基于煤礦井下不同災(zāi)害環(huán)境的救援機(jī)器人通信方式研究

史兆偉　盧雪紅　樊宙　潘濤

摘 要：煤礦安全事故多種多樣，救援機(jī)器人作為最早能夠進(jìn)入煤礦事故現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，對(duì)于被困人員的救援、礦井的維修有著非常中的意義。救援機(jī)器人在井下能夠有效展開(kāi)工作的基本依靠就是通信功能，通信功能有助于地面人員根據(jù)井下的不同情況采取相應(yīng)的救援措施。然而由于地下情況復(fù)雜，由于不同的因素造成的災(zāi)害事故也產(chǎn)生了不同的環(huán)境，對(duì)于通信的正常傳輸造成了一定的影響。本文主要分析了礦井之中常見(jiàn)的災(zāi)害的不同特征，討論了不同災(zāi)害發(fā)生時(shí)的網(wǎng)絡(luò)特性，提出了不同通信要求的搭建方式，以期能夠?yàn)榫仍畽C(jī)器人的使用以及不同環(huán)境的需求提供有效幫助。

關(guān)鍵詞：煤礦井下災(zāi)害;救援機(jī)器人;通信方式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.100

0 引言

隨著煤礦開(kāi)采工作機(jī)智能化越來(lái)越高，先進(jìn)的技術(shù)也不斷的被應(yīng)用在煤礦救援之中，煤礦救援機(jī)器人就是其中之一。救援機(jī)器人的通信是一種基于遠(yuǎn)程控制與智能操作的設(shè)備，其能夠采集井下實(shí)際情況，并將其傳輸回地面端，為救援工作提供有價(jià)值的參考。

1 研究目標(biāo)

本項(xiàng)目以煤礦井下救援機(jī)器人為服務(wù)對(duì)象和基礎(chǔ)，研究適用于煤礦井下不同災(zāi)害發(fā)生時(shí)救援機(jī)器人的通訊系統(tǒng)的研究與搭建，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)煤礦救援機(jī)器人通信系統(tǒng)安全、準(zhǔn)確、快速的搭建。預(yù)期達(dá)到以下目標(biāo)：（1）全面掌握煤礦井下不同災(zāi)害發(fā)生時(shí)的環(huán)境特性，為救援機(jī)器人在不同環(huán)境下工作提可靠依據(jù);（2）掌握煤礦井下不同災(zāi)害環(huán)境下的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，為安全、可靠、穩(wěn)定的搭建通信系統(tǒng)提供可靠依據(jù);（3）根據(jù)煤礦井下不同災(zāi)害發(fā)生時(shí)的環(huán)境特性、通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶匦裕瑸閷?shí)現(xiàn)不同環(huán)境下煤礦救援機(jī)器人應(yīng)急救援通信系統(tǒng)搭建合理的不同類型的通信系統(tǒng)。

2 研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目圍繞煤礦安全事故發(fā)生后，針對(duì)煤礦救援機(jī)器人開(kāi)展救援工作時(shí)，煤礦井下不同災(zāi)害環(huán)境中的應(yīng)急救援通信系統(tǒng)搭建方式進(jìn)行研究，主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：（1）研究煤礦井下不同災(zāi)害發(fā)生時(shí)的環(huán)境特性。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，研究近年來(lái)瓦斯、煤塵、水、火和頂板災(zāi)害發(fā)生時(shí)的環(huán)境特性，按照煤礦事故發(fā)生時(shí)井下環(huán)境的特性分類總結(jié)。（2）研究煤礦井下不同災(zāi)害發(fā)生時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸特性。根據(jù)煤礦事故發(fā)生時(shí)井下環(huán)境的特性分類研究救援機(jī)器人在不同環(huán)境中的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶匦?。?）研究煤礦井下不同災(zāi)害發(fā)生時(shí)不同通信系統(tǒng)的搭建方式。根據(jù)煤礦井下事故發(fā)生時(shí)的環(huán)境特性、通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶匦裕瑸閷?shí)現(xiàn)不同環(huán)境下煤礦救援機(jī)器人應(yīng)急救援通信系統(tǒng)建立合理的不同類型的通信系統(tǒng)搭建方式。

3 研究結(jié)果

（1）不同環(huán)境以及不同的傳輸方式。煤礦井下不同災(zāi)害發(fā)生時(shí)，救援機(jī)器人在開(kāi)展救援工作時(shí)，建立安全可靠高效的通迅網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)事故的引發(fā)以及井下的實(shí)際情況，可以將井下事故分為煤礦瓦斯爆炸、塌方、漏水等。在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際造成的事故大小，可以大致分為易燃易爆類、結(jié)構(gòu)坍塌類、水含量高類。這幾種事故場(chǎng)景伴隨著不同的二次危險(xiǎn)，對(duì)于易燃易爆類，如果在建立通信或者通信過(guò)程中產(chǎn)生火花，則有可能造成爆炸情況，嚴(yán)重影響了救援進(jìn)度。對(duì)于結(jié)構(gòu)坍塌類，由于通道曲折，不利于線路通行，在選擇通信過(guò)程中，不能選擇有線方式，極容易造成線路纏繞，影響通信過(guò)程。對(duì)于發(fā)生漏水事故的情況，由于通信設(shè)備可能在水中進(jìn)行長(zhǎng)期的浸泡，因此需要做好防水措施，如果使用有線通信，則需要選擇外部包裹防水的線路。

有線傳輸是指通過(guò)特質(zhì)的線路跟隨救援機(jī)器人一起進(jìn)入井下，這種線路的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)⒋罅康臄?shù)據(jù)以無(wú)損的形式傳輸，同時(shí)這種傳輸形式延遲非常小，有利于對(duì)于救援機(jī)器人的控制，是一種存在時(shí)間長(zhǎng)、效果好的通信模式?，F(xiàn)階段，由于光線線路輕、韌性好被廣泛應(yīng)用于救援機(jī)器人進(jìn)行井下救援，但是這種線路耐磨性能差、不利于在狹小的空間內(nèi)來(lái)回穿梭，影響了救援機(jī)器人的靈活性。

無(wú)線傳輸是指通過(guò)電磁波的形式進(jìn)行信號(hào)的傳輸，但是電磁傳輸過(guò)程中有可能造成火花，因此這種方式的使用也有著一定的限制性。但是無(wú)線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)在于能夠通過(guò)各種復(fù)雜的井道進(jìn)行信息的傳輸。當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的WIFI通信模式，除了自身能夠直接傳輸信息之外，還能夠通過(guò)搭建AP的形式進(jìn)行信息的階段傳輸，不但保證信息的傳輸?shù)木嚯x還能夠強(qiáng)化其傳輸質(zhì)量。需要注意的是，這種傳播方式與天線的功率以及指向有著非常緊密的關(guān)聯(lián)，因此一些傳輸系統(tǒng)，尤其是中繼之中采用了“不倒翁”設(shè)計(jì)，通過(guò)在天線的另一端增加重錘的形式，使得另一端的天線能夠一直呈現(xiàn)向上的狀態(tài)。

（2）通信的搭建。根據(jù)通信性質(zhì)的不同，可以分為有線通信搭建與無(wú)線通信搭建。在有線通信搭建過(guò)程中需要充分考慮井道之內(nèi)是否出現(xiàn)了水或者其他腐蝕性液體，以便在搭建通信時(shí)選擇合適的線路。選擇好通信線路之后，直接將機(jī)器人放入井道之中，通過(guò)拖曳的方式，進(jìn)行通信的建立。在無(wú)線通信搭建方面，一般需要根據(jù)通信需要在井道之中建立網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置多個(gè)熱點(diǎn)，使其能夠覆蓋整個(gè)井道，當(dāng)進(jìn)行救援機(jī)器人通信搭建時(shí)只需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入。對(duì)于一部分沒(méi)有進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布置的井道，可以通過(guò)自主攜帶AP，逐步投放的形式來(lái)建立起廣泛的局域網(wǎng)絡(luò)。常見(jiàn)的通信搭建包括了WIFI通信搭建、ZigBee通信搭建等。

4 總結(jié)

煤礦井下事故環(huán)境復(fù)雜，一旦發(fā)生事故，一般需要投放救援機(jī)器人進(jìn)行勘探，再制定相應(yīng)的救援方案。因此能夠?qū)⒕聦?shí)際情況回傳就必得非常關(guān)鍵，救援機(jī)器人的通信功能是能夠?qū)崿F(xiàn)救援機(jī)器人功能性的基本依靠。在面對(duì)不同的井下環(huán)境時(shí)需要選擇相應(yīng)的通信方式，既要不對(duì)井道造成二次危害，又要能夠?qū)崿F(xiàn)井下情況的準(zhǔn)確回傳。這就需要在通信方式的選擇上具有速率高、延遲低的特性，還需要能夠快速布置，減少通信的困難度。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓秀娟，杜翠杰，秦玉鑫，etal.基于WIFI的井下救援機(jī)器人無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦安全，2015，46（03）：105-107.

基金項(xiàng)目：2019年甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升項(xiàng)目《基于煤礦井下不同災(zāi)害環(huán)境的救援機(jī)器人通信方式研究》階段性研究成果。

作者簡(jiǎn)介：史兆偉（1985-），男，陜西岐山人，碩士，講師，主要研究方向：機(jī)電設(shè)備的改進(jìn)、設(shè)計(jì)與制造。