智能巡檢機器人在煤礦重點區域的研究與應用

摘要：在煤礦生產中，對礦井設施工作狀態的巡回檢查工作是保障安全生產的重要一環。隨著科技的進步，巡檢機器人的出現有效地滿足了這個需求。巡檢機器人可超前預判設備運行過程中存在的風險，讓礦井重點區域的巡檢工作變得更為安全、高效，真正實現無人則安、少人則安的工作目標。本文首先分析了煤礦井下應用巡檢機器人的優勢，進而進行了巡檢機器人的需求分析和系統設計，并結合案例分析了巡檢機器人的應用效果。

關鍵詞：煤礦重點區域；巡檢機器人；設計研究；應用優勢

一、引言

煤礦安全生產始終是國家和全民關注的重點社會問題。導致礦井隱患產生的重要因素有不安全行為、設備的不安全狀態及環境的不安全因素等。在煤礦生產過程中，對生產設備工作狀態的巡回檢查工作至關重要。為保證礦井中重點區域巡檢工作的安全、高效，避免人員在高危、惡劣環境下暴露的情況，有必要采用巡檢機器人對礦井重點區域進行巡檢。基于此，本文開展巡檢機器人的設計與應用研究，為礦井重點區域巡檢工作的安全、高效開展提供可行方案，以保證礦井重點區域設備設施的安全穩定運行，進而推動煤礦實現安全生產。

二、煤礦重點區域巡檢機器人的應用優勢

（一）安全性能提升

應用巡檢機器人開展煤礦井下巡檢工作，可以避免人員暴露在高危、惡劣的環境下。采用本質安全型的巡檢機器人不僅能迅速做出反應，還可在氣體不穩定的環境下完成巡檢工作，監測并獲取諸如瓦斯濃度、一氧化碳濃度、硫化氫濃度、環境溫度及設備運行溫度等重要指標。基于這些數據，巡檢機器人能為安全管理人員提供準確的安全評估，有助于其及時開展防范措施。在礦井作業中，安全事故往往來源于信息反饋不及時、人員疲勞作業、設備帶病運轉等。巡檢機器人通過定時巡檢、自動采集分析的手段，解決了這些問題，大幅提升了安全性能。

（二）巡檢效率和準確性優勢

巡檢機器人搭載各種傳感器、高清攝像頭、紅外熱成像儀等先進設備，在井下工作期間可對設備進行精確高效的檢查，確保了對設施狀態的全面掌控。相較于傳統的人工巡檢模式，巡檢機器人具有更高的穩定性和持續性，能在短時間內完成大范圍的檢查。這意味著煤礦安全管理人員可以在更短的時間內了解礦井各重點區域設備的實時運行狀態。在準確性方面，巡檢機器人以其穩定的數據采集能力和自動處理分析能力確保了對設備健康狀況的準確把握。由于人為因素，人工巡檢可能產生誤判，機器人卻不止能避免這一問題，還能超前感知潛在安全風險、定位風險點位置，及時提醒運維人員，做到及時響應、高效解決問題。

（三）運行模式效率與成本更優化

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個班次，需要3人，每天支出1200元，月支出共計36000元。單臺巡檢機器人按照年均4%的折舊率計算，月折舊費用僅為666元，每月可為企業節約35334元。因此，巡檢機器人提高了煤礦企業的運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據。

三、智能巡檢機器人設計

（一）巡檢機器人需求分析

在煤礦重點區域的應用情境下，巡檢機器人需契合如下要求：

首先，其尺寸比例與重量應設計合理，具備出色的平衡性掌控、高度的穩定性以及強大的抗干擾性能，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，系統設計秉持模塊化理念，擁有較強的可拓展性，以便為后續功能拓展預留空間。再者，為適應不同環境下的動力需求，采用四輪驅動模式，并借助差速轉向來把控運動方向。同時，為防止巡檢過程中遭遇干擾或障礙而阻礙正常巡檢任務的開展，巡檢機器人務必具備自主避障功能，且能將相關問題實時上傳。此外，要達成在特定地點執行特定巡檢任務的目標，高精度的定位導航能力不可或缺。為切實達成對井下變電所、主煤流運輸系統等重點區域的無人化管理愿景，巡檢機器人需擁有一定的續航能力與充電功能，一旦電量過低難以支撐下一次巡檢任務時，可自動返回充電倉補充電能。還有，巡檢機器人應具備一定的糾錯與容錯能力，當運動中出現故障或因某些緣由導致定位偏差時，能夠自行展開智能化處理，并上傳錯誤信息。最后，要求系統具備良好的實時性，人機交互界面兼具實用性與美觀性，為系統后續的調試工作與后臺監控提供便利。

（二）巡檢機器人整體設計

巡檢機器人的結構設計需要以巡檢軌道的性質為依據，以便全方位進行煤礦設備的巡檢。設計需要滿足巡檢機器人在獨特的垂直或傾斜環境中能夠穩定運行[2]。核心結構通常包含穩定機構、驅動機構和調整機構等[3]。穩定機構主要保證機器人能穩固地掛在軌道上，防止掉落。驅動結構則保證巡檢機器人能在軌道上自由、流暢地移動。調整機構允許巡檢機器人的工作部分，如攝像頭、傳感器等，根據需要調整至最佳操作位置，以完成高質量的巡檢任務[4]。

巡檢機器人的傳感器系統是其感知環境并與環境交互的關鍵，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器人的視覺識別、位置定位和目標追蹤等。紅外熱成像儀可用于識別環境溫度及設備運行溫度及其變化。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煤礦環境的特性與巡檢任務需要適當配置[6]。

由于巡檢機器人需要遠程監控和指揮，因此，穩定、高效通信與數據傳輸系統至關重要。這個系統需要能夠處理圖像、視頻等多種格式的大規模數據。同時，考慮到巡檢機器人工作環境的特殊性，該系統還應具有良好的抗干擾素力，保證其在信號不穩定的環境中也能確保數據傳輸的穩定性和實時性[7]。此外，通信與數據傳輸系統還應支持向上級系統或操作者就巡檢機器人狀態和巡檢結果進行實時反饋。

（三）巡檢機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，充電座與充電機構需置于開放空氣中，安全隱患突出，極易引發觸電事故，威脅人員安全。其次，由于充電座和充電機構電壓不同，相互接觸瞬間會產生電火花，不符合相關要求，違反了相關安全規定。再者，礦區環境多粉塵，而連接部件處于這樣的空氣中，極易被污染，導致接觸不良，使得充電無法順利完成、最終失敗。最后，該充電方式對接精度要求苛刻，需要電極接觸點精準對接，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。

對比表2中幾種充電方式的各有其優劣之處，在綜合考量了綜合巡檢機器人的各項技術規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來完成對巡檢機器人的充電工作。其具體的實施步驟如下：要把無線充電裝置的次級線圈放置在巡檢機器人底盤的下方。一般而言，次級線圈離地面的距離越近的話，充電的效率會越高。同時，需將初級線圈埋設在充電室里特定的固定位置上。通過對巡檢機器人位置進行精確的調控，讓次級線圈能夠和初級線圈實現精準的對接，進而達成高效的無線充電過程。

四、巡檢機器人系統設計

（一）巡檢機器人控制與導航算法研究

巡檢機器人行進路徑規劃是根據傳感器獲取的環境信息，如固定的軌道路線、設備分布情況及可能存在的障礙物等，進行最優路線規劃，以實現巡檢機器人的自動導航[8]。路徑規劃需要考慮溫度、濕度、光照等環境因素，以及特殊任務需求，如巡檢時間的優化、電池使用的優化等[9]。常見的路徑規劃方法包括Dijkstra算法、遺傳算法、人工神經網絡、深度學習技術等[10]。

傳感器信息融合是通過對多種傳感器獲取的信息進行有效整合，以獲取更加準確的環境信息。環境信息的準確性對于機器人行進路徑規劃、異常狀況檢測和應急處理等具有重要意義。常見的信息融合方法包括基于Bayes估計的融合算法、基于神經網絡的融合算法、基于粒子濾波的融合算法等，以及一些獨立、分布式、集中式等不同的融合架構。

巡檢機器人控制與導航算法涉及導航定位、行為決策等多個層面的問題。導航定位主要依賴于多源傳感器信息，通過運動模型、地圖模型和傳感器模型，實現對巡檢機器人的定位。行為決策則需要在環境模型和目標模型的基礎上，制定巡檢機器人的行為策略，保證巡檢機器人安全、有效地完成任務。常用的方法包括反饋控制法、預測控制等。隨著深度學習和強化學習的發展，很多任務已經可以利用它們進行處理，如基于深度神經網絡的環境識別和基于強化學習的行為決策等。

（二）巡檢任務與調度管理

巡檢機器人的任務分配主要基于巡檢機器人的工作能力、設備巡檢的需求以及環境變化等因素，旨在保障設備巡檢質量的條件下，實現工作效率的最大化。巡檢任務的分配需根據設備的重要程度和可能出現故障的風險進行優先級排序，且需要考慮巡檢機器人的巡檢速度、電力消耗等因素。隨著任務和環境的變化，任務分配方案需要進行動態調整，這就需要構建相應的數學模型和算法。其中包括基于時間窗方法、最短路徑問題等一系列優化問題。

調度管理是指巡檢機器人在進行設備巡檢的同時，對環境變化、設備狀態和巡檢機器人自身狀態的監控與調整，以達到提升工作效率和保證巡檢安全的目標。調度管理涵蓋了對巡檢機器人的運行狀態監控、行為控制、任務分配的調整等。不同的調度策略會產生不同的工作效果。在調度管理中，安全管理尤為重要。安全管理主要包括風險識別和風險控制兩部分。風險識別依賴于巡檢機器人的感知系統和數據處理能力，需要對可能存在的安全風險進行實時識別和及時預警，如設備損壞、氣體超標、溫度過高等。風險控制則依賴于巡檢機器人的決策能力和行為控制能力，需要對識別出的風險進行及時的應對控制，如停止工作、改變路徑、發送報警等。風險控制的目標是防止或減輕安全風險對巡檢工作和設備安全的影響，以保證巡檢工作的順利進行。

五、結束語

將巡檢機器人應用于煤礦巡檢中，帶來了顯著的效率提升和安全保障的同時，也面臨著一些技術挑戰。首先，煤礦環境的惡劣性對巡檢機器人的耐用性和穩定性提出了嚴苛的要求。其次，煤礦巡檢任務復雜多變，巡檢機器人需要具備強大的自適應與判斷能力。最后，礦井下通信條件往往較差，這對巡檢機器人的遠程控制和數據傳輸提出了巨大挑戰。因此，巡檢機器人的通信系統應采用更加穩定、高效的通信技術，如WIFI、5G等。同時，也可以通過設備冗余和多級傳輸等方式，提高通信的穩定性和可靠性。

為了應對這些挑戰，需要通過持續的技術創新和改進以往的工程實踐，且目前行業內已經出現了一些可供借鑒的解決方案。例如，采用軍工級別的配件用于承受惡劣環境，引入更先進的人工智能技術提升巡檢質量，以及應用新型通信技術解決數據傳輸問題等。總之，巡檢機器人在煤礦安全巡檢工作中的應用面臨著一系列的技術挑戰，但有理由相信，通過對巡檢機器人性能的持續優化提升，以及對創新解決方案的不斷探索，能夠加速巡檢機器人在煤礦安全巡檢中的應用普及。

作者單位：趙連環 魏文慧 孫鵬程 鄂爾多斯市轉龍灣煤炭有限公司

參考文獻

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