摘 要
為解決煤倉(cāng)人工巡檢的高空墜落、有害氣體中毒風(fēng)險(xiǎn)及監(jiān)測(cè)盲區(qū)問(wèn)題,研發(fā)出煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人,已在榆家梁選煤廠成功驗(yàn)收。該機(jī)器人采用倒掛蜘蛛仿生設(shè)計(jì),依托三級(jí)合金鋼伸縮滑軌(最大行程40~50 m)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)內(nèi)升降,搭載激光雷達(dá)、紅外熱成像儀等多類(lèi)傳感器,通過(guò)多模態(tài)融合技術(shù),精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)倉(cāng)壁損壞(定位誤差≤3 cm)、掛煤堆積(識(shí)別率99.2%,煤堆測(cè)量精度誤差±3.78%。替代了傳統(tǒng)損失,作為國(guó)內(nèi)首臺(tái)獲礦用認(rèn)證的此類(lèi)裝備,推動(dòng)煤倉(cāng)管理向無(wú)人化、智能化轉(zhuǎn)型。
文章來(lái)源:《智能礦山》2025年第11期“礦山機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐特刊”
第一作者:吳星宇,主要從事機(jī)器人研發(fā)、視覺(jué)算法開(kāi)發(fā)相關(guān)研究工作。E-mail:179951276@qq.com
通信作者:趙明輝,研究員,現(xiàn)任中煤科工集團(tuán)上海有限公司人工智能事業(yè)部總經(jīng)理,主要從事煤礦行業(yè)人工智能化設(shè)備研究方面相關(guān)研究工作。E-mail:1910679@#edu.cn
作者單位:中煤科工集團(tuán)上海有限公司
引用格式:吳星宇,吳磊,陸鳴,等.煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新及在榆家梁選煤廠的應(yīng)用[J].智能礦山,2025,6(11):97-100.
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在煤炭生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中,煤倉(cāng)是煤炭?jī)?chǔ)存容器,也是調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)奏、精準(zhǔn)計(jì)量的關(guān)鍵樞紐。煤倉(cāng)密閉的內(nèi)部存在倉(cāng)壁腐蝕、掛煤堆積、溫濕度失控、有害氣體聚集等潛在風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的人工巡檢存在高空墜落、有害氣體中毒的風(fēng)險(xiǎn),因存在監(jiān)測(cè)盲區(qū),難以及時(shí)預(yù)警自燃、坍塌等事故,讓煤倉(cāng)從“黑箱”變?yōu)椤巴该髋摗?,成了煤礦智能化轉(zhuǎn)型中亟待攻克的難題。
2024年3月15日,國(guó)家礦山安全監(jiān)察局發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦煤倉(cāng)安全管理的通知》,文件中明確要求加強(qiáng)煤倉(cāng)日常管理與維護(hù),要求采用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備有效預(yù)防事故的發(fā)生;2024年3月29日,國(guó)家礦山安全監(jiān)察局陜西局發(fā)布《國(guó)家礦山安全監(jiān)察局陜西局關(guān)于加強(qiáng)煤礦煤倉(cāng)安全管理工作的緊急通知》,要求各煤礦企業(yè)要盡快完善煤倉(cāng)保護(hù)裝置以及機(jī)械化、自動(dòng)化改造;2024年10月23日,國(guó)家礦山安全監(jiān)察局寧夏局發(fā)布《國(guó)家礦山安全監(jiān)察局寧夏局關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦現(xiàn)場(chǎng)安全管理工作的通知》,要求在煤倉(cāng)周?chē)惭b視頻、人員接近預(yù)警、紅外熱成像、C0傳感器、CH傳感器、煤位傳感器等監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備,并與礦井調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),對(duì)積煤異常等情況及時(shí)報(bào)警。
煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人成功驗(yàn)收
依據(jù)國(guó)家政策指導(dǎo)與煤倉(cāng)痛點(diǎn)問(wèn)題,中煤科工集團(tuán)上海有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)上海煤科)與中國(guó)神華能源股份有限公司神東煤炭分公司合作研發(fā)了煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人,并在國(guó)能神東洗選中心榆家梁選煤廠成功驗(yàn)收。煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人采用倒掛蜘蛛仿生的方式進(jìn)入煤倉(cāng),通過(guò)其搭載的激光雷達(dá)、紅外熱成像儀、CH、CO、CO、O、溫濕度等多種高性能傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)煤倉(cāng)內(nèi)部的倉(cāng)壁損壞情況、倉(cāng)內(nèi)壁掛煤情況、倉(cāng)內(nèi)的環(huán)境濕度、倉(cāng)內(nèi)煤的溫度、倉(cāng)內(nèi)煤堆積情況、有害氣體情況等有效監(jiān)測(cè)預(yù)警。
煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人填補(bǔ)了煤倉(cāng)缺少綜合監(jiān)測(cè)機(jī)器人裝備的空白,為煤礦煤炭存儲(chǔ)安全提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持,引領(lǐng)行業(yè)煤炭存儲(chǔ)安全水平,標(biāo)志著煤倉(cāng)正式邁入無(wú)人化、智能化巡檢時(shí)代。榆家梁選煤廠煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人與配套設(shè)備安裝示意如圖1所示,煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人通過(guò)升降軌道進(jìn)入煤倉(cāng)內(nèi)部進(jìn)行巡檢,整套設(shè)備通過(guò)環(huán)網(wǎng)光纖與集控中心對(duì)接,管理人員可遠(yuǎn)程通過(guò)煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)煤倉(cāng)監(jiān)控。煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人與配套設(shè)備在球倉(cāng)安裝示意如圖2所示,安裝結(jié)構(gòu)與圖1中的倉(cāng)筒類(lèi)似。
圖1 榆家梁選煤廠煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人與配套設(shè)備安裝示意
圖2 煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人與配套設(shè)備在球倉(cāng)安裝示意
蜘蛛仿生:讓機(jī)器人在煤倉(cāng)“動(dòng)”起來(lái)
中煤科工集團(tuán)上海有限公司借鑒了“蜘蛛吊掛”方式,在煤倉(cāng)上方開(kāi)孔,通過(guò)固定伸縮式滑軌系統(tǒng),將煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人送入煤倉(cāng)內(nèi)部進(jìn)行巡檢,煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)固地進(jìn)入煤倉(cāng)。
煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人的固定伸縮式滑軌系統(tǒng),以套筒式結(jié)構(gòu)為核心,通過(guò)將多節(jié)滑軌進(jìn)行組合,形成伸縮滑軌系統(tǒng),借助卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行垂直伸縮。該系統(tǒng)采用3級(jí)高強(qiáng)度合金鋼伸縮滑軌設(shè)計(jì),單節(jié)滑軌長(zhǎng)3.5~5 m,完全展開(kāi)后最大行程達(dá)40~50 m,可覆蓋絕大多數(shù)工業(yè)煤倉(cāng)的垂直深度需求。
每節(jié)伸縮臂表面經(jīng)滲氮處理與防腐蝕涂層雙重防護(hù),在煤倉(cāng)高濕、高硫、高粉塵的惡劣環(huán)境中,仍能保持較長(zhǎng)的使用壽命?;壍纳炜s動(dòng)力源自頂部倉(cāng)口安裝的卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元,通過(guò)鋼絲繩與滑輪組傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)伸縮臂的平穩(wěn)升降。下降過(guò)程中,當(dāng)檢測(cè)到滑軌路徑下方存在異常堆積時(shí),系統(tǒng)在0.2 s內(nèi)觸發(fā)避障響應(yīng),通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元調(diào)整升降速度或暫停運(yùn)動(dòng),確保設(shè)備與障礙物始終保持安全距離。
卷?yè)P(yáng)機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)置動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償算法,可在瞬時(shí)負(fù)載波動(dòng)等干擾下,保持高定位精度,與激光雷達(dá)配合,避障定位精度為0.1 m。當(dāng)機(jī)器人需要深入倉(cāng)底時(shí),伸縮滑軌系統(tǒng)逐級(jí)展開(kāi)精準(zhǔn)延伸;完成檢測(cè)后,伸縮臂逐層回縮至初始狀態(tài),全程無(wú)需人工干預(yù),煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人伸縮桿與安裝效果如圖3所示。
圖3 煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人伸縮桿與安裝效果
煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人的外部輔助設(shè)備包含多層智能防護(hù)體系。在機(jī)器人作業(yè)區(qū)域周邊,輔助電子圍欄系統(tǒng)通過(guò)對(duì)煤倉(cāng)頂部開(kāi)口區(qū)域構(gòu)筑虛擬邊界,當(dāng)人員或設(shè)備誤入半徑3 m警戒區(qū)時(shí),系統(tǒng)立即觸發(fā)聲光報(bào)警并聯(lián)動(dòng)設(shè)備急停,響應(yīng)時(shí)間小于0.5 s,與傳統(tǒng)物理圍欄相比,實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)防護(hù)。倉(cāng)頂檢修口處的智能防護(hù)蓋板采用氣動(dòng)開(kāi)合設(shè)計(jì),可根據(jù)機(jī)器人升降狀態(tài)自動(dòng)啟閉,從物理端隔絕人員墜入的風(fēng)險(xiǎn),也可杜絕異物侵入污染煤倉(cāng)。
多維感知:讓機(jī)器人在煤倉(cāng)“活”起來(lái)
煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人的智能巡檢系統(tǒng)通過(guò)多模態(tài)傳感融合技術(shù),融合多傳感器采集數(shù)據(jù),相較單一數(shù)據(jù)源的檢測(cè)結(jié)果,提升檢測(cè)準(zhǔn)確率,實(shí)現(xiàn)煤倉(cāng)健康精準(zhǔn)診斷。
針對(duì)煤倉(cāng)內(nèi)壁裂縫、破損難題,機(jī)器人基于激光雷達(dá)和紅外熱成像系統(tǒng),構(gòu)建了三維點(diǎn)云建模與熱力學(xué)分析相融合的煤倉(cāng)倉(cāng)壁監(jiān)測(cè)體系。煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人搭載激光雷達(dá)傳感器,配合伺服升降機(jī)構(gòu),在垂直掃描中構(gòu)建毫米級(jí)分辨率點(diǎn)云模型;同步運(yùn)行的紅外熱成像子系統(tǒng),基于溫度梯度分析法捕捉局部異常溫變,結(jié)合幾何特征與熱場(chǎng)數(shù)據(jù)融合,使溫度異常檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)99.2%。
雙模態(tài)數(shù)據(jù)融合技術(shù)提升了隱蔽性缺陷的檢出率與定位精度,有效識(shí)別煤倉(cāng)內(nèi)壁細(xì)微裂紋,將傳統(tǒng)人工敲擊巡檢升級(jí)為全天候數(shù)字化“CT掃描”。在工業(yè)性試驗(yàn)期間,360°掃描煤倉(cāng)內(nèi)部,可視化煤倉(cāng)內(nèi)部溫度分布與倉(cāng)壁缺陷區(qū)域定位報(bào)警,缺陷區(qū)域位置分布如圖4所示,紅色方框標(biāo)注缺陷區(qū)域。
圖4 缺陷區(qū)域位置分布
針對(duì)煤堆形態(tài)監(jiān)測(cè)難題,采用毫米波與激光雷達(dá)協(xié)同感知架構(gòu)。毫米波雷達(dá)識(shí)別精度弱、穿透能力強(qiáng)、不容易受煤灰、水汽影響;激光雷達(dá)識(shí)別精度高、穿透性較差,融合2種傳感器信息,在倉(cāng)內(nèi)灰塵大時(shí)依靠毫米波雷達(dá)獲取粗略儲(chǔ)煤信息,在倉(cāng)內(nèi)灰塵較小時(shí)依靠激光雷達(dá)獲取精確儲(chǔ)煤信息,三維煤量模型測(cè)量精度誤差為±3.78%。配套工業(yè)級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)集成3級(jí)預(yù)警機(jī)制,從局部溫度異變到塌方風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)分級(jí)響應(yīng),在萬(wàn)噸級(jí)煤倉(cāng)應(yīng)用中使年維護(hù)成本大幅降低,推動(dòng)煤炭倉(cāng)儲(chǔ)邁入智能感知新時(shí)代
激光雷達(dá)對(duì)倉(cāng)內(nèi)掃描后得到的三維煤量模型如圖5所示,可以清楚地看到煤倉(cāng)內(nèi)部的分布情況,便于煤倉(cāng)管理人員對(duì)庫(kù)存進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)度和操作優(yōu)化。
圖5 激光雷達(dá)對(duì)倉(cāng)內(nèi)掃描后得到的三維煤量模型
針對(duì)倉(cāng)內(nèi)掛煤堆積難題,煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人融合視覺(jué)與激光雷達(dá)長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)技術(shù),搭載1 080 pix高清工業(yè)相機(jī),持續(xù)采集倉(cāng)壁紋理影像,結(jié)合自研深度學(xué)習(xí)模型,構(gòu)建包含煤粉黏附形態(tài)特征的動(dòng)態(tài)識(shí)別框架。同步運(yùn)行的激光雷達(dá)通過(guò)時(shí)序差分點(diǎn)云分析,提取毫米級(jí)厚度的掛煤層三維形變特征。
雙模態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)跨尺度時(shí)空配準(zhǔn)后,采用三維重建算法生成倉(cāng)壁凈空基準(zhǔn)面,通過(guò)與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的增量比對(duì),可精確定位10 cm以上的掛煤區(qū)域,空間定位誤差≤3 cm,系統(tǒng)支持掛煤厚度演變趨勢(shì)預(yù)測(cè),當(dāng)局部掛煤掛壁厚度超過(guò)閾值,自動(dòng)觸發(fā)掛煤掛壁預(yù)警。
減員增效:讓機(jī)器人在煤倉(cāng)“省”起來(lái)
煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人通過(guò)智能化升級(jí)重構(gòu)傳統(tǒng)運(yùn)維模式,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效收益與安全效能的雙重突破,替代了傳統(tǒng)3班6人的輪崗巡檢配置,削減人力成本,實(shí)現(xiàn)了深入煤倉(cāng)內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境實(shí)時(shí)探測(cè),規(guī)避人工巡檢的安全風(fēng)險(xiǎn)。
相較于依賴經(jīng)驗(yàn)判斷的作業(yè)模式,煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人集成毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等多源傳感器,結(jié)合人工智能算法與專(zhuān)家系統(tǒng),精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與健康預(yù)警煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)、物料狀態(tài),降低誤判引發(fā)的非計(jì)劃停機(jī)損失。
煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人的核心價(jià)值是進(jìn)一步延伸至生產(chǎn)流程再造。通過(guò)三維煤倉(cāng)建模與煤質(zhì)動(dòng)態(tài)分析優(yōu)化庫(kù)存策略,同步基于設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)建預(yù)防性維護(hù)體系,實(shí)現(xiàn)故障響應(yīng)效率與維修資源配置的雙向提升。融合環(huán)境感知、數(shù)據(jù)決策與閉環(huán)優(yōu)化的智能系統(tǒng),正成為推動(dòng)煤礦全鏈條數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心基礎(chǔ)設(shè)施。
作為國(guó)內(nèi)首臺(tái)獲得礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志認(rèn)證的煤倉(cāng)智能化巡檢裝備,煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人替代了人工進(jìn)入高危密閉倉(cāng)體巡檢的歷史。更深遠(yuǎn)的變革在于技術(shù)輻射效應(yīng),該產(chǎn)品的剛性垂直伸縮軌道系統(tǒng)和防爆感知模塊,為后續(xù)煤倉(cāng)清倉(cāng)機(jī)器人、煤倉(cāng)修復(fù)機(jī)器人研發(fā)奠定技術(shù)底座。煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人的應(yīng)用,從經(jīng)濟(jì)效益的“真金白銀”到社會(huì)效益的“安全普惠”。
結(jié) 語(yǔ)
中煤科工集團(tuán)上海有限公司研發(fā)的煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人通過(guò)滑軌系統(tǒng)在幾十米深的煤倉(cāng)內(nèi)自主升降,利用自身攜帶的激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、紅外熱成像等傳感器監(jiān)測(cè)倉(cāng)內(nèi)裂縫、積煤、有害氣體等隱患,替代了以往需要工人系安全帶下倉(cāng)檢查的高危作業(yè),人工下倉(cāng)巡檢頻次減少了80%。煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人毫米級(jí)精度的檢測(cè)技術(shù)突破了依賴人工經(jīng)驗(yàn)的粗放管理方式,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提前預(yù)警自燃征兆與結(jié)構(gòu)形變風(fēng)險(xiǎn),顯著降低了突發(fā)事故概率。
編輯丨李莎
審核丨趙瑞
煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中,SCI收錄1種,Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種,是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地,也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。
期刊簡(jiǎn)介
《智能礦山》(月刊,CN 10-1709/TN,ISSN 2096-9139)是由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。
主編:王國(guó)法院士
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