礦井機器人智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計

郭坤閃

摘要：井下采煤有許多問題，如冒頂、水災(zāi)，還含有二氧化碳和一氧化碳等有害氣體以及甲烷等爆炸性氣體。針對建設(shè)智能礦山的檢查和監(jiān)測等任務(wù)，智能巡檢機器人集數(shù)據(jù)采集、視頻巡檢、智能分析、故障報警等功能于一體。對井下生產(chǎn)現(xiàn)場及大型設(shè)備進行智能巡檢，實現(xiàn)無人值守作業(yè)，為數(shù)字化礦井建設(shè)提供有力支持。該文強調(diào)了對巡檢機器人的重要要求，以及在設(shè)計此類機器人時遇到的一些限制。為了實現(xiàn)井下巡檢的自動化，根據(jù)團隊設(shè)計的基于柔性履帶的懸掛式巡檢機器人的機械結(jié)構(gòu)和綜采工作面巡檢要求，設(shè)計了巡檢機器人控制系統(tǒng)，介紹了巡檢機器人的機械結(jié)構(gòu)，并根據(jù)礦井巡檢自動化的要求，提出了巡檢機器人控制系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計了基于分層控制的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其包括控制系統(tǒng)的總體方案、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，接著該文還討論了針對巡檢系統(tǒng)的判別分析和系統(tǒng)應(yīng)用，設(shè)計了多傳感器數(shù)據(jù)采集解碼模塊，建立了視覺精定位的機器人自主充電模塊和基于視覺輔助判斷和串級PID控制算法的機器人自主運行模塊。

關(guān)鍵詞：礦井機器人?軟件設(shè)計?巡檢系統(tǒng)?礦井環(huán)境

中圖分類號：TP242??文獻標識碼：A???文章編號：1672-3791（2022）06（b）-0000-00

Design?of?Mine?Robot?Intelligent?Inspection?System

Guo?KunShan

（Henan?Zhongping?Automation?Limited?by?Share?Ltd.，??Pingdingshan，??Henan?Province，??467000?China）

Abstract：Underground?mining?has?many?problems?such?as?ground?movement?（roof/side?fall），?flooding，?air?explosion，?etc.?It?also?contains?harmful?gases?such?as?carbon dioxide?and?carbon?monoxide?and?explosive?gases?such?as?methane.?For?the?inspection?and?monitoring?of?the?construction?of?intelligent?mine，?the?intelligent?inspection?system?integrates?data?acquisition，?video?monitoring，?intelligent?analysis，?fault?alarm?and?other?functions.?Intelligent?monitoring?of?underground?production?site?and?large?equipment?can?realize?unattended?operation?and?provide?strong?support?for?digital?mine?construction.?This?paper?highlights?the?important?requirements?for?inspection?robots?and?some?of?the?limitations?encountered?in?designing?such?robots.?In?order?to?realize?automatic?inspection?of?fully?mechanized?mining?face，?a?control?system?of?fully?mechanized?mining?face?inspection?robot?was?designed?according?to?the?mechanical?structure?of?the?suspension?inspection?robot?based?on?flexible?track?designed?by?the?team?and?the?inspection?requirements?of?fully?mechanized?mining?face.?This?paper?introduces?the?mechanical?structure?of?the?inspection?robot，?puts?forward?the?functional?requirements?of?the?control?system?of?the?inspection?robot?according?to?the?requirements?of?the?inspection?automation?of?fully?mechanized?mining?face，?and?designs?the?control?system?structure?based?on?hierarchical?control.?Including?the?control?system?of?the?overall?scheme，?control?system?hardware?design?and?control?system?software?design.?The?discriminant?analysis?and?system?application?of?the?inspection?system?are?discussed.?A?multi-sensor?data?acquisition?and?decoding?module?is?designed，?and?a?robot?autonomous?charging?module?based?on?visual?precision?positioning?and?a?robot?autonomous?operation?module?based?on?visual?auxiliary?judgment?and?cascade?PID?control?algorithm?is?established.

Key?Words：??Mine?Robot;?Software?Design;?Inspection?System;?Mine?Environment;

地下礦井大致分為兩類：煤礦和非煤礦山。非煤礦山基本上由金屬礦組成，與礦井相比，這些礦井的位置相對較深。地下金屬礦與煤礦的不同之處在于，金屬礦沒有有毒氣體排放。煤礦受到有毒氣體的困擾，如一氧化碳、二氧化碳、Firedamp（礦井中的甲烷-空氣混合物）、硫化氫、氮氧化物等。而且煤層巖石不像金屬礦床中礦體周圍的主巖那樣堅固，更容易發(fā)生頂板墜落和爆炸，地層控制變得困難，因此煤礦被認為是更危險的礦山。

在煤礦工作時遇到的主要問題是狹窄的空間、高熱和高濕、空氣流通差，照明條件差。這些條件在事故發(fā)生后立即惡化，從而使救援人員難以及時進入事故區(qū)域并開展巡檢行動。由于事故發(fā)生后大氣中立即充滿了高濃度的灰塵和煙霧，救援人員幾乎不可能前進，因為他們幾乎被厚厚的灰塵云所蒙蔽。因此，在煙塵平息之前，巡檢行動陷入停滯狀態(tài)，關(guān)鍵時間就此失去。在煤礦中，大氣中存在著有毒氣體，而且由于煤塵或火鉗，有可能發(fā)生第二次爆炸，從而使情況變得更加危險。正是在這種情況下，智能巡檢系統(tǒng)可以幫助巡檢人員更快地實行巡檢任務(wù)，巡檢機器人的貢獻變得非常寶貴。該機器人可以在事故發(fā)生后立即投入行動，并在監(jiān)視因自燃而被封在煤礦的面板時非常方便。巡檢機器人的應(yīng)用已經(jīng)在世界各地的各個部門拯救了多條生命，當(dāng)這種技術(shù)被應(yīng)用于地下煤礦時，這個數(shù)字會成倍增加。該機器人還可用于煤礦的三維測繪，并從無法進入的地方收集有價值的數(shù)據(jù)。該文介紹了巡檢機器人領(lǐng)域的一些工作，以及該領(lǐng)域正在進行的研究，同時強調(diào)了巡檢機器人的要求和所面臨的問題。

1煤礦智能巡檢系統(tǒng)的組成

1.1巡檢機器人概述

根據(jù)Robin?R.?Murphy（2001年），巡檢機器人可分為以下4個主要類型。

無人地面車輛（UGVs）。?UGVs在地面上工作，可以幫助巡檢人員在巡檢人員難以進入的地區(qū)找到被困的受害者并與之互動。

無人水面飛行器（USVs）。?USVs漂浮在水面上，可以幫助巡檢人員找到并將正確的設(shè)備帶到受害者身邊。

無人潛航器（UUVs）。?無人潛航器有能力在水中搜索，并識別死亡、危險對象或材料。

無人駕駛飛行器（UAVs）。?無人駕駛飛行器工作時不與地面接觸，可以幫助向受害者運送醫(yī)療援助，并向巡檢隊展示事故現(xiàn)場的大致情況。

用于井下巡檢行動的高效機器人應(yīng)該是上述四種類型的組合，以應(yīng)對災(zāi)害頻發(fā)的煤礦中存在的不同情況。

1.2巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦智能巡檢系統(tǒng)實現(xiàn)了煤礦關(guān)鍵崗位的設(shè)備安全狀態(tài)巡檢、人員安全狀態(tài)巡檢和生產(chǎn)過程安全識別，包括：人員入侵、人員穿越、噴淋故障、管道泄漏、剝落巡檢、皮帶異常、皮帶破損、皮帶堆煤、皮帶異物、軌道巡檢、等待巡檢、泵房巡檢、儀表閥門、明火監(jiān)測及異常聲音[1]。

智能巡檢機器人，煤礦智能巡檢系統(tǒng)硬件主要包括傳感操作服務(wù)器、工控機、巡檢顯示屏、PC終端、礦用隔爆攝像頭、紅外成像儀、礦用隔爆本安環(huán)網(wǎng)交換機、礦用防爆巡檢機器人等。

2煤礦巡檢任務(wù)概述

無論事故的原因和類型是什么，或者造成的損害程度如何，對于救援隊來說，接觸被困的礦工是一項非常困難的任務(wù)。煤礦區(qū)域除了缺氧外，整個巷道充滿了灰塵和煙霧，或者在被淹沒的情況下充滿了水，阻礙了救援人員的視線。因此，對于救援人員來說，這并不是一個安全執(zhí)行行動的情況。災(zāi)難發(fā)生后的最初幾個小時是關(guān)鍵時刻，可能是被困礦工的生死時刻。因此，在這種情況下，理想的解決方案是部署一個配備了各種氣體傳感器和攝像頭的無線機器人，以幫助在極低的光線條件下的可見度。鑒于此，煤礦巡檢任務(wù)至關(guān)重要，巡檢機器人可以為救援人員提供必要的幫助，也可以對煤礦環(huán)境進行巡檢。

2.1任務(wù)定義

上面討論的問題以及建議的解決方案在圖1中表示。機器人能夠探索過鉆孔視線范圍內(nèi)的區(qū)域，并從一個鉆孔中探索整個空隙，既節(jié)省了時間又節(jié)省了資金。

巡檢系統(tǒng)采用云、邊、端技術(shù)架構(gòu)，實時巡檢和識別關(guān)鍵區(qū)域，確保安全生產(chǎn)。系統(tǒng)功能上主要分為四個部分：

（1）數(shù)據(jù)采集層：由現(xiàn)場隔爆攝像頭、紅外成像儀、巡邏機器人等采集組件組成，可實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備和人員的圖像和音頻采集。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：基于地下萬兆視頻環(huán)網(wǎng)和核心交換機，將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳到計算服務(wù)器。

（3）操作層：操作服務(wù)器和工控機主要完成三部分工作。識別：對采集到的數(shù)據(jù)信息進行定制化的圖像和音頻識別分析。邏輯方面：對分析結(jié)果關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵區(qū)域設(shè)備進行邏輯控制，對人員入侵識別和異常設(shè)備進行報警。數(shù)據(jù)庫管理：根據(jù)識別結(jié)果和巡檢過程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)分析[2]。

（4）巡檢層：可通過地面pc巡檢終端和工控機對巡檢數(shù)據(jù)進行管理和訪問，也可將巡檢視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖矙z大屏進行實時顯示。

2.2煤礦巡檢機器人的功能要求

巡檢機器人的結(jié)構(gòu)與軍用機器人相似，并使用相同的技術(shù)進行搜索、導(dǎo)航和控制。為了在惡劣的環(huán)境中毫無困難地完成災(zāi)后監(jiān)測工作，煤礦巡檢設(shè)備可靠地運行是非常關(guān)鍵的。任何部署在煤礦井下的巡檢機器人的首要設(shè)計要求是設(shè)備安全，并且是防火的。巡檢設(shè)備的重要功能被認為是搜索、檢查和繪圖、清除污垢、結(jié)構(gòu)檢查，其他基本功能是醫(yī)療援助和疏散傷員，作為移動中繼器，提供后勤支持和作為團隊成員的替代品[3]。

2.2.1搜索

對巡檢機器人最關(guān)鍵的要求是在黑暗和無形的礦井環(huán)境中處理搜索作業(yè)，以巡檢可能的危險，或在危險的事故多發(fā)環(huán)境中以高度的精確性和控制性搜索死亡者。必須在不增加巡檢人員或受害者風(fēng)險的情況下迅速開展這些搜索行動。

2.2.2檢查和制圖

機器人需要向人類巡檢隊提供有關(guān)情況的一般信息，并建立被毀壞的周圍環(huán)境的參考，在盡可能短的時間內(nèi)覆蓋廣泛的區(qū)域。

2.2.3結(jié)構(gòu)檢查

傳感器必須使機器人能夠找到進入廢墟結(jié)構(gòu)的最佳路徑，以加快巡檢行動，同時使其更加安全。機載照明和實時視頻傳輸有助于巡檢人員評估情況，因此他們可以為行動做好充分準備。受害者的身份更容易識別，并協(xié)助巡檢火災(zāi)和其他泄漏的氣體。

對巡檢機器人的其他要求包括能夠移動碎片，否則將成為巡檢行動的障礙。該機器人還應(yīng)該配備各種氣體和溫度傳感器，以實現(xiàn)對周圍環(huán)境的持續(xù)監(jiān)測，協(xié)助巡檢人員做出更快、更好的決定。所有的傳感器和攝像機都需要堅固、防塵和防水，并應(yīng)具有工業(yè)級質(zhì)量，以便在危險環(huán)境中可靠地運行。

2.3使用巡檢機器人的局限性

機器人在地下煤礦中的應(yīng)用有限，其主要原因是礦井的非結(jié)構(gòu)性和不斷演變的狀態(tài)，這要求機器人具有高度的靈活性和適應(yīng)性。現(xiàn)有的大多數(shù)機器人都很重，因此不適合在巡檢行動中方便運輸和部署。許多現(xiàn)有的機器人無法與基站建立可靠的通信，因此無法真正有效地完成其任務(wù)。巡檢系統(tǒng)通信提供了良好的反饋，但電纜的長度限制了范圍，而且電纜容易糾結(jié)、斷裂和被機器人碾壓。事實證明，無線通信在地下礦井中并不可靠，機器人必須與基站保持聯(lián)系，這在地下礦井中幾乎不可能。

巡檢機器人的其他限制因素包括：存在流動的水，難以繞過采礦設(shè)備或軌道，以及巷道高度低，有突出的屋頂支架、管道和電線。由于機器人靠電池供電，電池的類型和容量也是部署此類設(shè)備的主要限制因素[4]。

3巡檢系統(tǒng)應(yīng)用

在低照度、高濕度、高粉塵環(huán)境下，巡檢機器人可以采集現(xiàn)場環(huán)境和監(jiān)測設(shè)備（如皮帶輸送機、水泵、電纜、管道、儀表閥等）的圖像和聲音。視頻圖像存儲和顯示在服務(wù)器和地面巡檢中心大屏幕上。通過對圖像和聲音的分析，可以判斷生產(chǎn)現(xiàn)場是否有異常，設(shè)備故障的位置和損壞的程度。巡檢機器人配備非接觸式紅外熱圖像溫度計，捕捉設(shè)備輻射的熱紅外射線，巡檢設(shè)備表面溫度，形成熱圖像，顯示設(shè)備的溫度分布。同時，巡邏機器人配備了多參數(shù)氣體探測器，煙霧傳感器和避障傳感器，它可以準確地巡檢甲烷的濃度，硫化氫、一氧化碳和氧氣的環(huán)境中，判斷有毒氣體和煙霧超過極限，和判斷障礙物的距離。為了滿足井下礦井設(shè)備長期巡檢的需要，巡檢機器人使用充電電池作為電源，在巡檢機器人的一端安裝充電裝置，與安裝在軌道上的充電插頭對接進行充電。

3.1環(huán)境判別分析

配備攝像機的巡檢機器人可以實現(xiàn)對帶式輸送機托輥、帶面、電機、托輥、電纜及管道、儀器等的圖像采集。實時巡檢和識別的大塊材料和雜物，如大塊矸石、錨桿、木材、鐵器等，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時，及時報警并停止，而不是傳統(tǒng)的手動巡檢視頻圖像，人工判斷故障報警模式安全、可靠、精度高。巡邏機器人還配備了高靈敏度的拾取傳感器，代替巡邏工人實時采集現(xiàn)場聲音。采用ClearSpeech自適應(yīng)動態(tài)降噪處理技術(shù)，內(nèi)置高速DSP數(shù)字信號處理器，結(jié)合音頻模型算法進行識別處理，判斷是否有異常聲音，異常時自動報警[5]。

為了解決上述問題，最有效的方法主要有模擬識別算法、遺傳算法、蟻群算法等。以上算法都存在各自的優(yōu)缺點，一些研究學(xué)者試圖通過結(jié)合兩種或兩種以上的算法來彌補彼此的缺點。

3.2系統(tǒng)的功能和特點

煤礦智能監(jiān)測與識別系統(tǒng)將人工智能技術(shù)和自動控制技術(shù)應(yīng)用于礦井監(jiān)測系統(tǒng)。對皮帶巷道、絞車巷道、水泵房、變電所、上下井口、工作面等關(guān)鍵區(qū)域的主要設(shè)備進行識別和分析，實現(xiàn)皮帶跑偏、錨桿異物、抄表、閥門狀態(tài)、異常聲音等自動識別。

功能特點：（1）智能識別：煤礦特定場景下設(shè)備狀態(tài)和人員狀態(tài)的識別。（2）智能聯(lián)動：巡檢識別結(jié)果與其他巡檢平臺通過標準協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互。能實現(xiàn)異常工況下的應(yīng)急管理控制，并能與皮帶、絞車、排水、工作面等系統(tǒng)交互。（3）智能運維：實時控制巡檢設(shè)備的在線狀態(tài)，減輕人工操作維護的壓力，減少人員，提高效率。（4）數(shù)據(jù)存儲：支持手動、定時、事件觸發(fā)存儲，支持多維數(shù)據(jù)查詢分析。（5）多終端接入：支持防爆電腦、地面pc、顯示大屏、移動終端的多終端接入。

3.3系統(tǒng)應(yīng)用實驗

礦井智能監(jiān)測與識別系統(tǒng)已在煤礦井下得到應(yīng)用。針對皮帶車道和絞車車道的人員管理，實現(xiàn)了人員入侵、人員穿越和人員停留的識別，保證了生產(chǎn)過程中人員的安全。對于關(guān)鍵管道和泵站的泄漏監(jiān)測，利用視頻流數(shù)據(jù)分析識別泄漏和泄漏[6]，有效地減少了安全事故的擴大。通過對電機、水泵、惰輪等異常聲音的識別和監(jiān)測，及時分析設(shè)備故障隱患。系統(tǒng)的應(yīng)用如圖2所示。

4結(jié)語

該系統(tǒng)在煤礦井下的應(yīng)用，取得了良好的效果。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作可靠，節(jié)省了大量的人力物力，替代了人工巡檢和巡檢，減少了人員，提高了工作效率，達到了無人值守作業(yè)的目的，取得了良好的經(jīng)濟效益。近年來，智能礦山建設(shè)被視為礦井新舊動能轉(zhuǎn)化的重點，也是企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的最終出路。煤礦智能巡檢識別系統(tǒng)將人工智能融入礦井安全生產(chǎn)管理中，對特定區(qū)域場景中的設(shè)備狀態(tài)和人員狀態(tài)進行巡檢和識別，建立了無人智能煤礦的人工智能模型，提高了煤礦安全生產(chǎn)管理的信息化和決策智能化水平。

參考文獻

[1] 章國鋒.商湯科技：面向增強現(xiàn)實的視覺定位技術(shù)的創(chuàng)新突破與應(yīng)用[J].杭州科技，2019（6）：25-28.

[2]? 賈宇濤.帶式輸送機鋼絲繩牽引智能巡檢機器人[J].工礦自動化，2021，47（S1）：67-68，71.

[3]? 宋連喜，劉波.煤礦主運輸智能集中控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2021，47（S1）：58-63.

[4]? 張力，馬宏偉，梁艷，等.煤礦四旋翼巡檢機器人系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭工程，2021，53（2）：180-185.

[5]? 任文清，高小強.智能礦山建設(shè)實踐及關(guān)鍵技術(shù)[J].工礦自動化，2021，47（2）：116-120.

[6] 劉潤虎.礦井智能巡檢機器人系統(tǒng)模型構(gòu)建[J].陜西煤炭，2022，41（2）：173-176.