输煤廊道综合巡检监控平台无人巡检系统的研究与应用

郭可意，李慧杰，王文占，王昊，王智杰，徐光平

1.内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司，内蒙古锡林郭勒，026099 2.北京中安吉泰科技有限公司，北京，100085

0 引言

基于输煤廊道综合巡检监控平台的无人巡检模式是近年来输煤廊道系统的一项创新技术，它通过利用智能传感器、无线通信、图像处理、数据分析等技术，实现了对输煤廊道的全方位、实时、自动化的监测和管理，大大提高了输煤廊道的安全性、效率和可靠性。根据不同的输煤廊道类型和环境条件，无人巡检模式可采用不同的监测设备和方式，如无人机、机器人、摄像头、温度传感器、振动传感器、声音传感器等，这些设备可以实时采集输煤廊道的各种参数和图像信息，并通过无线网络传输到综合巡检监控平台，由平台进行数据分析和处理，及时发现并警报输煤廊道的异常情况，如温度过高、振动过大、声音异常、结构变形、裂缝、堵塞等，从而有效预防和控制输煤廊道的事故发生。

1 输煤廊道综合巡检监控平台无人巡检工作的常见问题

输煤廊道综合巡检监控平台无人巡检模式是一种利用智能机器人代替人工进行输煤廊道的巡检和监控的模式，旨在提高巡检效率和安全性，降低人力成本和风险。这一工作模式在应用过程中暴露出无法适应输煤廊道环境、难以正常爬坡等问题。输煤廊道内部通常温度高、湿度大、粉尘多、气体浓度高、光线暗等，这些都对巡检机器人的运行和感知能力造成了不利影响。例如，高温会导致机器人的电池寿命缩短，湿度会导致机器人的电路板受潮，粉尘会导致机器人的摄像头和传感器模糊，气体会导致机器人的通信信号干扰，光线暗会导致机器人的视觉识别困难等。输煤廊道内部通常存在一些上下坡、弯道、隧道等复杂地形，此类地形因素对巡检机器人行驶能力提出了较高要求。例如，上坡时需要机器人有足够的动力和牵引力，下坡时需要机器人有足够的制动力和稳定性，弯道时需要机器人有足够的转向灵活性和精确性，隧道时需要机器人有足够的避障能力和自适应能力等。输煤廊道内部通常存在一些转运站，将煤从一个廊道转移到另一个廊道。转运站内部通常有一些活动部件，如皮带、滚筒、挡板等，这些都对巡检机器人的穿越能力构成了挑战。例如，皮带会导致机器人的轮胎打滑或被卷入，滚筒会导致机器人的平衡失调或被卡住，挡板会导致机器人的行进受阻或被撞飞等[1]。

2 输煤廊道综合巡检监控平台的设计思路

2.1 硬件设计思路与基本架构

输煤廊道综合巡检监控平台的硬件设计思路是基于物联网技术和无线传感网络技术，实现对输煤廊道的实时监测和智能管理。智能巡检机器人是巡检模式的核心设备，需要达到以下性能参数标准。首先是能够在输煤廊道内自主导航和定位，避免碰撞和脱轨，实现精确的巡检任务分配和执行。其次是可搭载多种传感器和摄像头，实时采集输煤廊道内的温度、湿度、气体浓度、煤尘浓度、结构变形、裂缝等数据，并进行图像处理和分析。无人智能巡检机器人的具体参数如下：体积不超过1米×0.5米×0.5米，重量不超过50千克，速度不低于1米/秒，续航时间不低于2小时，工作温度为-10℃～60℃，工作湿度为10%～90%，内置温度传感器、湿度传感器、气体传感器、煤尘传感器、应变计、裂缝探头等设备。例如，某煤矿采用了输煤廊道综合巡检监控平台智能巡检机器人巡检模式，对其长达10公里的输煤廊道进行了智能化巡检。该煤矿配置了10台智能巡检机器人，每台智能巡检机器人负责1公里的巡检区域，每天进行两次巡检，每次巡检时间为30分钟。该煤矿还在输煤廊道内设置了5个充电站、10个信号放大器和20个应急装置，保证了智能巡检机器人的正常运行和安全性。智能巡检机器人可以搭载多种传感器和摄像头，实时采集输煤廊道内的各项数据，并进行图像处理和分析，提高了巡检数据的准确性和可靠性[2]。

硬件设施层面的主要架构是基于MVC（模型-视图-控制器）模式，将系统分为三个层次：模型层、视图层和控制层。模型层负责数据的存储和处理，包括传感器、节点、网关和服务器；视图层负责数据的展示和交互，包括终端；控制层负责数据的流转和逻辑，包括网关和服务器。运作机制是基于事件驱动和反馈控制的方式，当系统发生某种事件时（如传感器采集到异常数据），触发相应的处理流程（如发送预警信息），并根据反馈结果进行调整（如调节输煤机速度）。

2.2 软件设计思路

为做好综合巡检监控平台软件设计工作，技术人员应根据输煤廊道的结构和功能，将其划分为若干个巡检区域，每个区域设置一个或多个巡检点，巡检点包括视频监控、温度传感器、烟雾传感器、水位传感器等设备，用于实时采集输煤廊道的运行状态和环境参数。应在综合巡检监控平台上，建立一个数据库，用于存储输煤廊道的基本信息、巡检区域和点的位置信息、设备的类型和编号、设备的工作参数和阈值、设备的历史数据和报警记录等，并在综合巡检监控平台上构建可视化界面，用于显示输煤廊道的平面图和三维模型，以及各个巡检区域和点的位置和状态。用户可以通过鼠标或键盘操作，对输煤廊道进行放大、缩小、旋转、平移等操作，以便观察输煤廊道的全貌和细节。应设置巡检管理模块用于设置巡检计划和任务，以及调度巡检机器人。用户可根据需要，选择巡检区域和点，设置巡检时间和频率，以及指定巡检机器人的数量和类型。巡检机器人可根据预设的巡检路径，自动驱动到各个巡检点，通过无线通信，将采集到的视频和数据传输到综合巡检监控平台上，并接收平台的指令和反馈[3]。

3 无人巡检系统的功能及优化措施

3.1 智能巡检监控功能

该功能是指无人巡检设备根据预设的巡检路线和时间，自动启动并沿着输煤廊道进行巡检，实时采集廊道内的温度、湿度、气体浓度、照明情况、设备运行状态等数据，并通过图像识别和数据分析，判断廊道内是否存在异常情况，如火灾、水浸、塌方、设备故障等。如果发现异常，无人巡检设备会立即向监控中心发送报警信息，并提供异常位置和类型。该功能的作用是提高输煤廊道的安全性和可靠性，降低人工巡检的成本和风险。综合巡检监控平台需要对巡检机器人收集的大量数据进行智能分析和处理，以便及时发现输煤廊道的异常情况和隐患，如裂缝、渗水、变形、堵塞、故障等，并给出相应的预警和处理建议。此外，综合巡检监控平台还需要对巡检机器人的运行状态进行监测和管理，如电量、故障、位置等，并根据实际情况动态调整巡检机器人的数量和分布[4]。

3.2 智能充电功能与数据远传通信功能

该功能是指无人巡检设备在完成一次巡检任务后，或者在电量低于预设值时，自动返回充电站进行充电。充电站可以设置在输煤廊道的起点或终点，或者在适当的位置设置多个充电站，以保证无人巡检设备的连续运行。该功能模块的作用是延长无人巡检设备的使用寿命，避免因电量不足而导致的巡检中断或失联。为满足输煤廊道的长距离和复杂环境的特点，系统可采用分布式充电站和锂电池供电设计方案，在输煤廊道的关键节点或区域设置多个充电站，每个充电站都有一个唯一的识别码和通信模块，能够与无人巡检设备和监控平台进行数据交互。机器人内置锂电池的充放电过程受到智能管理系统的监控和控制，以保证锂电池的安全性和稳定性。为了防止在输煤廊道这种易燃易爆的环境中，无人巡检设备在充电过程中产生火花或电弧，该系统采用了接触式防打火技术，使充电桩和机器人电源在接触前后，先通小电流再通大电流，从而避免火花产生[5]。

数据远传通信功能是指无人巡检设备通过无线网络或光纤网络，将采集到的数据和图像实时传输到监控中心，或者将数据和图像存储在本地存储器中，在返回充电站时一次性上传。该功能的作用是方便监控中心对输煤廊道的全面掌握，及时发现和处理异常情况，提高管理效率和水平。该功能模块可采用多种通信方式，如4G/5G网络、卫星通信、微波通信等，根据不同地区的网络覆盖情况，选择最优的通信方式，保证数据传输的稳定性和实时性。同时，该系统还支持语音对讲和视频会议功能，方便监控人员和现场人员之间的沟通和协作。

3.3 智能与防碰撞模块

智能自检功能的原理是基于机器人的传感器、控制器、执行器和通信模块等组成部分的状态监测和反馈。机器人通过内置的软件程序，根据预设的时间间隔或触发条件，启动自检模式，对各个部件进行逐一扫描和测试。机器人会根据自检结果，判断是否存在异常或故障，并给出相应的提示或报警信息。如果发现轻微的问题，机器人会尝试自动修复或调整；如果发现严重的问题，机器人会停止工作，并向管理中心发送求助信号。自我检查的范围包括机器人的电源系统、运动系统、导航系统、视觉系统、触觉系统、温度系统、声音系统、气味系统等。检测标准是根据机器人的设计规范和性能要求，以及国家和行业的相关标准制定的。机器人会将自检结果与标准进行对比，计算出各项指标的偏差值和合格率。

巡检机器人需要能够在复杂的输煤廊道环境中实现自动避障、定位、导航和控制，同时能够根据巡检任务的要求，自动调整行驶速度和路线，以及及时响应远程指令和紧急情况。技术人员可调节机器人的动力系统和牵引系统，增强机器人的制动系统和稳定系统，增强机器人的转向系统和精度系统，增强机器人的避障系统和自适应系统等。用于紧急避障的防碰撞模块可利用搭载在智能巡检机器人上的雷达、摄像头、红外线等传感器，实时感知智能巡检机器人周围的环境信息，如障碍物、风速、温度、湿度等。如果发现有碰撞的风险，系统会自动调整智能巡检机器人的轨迹和姿态，以保持安全距离和避开障碍物。

4 应用成效分析

某电力集团在建设一条长达200公里的输煤廊道时，采用了无人巡检系统作为其综合巡检监控平台。该系统由多台智能巡检机器人、数百个传感器、数千个摄像头等设备组成，覆盖了输煤廊道的全线。该系统可以实现以下功能。首先是机器人定期或随机地进入输煤廊道进行巡查拍摄，获取高清视频和图片，通过图像识别技术分析输煤廊道的表面状态，如裂缝、渗水、杂物等。机器人上搭载的传感器可持续地对输煤廊道内部进行监测，获取温度、湿度、气体浓度、结构变形等数据，通过数据挖掘技术分析输煤廊道的内部状态，如火灾、漏水、塌方等。机器人内置摄像头可实时地对输煤廊道进行监视，获取动态视频和图片，通过视频分析技术分析输煤廊道的运行情况，如故障、堵塞、损坏等。

该系统可将所有设备采集到的数据和信息汇总到一个中央控制室，并通过云计算和大数据技术进行综合分析和处理，生成各种报告和预警，并及时通知相关人员进行处理。该系统还可根据历史数据和当前数据进行智能优化，提出更合理的运维方案和建议。在输煤廊道发生火灾、管道漏水等突发性事件时，无人巡检系统可及时发现并预警突发灾害发生位置和规模，并自动启动三防系统，消除安全风险，避免更大损失。

5 结论

现阶段无人巡检模式还不能完全替代人工巡检，有些复杂或隐蔽问题可能需要人工进行确认或处理。因此，需要建立有效协调机制，使得无人巡检和人工巡检能够相互配合，互为补充。无人巡检模式还需要不断完善其数据分析和处理能力，提高智能化水平，使其能够更准确地识别输煤廊道的异常情况，并给出合理的处理建议，从而提高输煤廊道的运行效率和安全性。