煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

蘇月軍

（山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)有限公司，山西呂梁033000）

改革開放以來，我國的能源需求日期增加，煤炭作為重要能源，其開采運(yùn)輸受到了社會各界的廣泛關(guān)注，在此背景下，越來越多科技含量較高的智能技術(shù)應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)。輔助運(yùn)輸機(jī)器人具有生產(chǎn)效率高、安全無人化等優(yōu)勢，在煤炭運(yùn)輸作業(yè)中廣泛應(yīng)用，為生產(chǎn)效益提升提供助力，加快了煤礦企業(yè)乃至整個(gè)行業(yè)的發(fā)展步伐。

1 煤礦運(yùn)輸智能化發(fā)展進(jìn)程

現(xiàn)階段，我國煤礦運(yùn)輸智能化發(fā)展進(jìn)程逐步加快，但與發(fā)達(dá)國家相比仍存在部分差距，需加大開發(fā)研究力度，逐步完善運(yùn)輸機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)，盡可能提高運(yùn)輸效益，促進(jìn)采煤作業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)智能化研究起始于20 世紀(jì)中期，受社會條件及科技水平影響，2015年之前煤礦運(yùn)輸仍以人力為主，無法匹配智能綜采工作面的生產(chǎn)力需求。經(jīng)過眾多專家的努力，至今在軌道機(jī)車、鋼絲繩牽引車、無軌膠輪車等方面取得了一定成果。目前，煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作，減少人力投入，生產(chǎn)安全與效率得到充分保障，但井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜惡劣，無法實(shí)現(xiàn)全自動智能輔助運(yùn)輸，后續(xù)還需根據(jù)生產(chǎn)實(shí)情開展優(yōu)化。

2 煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人分類

煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人集成了信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、電子控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多項(xiàng)高新技術(shù)，在煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)中有重要應(yīng)用，目前國內(nèi)常見的輔助運(yùn)輸機(jī)器人主要包括四類。①機(jī)器人化礦井提升機(jī)。利用電氣控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，配有智能制動單元、防爆監(jiān)控設(shè)備等先進(jìn)設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)無人駕駛，自動化、智能化程度較高。②機(jī)器人化帶式傳輸機(jī)。具有啟動、張緊、負(fù)載自適應(yīng)及故障自診斷等功能，整個(gè)系統(tǒng)依據(jù)智能感知控制策略進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)長距離無人運(yùn)輸。③機(jī)器人化刮板輸送機(jī)。刮板輸送機(jī)在采煤生產(chǎn)中作用較多，即可運(yùn)載煤炭，還具有采煤機(jī)行進(jìn)導(dǎo)軌的作用，其智能化程度與采煤設(shè)備的智能控制息息相關(guān)。④無人駕駛礦用運(yùn)輸車。無人駕駛礦用車在露天煤礦中應(yīng)用較多，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)智能駕駛儀，具有精準(zhǔn)定位、自主測速、智能識別控制信號、規(guī)避障礙物等功能，可在井下巷道內(nèi)實(shí)現(xiàn)無人巡檢。

3 煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 帶式輸送機(jī)智能控制技術(shù)

帶式輸送機(jī)是我國煤礦中常用的輔助輸煤裝置，其智能控制技術(shù)主要體現(xiàn)在啟?？刂坪椭悄苷{(diào)速兩方面。首先，啟停控制。通過煤量檢測裝置和速度傳感器監(jiān)測帶式輸送機(jī)上的煤炭信息，實(shí)現(xiàn)啟停自適應(yīng)控制，從而提高運(yùn)輸量，避免能源浪費(fèi)。其次，智能調(diào)速。利用歷史數(shù)據(jù)建立帶式輸送機(jī)調(diào)速模型，時(shí)時(shí)監(jiān)控煤炭流量進(jìn)行智能調(diào)速。值得注意的是，為延長帶式輸送機(jī)使用壽命，不可頻繁調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，可建立分段調(diào)速模型。例如，煤量低于40%時(shí)降低速度，可節(jié)約五分之一的能源，幫助煤礦企業(yè)用最小成本創(chuàng)造更多收益。

3.2 輸送系統(tǒng)無人巡檢技術(shù)

實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)煤過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷帶、打滑、堆煤、火災(zāi)等事故，嚴(yán)重威脅人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，為降低事故風(fēng)險(xiǎn)，對運(yùn)煤作業(yè)全程進(jìn)行監(jiān)控至關(guān)重要。傳統(tǒng)生產(chǎn)中大多采用人工巡檢或固定攝像頭監(jiān)控方式，安全性及監(jiān)控范圍無法保證，需選用巡檢機(jī)器人搭建智能監(jiān)控系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)無人巡檢技術(shù)配有高清攝像裝置、熱成像儀及先進(jìn)報(bào)警裝置，結(jié)合計(jì)算機(jī)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，安全性和有效性大大提高。智能巡檢機(jī)器人具有托輥監(jiān)測、輸送帶跑偏監(jiān)測、有害氣體監(jiān)測預(yù)警、異物監(jiān)測、人員監(jiān)測等功能，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)警處理，全方位保證輸煤裝置與井下作業(yè)環(huán)境的安全，為人員提供保障。

3.3 抗干擾技術(shù)

煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人對通信技術(shù)要求較高，但井下環(huán)境復(fù)雜，受礦井深度及巷道壁復(fù)雜反射等因素影響，加之井下通信數(shù)據(jù)量大、節(jié)點(diǎn)動態(tài)變化等特點(diǎn)，通信質(zhì)量大打折扣，不利于輔助運(yùn)輸機(jī)器人運(yùn)行。為滿足智能化發(fā)展需求，煤礦企業(yè)應(yīng)搭建分布式通訊平臺，重視通信信號抗干擾技術(shù)，確保信息傳輸?shù)募皶r(shí)性與準(zhǔn)確性?？垢蓴_技術(shù)是智能機(jī)器人通信技術(shù)的重要組成模塊，有助于構(gòu)建延時(shí)短、覆蓋廣、傳輸穩(wěn)的井下網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，從而為煤礦輔助運(yùn)輸?shù)闹悄芑l(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.4 智能感知與風(fēng)險(xiǎn)識別技術(shù)

煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人可代替人工作業(yè)，使用多種傳感器感知井下溫度、濕度、設(shè)備等諸多信息，傳感器將這些信息經(jīng)由一定途徑反饋至機(jī)器人核心裝置，通過運(yùn)行計(jì)算發(fā)出行動指令。煤礦企業(yè)使用的傳統(tǒng)傳感器功能較為單一，無法滿足智能感知與風(fēng)險(xiǎn)識別，還需開發(fā)引進(jìn)高精度、防水防塵的防爆傳感器，全面感知采煤作業(yè)面信息。智能感知與風(fēng)險(xiǎn)識別技術(shù)可結(jié)合多元信息挖掘技術(shù)、智能分析技術(shù)，利用歷史數(shù)據(jù)建立瓦斯、粉塵、火災(zāi)、塌陷等多種災(zāi)害預(yù)測模型，實(shí)時(shí)監(jiān)控井下環(huán)境，提高輸煤效率與安全性。

3.5 輸送系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺

煤炭輸送安全與效率直接影響煤礦企業(yè)的發(fā)展速度，確保輸送系統(tǒng)穩(wěn)定可靠具有十分重要的意義。目前自動化傳輸設(shè)備應(yīng)用廣泛，產(chǎn)生大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可收集裝備的設(shè)計(jì)資料、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、使用記錄、故障信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等搭建輸送系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺，對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)、運(yùn)行優(yōu)化，盡可能降低故障風(fēng)險(xiǎn)，提高煤炭運(yùn)輸質(zhì)量與效率。輸送系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺綜合 Kafka 技術(shù)、Data Hub 技術(shù)、HDFS、HBase、Redis數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析和展示，避免輸送系統(tǒng)故障排查滯后問題，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤炭運(yùn)輸?shù)纳偃嘶?shù)據(jù)化和智能化操作。

3.6 巷道環(huán)境路徑規(guī)劃和安全避障機(jī)制

輔助運(yùn)輸機(jī)器人的開發(fā)意義是提高井下煤炭遠(yuǎn)距離運(yùn)輸效率，受地質(zhì)水文條件影響，井下環(huán)境復(fù)雜多變，為保證工作效率，需做好巷道環(huán)境路徑規(guī)劃，建立安全避障機(jī)制。下文從全局和局部兩個(gè)方面進(jìn)行論述。

（1）全局路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃一般使用啟發(fā)式搜索A*算法，機(jī)器人先明確自身定位，隨后在井下數(shù)字地圖中搜索確定目的地，通過空間分解算法等確定行動路線。空間分解算法可將巷道劃分為大小一致的柵格矩陣，記錄編碼每個(gè)柵格中的具體信息，計(jì)算得出全局期望路徑。值得注意的是，柵格大小與計(jì)算負(fù)荷直接相關(guān)，若柵格過小，計(jì)算量大，輔助運(yùn)輸機(jī)器人運(yùn)行效率變低，因此需結(jié)合實(shí)際情況確定柵格大小。

（2）局部路徑規(guī)劃。井下作業(yè)環(huán)境并非一成不變，輔助運(yùn)輸機(jī)器人按照全局期望路徑行駛時(shí)，經(jīng)常會遇到突發(fā)情況或障礙物，為保證行進(jìn)安全，需實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行環(huán)境變化，重新規(guī)劃局部最優(yōu)路徑。局部路徑規(guī)劃一般使用動態(tài)窗口算法，能在煤礦輔助運(yùn)輸機(jī)器人行進(jìn)過程中規(guī)避意外障礙，以免影響機(jī)器人運(yùn)行的可靠性與高效性。進(jìn)行局部路徑規(guī)劃時(shí)需綜合考慮安全避障機(jī)制、跟蹤能力、障礙物類型等多項(xiàng)因素，確保機(jī)器人沿著最優(yōu)路徑前進(jìn)。

4 總結(jié)

近年來，煤礦行業(yè)競爭加劇，企業(yè)要想在激烈的市場競爭中占據(jù)有利地位就需不斷提高自動化、智能化水平。煤炭運(yùn)輸是采煤作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，智能控制技術(shù)、無人巡檢技術(shù)、抗干擾技術(shù)等輔助運(yùn)輸機(jī)器人技術(shù)克服了傳統(tǒng)運(yùn)輸方式效率低、危險(xiǎn)性高等缺陷，全面提升運(yùn)輸效率，有效提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)競爭力與社會競爭力，促進(jìn)企業(yè)的良好發(fā)展。