摘要：在煤礦生產(chǎn)中，對(duì)礦井設(shè)施工作狀態(tài)的巡回檢查工作是保障安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。隨著科技的進(jìn)步，巡檢機(jī)器人的出現(xiàn)有效地滿足了這個(gè)需求。巡檢機(jī)器人可超前預(yù)判設(shè)備運(yùn)行過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，讓礦井重點(diǎn)區(qū)域的巡檢工作變得更為安全、高效，真正實(shí)現(xiàn)無人則安、少人則安的工作目標(biāo)。本文首先分析了煤礦井下應(yīng)用巡檢機(jī)器人的優(yōu)勢，進(jìn)而進(jìn)行了巡檢機(jī)器人的需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合案例分析了巡檢機(jī)器人的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：煤礦重點(diǎn)區(qū)域；巡檢機(jī)器人；設(shè)計(jì)研究；應(yīng)用優(yōu)勢

一、引言

煤礦安全生產(chǎn)始終是國家和全民關(guān)注的重點(diǎn)社會(huì)問題。導(dǎo)致礦井隱患產(chǎn)生的重要因素有不安全行為、設(shè)備的不安全狀態(tài)及環(huán)境的不安全因素等。在煤礦生產(chǎn)過程中，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備工作狀態(tài)的巡回檢查工作至關(guān)重要。為保證礦井中重點(diǎn)區(qū)域巡檢工作的安全、高效，避免人員在高危、惡劣環(huán)境下暴露的情況，有必要采用巡檢機(jī)器人對(duì)礦井重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行巡檢。基于此，本文開展巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，為礦井重點(diǎn)區(qū)域巡檢工作的安全、高效開展提供可行方案，以保證礦井重點(diǎn)區(qū)域設(shè)備設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而推動(dòng)煤礦實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

二、煤礦重點(diǎn)區(qū)域巡檢機(jī)器人的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）安全性能提升

應(yīng)用巡檢機(jī)器人開展煤礦井下巡檢工作，可以避免人員暴露在高危、惡劣的環(huán)境下。采用本質(zhì)安全型的巡檢機(jī)器人不僅能迅速做出反應(yīng)，還可在氣體不穩(wěn)定的環(huán)境下完成巡檢工作，監(jiān)測并獲取諸如瓦斯?jié)舛取⒁谎趸紳舛?、硫化氫濃度、環(huán)境溫度及設(shè)備運(yùn)行溫度等重要指標(biāo)?；谶@些數(shù)據(jù)，巡檢機(jī)器人能為安全管理人員提供準(zhǔn)確的安全評(píng)估，有助于其及時(shí)開展防范措施。在礦井作業(yè)中，安全事故往往來源于信息反饋不及時(shí)、人員疲勞作業(yè)、設(shè)備帶病運(yùn)轉(zhuǎn)等。巡檢機(jī)器人通過定時(shí)巡檢、自動(dòng)采集分析的手段，解決了這些問題，大幅提升了安全性能。

（二）巡檢效率和準(zhǔn)確性優(yōu)勢

巡檢機(jī)器人搭載各種傳感器、高清攝像頭、紅外熱成像儀等先進(jìn)設(shè)備，在井下工作期間可對(duì)設(shè)備進(jìn)行精確高效的檢查，確保了對(duì)設(shè)施狀態(tài)的全面掌控。相較于傳統(tǒng)的人工巡檢模式，巡檢機(jī)器人具有更高的穩(wěn)定性和持續(xù)性，能在短時(shí)間內(nèi)完成大范圍的檢查。這意味著煤礦安全管理人員可以在更短的時(shí)間內(nèi)了解礦井各重點(diǎn)區(qū)域設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。在準(zhǔn)確性方面，巡檢機(jī)器人以其穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集能力和自動(dòng)處理分析能力確保了對(duì)設(shè)備健康狀況的準(zhǔn)確把握。由于人為因素，人工巡檢可能產(chǎn)生誤判，機(jī)器人卻不止能避免這一問題，還能超前感知潛在安全風(fēng)險(xiǎn)、定位風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位置，及時(shí)提醒運(yùn)維人員，做到及時(shí)響應(yīng)、高效解決問題。

（三）運(yùn)行模式效率與成本更優(yōu)化

本煤礦之前采用的是固定式崗位人員，人工成本為400元/人，一天3個(gè)班次，需要3人，每天支出1200元，月支出共計(jì)36000元。單臺(tái)巡檢機(jī)器人按照年均4%的折舊率計(jì)算，月折舊費(fèi)用僅為666元，每月可為企業(yè)節(jié)約35334元。因此，巡檢機(jī)器人提高了煤礦企業(yè)的運(yùn)營效率和安全管理效率，降低了人力成本和安全管理成本。表1所示為不同安全巡檢方式的成本數(shù)據(jù)。

三、智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

（一）巡檢機(jī)器人需求分析

在煤礦重點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)用情境下，巡檢機(jī)器人需契合如下要求：

首先，其尺寸比例與重量應(yīng)設(shè)計(jì)合理，具備出色的平衡性掌控、高度的穩(wěn)定性以及強(qiáng)大的抗干擾性能，從而能夠在存在一定坡度與干擾因素的道路上順利行駛。其次，系統(tǒng)設(shè)計(jì)秉持模塊化理念，擁有較強(qiáng)的可拓展性，以便為后續(xù)功能拓展預(yù)留空間。再者，為適應(yīng)不同環(huán)境下的動(dòng)力需求，采用四輪驅(qū)動(dòng)模式，并借助差速轉(zhuǎn)向來把控運(yùn)動(dòng)方向。同時(shí)，為防止巡檢過程中遭遇干擾或障礙而阻礙正常巡檢任務(wù)的開展，巡檢機(jī)器人務(wù)必具備自主避障功能，且能將相關(guān)問題實(shí)時(shí)上傳。此外，要達(dá)成在特定地點(diǎn)執(zhí)行特定巡檢任務(wù)的目標(biāo)，高精度的定位導(dǎo)航能力不可或缺。為切實(shí)達(dá)成對(duì)井下變電所、主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)等重點(diǎn)區(qū)域的無人化管理愿景，巡檢機(jī)器人需擁有一定的續(xù)航能力與充電功能，一旦電量過低難以支撐下一次巡檢任務(wù)時(shí)，可自動(dòng)返回充電倉補(bǔ)充電能。還有，巡檢機(jī)器人應(yīng)具備一定的糾錯(cuò)與容錯(cuò)能力，當(dāng)運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)故障或因某些緣由導(dǎo)致定位偏差時(shí)，能夠自行展開智能化處理，并上傳錯(cuò)誤信息。最后，要求系統(tǒng)具備良好的實(shí)時(shí)性，人機(jī)交互界面兼具實(shí)用性與美觀性，為系統(tǒng)后續(xù)的調(diào)試工作與后臺(tái)監(jiān)控提供便利。

（二）巡檢機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要以巡檢軌道的性質(zhì)為依據(jù)，以便全方位進(jìn)行煤礦設(shè)備的巡檢。設(shè)計(jì)需要滿足巡檢機(jī)器人在獨(dú)特的垂直或傾斜環(huán)境中能夠穩(wěn)定運(yùn)行[2]。核心結(jié)構(gòu)通常包含穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和調(diào)整機(jī)構(gòu)等[3]。穩(wěn)定機(jī)構(gòu)主要保證機(jī)器人能穩(wěn)固地掛在軌道上，防止掉落。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)則保證巡檢機(jī)器人能在軌道上自由、流暢地移動(dòng)。調(diào)整機(jī)構(gòu)允許巡檢機(jī)器人的工作部分，如攝像頭、傳感器等，根據(jù)需要調(diào)整至最佳操作位置，以完成高質(zhì)量的巡檢任務(wù)[4]。

巡檢機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)是其感知環(huán)境并與環(huán)境交互的關(guān)鍵，包括攝像頭、紅外熱成像儀、溫度傳感器、氣體傳感器等[5]。攝像頭主要用于巡檢機(jī)器人的視覺識(shí)別、位置定位和目標(biāo)追蹤等。紅外熱成像儀可用于識(shí)別環(huán)境溫度及設(shè)備運(yùn)行溫度及其變化。氣體傳感器檢測有害氣體如一氧化碳、甲烷等的濃度。這些傳感器需要根據(jù)煤礦環(huán)境的特性與巡檢任務(wù)需要適當(dāng)配置[6]。

由于巡檢機(jī)器人需要遠(yuǎn)程監(jiān)控和指揮，因此，穩(wěn)定、高效通信與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)至關(guān)重要。這個(gè)系統(tǒng)需要能夠處理圖像、視頻等多種格式的大規(guī)模數(shù)據(jù)。同時(shí)，考慮到巡檢機(jī)器人工作環(huán)境的特殊性，該系統(tǒng)還應(yīng)具有良好的抗干擾素力，保證其在信號(hào)不穩(wěn)定的環(huán)境中也能確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實(shí)時(shí)性[7]。此外，通信與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)還應(yīng)支持向上級(jí)系統(tǒng)或操作者就巡檢機(jī)器人狀態(tài)和巡檢結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。

（三）巡檢機(jī)器人充電模式介紹與選取

接觸式充電方式固然有著較高的充電效率，卻也存在不容忽視的弊端。首先，充電座與充電機(jī)構(gòu)需置于開放空氣中，安全隱患突出，極易引發(fā)觸電事故，威脅人員安全。其次，由于充電座和充電機(jī)構(gòu)電壓不同，相互接觸瞬間會(huì)產(chǎn)生電火花，不符合相關(guān)要求，違反了相關(guān)安全規(guī)定。再者，礦區(qū)環(huán)境多粉塵，而連接部件處于這樣的空氣中，極易被污染，導(dǎo)致接觸不良，使得充電無法順利完成、最終失敗。最后，該充電方式對(duì)接精度要求苛刻，需要電極接觸點(diǎn)精準(zhǔn)對(duì)接，極大增加了充電裝置的控制難度。綜合來看，煤礦工況特殊，接觸式充電方式并不適用。

對(duì)比表2中幾種充電方式的各有其優(yōu)劣之處，在綜合考量了綜合巡檢機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)規(guī)范以及電能綜合利用率等諸多方面的因素之后，最終決定選用磁耦合諧振式無線充電技術(shù)來完成對(duì)巡檢機(jī)器人的充電工作。其具體的實(shí)施步驟如下：要把無線充電裝置的次級(jí)線圈放置在巡檢機(jī)器人底盤的下方。一般而言，次級(jí)線圈離地面的距離越近的話，充電的效率會(huì)越高。同時(shí)，需將初級(jí)線圈埋設(shè)在充電室里特定的固定位置上。通過對(duì)巡檢機(jī)器人位置進(jìn)行精確的調(diào)控，讓次級(jí)線圈能夠和初級(jí)線圈實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的對(duì)接，進(jìn)而達(dá)成高效的無線充電過程。

四、巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）巡檢機(jī)器人控制與導(dǎo)航算法研究

巡檢機(jī)器人行進(jìn)路徑規(guī)劃是根據(jù)傳感器獲取的環(huán)境信息，如固定的軌道路線、設(shè)備分布情況及可能存在的障礙物等，進(jìn)行最優(yōu)路線規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的自動(dòng)導(dǎo)航[8]。路徑規(guī)劃需要考慮溫度、濕度、光照等環(huán)境因素，以及特殊任務(wù)需求，如巡檢時(shí)間的優(yōu)化、電池使用的優(yōu)化等[9]。常見的路徑規(guī)劃方法包括Dijkstra算法、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)等[10]。

傳感器信息融合是通過對(duì)多種傳感器獲取的信息進(jìn)行有效整合，以獲取更加準(zhǔn)確的環(huán)境信息。環(huán)境信息的準(zhǔn)確性對(duì)于機(jī)器人行進(jìn)路徑規(guī)劃、異常狀況檢測和應(yīng)急處理等具有重要意義。常見的信息融合方法包括基于Bayes估計(jì)的融合算法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合算法、基于粒子濾波的融合算法等，以及一些獨(dú)立、分布式、集中式等不同的融合架構(gòu)。

巡檢機(jī)器人控制與導(dǎo)航算法涉及導(dǎo)航定位、行為決策等多個(gè)層面的問題。導(dǎo)航定位主要依賴于多源傳感器信息，通過運(yùn)動(dòng)模型、地圖模型和傳感器模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的定位。行為決策則需要在環(huán)境模型和目標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，制定巡檢機(jī)器人的行為策略，保證巡檢機(jī)器人安全、有效地完成任務(wù)。常用的方法包括反饋控制法、預(yù)測控制等。隨著深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的發(fā)展，很多任務(wù)已經(jīng)可以利用它們進(jìn)行處理，如基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境識(shí)別和基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的行為決策等。

（二）巡檢任務(wù)與調(diào)度管理

巡檢機(jī)器人的任務(wù)分配主要基于巡檢機(jī)器人的工作能力、設(shè)備巡檢的需求以及環(huán)境變化等因素，旨在保障設(shè)備巡檢質(zhì)量的條件下，實(shí)現(xiàn)工作效率的最大化。巡檢任務(wù)的分配需根據(jù)設(shè)備的重要程度和可能出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，且需要考慮巡檢機(jī)器人的巡檢速度、電力消耗等因素。隨著任務(wù)和環(huán)境的變化，任務(wù)分配方案需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，這就需要構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和算法。其中包括基于時(shí)間窗方法、最短路徑問題等一系列優(yōu)化問題。

調(diào)度管理是指巡檢機(jī)器人在進(jìn)行設(shè)備巡檢的同時(shí)，對(duì)環(huán)境變化、設(shè)備狀態(tài)和巡檢機(jī)器人自身狀態(tài)的監(jiān)控與調(diào)整，以達(dá)到提升工作效率和保證巡檢安全的目標(biāo)。調(diào)度管理涵蓋了對(duì)巡檢機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、行為控制、任務(wù)分配的調(diào)整等。不同的調(diào)度策略會(huì)產(chǎn)生不同的工作效果。在調(diào)度管理中，安全管理尤為重要。安全管理主要包括風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)控制兩部分。風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別依賴于巡檢機(jī)器人的感知系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理能力，需要對(duì)可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別和及時(shí)預(yù)警，如設(shè)備損壞、氣體超標(biāo)、溫度過高等。風(fēng)險(xiǎn)控制則依賴于巡檢機(jī)器人的決策能力和行為控制能力，需要對(duì)識(shí)別出的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)的應(yīng)對(duì)控制，如停止工作、改變路徑、發(fā)送報(bào)警等。風(fēng)險(xiǎn)控制的目標(biāo)是防止或減輕安全風(fēng)險(xiǎn)對(duì)巡檢工作和設(shè)備安全的影響，以保證巡檢工作的順利進(jìn)行。

五、結(jié)束語

將巡檢機(jī)器人應(yīng)用于煤礦巡檢中，帶來了顯著的效率提升和安全保障的同時(shí)，也面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，煤礦環(huán)境的惡劣性對(duì)巡檢機(jī)器人的耐用性和穩(wěn)定性提出了嚴(yán)苛的要求。其次，煤礦巡檢任務(wù)復(fù)雜多變，巡檢機(jī)器人需要具備強(qiáng)大的自適應(yīng)與判斷能力。最后，礦井下通信條件往往較差，這對(duì)巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸提出了巨大挑戰(zhàn)。因此，巡檢機(jī)器人的通信系統(tǒng)應(yīng)采用更加穩(wěn)定、高效的通信技術(shù)，如WIFI、5G等。同時(shí)，也可以通過設(shè)備冗余和多級(jí)傳輸?shù)确绞剑岣咄ㄐ诺姆€(wěn)定性和可靠性。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)以往的工程實(shí)踐，且目前行業(yè)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了一些可供借鑒的解決方案。例如，采用軍工級(jí)別的配件用于承受惡劣環(huán)境，引入更先進(jìn)的人工智能技術(shù)提升巡檢質(zhì)量，以及應(yīng)用新型通信技術(shù)解決數(shù)據(jù)傳輸問題等?？傊矙z機(jī)器人在煤礦安全巡檢工作中的應(yīng)用面臨著一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)，但有理由相信，通過對(duì)巡檢機(jī)器人性能的持續(xù)優(yōu)化提升，以及對(duì)創(chuàng)新解決方案的不斷探索，能夠加速巡檢機(jī)器人在煤礦安全巡檢中的應(yīng)用普及。

作者單位：趙連環(huán) 魏文慧 孫鵬程 鄂爾多斯市轉(zhuǎn)龍灣煤炭有限公司

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