煤礦機器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)痛點及智能化分級標(biāo)準(zhǔn)

王 雷

（中煤科工機器人科技有限公司，廣東 深圳 518000）

機器人被譽為是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，已成為全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要切入點。機器人目前可分為工業(yè)機器人、服務(wù)機器人和特種機器人3 類：工業(yè)機器人已經(jīng)成為生產(chǎn)線上不可或缺的一員；服務(wù)機器人則是人工智能技術(shù)在服務(wù)業(yè)的典型應(yīng)用；特種機器人則代表了機器人技術(shù)在極端環(huán)境下的應(yīng)用。機器人的研發(fā)與應(yīng)用不但體現(xiàn)了人類使用工具的進步，也是與當(dāng)代最前沿科技結(jié)合成果的集中表現(xiàn)。一直處于創(chuàng)新應(yīng)用前沿的新材料、復(fù)雜機械、電氣技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能等相關(guān)技術(shù)，都將與機器人緊密融合，為機器人領(lǐng)域提供了無限可能，為人類工作生活帶來極大便利，也為人類帶來前所未有的生產(chǎn)力和生活體驗。煤礦機器人作為特種機器人的一種，應(yīng)用環(huán)境更惡劣、任務(wù)更復(fù)雜隨機，離散化特征明顯，智能化需求邊界更加廣泛，研發(fā)難度更大，技術(shù)與產(chǎn)業(yè)方面仍存在一定痛點。王國法院士在煤礦智能化十大“痛點”解析及對策中指出，煤礦機器人基礎(chǔ)共性關(guān)鍵技術(shù)存在諸多“瓶頸”，如機器人動力驅(qū)動、可靠行走機構(gòu)、高效精準(zhǔn)定位等相關(guān)技術(shù)尚未突破[1]；葛世榮院士通過對煤礦機器人體系及關(guān)鍵技術(shù)的研究梳理，在闡明煤礦機器人共性關(guān)鍵技術(shù)同時，指明了煤礦機器人必須專注于卡脖子技術(shù)研發(fā)，提高產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

基于此，我國在煤礦機器人領(lǐng)域需深度剖析場景特征，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品智能化開發(fā)的同時；還需要在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)協(xié)同等方面，進行更深入的研究和探索。

1 機器人領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

“機器人+”大時代加速來臨，當(dāng)前正處于機器人技術(shù)爆發(fā)期。分析全球及中國機器人市場規(guī)模及增長率發(fā)現(xiàn)，從2018 年到2022 年，機器人市場規(guī)模不斷增大[3]。其中，工業(yè)機器人市場逐年穩(wěn)步增長，增速平穩(wěn)，一直是機器人行業(yè)發(fā)展最快的領(lǐng)域；服務(wù)機器人存在巨大市場潛力及發(fā)展空間，由于消費者需求逐步增多，未來規(guī)模有望迎來爆發(fā)式增長；特種機器人因為能為其他行業(yè)帶來顛覆性變革，將成為國內(nèi)機器人未來發(fā)展的重中之重。

1.1 我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

機器人領(lǐng)域同樣是我國競爭程度最為激烈的技術(shù)高地，機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭猛烈，參與者眾多。機器人企業(yè)數(shù)量增速較快，從整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況來看，超8 成的機器人相關(guān)企業(yè)成立于5年內(nèi)。從地域分布看，以廣東、江蘇及山東省機器人企業(yè)數(shù)量最多，深圳作為國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)的核心聚集地之一，相關(guān)企業(yè)有3.07 萬家。服務(wù)機器人是當(dāng)前熱點，國內(nèi)初創(chuàng)企業(yè)接近4 成比例選擇從服務(wù)機器人的整機系統(tǒng)集成賽道進入行業(yè)[4-7]。

機器人產(chǎn)業(yè)園區(qū)對于打造智能制造產(chǎn)業(yè)集群、推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著重要意義，更是地區(qū)科技發(fā)展強弱的體現(xiàn)之一。我國機器人產(chǎn)業(yè)園區(qū)多分布在長三角、珠三角和京津冀地區(qū)，具有代表性的產(chǎn)業(yè)園區(qū)有昆山高新區(qū)機器人產(chǎn)業(yè)園、上海機器人產(chǎn)業(yè)園、南山機器人產(chǎn)業(yè)園、寶安機器人制造產(chǎn)業(yè)園、中關(guān)村機器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心等，優(yōu)勢賽道多為核心零部件、人工智能方面。東北、中部以及西部地區(qū)產(chǎn)業(yè)園區(qū)分布較少。

機器人領(lǐng)域發(fā)展已上升為國家戰(zhàn)略，各政策明確提出要把機器人作為重點科技項目推進，清晰指向機器人與行業(yè)深度融合。近5 年，中央各部委密集連續(xù)發(fā)文，綜合及專項性政策數(shù)量約為20 個，指向用機器人智能化、無人化改造傳統(tǒng)行業(yè)。特別是2023 年1 月份，由工信部、發(fā)改委等17 部門聯(lián)合發(fā)布的《“機器人+”應(yīng)用行動實施方案》。在方案中提出了機器人與制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、能源、醫(yī)療、安全應(yīng)急和極限環(huán)境應(yīng)用等10 大產(chǎn)業(yè)融合的規(guī)劃，由此可見，深化各個行業(yè)領(lǐng)域“機器人+”應(yīng)用是機器人發(fā)展趨勢。從傳統(tǒng)行業(yè)改造優(yōu)先級來看，煤炭、有色金屬、非金屬礦山等事關(guān)國家能源安全且作業(yè)風(fēng)險大、強度高的行業(yè)排名靠前。目前，“機器人+”已經(jīng)逐步在10大產(chǎn)業(yè)落地應(yīng)用，開發(fā)的機器人產(chǎn)品超200 個種類，需求愈發(fā)廣泛。

“機器人+場景”的深度應(yīng)用，既是機器人發(fā)展的重要方向，也是各行業(yè)智能化發(fā)展的重要方向。在此基礎(chǔ)上，“機器人+”各行業(yè)的組織、方陣或聯(lián)盟應(yīng)運而生，近2 年約有8 個相關(guān)組織成立。其中的典型代表是于2023 年3 月24 日在深圳成立的中國“機器人+礦山”產(chǎn)業(yè)協(xié)同推進方陣，推動了機器人與煤炭行業(yè)深度融合。

1.2 國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)大廠入局機器人情況

國內(nèi)科技型企業(yè)入局機器人情況見表1。

表1 國內(nèi)科技型企業(yè)入局機器人情況Table 1 Inbound robot situation of domestic scientific and technological enterprises

縱觀國內(nèi)機器人行業(yè)變化可以發(fā)現(xiàn)，中國10余家最具代表性的科技型公司都已經(jīng)紛紛踏入機器人領(lǐng)域。華為、騰訊、字節(jié)跳動等都在大模型及算法方面布局，去支撐“AI+行業(yè)”；由?？低暡鸱殖龊？禉C器人公司，主要從事工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)中的機器視覺與移動機器人部分。互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)大廠紛紛布局機器人、進軍新賽道，都將大模型、AI 等與機器人的結(jié)合放在了非常關(guān)鍵的位置，以獲得新領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，利用新產(chǎn)品的開發(fā)、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，獲得新的增長空間；提高原有產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)的競爭力，加寬加深建立護城河，進一步做大做強主業(yè)。

綜上，在當(dāng)前形勢下，也需要煤炭行業(yè)的相關(guān)企業(yè)一起來深度思考，煤礦機器人產(chǎn)業(yè)到底應(yīng)該如何發(fā)展。思考背后的原因不難發(fā)現(xiàn)，各大廠的入局，能夠證明這種做法有利于原有產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展，形成核心競爭力，形成新的產(chǎn)品線；同時，將云技術(shù)、AI 人工智能技術(shù)等與機器人的結(jié)合，將帶來新的價值鏈、技術(shù)、架構(gòu)、體驗和新商業(yè)模式；更重要的是，說明了機器人本身的技術(shù)正逐步走向成熟，能夠顛覆傳統(tǒng)技術(shù)，融合到行業(yè)中去實現(xiàn)載體作用，以實現(xiàn)現(xiàn)實世界與物理世界的交互。由此可見，“機器人+AI+云”是煤礦機器人發(fā)展不斷滿足應(yīng)用場景需求復(fù)雜化的必然趨勢，將能夠快速拉動煤炭行業(yè)和相關(guān)機器人技術(shù)的發(fā)展，為煤礦機器人的落地應(yīng)用締造更多的拓展空間，也為制造業(yè)的提升起到了良好的推動作用。

2 煤礦機器人技術(shù)及產(chǎn)業(yè)痛點

機器人的發(fā)展經(jīng)歷了長久的迭代才形成現(xiàn)在大家所熟知的機器人技術(shù)脈絡(luò)和產(chǎn)業(yè)體系。機器人3 大類中，從工業(yè)機器人到服務(wù)機器人再到特種機器人，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜程度、智能化需求以及研發(fā)難度都是逐漸加強的。工業(yè)機器人成熟度高，基于良好的作業(yè)環(huán)境和任務(wù)特征，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用；服務(wù)機器人技術(shù)難度較大，基于環(huán)境特性的智能化程度和抗干擾性方面的要求也更高；相較于工業(yè)機器人和服務(wù)機器人，特種機器人應(yīng)用環(huán)境更惡劣，多為高溫、爆炸、粉塵等極限環(huán)境，技術(shù)難度更大。其背后的邏輯是環(huán)境的復(fù)雜性和任務(wù)的離散性的增加導(dǎo)致研發(fā)難度的遞增。

煤礦機器人作為特種機器人的典型代表，在我國已有相關(guān)研發(fā)生產(chǎn)廠家65 家，具有代表性廠家有中煤科工機器人有限公司、中煤科工集團沈陽研究院、中信重工開誠智能裝備有限公司、山西戴德測控技術(shù)股份有限公司等。按照2019 年國家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布的《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》中5 大類38 種煤礦機器人統(tǒng)計，雖然已有31 種實現(xiàn)了應(yīng)用，但也暴露出一定的問題，機器人可靠性和功能性都不能滿足煤礦用戶的實際需求，導(dǎo)致煤礦用戶及外界人士認(rèn)為煤礦機器人用途不大，甚至是沒有意義的，嚴(yán)重影響了整個行業(yè)的發(fā)展[8]。

2.1 煤礦機器人技術(shù)痛點

煤礦機器人技術(shù)由共性技術(shù)和工藝性技術(shù)2部分組成。共性技術(shù)主要包括防爆輕量化、智能感知識別、導(dǎo)航等技術(shù)；工藝性技術(shù)則是面向煤礦典型環(huán)境特征與作業(yè)工藝任務(wù)特征的作業(yè)流程工藝機器人化。按照中煤科工機器人公司提出的煤礦機器人技術(shù)裝備分類標(biāo)準(zhǔn)體系，分別對巡檢類、輔助作業(yè)類和救援類3 大類煤礦機器人進行痛點剖析。

1）巡檢類機器人痛點。目前巡檢機器人在使用過程中反映出了大量問題，從其表象來看，主要包括：不能完全替代人工巡檢、部分巡檢功能缺失、機器人續(xù)航時間短、檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率較低、需要人工查詢巡檢記錄、機器人斷網(wǎng)條件下無法連續(xù)工作、不能打開電控柜檢測內(nèi)部數(shù)據(jù)、與人員交互能力差等方面[9-10]。造成以上問題的原因可歸納為2 方面：①應(yīng)用場景的環(huán)境復(fù)雜程度高，比如低光照條件下造成的儀表識別難度大，高粉塵環(huán)境造成的攝像頭積塵嚴(yán)重導(dǎo)致識別效果差，帶式輸送機、電控柜等設(shè)備限制了巡檢空間的大小，對機器人本體機構(gòu)提出更高要求；②機器人自身可靠性和智能化水平不足，比如單電芯BMS管理系統(tǒng)可靠性差導(dǎo)致的續(xù)航能力弱，場景發(fā)生變化后算法模型適配有差異而不能及時調(diào)整導(dǎo)致的行走能力弱，上位機界面不友好、自身維護繁瑣導(dǎo)致的不能融入客戶管理系統(tǒng)，關(guān)鍵傳感單元缺失、與場景融合視覺識別、聲音識別等能力弱導(dǎo)致的自診斷能力差。因此，巡檢類煤礦機器人最大痛點是AI 技術(shù)難以滿足場景化應(yīng)用，不能實現(xiàn)自分析、自決策。需要提升機器人本體AI 能力和關(guān)鍵元器件的研發(fā)能力，進一步優(yōu)化和開發(fā)適用于煤礦機器人應(yīng)用特征的控制邏輯與算法，以提升機器人的自我感知和交互能力。

2）輔助作業(yè)類機器人痛點。輔助作業(yè)類機器人是替代煤礦人工非連續(xù)作業(yè)的根本途徑，是實現(xiàn)全礦井智能化必須攻克的“技術(shù)高地”，對減少井下危險作業(yè)崗位、降低人員勞動強度具有決定性支撐作用[11]。輔助作業(yè)機器人受限于高粉塵、低照度、GPS 拒止、非結(jié)構(gòu)化地形的環(huán)境特征，以及作業(yè)對象重載荷、連續(xù)作業(yè)時間長、標(biāo)準(zhǔn)化程度低的作業(yè)特征，應(yīng)用過程中存在大量痛點問題。呈現(xiàn)出的表象問題就是作業(yè)效果不理想，不能完全自主作業(yè)，不能完全替代某一工序下全部人工，減員增效效果一般?？蓪?dāng)前存在的痛點問題歸納為4 個方面：①機器人缺少嚴(yán)格的測試體系和測試場地，導(dǎo)致機器人即使在規(guī)定的工步下其執(zhí)行機構(gòu)和行走機構(gòu)的自身可靠性也較低，在未知的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下也不能實現(xiàn)連續(xù)行走；②機器人與環(huán)境的交互能力弱，如抓管機器人，在設(shè)定的工藝流程下，若管路放置位置改變，機械臂路徑并不能隨之變化；③運動及作業(yè)能力差，機器人多為重載履帶底盤，其自主行走還存在移動偏移誤差大、定位精確程度不高的問題；④控制精度較低，不能實現(xiàn)“機器人+場景+工藝/工序”的精細(xì)化仿人控制，如噴漿機器人的噴漿厚度一致性檢測準(zhǔn)確率低，依然需要人工參與。因此，煤礦輔助作業(yè)類機器人的最大痛點是場景聚焦后作業(yè)工藝流程復(fù)雜導(dǎo)致的“機器人+場景”下的技術(shù)開發(fā)難度大。目前需要提升產(chǎn)品應(yīng)用連續(xù)性，不斷迭代機器人應(yīng)用工藝的時效性，將技術(shù)攻關(guān)解耦到每個工藝流程，實現(xiàn)工藝流程的自動銜接，提升整機作業(yè)效果。

3）救援類機器人痛點。不同于巡檢、作業(yè)類機器人，救援類機器人適用于事故災(zāi)害現(xiàn)場[12-13]，未知、狹小等復(fù)雜空間決定了機器人需具備良好的本體適應(yīng)性和通過性。目前救援類機器人存在的主要問題仍表現(xiàn)在機器人本體結(jié)構(gòu)上，如體積較大、驅(qū)動能力不足、靈活性較差等；另一痛點是機器人難以保障有效通信，通信信號受到災(zāi)后環(huán)境干擾，機器人應(yīng)用救援距離有限，如何增加中繼系統(tǒng)、保證通信信號穩(wěn)定、可靠是救援機器人的難點。救援類機器人應(yīng)用場景主要面向水、火、瓦斯、頂板等災(zāi)后非結(jié)構(gòu)化、狹小空間環(huán)境，受限于小型化、輕量化防爆結(jié)構(gòu)，災(zāi)后通信重構(gòu)、多形態(tài)變換驅(qū)動及運控等技術(shù)難題，研發(fā)與應(yīng)用進展緩慢，易用性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到客戶預(yù)期。

綜上，煤礦機器人存在的技術(shù)痛點最終反應(yīng)為3 大能力的缺失：①機器人本體對于區(qū)域作業(yè)場景下快速建圖及規(guī)劃能力；②與應(yīng)用場景的交互能力；③機器人融入新環(huán)境后面向數(shù)據(jù)特征形成新的運行與作業(yè)能力。這3 種能力是煤礦機器人可靠性和智能化水平的重要體現(xiàn)。

2.2 煤礦機器人產(chǎn)業(yè)痛點

煤礦機器人產(chǎn)業(yè)是重投入、高利潤的技術(shù)、服務(wù)、供應(yīng)鏈、資金密集型產(chǎn)業(yè)。從行業(yè)現(xiàn)狀看，共性技術(shù)供給能力不足、產(chǎn)品研發(fā)支撐能力不足、品質(zhì)持續(xù)提升能力不足及產(chǎn)品應(yīng)用和保障能力不足是造成產(chǎn)品研發(fā)進展緩慢的根本原因[14-15]。

供應(yīng)鏈建設(shè)是煤礦機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。但由于上下游企業(yè)之間信息不對稱,供應(yīng)鏈的效率低下，導(dǎo)致其產(chǎn)品研發(fā)進度緩慢，難以實現(xiàn)有效資源配置利用。直接造成供應(yīng)商的質(zhì)量控制和交貨時間不穩(wěn)定，機器人研發(fā)成本過高，給煤礦機器人的生產(chǎn)和使用帶來了一定的風(fēng)險，供應(yīng)鏈的不通暢，嚴(yán)重阻礙煤礦機器人的普及和應(yīng)用。解決這些問題的關(guān)鍵是要加強供應(yīng)鏈上中下游企業(yè)之間的合作共識與信息共享,下游提出需求、中游響應(yīng)需求、上游提供可靠支撐，才能做到整個供應(yīng)鏈的順暢交互，提高效率、降低成本，促進煤礦機器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)是煤礦機器人產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。目前,煤礦機器人行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系還不夠完善，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量和安全可靠性難以保證。此外，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)，煤礦機器人在使用過程中也存在數(shù)據(jù)接口方式繁雜、不能接入煤礦客戶管理系統(tǒng)等一些問題，不同品牌的產(chǎn)品也不能互相替換，導(dǎo)致使用成本增加。為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需要，必須從產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、測試方法、安全規(guī)范等方面進行統(tǒng)一的規(guī)范與約束，提高行業(yè)對標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)知度和遵守度，從根本上推動煤礦機器人產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

檢驗檢測平臺建設(shè)是煤礦機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要條件。目前,煤礦機器人行業(yè)的檢驗檢測平臺數(shù)量較少，檢測能力有限，大部分產(chǎn)品只能直接在井下調(diào)試，調(diào)試周期長，不但產(chǎn)品使用風(fēng)險難以控制，也為客戶帶來了不好的印象。建立檢驗檢測平臺及完善的檢測體系，能夠為機器人提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支撐，大幅提升煤礦機器人產(chǎn)品質(zhì)量，保障煤礦機器人新興產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展。

產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同建設(shè)是煤礦機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐。目前，“機器人+礦山”產(chǎn)業(yè)應(yīng)用協(xié)同方陣剛剛成立，煤礦機器人行業(yè)的產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同程度依然處于初級水平，產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同建設(shè)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。技術(shù)研發(fā)和實際應(yīng)用之間存在鴻溝，科研成轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力還需要大量的驗證和迭代，需要通過各方共同努力，才能推動煤礦機器人產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展。

綜上，煤礦機器人產(chǎn)業(yè)在供應(yīng)鏈建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、檢驗檢測平臺建設(shè)和產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同建設(shè)方面都存在一定痛點。煤礦機器人作為“機器人+礦山”的全新技術(shù)領(lǐng)域，其迭代升級與不斷演進都需要時間。

3 煤礦機器人分級標(biāo)準(zhǔn)

機器人進入到煤礦行業(yè)應(yīng)用后，由于其任務(wù)不固定和環(huán)境極端復(fù)雜性，并不能簡單地以單一維度的標(biāo)準(zhǔn)來評定其價值和功能的強弱。煤礦機器人應(yīng)用場景多元，粉塵濃度、溫度、地質(zhì)條件、空間大小等影響因素眾多，不能以簡單地好用或不好用來評判煤礦機器人的意義和價值。尤其是發(fā)展到AI 時代后，可以賦予機器人無限的功能，其好用與否就更不能簡單地以好用或不好用來評價。因此，在充分調(diào)研當(dāng)前研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀后，提出煤礦機器人分級標(biāo)準(zhǔn)，旨在為國內(nèi)煤礦機器人研發(fā)廠家和煤礦企業(yè)提供通用語境，促進行業(yè)科學(xué)發(fā)展。

煤礦機器人等級劃分見表2。

表2 煤礦機器人等級劃分Table 2 Classification of coal mine robots

將煤礦機器人劃分為6 個級別，從感知、決策、控制等方面進行綜合評價。從L0 到L5，煤礦機器人將從完全不具備機器人的特性、到人工干預(yù)下的輔助作業(yè)、到特定場景下連續(xù)性自動作業(yè)、到環(huán)境友好條件下半自主以及目標(biāo)規(guī)則清晰條件的全自主，最終實現(xiàn)完全自主作業(yè)，其中L0為最低級，完全需要由人工參與；L5 為最高級，智能化程度最高。

按照以上等級劃分情況來看，煤礦機器人行業(yè)整體處于L1～L2 階段；其中，純巡檢類機器人處于L3 階段，巡檢作業(yè)一體化類別機器人處于L2 階段，輔助作業(yè)類機器人屬于L1 階段。由此可見，煤礦機器人發(fā)展仍處于初級階段，大量關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)、多類應(yīng)用場景可靠性需要提升，解決共性技術(shù)、核心零部件、核心軟件算法等“卡脖子”技術(shù)后，煤礦機器人將有望進入到L4～L5階段，目前行業(yè)內(nèi)也正在努力攻克堵點卡點難題，拓展煤礦機器人能力邊界。

3.1 L0——無智能化

設(shè)備在沒有任何智能系統(tǒng)干預(yù)的情況下執(zhí)行所有作業(yè)任務(wù)，完全由人工操作機器人，動作模式較為固定，作業(yè)流程不復(fù)雜，人工控制簡單易操作，這樣煤礦機械裝備可認(rèn)為是L0 級。

以傳統(tǒng)鉆機為例，鉆機的主要工作流程包括旋轉(zhuǎn)鉆桿、推進鉆桿和沖洗孔道3 個步驟。傳統(tǒng)鉆機工藝流程如圖1。

圖1 傳統(tǒng)鉆機工藝流程Fig.1 Traditional drilling machine process flow

鉆機通過主機提供的動力，將旋轉(zhuǎn)力傳遞到鉆桿上，鉆桿的旋轉(zhuǎn)力作用于鉆頭，使鉆頭能夠在地下旋轉(zhuǎn)，從而打碎巖石或土壤；再通過液壓系統(tǒng)的推進裝置，將推進力傳遞到鉆桿上，推進力使鉆桿能夠向地下推進，推進鉆頭進入地下；最后通過液壓系統(tǒng)的沖洗裝置，將沖洗液體送入鉆桿內(nèi)部，沖洗液體通過鉆桿內(nèi)部的孔道，將地下的碎石或土壤沖刷到地面上。打鉆過程中的每個步驟都需要人工的參與，在上下鉆桿、運水、平安動態(tài)檢測等重要工步需要多人同時負(fù)責(zé)。鉆機的行走也由人工駕駛控制，不具備遙控功能。

3.2 L1——感知支撐

處于L1 級表示機器人可以具備環(huán)境感知、數(shù)據(jù)采集、輔助判斷等功能，但具體行走、動作等還需要人工參與操作和控制。目前已經(jīng)研制出的輔助作業(yè)類機器人基本處于L1 階段。

以管路安裝機器人為例，其應(yīng)用場景為煤礦井下巷道。管路安裝機器人工藝流程如圖2。

圖2 管路安裝機器人工藝流程Fig.2 Pipeline installation robot process flow

井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，管道擺放隨機，管路安裝機器人無固定作業(yè)流程及規(guī)劃，執(zhí)行循環(huán)作業(yè)困難。運輸車將管路運送到巷道內(nèi)，由人工進行搬運、擺放至巷道地面后，操作人員遙控機器人行走至作業(yè)區(qū)域，機器人停車后，人員遙控機械臂抓取地面上的管路并舉升至安裝位置，再由人工進行放置托架，并進行精準(zhǔn)的位置調(diào)整后完成對孔連接，整個流程需要4～6 人參與。

3.3 L2——部分智能化

處于L2 級的機器人能夠?qū)崿F(xiàn)在路徑固定、檢測目標(biāo)固定、執(zhí)行任務(wù)固定時，機器人按照示教形成固定作業(yè)模式，在特定范圍連續(xù)自動作業(yè)。

以煤礦井下帶式輸送機掛軌式巡檢機器人為例，帶式輸送機巡檢機器人工藝流程如圖3。

圖3 帶式輸送機巡檢機器人工藝流程Fig.3 Process flow of belt conveyor inspection robot

機器人能夠在軌道上往復(fù)行走，巡檢任務(wù)固定，通過搭載對應(yīng)傳感器與識別算法，實現(xiàn)輸送帶撕裂、跑偏、異物等進行識別檢測。

軌道式巡檢機器人可實現(xiàn)在軌道這一特定范圍內(nèi)的連續(xù)作業(yè)，雖然是針對特定場景部分智能化，但L2 等級的實現(xiàn)標(biāo)志著煤礦機器人在智能化水平上的重大突破。

3.4 L3——有條件智能化

處于L3 級的機器人在場景特征明顯、光照度較為良好情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、智能識別、數(shù)據(jù)分析，但依然由人工通過上位機進行關(guān)鍵工序的遠(yuǎn)程干預(yù)。

以變電所輪式巡檢機器人為例，變電所巡檢機器人工藝流程如圖4。

圖4 變電所巡檢機器人工藝流程Fig.4 Process flow of substation inspection robot

煤礦井下變電所環(huán)境相對較好，設(shè)備擺放位置固定，路況特征良好，光照較為明亮，巡檢內(nèi)容固定，機器人可以自主行走避障，實時監(jiān)控變電所內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)及表面溫度，自動記錄設(shè)備顯示屏上儀表顯示的數(shù)值、開關(guān)狀態(tài)、指示燈狀態(tài)，采集變電所內(nèi)的溫濕度、煙霧、多種氣體濃度參數(shù)等信息，將數(shù)字化的圖像、聲音和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)實時歸類存儲，可有效代替人工實現(xiàn)對設(shè)備及儀表的巡檢。

3.5 L4——高度智能化

處于L4 級的機器人能夠面向靜態(tài)及規(guī)則清晰的運動對象時完全自主運行，實現(xiàn)自感知、自分析、自決策。

以中煤科工機器人科技有限公司全新研發(fā)的變電所掃拖一體化巡檢作業(yè)機器人為例。

變電所內(nèi)行走路徑固定，巡檢和作業(yè)目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)，整體作業(yè)任務(wù)規(guī)范，機器人可實現(xiàn)按鈕按壓旋轉(zhuǎn)精準(zhǔn)操作、儀表識別、氣體檢測、自主導(dǎo)航避障等功能，在變電所遇到緊急情況需要急停時，通過自主分析決策，還可實現(xiàn)急停按鈕按壓，解決突發(fā)情況人員無法及時處置的難題。

該機器人上應(yīng)用了大量AI 技術(shù)，Loam 算法與雙光柱聯(lián)合定位方法技術(shù)、基于模糊識別的狀態(tài)感知技術(shù)、基于斷網(wǎng)續(xù)存技術(shù)等，實現(xiàn)機器人移動狀態(tài)下的地圖快速構(gòu)建、目標(biāo)對象精準(zhǔn)感知識別，并且通過高強度算力與算法實現(xiàn)機器人自分析、自決策，使機器人自身具備大腦思考能力，本體智能化水平大大增強，促進煤礦機器人走向更加復(fù)合性、功能化的應(yīng)用。

3.6 L5——完全智能化

機器人達(dá)到L5 級，單體智能程度更高，能夠完全實現(xiàn)自行走、自分析、自診斷、自決策、自作業(yè)；且對環(huán)境適應(yīng)能力更強，能夠進入到采空區(qū)、掘進工作面等高難度場景；可實現(xiàn)機器人-機器人之間、機器人-環(huán)境之間的多元交互，煤礦機器人群可統(tǒng)一運維、協(xié)同作業(yè)。

以噴漿機器人為例，井下噴漿機器人作業(yè)流程如圖5。

圖5 井下噴漿機器人作業(yè)流程Fig.5 working process of underground shotcreting robot

當(dāng)機器人達(dá)到L5 級時，機器人可實現(xiàn)自主上料、攪拌、傳送物料，自主規(guī)劃行走路線后進行自主移機，到達(dá)噴漿位置時自主停車，對巷道進行三維建模后自主生產(chǎn)噴漿路徑，機械臂完成噴漿后再次建模進行噴漿質(zhì)量檢測，噴漿質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后自主移機到下一噴漿點位，此為完成1 個工藝流程。機器人自身算力可支撐每一工步的數(shù)據(jù)分析與診斷，實現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)管理。

由此可以得出，機器人實用、好用、能用的必要條件必然是將感知層、決策層和控制層打通，感知層收集大量的機器人自身和環(huán)境數(shù)據(jù)，決策層通過算法、算力等流暢地處理這些數(shù)據(jù)以保證系統(tǒng)及時做出正確的決策，從而為控制層提供指令。最終的自主作業(yè)流程架構(gòu)如圖6。

圖6 自主作業(yè)流程架構(gòu)Fig.6 Autonomous work process architecture

煤礦機器人分級標(biāo)準(zhǔn)的建立，能夠更準(zhǔn)確地幫助客戶在不同場景和不同環(huán)境下提出差異化的功能需求，為機器人生產(chǎn)制造企業(yè)面對不同產(chǎn)品業(yè)務(wù)需求時提供等級參照；促進研發(fā)端和用戶端形成統(tǒng)一語境，實現(xiàn)認(rèn)知鏈路暢通，進一步助力供應(yīng)鏈順暢交互，產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

4 結(jié)語

分析整個煤礦機器人行業(yè)發(fā)展，其在科技創(chuàng)新、現(xiàn)場應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)孵化等方面面臨著很多困難，使用端和供應(yīng)端存在認(rèn)知差異的問題一直困擾著整個行業(yè)；大家也容易陷入將目前成熟的工業(yè)機器人智能化水平直接定義到煤礦機器人上的誤區(qū)。煤礦機器人的應(yīng)用環(huán)境非結(jié)構(gòu)化程度高，工藝和工序的可復(fù)制化程度低，因此評價煤礦機器人是否好用，需要將機器人置于煤礦行業(yè)背景下，遵從技術(shù)變遷與場景變遷綜合來看。煤礦機器人分級標(biāo)準(zhǔn)的建立，將增強機器人制造與使用相結(jié)合的緊密程度，幫助行業(yè)認(rèn)識到煤礦機器人產(chǎn)品規(guī)律，有利于煤礦機器人技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進步，從而提高機器人的實用性與可靠性，助推煤礦機器人產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。