随着网络通信及数据采集技术的不断发展，煤矿井下重要区域已基本实现视频监控覆盖和设备运行数据上传，但仍存在一定的弊端，如摄像仪多数为定点监视，可视范围有限，无法做到全面覆盖，且安装布线多，维护任务重，综合效率很低；工况数据采集虽然实现了对设备运行状态的实时监控，但由于系统定位等原因一般不会对井下环境进行监测。因此，现阶段很多煤矿虽然实现了多系统的远程监测控制，但仍然需要投入大量的巡检人员对现场设备、环境等进行周期性不间断巡视，部分条件较好的场所也无法实现真正意义上的无人值守。此外，人工巡检存在很多的不确定性，巡检质量无法保障，井下复杂环境对人身安全也存在一定威胁，在这种情况下，煤矿机器人逐渐被行业所重视和应用，相关技术得到快速发展。
2019 年，国家矿山安全监察局发布了《煤矿机器人重点研发目录》，聚焦关键岗位、危险岗位，对每种机器人的功能提出了具体要求；同年8 月，在世界机器人大会上，专门设立了煤矿机器人专题论坛。近年来，在国家及地方政府出台的各项煤矿智能化建设指南及指导意见中也都提出了实现井下岗位机器人作业的阶段性目标，机器人替代人工逐步成为煤矿行业重点研究和发展方向。
煤矿巡检机器人应用场景
随着煤矿机器人技术的不断成熟，已有很多煤矿建成了巡检机器人系统并将其应用到综采工作面、井上井下固定场所、主煤流运输线等区域，按照驱动方式一般分为轨道悬挂式机器人和轮履行走式机器人，由于井下环境复杂、设备繁多，且部分巡检作业距离较长，对机器人续航、避障等能力提出了更高要求。现阶段而言，轨道悬挂式机器人具有部署简单、维护便捷、运行稳定、续航有保障等优势，基本能够满足多数井下巡检需求，因此被广泛使用。
采煤工作面巡检机器人
作为煤矿生产的核心环节，近年来国内已经陆续建成大量智能化采煤工作面，采煤系统集成度不断提升，基本实现了远程一键启停、采煤设备自动化运行、工况及环境参数在线监测等功能，部分煤矿已开始应用数字孪生、规划开采等技术，但由于采煤系统复杂度极高，生产过程经常需要结合现场情况实时调整，尚无法实现无人化。视频监控作为现场监测的重要手段而被大量使用，以长度为200m的采煤工作面为例，单台摄像仪覆盖范围为5 m左右，至少需要40 台摄像仪才能做到全覆盖，受限于角度、设备遮挡等，监控效果很难保障，由于采煤工作面行走区域空间有限，人工巡检效率也相对较低。在这种情况下，采煤工作面巡检机器人开始被研发并投用，该类机器人采用轨道承载式运行，轨道间采用弹簧连接件实现柔性连接，机器人本体使用电池驱动，沿刮板输送机电缆槽外侧轨道快速移动，常规条件下移动速度可达20 m/min，200 m左右长度的采煤工作面10 min 内即可完成一轮巡检。采煤工作面巡检机器人可通过搭载惯性导航仪、激光雷达、红外热成像摄像仪、气体传感器等系统设备，实现对工作面设备运行状态、人员行为、环境参数、工作面直线度和水平度等进行实时监测，基于连续、精准、快速、全面的机器人自动巡检，采煤工作面智能化程度进一步提升，为无人化开采奠定了基础。采煤工作面巡检机器人结构、地面测试分别如图1、图2 所示。
变电所、泵房巡检机器人
煤矿供电系统、排水系统是最早实现数据采集、远程集中控制的系统，自动化程度高，各项条件相对较好，但对于多数矿井来说，变电所、泵房数量往往较多且位于不同采区和不同水平，相对距离较远，需要多名工人进行日常巡检作业，以河南平宝煤业有限公司（简称平宝煤矿） 为例，井下变电所10 个、泵房4 个，人工巡检耗时长、投入大且存在一定的局限性。由于以上地点环境条件较为稳定，巡检点位固定、范围较小，比较适合巡检机器人的部署，该类机器人在煤矿中的应用最为广泛。在供电方面，由于固定场所长度大多不超过100 m，因此一般采用拖缆形式进行供电和网络传输，机器人通过搭载云台摄像仪、红外热成像摄像仪、气体传感器、温湿度传感器、噪声传感器、语音对讲装置等，重点对区域内开关、水泵等设备运行状态，场所内甲烷、一氧化碳等气体浓度以及环境温湿度等进行实时监测，同时借助AI 分析算法，可接入人员闯入识别、设备仪表采集等功能，基于声音探测，可对设备异常进行预警分析。变电所、泵房巡检机器人的投入可大幅度减少井下作业人员数量，并对上述重要区域进行全天候巡回监测，提升安全管理水平。平宝煤矿地面、井下变电所巡检机器人分别如图3、图4 所示。
带式输送机巡检机器人
带式输送机是煤矿运输的主要设备，对煤矿生产至关重要。虽然大多煤矿都已建成了输送带集中控制系统，但为保障带式输送机的安全运行，均会安排专人进行三班巡检。由于煤矿主煤流运输系统一般距离很长，带式输送机布置距离都在1 000 m以上并存在坡度，人员巡检劳动强度很大，如遇到输送带位置较高情况，人员不便查看，巡检效果也将受到影响，因此带式输送机巡检机器人也是近年来煤矿机器人应用的热点。不同于采煤工作面、变电所、泵房等巡检区域，带式输送机沿线巡检距离长、坡度起伏大、路况多变，单轮巡检时间可达1 h 以上，因此供电和续航是该类机器人首先要解决的问题。目前，行业内有采用充电硐室充电的周期性机器人巡检方案，但存在充电时间长、环境适应性差等问题，针对该情况，采用钢丝绳牵引式驱动，并通过本体集成发电机提供机器人携带各类设备所需电能的方案开始被应用，并取得不错的效果。下面以平宝煤矿主斜井成功投用的大坡度长距离带式输送机巡检机器人应用实践为例做详细介绍。
大坡度长距离带式输送机巡检机器人应用实践
平宝煤矿主斜井设计19.8°下山，井筒净宽6.0m，断面面积21.3 m2，井筒装备2 台宽度1.6 m、运量1 600 t/h 的带式输送机，全长约2 439 m，坡度大、距离大，一般矿用充电驱动电机爬升能力和电池容量有限，无法满足长时间连续性的巡检需求。结合现场情况，经过试验验证，最终采用外部电机驱动、钢丝绳牵引形式带动机器人行驶，既能够大幅减少机器人体积和质量，又能够最大程度降低机器人自身耗电，爬升能力不受自身限制，巡检周期得到有效保障。根据主斜井2 台带式输送机长度，按照机器人0.3 m/s 的速度进行巡检，单次单条输送带巡检1 个循环耗时约2.5 h，考虑到机器人巡检周期和效率问题，每条输送带采用1 台巡检机器人，安装于带式输送机上方临近行人侧。在每条带式输送机头位置安装机器人驱动电机，在机尾安装张紧装置，并且在机头驱动电机附近安装电机驱动变频器，便于驱动装置的控制和调速。现场轨道固定可依赖架空乘人装置横梁进行安装，间隔安装钢丝绳支撑托滚轮，确保钢丝绳能够正常运行，机器人结构及安装位置分别如图5、图6 所示。该巡检系统采用时间累计法计算当前机器人位置，从本体首次离开机器人折返点开始计时，根据时间和移动速度计算当前位置，使用间隔性位置传感器进行误差消除。
为保障系统工作稳定，在组件选型方面必须进行严格计算，以机器人质量110 kg 及机器人最大爬坡角度25°为例，机器人牵引过程最大张力为8 294N，选用直径12 mm的钢丝绳，其最小破断拉力为84 100 N，计算出钢丝绳安全系数为84 100/8 294=10.14，而根据相关规范钢丝绳安全系数为大于6 即可。经过计算测试，机器人本体在牵引过程中需要2 kW的功率才可完成驱动运行，因此采用11 kW电机，以便于机器人可以在0.2~0.5 m/s 的速度运行区间正常使用且电机牵引功率余量充足。驱动轮、张紧装置、沿线拖绳装置推荐采用标准架空乘人装置设计。
机体采用电池供电，在巡检机器人隔爆腔体内安装发电机，搭配限压保护电路，在钢丝绳牵引驱动过程中，将机械能转变为电能供自身使用，无需再额外配备充电桩等设施，但原理更为复杂，对发电机的稳定运行要求很高，需要经过严格的试验测试。巡检折返点附近安装有机器人除尘装置，需要现场提供稳定气源，气源压力为0.4~0.6 Mpa。
煤矿巡检机器人主要技术应用
机器人长时间防爆供电与低功耗技术
对于井下巡检机器人而言，安全、可靠的电力供应非常重要，但不同于井上系统，煤矿井下对设备的防爆性设计、功率大小、充电安全等有着严格的要求，对机器人的供电技术提出了更大的挑战。受井下锂电池使用限制，可采用专用充电硐室进行充电，但搭建充电硐室、对充电过程进行管理等并不便捷，很大程度上会限制机器人的推广。因此，根据不同应用环境，拖缆式、钢丝绳牵引自发电等供电形式也被很多煤矿采用。就现阶段而言，研发井下机器人专用充电系统、充放电管理系统，设计轻量化的防爆蓄电池和机器人机体，从而提升机器人供电系统效能，对井下巡检机器人的广泛应用尤为重要。
井下高可靠无线通信技术
巡检机器人所采集到的视频、声音等数据，以及对机器人的控制信号都需要实时快速地与地面服务器进行交互，与供电系统面临的问题类似，多数情况下，井下巡检机器人无法使用有线形式进行数据传输，目前大多应用案例采用WiFi 作为主要的无线通信手段，但无论是采煤工作面还是变电所、泵房等区域，都存在着大量的大型机电设备，对传统无线通信会产生干扰，加之巷道起伏、走向变化等影响，传统WiFi 无线通信仍然存在一定弊端。另外，对于长距离巡检，无线通信存在传输距离小、基站间信号漫游切换慢等问题。因此，使用5G、WiFi6 等新一代无线通信技术，构建具备自组网能力的分布式通信平台，形成系统的井下抗干扰长距离无线通信方案，能够为复杂环境下巡检机器人的可靠运行提供有力保障。
AI 图像采集分析技术
不同于传统定点监控，煤矿机器人为保障巡视效果，一般会采用多个AI 视频增强摄像仪，集成云台、热成像、补光灯等，配合轨道或轮式行走机构，实现全方位可视化监控。另外，很多煤矿机器人都接入了AI 分析平台，基于开放或独立开发的目标检测算法，构建适用于文字识别、仪表数据提取、环境异常监测的技术架构。例如：机器人通过对供电系统中高低压开关、配电柜等进行图像采集，识别指示灯、显示器、阀门、开关等状态及运行数据并生成检测报表供管理人员查看；通过对进入危险区域内人员进行追踪，发出闯入警告；通过图像对比算法分析识别带式输送机跑偏、异物、高温等异常情况，第一时间发出预警。
环境多参数监测技术
煤矿巡检机器人将高灵敏度拾音传感器、气体探测器、烟雾传感器、非接触式红外热像测温仪等进行集成，实时采集声音、红外热像及温度、烟雾、多种气体浓度等数据信息，将数据打包后通过井下工业无线网上传至服务端进行处理，模拟巡检工作业时的“望、闻、问、切”。设备故障或系统有异常时，发出异于平常的声音，如运转轴有异物卡阻或润滑不足，声音就会变得刺耳或断断续续不规律等。通过高灵敏度拾音传感器实时采集现场声音，采用自适应动态降噪处理技术，内置高速DSP数字信号处理器，结合音频模型算法识别处理，判断是否有异常声音并发出报警。气体传感器则能够准确检测环境中的甲烷、一氧化碳、氧气等气体浓度是否超限，及时发现危险隐患，有效解决人工巡检中无法发现的无色无味气体异常问题，以及便携手持检测仪数据无法实时上传共享的问题。此外，采用非接触式红外热成像测温仪，通过捕捉设备辐射的热红外线，能够准确检测设备表面各个温度数值，并形成热视图像，直观地展示设备温度分布情况，快速定位高温故障点。平宝煤矿井下变电所、泵房巡检机器人系统监控画面如图7 所示。
煤矿巡检机器人应用
平宝煤矿累计投用煤矿巡检机器人12 台，其中井上4 台、井下8 台，现已代替人工对井下变电所、泵房、主运输系统、采煤工作面等区域进行巡检。通过机器人管理平台，可自由设定巡检时间、巡检范围等，任务下发后，机器人自动前往任务点进行巡查。目前，每个班次进行2~3 轮巡检，完全替代了人工巡检。平宝煤矿巡检机器人的研发和应用建成了河南省最大的煤矿机器人集群，完成了软硬件架构、平台搭建及功能开发、现场安装部署、分析模型设计与构建、场景应用全套核心技术和建设方案，充分结合煤矿减人提效、提质增安的实际需求，实现了“无人值守、有人巡视”向“无人值守、无人巡视”的转变，减少巡检工36 名，在减轻工人劳动强度的同时，也降低了人工巡检的安全风险，提升了企业的本质安全管理水平。
结 语
随着煤矿生产对安全管控要求的不断提升，机器换人已成为必然趋势，矿用机器人能够代替人工进行现场作业，实现安全和经济效益多重提升，对于建立创新型企业、节约型工厂、减员增效、节能减排，提高企业的经济效益具有长远意义。当前机器人技术正处于高速发展阶段，但在煤矿现场的应用仍然存在一些问题，如无线充电技术薄弱，融合联动能力差，缺乏有效的现场执行类处置手段，模式单一，不同环境条件下适应性差等。但积极的是，无论是生产企业还是设备厂商都在进行技术创新，脱离轨道的井下行走机器人、包含机械臂的操作性机器人、特种作业机器人等均已进入研发过程，未来，机器人在煤矿的应用将会越来越广泛，带动煤矿生产方式的彻底变革。
责任编辑： 李金松
