件中，驱动板和电机、减速刹车器、编码器共同构成驱动机构，编码器的作用是定位巡检机械结构的位置，可以求解行走总里程。RFID 标签用来向读写器识别位置，验证校对里程。巡检行走机构前、后均安装有测距传感器，用于避障。气体传感器用于检测一氧化碳等有毒气体的含量，能够将检测结果通过通信接口上传到巡检系统。火焰传感器的作用是将可能或已经发生的着火事故信息发送给控制器中。气体和火焰自动巡检故障指标如表1 所示。设备设有急停开关，用于在突发事故发生时将电源锁死。充电桩位置由到位开关控制。

表1 气体和火焰自动巡检故障指标

充电桩的控制部位采用嵌入式ARM 系统，实现对不同充电距离的监测感应，自主调节负载。后台通信部分通过以太网接口和充电桩相连。为满足小数据的传输，增加了低频传输模组。充电桩内外均设有温度传感器，同时在内部安装有防水系统，保护充电桩不受潮湿环境影响。

巡检控制系统除尘清扫装置的工作原理是，对聚集堆积在设备外表壳煤灰进行高压喷水、吹气。除尘装置内部包含有增压水泵进行清洗，之后进行快速干燥，此时通过气泵增大空气流通循环度快速吹吸，在热风的作用下持续干燥。同时采用电磁阀作为吹气阀门防止气泄漏。除尘时长由管理后台设置，除尘器的开启和关闭由充电桩控制。

4 视频智能分析系统

本文提出的自动巡检智能视频监控系统在关键区域，如机头机尾、工人作业段和行人侧、张紧部位均安装监控系统，形成视频分析平台，主要用于监测整个过程出现的跑偏、异物卡顿、堆煤等现象。视频监控能有效对煤层厚度和煤流运输状况进行监测，建立有效、合理的调速策略，实现基于视频自适应识别的调速控制等功能。

以钢丝绳芯输送带为例，在机头部位安装视频监控和高度成像装置，用于输送带异物检测、带面故障识别、滚筒部位温度检测等，图2 为针对钢丝绳芯输送带的巡视画面。

图2 输送带透视图像

通过巡检系统监控到的钢绳芯输送带图像预测其剩余寿命，基于视频的在线检测可以对断带接头异常故障进行预测、扫描，检测接头、胶带的腐蚀情况，并为后续维修工作提供可靠的图像数据。

5 快速充电与除尘系统

本文设计的充电方式为无线充电。在进入巡检的初始阶段，先断开接收设备处，充电桩与巡检机构的通过LoRa 方式进行通信，充电条件是设定阈值高于现存电量，阈值是界定巡检机构运行或返航的分界线。巡检机构设有到位开关，充电桩的相应位置设有监测装置，当两者相遇时到位开关打开，与无线充电的接收端进行连接，充电桩会接收充电信息，巡检机构将信息同时发送给后台数据管理服务平台。充电完毕后，充电桩得到开关信号，断开接收端，巡检机构离开充电桩继续巡检工作。

6 后台管理运营平台

后台管理系统主要是服务器，它与地面交换机通过网线连接，地面与矿井之间通过光纤连接，并通过矿用交换机与基站连接。若基站数量大于等于1，则用无线漫游的形式，基站作为中转环节，巡检机器人可在上面进行数据的传输交互，运营后台则用于输出控制视频与状态信息，包括通信、文件与计算服务等。

后台管理系统可以显示实时数据与历史数据例如某一时刻下巡检机构的电流、剩余电量、速度等参数，气体含量、烟雾信息等环境信息，以及零部件的振动和声音等检测状态。远程巡检后台管理还包括对其运行方向的操控，监控角度旋转、探测焦距、巡检变速、停止、后退等。通过历史信息查询，可以实现对现场托辊、电机等被检设备的状态变化曲线、异常音视频、巡检机器人的巡检轨迹等的查询浏览。

7 结束语

智能自动化巡检关键技术集成了物理、电气、机械等多学科领域知识，经由传感器搜集外部环境的动态变化以及设备运行状态，利用先进的视频分析技术和大数据算法，做到充分利用设备性能。带式输送机巡检装备关键技术可以实现全方位的状态监测，提升巡检效率和准确性，并实现了对异常情况的联动处理。