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立体化滑线轨道智能巡检系统主体由立体化滑线轨道系统和智能机器人构成，高清摄像头、红外热像仪等高精度传感器均集成在机器人上，智能机器人沿立体滑线轨道行走巡检预定目标，所有数据和图片等检测结果统一反馈到远程煤控室，当检测到异常时，煤控室的显示屏上显示报警信息。如下图所示，为立体化滑线轨道智能巡检系统显示屏的主界面。
系统主界面
立体化滑线轨道智能巡检系统主体介绍
立体化滑线轨道系统由滑线轨道、转弯机构（没有转弯不涉及）、升降机构（没有升降不涉及）等组成，达到贯穿多条皮带输送机、多段输煤廊道、多个转运站的目的，实现一台机器人即可对多条皮带输送机、多个输煤廊道、多个转运站进行巡检。为满足灵活、可扩展的巡检效果，智能机器人搭载高清摄像头、红外热像仪等多种高精度检测装置，将检测到的数据、画面、报警等信息传递至远程煤控室，智能机器人如下图所示。
智能机器人
立体化滑线轨道系统
我方根据现场复杂环境自主开发的立体化滑线轨道系统，其设计特点说明如下：
（1）滑线轨道主要材质为轻体合金或金属材料，适应恶劣环境；
（2）滑线轨道内置有实时供电和有线载波实时通讯，实现高带宽以太网通讯，通讯可靠稳定；
（3）滑线轨道具有Mesh网络组网，实现精准定位，精准识别；
（4） 滑线轨道系统具有多层防尘防雨设计；
（5） 内置供电系统：可以满足机器人的供电需求，同时外壳不导电，安全可靠。
Mesh网络组网介绍：
滑线轨道系统内部集成信息的采集拟采用IoT节点组成传感器网络，其中一个IoT节点作为总的传感器采集点，与滑线轨道有线连接，其余IoT节点采用有线通信或无线通讯方式与总节点进行传感器信息的传递。 注（如果未来厂内考虑5G通信）
立体化滑线轨道系统采用了一种低功耗的mesh网通信技术，其特点是低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。用于自动控制和远程控制，可以嵌入滑线轨道内。Mesh网通信技术的应用将很好的解决立体滑线轨道区域组网、机器人、传感器集中的问题。IoT组成了大规模立体网的数据采集。
Mesh组网示意图
传感器网络连接至滑线轨道控制板，滑线轨道通过控制网络模块，按照TCP/IP协议来实现滑线轨道的网络服务功能。TCP/IP通信协议以其高效、可靠、通用性获得了世界范围的广泛使用。
滑线轨道系统采用IoT为控制核心，在其中通过软件方法实现TCP/IP协议的通信功能，通过进一步的扩展，在其上可搭建起高级网络功能。利用TCP/IP协议中的UDP、IP、ARP及简单的应用层协议实现巡检机器人之间的网络互连，提高数据传输的速度，保证数据传输的正确性，同时扩展数据传输的有效半径。
TCP/IP协议是一套把因特网上的各种系统互连起来的协议组，保证因特网上数据的准确快速传输。参考开放系统互连（OSI）模型，TCP/IP通常采用一种简化的四层模型，分别为：应用层、传输层、网络层、链路层。
（1）应用层
网络应用层要有一个定义清晰的会话过程，如通常所说的Http、Ftp、Telnet等。我们用单片机系统传递来自Ethernet和数据终端的数据，应用层只对大的数据报作打包拆报处理。
（2）传输层
传输层让网络程序通过明确定义的通道及某些特性获取数据，如定义网络连接的端口号等，实现该层协议的传输控制协议TCP和用户数据协议UDP。
（3）网络层
网络层让信息可以发送到相邻的TCP/IP网络上的任一主机上，IP协议就是该层中传送数据的机制。同时建立网络间的互连，应提供ARP地址解析协议，实现从IP地址到数据链路物理地址的映像。
（4）链路层
由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成，实现这一层协议的协议并属于TCP/IP协议组。这部分功能由控制网卡芯片实现。
控制终端电脑根据默认配置可将采集的传感器信息分析并进行自动控制，用户又可通过手机、电脑等终端，随时控制机器人。
智能机器人
智能机器人可不受白天黑夜和雨雾影响进行全天候巡检，能将巡检数据自动上传至远端服务器，并可在煤控室进行实时监视、操控和预警。智能机器人在自主系统驱动的控制下沿立体化滑线轨道巡检，实时采集运行区域中的各项监控数据，并通过信号转换器搭建的高速网络传输到立体化滑线轨道网络中，煤控室内的监控界面实时显示整个皮带输送机运行状况。智能机器人搭载有高清摄像头、红外热像仪等高精度传感器，沿立体化滑线轨道系统往复移动对包括皮带、托辊及现场重要设备进行全方位的监测和扫描。
智能机器人上的智能巡检模块负责接收、处理、计算、分析、识别高清摄像头、红外热像仪等现场各类传感器的数据和控制整个系统的运行。
智能机器人可以满足以下功能：
（1）智能机器人是采用沿滑线轨道运行方式，供电、通讯方式均通过滑线轨道实现;
（2）智能机器人通过自身编码器及里程自动校准方式，实时定位，定位精度为cm级;
（3）智能机器人可携带高清摄像头，红外热像仪等多种高精度传感器，智能机器人具备360°无死角监控。
（4）主要设备防护等级达到IP67，方便维护。
（5）智能机器人在运行过程中有对滑线轨道的除尘功能。
（6）智能机器人具有可靠的刹车系统，确保速度稳定可控。
（7）智能机器人具备自检功能，故障时向煤控室发出信号。
（8）智能机器人具备定位功能，能够向煤控室发送实时位置信息。
（9）智能机器人具备自救功能，保障滑线轨道网络的实时通畅，便于维护。
高性能智能机器人系统架构分为基础设备层、过程控制层以及生产管理层，如图所示
1)基础设备层
高性能器人系统包含的基础设备层，主要任务是获取现场信息，并有效执行控制指令。不仅包括现场安装的智能仪表、执行机构、接口和基础网络，还包括智能巡检智能机器人自身数据。
在传统自动控制的基础上，通过嵌入优化调度、优化调整等控制思想，实现控制过程的智能化，如智能机器人全自动运行等。
通过大数据、人工智能等技术手段，对信息进行深层次的挖掘和分析，进而提供指导意见。除了指标统计，信息监测以外，还包括 基于专家系统的设备状态诊断、检修维护、设备监督等。
智能机器人具有在线运行信息、远程整定、自诊断等功能，可将大量现场信息传送至生产管理系统，智能仪表往往与现场总线技术结合在一起使用。
2)过程控制层——深度融合的全过程一体化平台
现场实时信息与管理信息系统的集成，使管理信息系统的应用模式达到管控一体化。完成应用系统从部门级单项应用到企业级，涵盖生产、设备等环节的整体应用，使系统的应用架构达成在工厂范围内形成信息共享、增值的机制，使系统的数据管理由分散管理向集中管理转变。
3)生产管理层
1） 结合深度学习AI的安全管理
智能机器人系统结合生产信息与深度学习AI的智能巡检，完善了智能安全管理机制。
智能机器人通过对两票信息、巡检信息、值班日志、设备管理信息的数据挖掘，结合自身携带的可见光摄像头、红外热成像仪，可跟踪运检人员，还可结合UWB定位技术，感知判断人员非法闯入，构建智能化运检系统。
2）基于大数据挖掘的设备故障管理
设备故障预警管理是信息技术与数据技术融合的典型应用。利用机器学习和大数据技术，对设备的正常运行工况信息进行学习，建立设备正常运行状态预测模型。当设备出现劣化或者故障时，预测模型会与实测值产生偏差，从而向工作人员或者工作流发出报警。与传统预警诊断技术相比，故障预警技术能够在渐变性故障发生之前，通过劣化趋势分析及时报警，并提供该异常的具体变化趋势，以及相关异常参数情况，供故障预警与分析。该技术能够在各种运行工况下持续监视所有设备和生产流程，并能在到达临界点之前发现缺陷。包括状态预估模型管理、智能集中监测、智能告警管理。
3）智能告警管理
告警管理模块面向专业诊断人员、运行人员、设备管理人员，提供告警自动产生、告警自动合并、告警辅助分析、告警处理、告警闭环归档等全流程服务。通过告警深度分析功能，结合三维虚拟可视化技术，对告警设备及相关测点进行综合，辅助故障诊断。
工作模式
（1） 巡航方式
可支持自主定位导航、设备状态识别、远程视频监控、自主定时巡检等多种模式，根据需求设定机器人的巡航方式，方便快捷。
（2） 定位方式
支持滑线轨道组网定位、编码器定位的自选路径导航定位等多种方式。
（3） 控制方式
通过滑线轨道交通网络的实时供电、实时通讯、精准定位、全程防控等功能来实现智能机器人在巡检过程中的灵活工作方式。
（4）自救功能
当检测到驱动模组出现故障时，自动切换故障模式，自动回到检修站点或始发站，便于维护。
主要功能
视频图像显示
采用高像素UVC协议高清摄像头，1920*1080像素。在智能机器人搭载安装视频摄像头，视频信息可通过网络传输到煤控室，方便集控人员对现场作业场景进行实时视频监视。通过摄像头随智能机器人在运行，将皮带、托辊及其周围环境各观视角传回远端。便于全方位远程了皮带输送机实时现状。
温度感知
采用工业自动化领域专业红外热成像仪，测温最高达550℃。红外分辨率 384x288像素尺寸 17um，帧频 30HZ，支持 RTSP 流媒体协议，MP4 文件，以太网 100/1000Base，支持 TCP、UDP、IP、DHCP、RTSP、ONVIF 等协议。右图为我公司在东胜热电厂输煤皮带中的应用，图中左侧为实时视频显示，图中右侧为实时温度显示，可以更加直观地了解到每一位置的皮带和托辊温度信息，有效控制因为温度过高导致自燃现象的发生，当发现温度过高时，对于固定位置可指示智能机器人定点监控，通过摄像头传回实时画面，对于移动的高温点，智能机器人快速完成实时追踪。
落煤管堵塞感知
我公司提出了流量对比的方案来完成落煤管堵塞感知监控，并在东胜热电投入使用。在落煤管的上端和下端分别安装测流仪，测流仪的工作原理是：首先将线激光光源打在物料表面，形成清晰的物料轮廓线，摄像机拍摄一帧图像，利用图像处理方法提取该图像中轮廓线，然后计算轮廓线与物料传送带表面围城的面积，即物料的截面积，再由测量模块测量传送带的速度，即两帧图像间行走的距离，截面积与此距离值的乘积便可得到两次图像采集间物料的体积，依此类归，就可以测量得到在系统整个工作过程中，传送带所传送的物料的体积，从而完成物料的非接触、全自动测量。
在落煤管前端和后端的流量检测后，通过流量对比，分析出流量在两个检测点之间的差值，当差值超过一定数值，即判断落煤管堵塞，系统提示报警，根据需求可联动皮带输送机控制皮带输送机及时停机。
皮带撕裂感知
激光3D扫描式输送带纵向撕裂检测装置（以下简称“装置”）运用激光技术、图像识别技术和创新的输送带机动力学技术，克服了目前纵撕检测方法的缺陷，可以在输送带运输机正常运行的情况下对上输送带底部状况进行全天候实时在线检测，一旦输送带发生纵向撕裂，将在第一时间发出报警（检测出纵撕发生1秒钟）并停止输送带运行，以免事故进一步扩大。
该装置采用光学三角测距原理和回波分析原理成像，使用非接触测量输送带撕裂裂缝宽度和深度的精密传感器。半导体激光器发出的激光经镜片聚焦到被测物体上，反射光线被镜片收集后投射到CCD上。信号处理器通过三角函数计算CCD上的光点位置得到被测物的距离信息。
激光器和摄像头分别装置在上输送带的左右下侧，激光器向输送带底部发射一条带状激光，在输送带表面反射后由摄像头采集，并自动提取激光条纹中心，根据三角测距法分析输送带断面的高度和深度参数，实时输出到控制计算机。经计算机软件分析和数据还原，得到输送带底面3D图像。可以直观判断是否发生撕裂现象。
根据每一个异常点高度、宽度、和其它异常点之间的间隙、截面积、角度（坐标值）、轮廓等，区分输送带表面已有的表皮破损和纵向撕裂产生的裂缝。详尽的群组特征准确决定了裂缝的深度、宽度、方向性、连续性、分布规律性、延长性等，从而判断纵向撕裂是否发生。
声音感知
立体化滑线轨道智能巡检系统通过拾音器采集托辊轴承运转产生的噪声，并输入到巡检系统进行诊断与检测，判断带式输送机的托辊是否出现异常，带式输送机巡检系统如下图所示。
（2）声音信号读取
把采集到的声音信号保存到硬件中，声音信号读取程序如下图所示，具体步骤：
①创建声音文件输入路径，选择声音输入控件，把创建好的路径连接到声音文件信息控件的路径接口，完成声音文件的输入，再连接读取并打开声音文件控件，这时输入的声音会被读取打开；
②连接到配置声音输出控件，可以选择采样模式、每通道采样数、设备ID等配置合适的参数，采样模式为连续采样模式；
③连接到读取声音文件控件，这时就把托辊滚动轴承运转声音输入到巡检系统中。
（3）时域检测时域信号反应声音信号随时间变化的关系，时域特征参数，结果直观，易于分辨，这也是时域特征参数诊断的一大特点。时域诊断程序如下图，巡检系统选取均方根、反峰值、正峰值、峰峰值等时域特征参数进行声音信号诊断，当这些特征参数中有超过设定的阈值时，警示灯便会亮起。
（4）频域分析
①FFT 峰值检测，根据 FFT峰值、相位等，进行分析；
②功率谱检测，根据托辊滚动轴承的实际情况，在综合实际情况下选择 4 阶巴特沃斯型（Butterworth）带通滤波器，对托辊滚动轴承声音的处理情况最佳。
环境感知
环境感知包括粉尘浓度、湿度、H2S和CO等有毒气体的感知，根据需求定制包含以上感知功能的环境监测传感器，将此环境监测传感器同红外热像仪等传感器一样集成在智能机器人上，通过串行口接口与智能机器人通讯。
电气控制及接口
电缆及敷设
（1）供电及控制电缆电缆采用阻燃电缆。
（2）网络通讯使用光纤电缆时，光纤数量不少于4芯，光纤规格为单模。
低压配电系统
（1）低压配电装置为金属外壳、防尘、密封的电气箱。
（2）低压配电装置均采用最先进的产品,低压断路器采用合资知名品牌产品。
（3）电气设备应符合IEC标准，以技术先进、能耗低和安全等原则来选择电气设备。
电气保护和信号装置
（1）电气系统采用可靠的保护和信号装置，当电气设备和线路发生故障时，保护装置有效和可靠的动作，在遇到司机误操作时控制逻辑能自动闭锁控制输出回路，并发出声光报警信号。
（2）电气保护装置的设置
a. 变压器装设短路、过负载、过热保护装置。
c. 低压电动机装设短路、过负载、失压、接地和断相等保护装置、电流。
d. 检修电源总开关上设漏电保护与故障显示装置。
电气设备的控制设计
任何一个设备的各种操作都不能影响其他设备的正常运行。
接口原则
项目涉及的所有软硬件产品的设计制造、调试工作，以及所有功能模块之间的衔接，使其成为一个完整、可靠、使用的系统。
项目所有软硬件设备及功能模块之间接口的设计、制造、调试，满足按照要求接入其他第三方系统,并保证各系统间通信顺畅、传输数据快捷准确。
预期效果
立体化滑线轨道智能巡检系统改变了传统基于分段隔离的水平巡检作业模式，采用立体化滑线轨道与高性能机器人相结合的方式将厂内所有皮带输送机和输煤廊道完全置于一整套立体式的巡检系统中，其特点是：（1）构建的立体化滑线轨道巡检网络，可实现无死角全覆盖，滑线轨道布置灵活，可用于任意巡检部位的技术改造。（2）滑线轨道内置滑触线，具有多层防尘防雨设计；（3）机器人无充电环节，全过程24小时连续作业，操作效率高、机器人速度快；（4）滑线轨道自带工作站，机器人自主进入工作站，运营成本低，维护方便。
通过立体化滑线轨道智能巡检系统的应用，预期达到以下效果：
（1）先进性：立体化滑线轨道与高性能机器人在工厂巡检上的应用国内尚无先例，国际上也没有明确资料显示类似应用，因此在期刊、专利乃至科技进步奖等方面都存在很大空白，预期发表期刊论文2-4篇，实用新型专利1-3项，科技进步奖一项。
（2）安全性：立体化滑线轨道智能巡检系统取代了复杂、危险环境下人员的巡检工作，避免了由于巡检过程中设备故障给人员带来的人身伤害，也避免了巡检人员在工作中违反操作规范带来的人身伤害；同时在维修人员处理故障过程中通过机器人定点值守，煤控室可全程观看维修人员的操作步骤，对错误的做法及时制止；最后，通过减少人员在噪声大、粉尘浓度高等恶劣环境停留的时间，改善他们的身体状况，降低引发职业病的可能性。
（3）可靠性：立体化滑线轨道智能巡检系统的巡检质量不受主观因素影响，智能机器人完全受控地在立体化滑线轨道上运行，无论是大量的巡检工作还是电缆沟道、刮风下雨等恶劣环境，均能保证巡检的质量，不会出现漏巡、错巡等问题；智能巡检机器人具备视频图像识别、红外热成像测温、AI智能人员检测等功能，丰富了巡检手段，增强了巡检效果；通过立体化滑线轨道的铺设和部分位置固定点监测，能够有效地将所需巡检部位全部覆盖，避免了某些巡检点空间位置不便于巡检造成的漏检。
（4）经济性：当设备发生故障或发现劣化状况时，信息传递给煤控室，煤控室下达指令给维修工作人员定点进行维修工作，避免了盲目查找问题的过程；立体化滑线轨道智能巡检系统具备的温度、声音、视频记录等及设备劣化趋势分析功能，能够提前发现设备的异常状态，便于查找问题原因以防止异常状态进一步扩大，造成设备的彻底损坏；同时对于目前尚能正常运行但随时可能损坏并影响整个流程的设备，能够综合各种因素恰当的安排维修时间，避免在运行状态下突然破坏性的异常带来的重大经济损失。
（5）管控性：所有巡检的状态信息包括声音、图像、视频等均会反馈到煤控室，便于运行人员对整个作业流水线的直观管控；通过对反馈信息的分析，初步判断问题的轻重缓急，有组织有针对性的安排停机及维修人员作业，并对维修人员的作业过程全程把控，可通过机器人搭载的语音系统远程通话，通过视觉和听觉的直观感受，让煤控室操作人员如身临其境，便于煤控室和现场人员沟通交流；通过手机APP，员工无论是在公司还是在家均可按所处职位实时浏览对应信息，如公司领导可查看总体故障停机时间、重大安全隐患等，班组长可查看上一班组处理的故障信息以便这个班重点监察是否运行正常，维修人员可查看历史的维修记录，丰富维修人员的维修经验，以及对同一部位多次出现的相同问题重点排查。
智能化：采用立体化滑线轨道智能巡检系统取代人工巡检，符合“中国制造2025”的整体工业化目标，也顺应了逐步解放人的体力劳动、实现自动化的趋势。随着5G时代的来临，国家已经开始布局5G网络，并逐步应用到各行各业，5G的应用将使人机交互更加流畅，工业的总体智能化进一步提升，立体化滑线轨道智能巡检系统可预留5G技术应用的端口，当工厂覆盖5G技术后，只需要将系统升级即可成为5G网络应用模式。
