蘇月軍

（山西焦煤集團嵐縣正利煤業(yè)有限公司，山西呂梁033000）

改革開放以來，我國的能源需求日期增加，煤炭作為重要能源，其開采運輸受到了社會各界的廣泛關注，在此背景下，越來越多科技含量較高的智能技術應用于煤礦生產。輔助運輸機器人具有生產效率高、安全無人化等優(yōu)勢，在煤炭運輸作業(yè)中廣泛應用，為生產效益提升提供助力，加快了煤礦企業(yè)乃至整個行業(yè)的發(fā)展步伐。

1 煤礦運輸智能化發(fā)展進程

現(xiàn)階段，我國煤礦運輸智能化發(fā)展進程逐步加快，但與發(fā)達國家相比仍存在部分差距，需加大開發(fā)研究力度，逐步完善運輸機器人關鍵技術，盡可能提高運輸效益，促進采煤作業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。煤礦輔助運輸系統(tǒng)智能化研究起始于20 世紀中期，受社會條件及科技水平影響，2015年之前煤礦運輸仍以人力為主，無法匹配智能綜采工作面的生產力需求。經過眾多專家的努力，至今在軌道機車、鋼絲繩牽引車、無軌膠輪車等方面取得了一定成果。目前，煤礦輔助運輸機器人技術實現(xiàn)了遠程監(jiān)控、遠程操作，減少人力投入，生產安全與效率得到充分保障，但井下作業(yè)環(huán)境復雜惡劣，無法實現(xiàn)全自動智能輔助運輸，后續(xù)還需根據(jù)生產實情開展優(yōu)化。

2 煤礦輔助運輸機器人分類

煤礦輔助運輸機器人集成了信息技術、數(shù)據(jù)通訊技術、電子控制技術、計算機技術等多項高新技術，在煤炭運輸系統(tǒng)中有重要應用，目前國內常見的輔助運輸機器人主要包括四類。①機器人化礦井提升機。利用電氣控制整個系統(tǒng)的運行，配有智能制動單元、防爆監(jiān)控設備等先進設施，可實現(xiàn)無人駕駛，自動化、智能化程度較高。②機器人化帶式傳輸機。具有啟動、張緊、負載自適應及故障自診斷等功能，整個系統(tǒng)依據(jù)智能感知控制策略進行調控，實現(xiàn)長距離無人運輸。③機器人化刮板輸送機。刮板輸送機在采煤生產中作用較多，即可運載煤炭，還具有采煤機行進導軌的作用，其智能化程度與采煤設備的智能控制息息相關。④無人駕駛礦用運輸車。無人駕駛礦用車在露天煤礦中應用較多，利用計算機技術開發(fā)智能駕駛儀，具有精準定位、自主測速、智能識別控制信號、規(guī)避障礙物等功能，可在井下巷道內實現(xiàn)無人巡檢。

3 煤礦輔助運輸機器人關鍵技術

3.1 帶式輸送機智能控制技術

帶式輸送機是我國煤礦中常用的輔助輸煤裝置，其智能控制技術主要體現(xiàn)在啟?？刂坪椭悄苷{速兩方面。首先，啟?？刂?。通過煤量檢測裝置和速度傳感器監(jiān)測帶式輸送機上的煤炭信息，實現(xiàn)啟停自適應控制，從而提高運輸量，避免能源浪費。其次，智能調速。利用歷史數(shù)據(jù)建立帶式輸送機調速模型，時時監(jiān)控煤炭流量進行智能調速。值得注意的是，為延長帶式輸送機使用壽命，不可頻繁調節(jié)運行速度，可建立分段調速模型。例如，煤量低于40%時降低速度，可節(jié)約五分之一的能源，幫助煤礦企業(yè)用最小成本創(chuàng)造更多收益。

3.2 輸送系統(tǒng)無人巡檢技術

實際生產中發(fā)現(xiàn)，運煤過程中經常出現(xiàn)斷帶、打滑、堆煤、火災等事故，嚴重威脅人員的生命財產安全，為降低事故風險，對運煤作業(yè)全程進行監(jiān)控至關重要。傳統(tǒng)生產中大多采用人工巡檢或固定攝像頭監(jiān)控方式，安全性及監(jiān)控范圍無法保證，需選用巡檢機器人搭建智能監(jiān)控系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)無人巡檢技術配有高清攝像裝置、熱成像儀及先進報警裝置，結合計算機分析技術實現(xiàn)智能監(jiān)控，安全性和有效性大大提高。智能巡檢機器人具有托輥監(jiān)測、輸送帶跑偏監(jiān)測、有害氣體監(jiān)測預警、異物監(jiān)測、人員監(jiān)測等功能，做到及時發(fā)現(xiàn)問題及時報警處理，全方位保證輸煤裝置與井下作業(yè)環(huán)境的安全，為人員提供保障。

3.3 抗干擾技術

煤礦輔助運輸機器人對通信技術要求較高，但井下環(huán)境復雜，受礦井深度及巷道壁復雜反射等因素影響，加之井下通信數(shù)據(jù)量大、節(jié)點動態(tài)變化等特點，通信質量大打折扣，不利于輔助運輸機器人運行。為滿足智能化發(fā)展需求，煤礦企業(yè)應搭建分布式通訊平臺，重視通信信號抗干擾技術，確保信息傳輸?shù)募皶r性與準確性?？垢蓴_技術是智能機器人通信技術的重要組成模塊，有助于構建延時短、覆蓋廣、傳輸穩(wěn)的井下網絡通信系統(tǒng)，從而為煤礦輔助運輸?shù)闹悄芑l(fā)展奠定堅實基礎。

3.4 智能感知與風險識別技術

煤礦輔助運輸機器人可代替人工作業(yè)，使用多種傳感器感知井下溫度、濕度、設備等諸多信息，傳感器將這些信息經由一定途徑反饋至機器人核心裝置，通過運行計算發(fā)出行動指令。煤礦企業(yè)使用的傳統(tǒng)傳感器功能較為單一，無法滿足智能感知與風險識別，還需開發(fā)引進高精度、防水防塵的防爆傳感器，全面感知采煤作業(yè)面信息。智能感知與風險識別技術可結合多元信息挖掘技術、智能分析技術，利用歷史數(shù)據(jù)建立瓦斯、粉塵、火災、塌陷等多種災害預測模型，實時監(jiān)控井下環(huán)境，提高輸煤效率與安全性。

3.5 輸送系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺

煤炭輸送安全與效率直接影響煤礦企業(yè)的發(fā)展速度，確保輸送系統(tǒng)穩(wěn)定可靠具有十分重要的意義。目前自動化傳輸設備應用廣泛，產生大量的生產數(shù)據(jù)，可收集裝備的設計資料、試驗數(shù)據(jù)、使用記錄、故障信息、實時數(shù)據(jù)等搭建輸送系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺，對生產設備進行實時監(jiān)控、故障診斷、遠程維護、運行優(yōu)化，盡可能降低故障風險，提高煤炭運輸質量與效率。輸送系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺綜合 Kafka 技術、Data Hub 技術、HDFS、HBase、Redis數(shù)據(jù)處理技術實現(xiàn)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析和展示，避免輸送系統(tǒng)故障排查滯后問題，進一步實現(xiàn)煤炭運輸?shù)纳偃嘶?、?shù)據(jù)化和智能化操作。

3.6 巷道環(huán)境路徑規(guī)劃和安全避障機制

輔助運輸機器人的開發(fā)意義是提高井下煤炭遠距離運輸效率，受地質水文條件影響，井下環(huán)境復雜多變，為保證工作效率，需做好巷道環(huán)境路徑規(guī)劃，建立安全避障機制。下文從全局和局部兩個方面進行論述。

（1）全局路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃一般使用啟發(fā)式搜索A*算法，機器人先明確自身定位，隨后在井下數(shù)字地圖中搜索確定目的地，通過空間分解算法等確定行動路線?？臻g分解算法可將巷道劃分為大小一致的柵格矩陣，記錄編碼每個柵格中的具體信息，計算得出全局期望路徑。值得注意的是，柵格大小與計算負荷直接相關，若柵格過小，計算量大，輔助運輸機器人運行效率變低，因此需結合實際情況確定柵格大小。

（2）局部路徑規(guī)劃。井下作業(yè)環(huán)境并非一成不變，輔助運輸機器人按照全局期望路徑行駛時，經常會遇到突發(fā)情況或障礙物，為保證行進安全，需實時監(jiān)控運行環(huán)境變化，重新規(guī)劃局部最優(yōu)路徑。局部路徑規(guī)劃一般使用動態(tài)窗口算法，能在煤礦輔助運輸機器人行進過程中規(guī)避意外障礙，以免影響機器人運行的可靠性與高效性。進行局部路徑規(guī)劃時需綜合考慮安全避障機制、跟蹤能力、障礙物類型等多項因素，確保機器人沿著最優(yōu)路徑前進。

4 總結

近年來，煤礦行業(yè)競爭加劇，企業(yè)要想在激烈的市場競爭中占據(jù)有利地位就需不斷提高自動化、智能化水平。煤炭運輸是采煤作業(yè)的關鍵環(huán)節(jié)，智能控制技術、無人巡檢技術、抗干擾技術等輔助運輸機器人技術克服了傳統(tǒng)運輸方式效率低、危險性高等缺陷，全面提升運輸效率，有效提高企業(yè)的經濟競爭力與社會競爭力，促進企業(yè)的良好發(fā)展。