智能化裝備在煤礦應(yīng)急搶險(xiǎn)救援中的效能分析與優(yōu)化策略

摘要：本文首先深入探究了智能化裝備在煤礦安全生產(chǎn)中的重要性，梳理了在水害事故應(yīng)對(duì)中智能裝備的實(shí)際應(yīng)用情況，然后通過(guò)具體案例分析了智能化裝備如何顯著提升救援效率，最后針對(duì)智能裝備在救援過(guò)程中遇到的困難，提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略，旨在全方位提升煤礦應(yīng)急搶險(xiǎn)救援工作的安全性和效率。

關(guān)鍵詞：煤礦應(yīng)急救援；智能化裝備；安全監(jiān)控；水害搶險(xiǎn)；技術(shù)創(chuàng)新

DOI：10.12433/zgkjtz.20241321

煤礦生產(chǎn)安全一直以來(lái)都是人們高度關(guān)注的問(wèn)題，尤其是在應(yīng)急搶險(xiǎn)救援過(guò)程中，其高風(fēng)險(xiǎn)性與緊迫性更是需要重點(diǎn)關(guān)注。智能監(jiān)控系統(tǒng)作為預(yù)防煤礦事故的關(guān)鍵技術(shù)，在提升安全生產(chǎn)效能方面扮演著重要角色。在應(yīng)對(duì)水害等災(zāi)難性事故中，智能化裝備的應(yīng)用為救援行動(dòng)提供了強(qiáng)有力的支持。然而，如何在救援實(shí)踐中進(jìn)一步提高這類(lèi)裝備的效率，增強(qiáng)其適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的能力，并促進(jìn)與救援人員的協(xié)同作業(yè)，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

一、智能化裝備在煤礦應(yīng)急救援中的效能分析

（一）智能化裝備對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)的重要性

智能化裝備通過(guò)高精度的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控及智能分析，大幅提高了對(duì)潛在安全隱患的識(shí)別與響應(yīng)能力，降低了事故發(fā)生率，保障了礦工的生命財(cái)產(chǎn)安全。先進(jìn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如紅外熱成像技術(shù)可以探測(cè)井下設(shè)備運(yùn)作過(guò)程中產(chǎn)生的異常溫升，從而預(yù)見(jiàn)設(shè)備可能出現(xiàn)的故障。通過(guò)振動(dòng)分析儀器能夠評(píng)估機(jī)械設(shè)施的操作狀況，提早發(fā)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)失常可能導(dǎo)致的事故風(fēng)險(xiǎn)。自動(dòng)化的通風(fēng)系統(tǒng)與瓦斯抽放技術(shù)則在調(diào)節(jié)井下氣候、防止瓦斯超限等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

智能化裝備還包括地質(zhì)雷達(dá)與聲波識(shí)別系統(tǒng)，能夠在開(kāi)采前對(duì)巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確評(píng)估，辨識(shí)潛在的沖擊地壓和水害等自然災(zāi)害的威脅。這些裝備為地面操作人員提供了關(guān)于井下地質(zhì)條件的第一手資料，確保了開(kāi)采設(shè)計(jì)的安全性。在遇有危難緊急情形時(shí)，如傳感器捕捉到的瓦斯?jié)舛韧蝗簧撸悄苎b備便能迅速啟動(dòng)其快速反應(yīng)機(jī)制，自動(dòng)封鎖高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。在這種場(chǎng)合，機(jī)器人和無(wú)人機(jī)搭載高精度攝像頭及其他探測(cè)器件，可深入危險(xiǎn)環(huán)境，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至控制中心，輔助決策者進(jìn)行救援計(jì)劃的制定。這種智能化行為極大降低了救援人員直接暴露在極端危險(xiǎn)環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)，提升了救援行動(dòng)的安全性和效率。

而在實(shí)現(xiàn)煤礦自動(dòng)化的過(guò)程中，智能化裝備更是不可或缺。由此促成的遠(yuǎn)程操控、無(wú)人駕駛運(yùn)輸車(chē)輛等技術(shù)的應(yīng)用，不但減少了人員在井下的數(shù)量，而且提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理體系健全性的提升。

（二）煤礦水害事故中智能化裝備的應(yīng)用現(xiàn)狀

智能化裝備，尤其是地質(zhì)雷達(dá)、激光測(cè)距儀、自動(dòng)排水系統(tǒng)等，在井下水文地質(zhì)預(yù)探和水害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面取得了顯著進(jìn)展。地質(zhì)雷達(dá)的深部探測(cè)能力可為識(shí)別可能涌水的空洞、斷層帶提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持；而激光測(cè)距儀的精準(zhǔn)定位功能，可確保涌水點(diǎn)的快速查找與閉塞。

當(dāng)前，智能化裝備在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)展迅速。先進(jìn)的傳感器能持續(xù)檢測(cè)煤礦井下水位變化與流速情況，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)回傳至地面控制中心。地面控制中心則利用大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算技術(shù)，綜合評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)水害風(fēng)險(xiǎn)，為決策提供可靠依據(jù)。此外，無(wú)人機(jī)搭載攝像頭或多光譜傳感器在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行巡檢，能夠及早發(fā)現(xiàn)異常泄露點(diǎn)，減少人員接觸危險(xiǎn)。然而，諸多裝備仍處于起步階段或面臨著實(shí)施難題，例如，特殊地下環(huán)境對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性和耐久性提出了更高要求，僅僅依賴技術(shù)的先進(jìn)性并不能完全抵消設(shè)備運(yùn)行的不確定性。再如，在水害事故發(fā)生時(shí)，盡管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)報(bào)警，但由于信息傳輸路徑單一、后續(xù)處理緩慢等原因，這些前沿裝備的救援效能往往未能充分發(fā)揮出來(lái)。

在水害應(yīng)急搶險(xiǎn)過(guò)程中，智能化裝備的集成效能尚未得到全面提升，各設(shè)備間的協(xié)同工作能力有待進(jìn)一步加強(qiáng)。針對(duì)這些問(wèn)題，優(yōu)化策略可以包括多路徑信息傳輸、智能調(diào)度與決策支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，甚至在未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)通過(guò)水下機(jī)器人對(duì)淹沒(méi)巷道進(jìn)行勘查和封堵作業(yè)，降低人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)，并在信息整合方面進(jìn)行持續(xù)創(chuàng)新，構(gòu)建一個(gè)更為全面和動(dòng)態(tài)的應(yīng)急響應(yīng)體系。

（三）智能化裝備提高搶險(xiǎn)救援效率的具體實(shí)例

在一起煤礦局部坍塌事故中，智能機(jī)器人搭載傳感器系統(tǒng)快速進(jìn)入坍塌現(xiàn)場(chǎng)，后通過(guò)高清攝像頭、紅外掃描和3D雷達(dá)等設(shè)備，迅速繪制出災(zāi)害區(qū)詳盡的三維地圖，并識(shí)別出被困人員的可能位置。同時(shí)，VR技術(shù)依據(jù)智能機(jī)器人提供的數(shù)據(jù)重建了事故現(xiàn)場(chǎng)的虛擬模型，使救援指揮人員能在地面控制中心進(jìn)行情景模擬，制定出多種有效的救援方案。無(wú)人機(jī)在監(jiān)測(cè)氣體泄漏和傳輸視覺(jué)信息方面發(fā)揮著重要作用。在一個(gè)復(fù)雜的救援場(chǎng)景中，通過(guò)無(wú)人機(jī)高效偵測(cè)瓦斯?jié)舛犬惓^(qū)域，可有效避免二次爆炸，為救援隊(duì)提供安全的行進(jìn)路線。在救援過(guò)程中，穿戴式傳感器會(huì)將救援人員生命體征數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回指揮中心，確保指揮部可對(duì)救援隊(duì)伍的生理狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而做出快速反應(yīng)以保障救援人員的安全。

隨著自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，攜帶救援設(shè)備的無(wú)人地面車(chē)輛可駛?cè)胧芟蘅臻g，自主執(zhí)行人員搬運(yùn)、物資補(bǔ)給等任務(wù)，從而減輕人力負(fù)擔(dān)，提高救援速度。

顯而易見(jiàn)，這些智能化裝備不單純是靠硬件的先進(jìn)性來(lái)贏得救援時(shí)間窗口。其背后還涉及大量的軟件算法優(yōu)化、傳感器數(shù)據(jù)融合、實(shí)時(shí)通信協(xié)議等技術(shù)創(chuàng)新，這些技術(shù)的集合和優(yōu)化使用，使得煤礦救援不再完全依賴人力，極大提高了救援工作的安全性和準(zhǔn)確性。

（四）智能化裝備在救援過(guò)程中存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

智能化裝備，如無(wú)人機(jī)、地質(zhì)雷達(dá)等，在設(shè)計(jì)之初雖考慮了耐高壓、防塵防水等特性，但實(shí)際運(yùn)行中仍可能由于高濕度、極端溫差、復(fù)雜地形等導(dǎo)致故障。例如，井下突發(fā)的高濃度瓦斯可能干擾電子設(shè)備的運(yùn)行，甚至造成危險(xiǎn)。救援裝備涵蓋遙感探測(cè)裝備、自動(dòng)化載具、通信系統(tǒng)等眾多部件，這就要求它們之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享與命令同步。然而由于標(biāo)準(zhǔn)化、兼容性等問(wèn)題，不同制造商生產(chǎn)的裝備直接通信往往難以實(shí)現(xiàn)，影響了救援工作的協(xié)調(diào)性和響應(yīng)時(shí)效。雖然智能化救援設(shè)備能夠收集海量數(shù)據(jù)，但有效管理與分析這些數(shù)據(jù)以提供實(shí)時(shí)可靠的決策支持卻是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。數(shù)據(jù)處理速度和準(zhǔn)確性直接關(guān)系到生命安全，任何延遲或誤判都可能造成重大后果。

此外，智能化救援裝備的復(fù)雜性對(duì)操作人員的技術(shù)技能提出了高要求，從而導(dǎo)致了高昂的人員培訓(xùn)成本。設(shè)備操作的專業(yè)要求和應(yīng)急情況下的高壓環(huán)境，使得快速準(zhǔn)確的設(shè)備操作成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。還有一個(gè)經(jīng)常被忽視的問(wèn)題是裝備維護(hù)與升級(jí)。應(yīng)急救援對(duì)裝備的可靠性要求極高，但由于資金和技術(shù)更新?lián)Q代的限制，裝備的日常維護(hù)和關(guān)鍵時(shí)刻的性能保障經(jīng)常難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

二、應(yīng)用于煤礦應(yīng)急搶險(xiǎn)救援的智能化裝備優(yōu)化策略

（一）針對(duì)水害救援的智能化裝備技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)

面對(duì)煤礦水害的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，智能化裝備的技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)是緩解危機(jī)、有效進(jìn)行救援的必由之路。水害救援專用智能化裝備的迭代升級(jí)，在于提高精準(zhǔn)定位能力、增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性和加強(qiáng)自主決策機(jī)制。例如，滲透到水害救援全領(lǐng)域的激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)，其以目標(biāo)回波時(shí)間差計(jì)算距離的工作原理，在高精度地圖構(gòu)建中展示了卓越的實(shí)力。不僅如此，結(jié)合人工智能（AI）算法能有效分析激光雷達(dá)海量數(shù)據(jù)，識(shí)別出潛在的險(xiǎn)情，為救援決策提供依據(jù)。

綜合多源信息的水害智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也是技術(shù)創(chuàng)新的焦點(diǎn)。該系統(tǒng)可整合聲、光、電等多種傳感器的信息，并采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水害演變規(guī)律的實(shí)時(shí)監(jiān)控及預(yù)警。機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識(shí)別算法在此扮演著至關(guān)重要的角色，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的深入分析，機(jī)器學(xué)習(xí)模型能在未來(lái)的水害識(shí)別和預(yù)防中發(fā)揮更大的作用。對(duì)于救援機(jī)器人的研發(fā)要著眼于增強(qiáng)其多功能性和模塊化設(shè)計(jì)。具體而言，水下無(wú)人機(jī)（ROV）應(yīng)當(dāng)集成高清攝像機(jī)、聲吶定位、化學(xué)分析器等多種探測(cè)設(shè)備，且能夠根據(jù)不同水害類(lèi)型快速更換相應(yīng)模塊。ROVs的操作系統(tǒng)需優(yōu)化至能夠處理復(fù)雜操作，從而實(shí)現(xiàn)自主完成封堵、排水等關(guān)鍵任務(wù)，能極大提高救援效率，降低人力資源投入。除此之外，水害救援裝備技術(shù)的創(chuàng)新還需注重耐久性與可靠性的提升，涉及材料科學(xué)在極端工況下的應(yīng)用研究，如抗高壓、抗酸堿腐蝕的新型合金或復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)等。這些材料能夠確保裝備在濕度、水壓、化學(xué)物質(zhì)侵蝕等惡劣條件下穩(wěn)定工作。

（二）智能化裝備在快速響應(yīng)與決策支持方面的優(yōu)化

針對(duì)快速響應(yīng)，首要任務(wù)就是縮短事故發(fā)生后的反應(yīng)時(shí)間。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）構(gòu)建的精密傳感網(wǎng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境變化，如甲烷含量、溫度、濕度等關(guān)鍵參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常立即通過(guò)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步分析。這種布局不僅提高了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，還能前置處理過(guò)程，降低對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的依賴，加速響應(yīng)流程。對(duì)于決策支持層面而言，發(fā)展高級(jí)數(shù)據(jù)分析技術(shù)（如機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法）在預(yù)測(cè)模型構(gòu)建中的應(yīng)用，能夠根據(jù)歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)估計(jì)救援資源需求，推斷最佳救援路徑。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等技術(shù)的集成，能讓指揮中心針對(duì)復(fù)雜的礦井結(jié)構(gòu)，提前進(jìn)行救援方案的模擬演練，厘清操作步驟，提升作業(yè)的準(zhǔn)確性。自動(dòng)化決策支持系統(tǒng)（ADSS）的開(kāi)發(fā)與完善有助于在緊急情況下為救援人員提供最優(yōu)解決方案。利用知識(shí)圖譜和專家系統(tǒng)，ADSS可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，快速生成救援策略，甚至自行啟動(dòng)預(yù)定的救援程序，確保救援行動(dòng)的連貫和有效性。例如，救援機(jī)器人通過(guò)其搭載的傳感器獲取的原始數(shù)據(jù)，可通過(guò)嵌入式系統(tǒng)即時(shí)處理，并同步至云平臺(tái)。配合專用的數(shù)據(jù)庫(kù)和分析工具，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可從海量歷史資料中識(shí)別出模式，預(yù)測(cè)未來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，為決策層提供科學(xué)依據(jù)。

（三）提升智能化裝備對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性

耐用性的提升核心在于對(duì)智能化裝備使用的材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，也就是開(kāi)發(fā)先進(jìn)復(fù)合材料以及特種合金，這些材料不僅需要具備抗沖擊、高抗腐蝕的特性，還要能夠在變化的溫度與濕度條件下穩(wěn)定工作。機(jī)械臂或者機(jī)器人平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要趨向于模塊化，確保在發(fā)生局部損壞時(shí)，可快速更換而不影響整體機(jī)器的運(yùn)行。針對(duì)傳感器準(zhǔn)確性，關(guān)鍵在于引入多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，融合策略不應(yīng)局限于單一算法，而是動(dòng)態(tài)地結(jié)合濾波器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯等多元算法，提高對(duì)噪聲的可區(qū)分性與抗干擾能力。此外，傳感器自檢與自校正功能的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，能夠保證在長(zhǎng)期運(yùn)行中測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性與一致性。

自主適應(yīng)算法的增強(qiáng)，著力于機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能領(lǐng)域的最新進(jìn)展。專門(mén)針對(duì)煤礦環(huán)境的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型能夠使得裝備在井下未知或者變化環(huán)境中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自主調(diào)節(jié)行為策略。這要求大量的場(chǎng)景數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練模型，確保算法能夠覆蓋到極端狀況，以及研發(fā)能高速處理這些數(shù)據(jù)的計(jì)算平臺(tái)。提及人類(lèi)作業(yè)者，應(yīng)采用非接觸式的操作方式，如通過(guò)手勢(shì)或者語(yǔ)音控制智能化裝備，減少直接交互，讓人員從緊急狀況中撤離，從而提高安全系數(shù)。這類(lèi)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和完善需結(jié)合自然語(yǔ)言處理技術(shù)和人機(jī)交互設(shè)計(jì)，為操作者提供一個(gè)直觀且響應(yīng)迅速的控制接口。

（四）構(gòu)建智能化裝備與人員協(xié)同作業(yè)的救援體系

智能化裝備必須集成先進(jìn)的通信技術(shù)，例如，基于5G或未來(lái)6G的低延遲、高可靠性無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。這樣的通信技術(shù)能夠保證與地面指揮中心、應(yīng)急救援人員及其他救援設(shè)備之間實(shí)時(shí)且穩(wěn)定的信息交換，實(shí)現(xiàn)救援作業(yè)過(guò)程中環(huán)境數(shù)據(jù)、運(yùn)作狀態(tài)、警報(bào)信息的快速傳播和共享。還需要進(jìn)行人機(jī)交互界面的研發(fā)，這就需要從以人為本的設(shè)計(jì)原則出發(fā)，創(chuàng)新交互手段，可包含AR/VR輔助技術(shù)，使救援人員即使在復(fù)雜險(xiǎn)惡的礦井環(huán)境中，亦能通過(guò)直觀的界面了解情況，并高效控制智能化裝備，如無(wú)人機(jī)和自動(dòng)駕駛載具等。同時(shí)，智能化裝備本身應(yīng)搭載具備學(xué)習(xí)能力的自主控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，有能力識(shí)別并分析特定應(yīng)用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)算法層面上的快速迭代與智能決策。這樣一來(lái)，裝備在復(fù)雜的地下環(huán)境中可以適配作業(yè)流程，優(yōu)化路徑選擇，并與救援人員進(jìn)行有效配合。著眼于救援體系的整體構(gòu)建，還需引入智能調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)高級(jí)優(yōu)化算法，如遺傳算法或粒子群優(yōu)化算法，確保各項(xiàng)救援任務(wù)合理分配，兼顧人員與裝備的能力和現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行的最優(yōu)化。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)創(chuàng)新不斷取得突破，智能化裝備在煤礦救援中的角色日益關(guān)鍵。本文揭示了智能化裝備對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的貢獻(xiàn)，在水害救援中智能化裝備的應(yīng)用情況，以及相關(guān)技術(shù)在提高救援效率方面的實(shí)際案例。而且本文還指出智能化裝備在實(shí)際救援過(guò)程中所面臨的挑戰(zhàn)，并提出了多維度的技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)化策略，以及如何構(gòu)建智慧與力量并存的智能化裝備與人員協(xié)同救援體系。這些發(fā)現(xiàn)和建議，對(duì)于提升煤礦應(yīng)急救援中的智能化裝備應(yīng)用，具有一定的參考價(jià)值。

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[9]靳德武，喬偉，李鵬，等.煤礦防治水智能化技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀及展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47（03）：10-17.

作者簡(jiǎn)介：王騰飛（1981），男，山東滕州人，本科，助理工程師，調(diào)度信息中心副主任，主要研究方向?yàn)槊旱V應(yīng)急管理；曹成名（1990），男，山東新泰人，本科，助理工程師，地質(zhì)測(cè)量科技術(shù)主管，主要研究方向?yàn)榈刭|(zhì)防治水；李浩東（1997），男，陜西蒲城人，本科，助理工程師，地質(zhì)測(cè)量科技術(shù)員，主要研究方向?yàn)槊旱V防治水。