毛 浩，薛忠新，范生軍，趙紅菊

（1.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122;3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

礦井一旦發(fā)生火災(zāi)、瓦斯爆炸，災(zāi)變氣體產(chǎn)物、細(xì)小顆粒在負(fù)壓作用下隨風(fēng)蔓延，最終經(jīng)過主要回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷至風(fēng)井排至地面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，回風(fēng)側(cè)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(dá)90%的傷亡是化學(xué)性中毒致死，回風(fēng)巷道的合理化監(jiān)測(cè)直接反映出煤礦氣體、風(fēng)速的實(shí)際狀態(tài)，對(duì)指導(dǎo)煤礦的安全生產(chǎn)，揭示潛在安全問題具有重要的意義。

回風(fēng)巷道現(xiàn)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(fēng)巷道之間，檢查回風(fēng)巷道的環(huán)境狀態(tài)。回風(fēng)巷道距離較長(zhǎng)，部分回風(fēng)巷道甚至達(dá)到5 km以上，同時(shí)，作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，可見度較低。巡檢人員依靠“看、聽、聞、測(cè)”的傳統(tǒng)方式對(duì)回風(fēng)巷道進(jìn)行巡檢，效率低、實(shí)時(shí)性差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。另一方面，回風(fēng)巷道檢測(cè)工作繁瑣，難以快速通過人工感官和經(jīng)驗(yàn)判斷排出故障。隨著我國(guó)智慧礦山建設(shè)的不斷發(fā)展及各大礦企“減人增效”的要求不斷提高，如何利用先進(jìn)的智能化巡檢裝備對(duì)回風(fēng)巷道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如何從根本上減少煤礦人員數(shù)量，提高工作效率，保障工人安全，成為當(dāng)前重要的研究課題[1-4]。

1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)適用于煤礦井下的長(zhǎng)距離巷道巡檢。該系統(tǒng)采用了拖拽式鋼絲繩牽引結(jié)構(gòu)，其組成包括驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)、自動(dòng)充電系統(tǒng)、巡檢機(jī)器人、風(fēng)門系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)。在機(jī)電泵房?jī)?nèi)的機(jī)頭處布置整機(jī)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，用于動(dòng)力傳遞；在回風(fēng)巷道內(nèi)的機(jī)尾部位由單個(gè)大定向滑輪實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的回轉(zhuǎn)；在巡檢軌道內(nèi)部?jī)蓚?cè)布置多個(gè)小定向滑輪，用于固定鋼絲繩；機(jī)器人內(nèi)部放置本安型電池，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部傳感器的能源供電。同時(shí)，巡檢機(jī)器人搭載了風(fēng)速傳感器、斷面掃描儀及多參數(shù)傳感器等多種傳感器，用于巷道內(nèi)部環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)。

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)原理如圖1。主控制系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用于控制及監(jiān)測(cè)巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)、自主充電系統(tǒng)、風(fēng)門系統(tǒng)及巡檢機(jī)器人相互間的即時(shí)控制指令和數(shù)據(jù)傳輸。巡檢機(jī)器人采用wifi無線通訊方式，經(jīng)由本安無線路由及交換機(jī)實(shí)時(shí)將巡檢現(xiàn)場(chǎng)的圖像、聲音及多種氣體濃度參數(shù)等信息傳輸給地面監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行工況檢測(cè)、巷道變形監(jiān)測(cè)、氣體濃度等環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理與預(yù)警及人機(jī)交互功能。通過數(shù)據(jù)分析可以為工作人員提供設(shè)備工作狀態(tài)；通過歷史曲線可以提高設(shè)備的預(yù)知性，為狀態(tài)檢修或狀態(tài)評(píng)估提供有效數(shù)據(jù)支持，從而減少事故的發(fā)生。

圖1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle block diagram of inspection robot system

1）智能巡檢機(jī)器人。智能巡檢機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)采用集成化設(shè)計(jì)[5-6]。智能巡檢機(jī)器人吊掛于繩索上，在上殼體內(nèi)布置前攝像儀、側(cè)攝像儀及發(fā)射天線，前攝像儀和側(cè)攝像儀能夠調(diào)節(jié)拍攝角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井環(huán)境的可視化信息的準(zhǔn)確采集。各傳感器及攝像儀采集到的數(shù)據(jù)信息通過發(fā)射天線傳遞給地面監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)和礦井的4G通信基站及WiFi通信基站的數(shù)據(jù)互傳。在下殼體內(nèi)部前端安裝有風(fēng)速傳感器、斷面掃描儀、激光發(fā)射器、粉塵傳感器等主要傳感器；下殼體內(nèi)部后端放置智能終端和本安電池，電池左側(cè)放置無線充電接收線圈。巡檢機(jī)器人外形如圖2。

圖2 巡檢機(jī)器人整體外形結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall configuration of inspection robot

2）驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用架空式安裝，將鋼絲繩安裝在驅(qū)動(dòng)輪和迂回輪上，中間用托繩輪、壓繩輪等將其定位，并經(jīng)張緊裝置將鋼絲繩拉緊。巡檢機(jī)器人工作時(shí)由電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)減速機(jī)旋轉(zhuǎn)，減速機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，使纏繞在驅(qū)動(dòng)輪和迂回輪之間的鋼絲繩作循環(huán)運(yùn)行或上下往復(fù)運(yùn)行。機(jī)器人先與抱索器連接，然后抱索器鎖緊在運(yùn)行的鋼絲繩上，從而實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人行走的目的。

3）過風(fēng)門結(jié)構(gòu)。考慮到煤礦安全規(guī)程要求，回風(fēng)巷道內(nèi)不允許放置防爆型電氣設(shè)備，因此，設(shè)計(jì)主驅(qū)動(dòng)在機(jī)電泵房?jī)?nèi)，通過鋼絲繩牽引的方式，完成回風(fēng)巷道內(nèi)部機(jī)器人的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，過風(fēng)門結(jié)構(gòu)如圖3。巡檢機(jī)器人工作時(shí)，需要穿過風(fēng)門完成驅(qū)動(dòng)電源的更換及必要的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)，鋼絲繩也需要穿過風(fēng)門完成巡檢機(jī)器人的牽引，所以在風(fēng)門的兩側(cè)分別布置了2個(gè)單扇葉的風(fēng)窗。這個(gè)風(fēng)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(fēng)窗，完成機(jī)器人的牽引和驅(qū)動(dòng)。在風(fēng)窗前后的適當(dāng)位置布置光電檢測(cè)開關(guān)，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行到開關(guān)位置時(shí)，控制風(fēng)窗進(jìn)行相應(yīng)的開啟和關(guān)閉動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人在回風(fēng)巷道及機(jī)電泵房之間的順利通行。根據(jù)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的控制策略，對(duì)巡檢機(jī)器人穿過雙風(fēng)窗的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了研究，當(dāng)巡檢機(jī)器人到達(dá)指定開窗位置，光電開關(guān)檢測(cè)有效之后，控制系統(tǒng)首先確認(rèn)風(fēng)窗2是否處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)窗2處于關(guān)閉狀態(tài)之后，風(fēng)窗1能夠開啟，巡檢機(jī)器人通過風(fēng)窗1，到達(dá)風(fēng)窗2的開窗位置處，完成風(fēng)窗2的開啟及閉合動(dòng)作，風(fēng)窗控制流程圖如圖4。

圖3 風(fēng)門模擬設(shè)計(jì)Fig.3 Door simulation design

圖4 風(fēng)窗控制流程圖Fig.4 Flow chart of wind window control

4）通信系統(tǒng)。考慮到數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性及巷道巡檢信息的可展示性，在回風(fēng)巷道內(nèi)布置無線通訊基站，每隔400 m布置1臺(tái)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(tái)基站[7-8]。在巡檢機(jī)器人巡檢過程中，能夠通過無線基站，將采集的回風(fēng)巷道圖像、氣體、風(fēng)速等信息實(shí)時(shí)傳遞給操作終端，保證通訊的實(shí)時(shí)性。專家在地面遠(yuǎn)端操作臺(tái)或者井下近端控制臺(tái)，也可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到機(jī)器人的巡檢狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可展示性。同時(shí)，為了防止內(nèi)部無線基站的通訊故障和不穩(wěn)定性，巡檢機(jī)器人也會(huì)將采集的信息存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器，在回到機(jī)電泵房后，內(nèi)部控制器借助煤礦現(xiàn)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(jī)器人采用本安型電池進(jìn)行供電[9]。本安電池安裝在電池盒內(nèi)，由于電池只需要供給內(nèi)部電控箱及傳感器的電源，因此，電池續(xù)航能力能夠達(dá)到8～9 h。巡檢機(jī)器人本體自帶電池電量自動(dòng)檢測(cè)電路，且可人工設(shè)置電量報(bào)警下限，當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到電池電量低于設(shè)置值時(shí)則會(huì)自動(dòng)停止當(dāng)前巡檢任務(wù)，同時(shí)發(fā)出警報(bào)，之后自主運(yùn)行到機(jī)電泵房?jī)?nèi)的充電位置進(jìn)行能源供給。若充電不成功智能巡檢機(jī)器人將自動(dòng)報(bào)警，等待人工處理。智能巡檢機(jī)器人同時(shí)保留手動(dòng)充電功能，在出現(xiàn)緊急情況下，可利用手動(dòng)充電器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行緊急充電，滿足臨時(shí)性任務(wù)需求。

2 關(guān)鍵技術(shù)

1）復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人智能感知與積水識(shí)別技術(shù)。巡檢機(jī)器人的可靠作業(yè)依賴于各種傳感器對(duì)井下空間、環(huán)境、設(shè)備等信息的智能感知[10-11]，通過搭載可移動(dòng)高清攝像機(jī)采集圖像數(shù)據(jù)，并把圖像數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理單元對(duì)所采集的數(shù)字圖像進(jìn)行處理，通過模式識(shí)別技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)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(jié)果通過后臺(tái)人機(jī)交互系統(tǒng)報(bào)警、顯示和存儲(chǔ)。提出的積水識(shí)別技術(shù)采用數(shù)字圖像處理技術(shù)和基于區(qū)域建議的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Faster R-CNN的深度學(xué)習(xí)方法，通過對(duì)積水樣本集標(biāo)簽的制作，借助角度變換擴(kuò)充數(shù)據(jù)集以及灰度圖像轉(zhuǎn)換擴(kuò)充數(shù)據(jù)集，建立積水訓(xùn)練模型并反復(fù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，確定最優(yōu)模型后輸出積水面積。積水檢測(cè)流程如圖5。

圖5 積水檢測(cè)流程圖Fig.5 Flow chart of ponding detection

2）井下受限封閉環(huán)境下機(jī)器人精準(zhǔn)定位技術(shù)。煤礦巷道作業(yè)區(qū)域具有典型的半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化環(huán)境特征，GPS技術(shù)無法直接應(yīng)用于井下，通過時(shí)間-速度映射計(jì)算法，建立雙重坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了煤礦機(jī)器人的自主定位系統(tǒng)方案，解決井下機(jī)器人精確定位、姿態(tài)感知等問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人能耗、穩(wěn)定性、安全性的最優(yōu)控制。巡檢機(jī)器人行走控制系統(tǒng)具有高精度回轉(zhuǎn)編碼器，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算巡檢機(jī)器人的位置。設(shè)置巡檢起始點(diǎn)和位置檢測(cè)點(diǎn)，位置檢測(cè)點(diǎn)用于消除機(jī)器人巡檢過程中，由于傳感器精度、機(jī)械誤差等因素產(chǎn)生的相對(duì)誤差；巡檢起始點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一時(shí)間參考點(diǎn)，利用此時(shí)間定義回轉(zhuǎn)編碼器1圈時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)行走的速度和位置。即當(dāng)巡檢機(jī)器人通過風(fēng)門進(jìn)入回風(fēng)巷道內(nèi)部后，通過速度或位置對(duì)時(shí)間的微積分，進(jìn)行上位機(jī)和主控系統(tǒng)對(duì)巡檢機(jī)器人本體的軌跡規(guī)劃以及速度和位置的離線控制。

3 結(jié)語

以張家峁煤礦2-2煤回風(fēng)巷為施工場(chǎng)景，研制出的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，集計(jì)算機(jī)、傳感器、自動(dòng)化、信息通信于一體，具有體積小、動(dòng)作靈活的特點(diǎn)，既可以減輕作業(yè)人員的日常工作強(qiáng)度，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下回風(fēng)巷道工況的同步觀察和監(jiān)測(cè)，對(duì)預(yù)防和減少事故的發(fā)生有積極的作用。同時(shí)，從根源上解決煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)難題，提高煤礦生產(chǎn)的效率，從根本上減少煤礦的人員數(shù)量，符合國(guó)家對(duì)煤礦“減人、少人”的發(fā)展要求，真正實(shí)現(xiàn)無人值守、有人巡視。