張家峁煤礦回風巷道智能巡檢機器人系統

毛 浩，薛忠新，范生軍，趙紅菊

（1.陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122;3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

礦井一旦發生火災、瓦斯爆炸，災變氣體產物、細小顆粒在負壓作用下隨風蔓延，最終經過主要回風巷、總回風巷至風井排至地面。據統計，回風側6%的人員因片幫冒頂、水煤氣爆炸、單純性窒息等因素傷亡，高達90%的傷亡是化學性中毒致死，回風巷道的合理化監測直接反映出煤礦氣體、風速的實際狀態，對指導煤礦的安全生產，揭示潛在安全問題具有重要的意義。

回風巷道現有巡檢方式是采用人工巡檢方式，巡檢人員依靠人力往返于回風巷道之間，檢查回風巷道的環境狀態?；仫L巷道距離較長，部分回風巷道甚至達到5 km以上，同時，作業環境較為復雜，可見度較低。巡檢人員依靠“看、聽、聞、測”的傳統方式對回風巷道進行巡檢，效率低、實時性差、工人勞動強度大。另一方面，回風巷道檢測工作繁瑣，難以快速通過人工感官和經驗判斷排出故障。隨著我國智慧礦山建設的不斷發展及各大礦企“減人增效”的要求不斷提高，如何利用先進的智能化巡檢裝備對回風巷道進行實時監控，如何從根本上減少煤礦人員數量，提高工作效率，保障工人安全，成為當前重要的研究課題[1-4]。

1 巡檢機器人系統

智能巡檢機器人系統適用于煤礦井下的長距離巷道巡檢。該系統采用了拖拽式鋼絲繩牽引結構，其組成包括驅動執行系統、自動充電系統、巡檢機器人、風門系統和主控制系統。在機電泵房內的機頭處布置整機的驅動結構，用于動力傳遞；在回風巷道內的機尾部位由單個大定向滑輪實現巡檢機器人的回轉；在巡檢軌道內部兩側布置多個小定向滑輪，用于固定鋼絲繩；機器人內部放置本安型電池，實現內部傳感器的能源供電。同時，巡檢機器人搭載了風速傳感器、斷面掃描儀及多參數傳感器等多種傳感器，用于巷道內部環境實時檢測。

巡檢機器人系統原理如圖1。主控制系統作為整個系統的核心，用于控制及監測巡檢機器人運動狀態，實現與驅動執行系統、自主充電系統、風門系統及巡檢機器人相互間的即時控制指令和數據傳輸。巡檢機器人采用wifi無線通訊方式，經由本安無線路由及交換機實時將巡檢現場的圖像、聲音及多種氣體濃度參數等信息傳輸給地面監控中心，實現了設備運行工況檢測、巷道變形監測、氣體濃度等環境感知、數據處理與預警及人機交互功能。通過數據分析可以為工作人員提供設備工作狀態；通過歷史曲線可以提高設備的預知性，為狀態檢修或狀態評估提供有效數據支持，從而減少事故的發生。

圖1 巡檢機器人系統原理框圖Fig.1 Principle block diagram of inspection robot system

1）智能巡檢機器人。智能巡檢機器人整機結構采用集成化設計[5-6]。智能巡檢機器人吊掛于繩索上，在上殼體內布置前攝像儀、側攝像儀及發射天線，前攝像儀和側攝像儀能夠調節拍攝角度，實現對礦井環境的可視化信息的準確采集。各傳感器及攝像儀采集到的數據信息通過發射天線傳遞給地面監控中心，實現和礦井的4G通信基站及WiFi通信基站的數據互傳。在下殼體內部前端安裝有風速傳感器、斷面掃描儀、激光發射器、粉塵傳感器等主要傳感器；下殼體內部后端放置智能終端和本安電池，電池左側放置無線充電接收線圈。巡檢機器人外形如圖2。

圖2 巡檢機器人整體外形結構Fig.2 Overall configuration of inspection robot

2）驅動執行系統。驅動系統采用架空式安裝，將鋼絲繩安裝在驅動輪和迂回輪上，中間用托繩輪、壓繩輪等將其定位，并經張緊裝置將鋼絲繩拉緊。巡檢機器人工作時由電動機通過聯軸器帶動減速機旋轉，減速機帶動驅動輪，使纏繞在驅動輪和迂回輪之間的鋼絲繩作循環運行或上下往復運行。機器人先與抱索器連接，然后抱索器鎖緊在運行的鋼絲繩上，從而實現巡檢機器人行走的目的。

3）過風門結構?？紤]到煤礦安全規程要求，回風巷道內不允許放置防爆型電氣設備，因此，設計主驅動在機電泵房內，通過鋼絲繩牽引的方式，完成回風巷道內部機器人的往復運動，過風門結構如圖3。巡檢機器人工作時，需要穿過風門完成驅動電源的更換及必要的數據通信，同時，鋼絲繩也需要穿過風門完成巡檢機器人的牽引，所以在風門的兩側分別布置了2個單扇葉的風窗。這個風窗在正常使用過程中，需要開啟一定的角度，保證鋼絲繩能夠穿過風窗，完成機器人的牽引和驅動。在風窗前后的適當位置布置光電檢測開關，當機器人運行到開關位置時，控制風窗進行相應的開啟和關閉動作，實現巡檢機器人在回風巷道及機電泵房之間的順利通行。根據巡檢機器人系統的控制策略，對巡檢機器人穿過雙風窗的運行狀態進行了研究，當巡檢機器人到達指定開窗位置，光電開關檢測有效之后，控制系統首先確認風窗2是否處于關閉狀態，當風窗2處于關閉狀態之后，風窗1能夠開啟，巡檢機器人通過風窗1，到達風窗2的開窗位置處，完成風窗2的開啟及閉合動作，風窗控制流程圖如圖4。

圖3 風門模擬設計Fig.3 Door simulation design

圖4 風窗控制流程圖Fig.4 Flow chart of wind window control

4）通信系統。考慮到數據通訊的實時性及巷道巡檢信息的可展示性，在回風巷道內布置無線通訊基站，每隔400 m布置1臺本安型無線通訊基站，以張家峁2-2煤為例，2 km巡檢巷道共需布置5臺基站[7-8]。在巡檢機器人巡檢過程中，能夠通過無線基站，將采集的回風巷道圖像、氣體、風速等信息實時傳遞給操作終端，保證通訊的實時性。專家在地面遠端操作臺或者井下近端控制臺，也可以實時觀測到機器人的巡檢狀態，提高了系統的可展示性。同時，為了防止內部無線基站的通訊故障和不穩定性，巡檢機器人也會將采集的信息存儲在內部存儲器，在回到機電泵房后，內部控制器借助煤礦現有的4G通信方式，完成信息的通信。采用2種通訊方式，且這2種通訊方式能夠自主選擇，保證了巷道信息的完整性。

5）能源供給及自主充電。巡檢機器人采用本安型電池進行供電[9]。本安電池安裝在電池盒內，由于電池只需要供給內部電控箱及傳感器的電源，因此，電池續航能力能夠達到8～9 h。巡檢機器人本體自帶電池電量自動檢測電路，且可人工設置電量報警下限，當機器人檢測到電池電量低于設置值時則會自動停止當前巡檢任務，同時發出警報，之后自主運行到機電泵房內的充電位置進行能源供給。若充電不成功智能巡檢機器人將自動報警，等待人工處理。智能巡檢機器人同時保留手動充電功能，在出現緊急情況下，可利用手動充電器對機器人進行緊急充電，滿足臨時性任務需求。

2 關鍵技術

1）復雜環境下機器人智能感知與積水識別技術。巡檢機器人的可靠作業依賴于各種傳感器對井下空間、環境、設備等信息的智能感知[10-11]，通過搭載可移動高清攝像機采集圖像數據，并把圖像數據上傳至數據處理單元對所采集的數字圖像進行處理，通過模式識別技術對圖像進行處理、分析，檢查巷道是否有積水，若有積水則反饋給指揮中心，分析結果通過后臺人機交互系統報警、顯示和存儲。提出的積水識別技術采用數字圖像處理技術和基于區域建議的卷積神經網絡Faster R-CNN的深度學習方法，通過對積水樣本集標簽的制作，借助角度變換擴充數據集以及灰度圖像轉換擴充數據集，建立積水訓練模型并反復進行參數調整，確定最優模型后輸出積水面積。積水檢測流程如圖5。

圖5 積水檢測流程圖Fig.5 Flow chart of ponding detection

2）井下受限封閉環境下機器人精準定位技術。煤礦巷道作業區域具有典型的半結構化或非結構化環境特征，GPS技術無法直接應用于井下，通過時間-速度映射計算法，建立雙重坐標系的對應關系，實現了煤礦機器人的自主定位系統方案，解決井下機器人精確定位、姿態感知等問題，進而實現對機器人能耗、穩定性、安全性的最優控制。巡檢機器人行走控制系統具有高精度回轉編碼器，能夠實時計算巡檢機器人的位置。設置巡檢起始點和位置檢測點，位置檢測點用于消除機器人巡檢過程中，由于傳感器精度、機械誤差等因素產生的相對誤差；巡檢起始點作為整個系統的統一時間參考點，利用此時間定義回轉編碼器1圈時，驅動機構行走的速度和位置。即當巡檢機器人通過風門進入回風巷道內部后，通過速度或位置對時間的微積分，進行上位機和主控系統對巡檢機器人本體的軌跡規劃以及速度和位置的離線控制。

3 結語

以張家峁煤礦2-2煤回風巷為施工場景，研制出的巡檢機器人系統，集計算機、傳感器、自動化、信息通信于一體，具有體積小、動作靈活的特點，既可以減輕作業人員的日常工作強度，又實現了對井下回風巷道工況的同步觀察和監測，對預防和減少事故的發生有積極的作用。同時，從根源上解決煤炭行業的安全生產難題，提高煤礦生產的效率，從根本上減少煤礦的人員數量，符合國家對煤礦“減人、少人”的發展要求，真正實現無人值守、有人巡視。