中国煤科太原研究院总经理宋德军：少人化智能煤矿掘进、辅助运输、辅助作业技术与装备
煤炭作为我国最安全和可靠的能源，其战略资源地位是长期稳固的，为了保障煤炭工业高质量发展，国家做出了重要战略部署。习近平总书记提出“四个革命、一个合作”能源安全新战略重要论述，强调能源技术要以绿色、低碳、智能发展理念为指引，推动煤炭安全高效绿色智能开采技术、清洁利用和转化技术研究和推广，促进煤炭产业升级；国家发展改革委和国家能源局印发的《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》明确提出“到2050年，全面建成安全绿色、高效智能矿山技术体系，实现安全绿色、高效智能生产”；2020年国家八部委联合发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，为发展智能矿山指明了方向，为推动煤炭工业互联网提供了机遇，为践行煤炭工业“安全、高效、绿色、智能”发展理念提供了保障。随着能源保供重视度的不断提高，大量资本、技术流向煤炭产业，建设少人化智能化矿井逐渐被大型高产高效矿井接受和实践，大力推进了智能掘进、智能辅运和智能辅助机器人等领域的关键技术突破。
文章来源：《智能矿山》2022年第7期“智能装备”专栏
01
智能掘进关键技术研究
随着综采工作面相关技术的提升，传统的综掘方式已无法满足综采进度要求，新时代下通过增加掘采队伍配比来满足综采需求的方式也受人工、环境影响而不可持续，采掘比例严重失衡，发展掘进装备智能化是实现减人增效的关键。
井下掘进工作面巷道结构特殊，高粉尘、高瓦斯、低光照等因素导致设备智能化发展缓慢。少人化智能矿井可以采用基于掘进工作面的特殊条件和掘进成套设备协同作业的方式，因此掘进装备智能导航、自动截割、地图构建、数字孪生等技术被逐渐提出并应用。
智能导航技术
由于煤矿井下卫星导航信号无法到达，如何实现掘进系统中装备的精确定位定向成为巷道快速掘进的难题。为实现掘进装备智能导航，中煤科工集团太原研究院有限公司（以下简称太原研究院）深入研究以惯性导航为核心的多传感器信息融合精确定位定向方法和智能导航控制方法。
采用惯性导航系统配合高精度RTK设备、测距雷达、倾角传感器及全站仪组件实时反馈并纠正掘进机机身和截割头的位置与姿态信息，保证掘进装备按照预定的方向行进，并实时获取设备的左右及上下偏移量。采用卡尔曼滤波算法对各辅助传感器所采集的冗余数据信息进行筛选融合，以此对惯性导航系统所获取的位姿信息进行误差补偿，克服惯导元器件随时间累计而产生的误差漂移问题。多源信息融合导航系统原理如图1所示。
图1 多源信息融合导航系统原理
自动截割技术
掘进工作面迎头是新拓巷道最危险的区域之一，如何使作业人员远离该区域是智能掘进亟需解决的关键问题。自动截割技术能够帮助作业人员在剥落煤壁的环节退出迎头区域，实现远程操作。中国煤科太原研究院基于掘进装备悬臂控制与截割电机特性提出了截割轨迹规划技术和记忆截割技术。通过信息采集技术采集掘进装备及巷道的位置参数，同时分别建立以巷道及掘进机为坐标系的掘进机位姿模型，并建立掘进机位姿监测系统，通过实时监测系统获取掘进机相对于巷道的实时位姿数据。通过分析掘进机各部件工作特性，建立掘进机参考系，设计掘进机数据采集系统，通过数据采集系统实时获得掘进机截割头状态，再由控制系统判断截割规划截割路径。截割轨迹规划控制原理如图2所示。
图2 截割轨迹规划控制原理
地图构建技术
设备相对于理想巷道参考基准的空间关系与实际巷道周边环境的空间关系是实现井下移动装备远程控制的关键要素。因此，太原研究院提出基于三维激光扫描的新拓巷道地图重构技术，用于获取设备与环境的实际空间关系。
随着地图构建（SLAM）技术的兴起，激光SLAM技术得到迅速发展，现已具备简洁高效的操作性和广阔灵活的适应性。井下环境地图构建系统通过三维扫描仪获取井下巷道的三维场景信息，以三维点云数据的形式存储，进而通过三维点云处理模块对原始数据进行处理，最后构建当前地图。此外，存储服务器中包含了点云数据、视频数据和其他感知数据用于修正巷道模型，辅助完成掘进机井下定位、导航与避障。三维地图构建流程和系统结构如图3所示。
（a）构建流程 （b）系统结构
图3 三维地图构建流程和系统结构
数字孪生技术
基于视频监控的远程可视化管控平台在煤矿综采、综掘、主运、供电供水等场景的应用已经成熟，通过清晰的视频图像可以将运行中的装备展示到远控平台上。
针对虚实结合的数字孪生交互技术的关键问题，通过远程监控设备及各传感器采集底层信息，结合智能掘进机嵌入式系统、网络、软件、数据平台等要素，通过设计工具、仿真工具、物联网等各种数字化的手段，将矿井掘进机器人的各种属性映射到掘进机器人工作虚拟环境中，形成掘进机器人井下运行状态的数字镜像，构建数字孪生模型。数字孪生模型结合掘进机器人及工作环境中的大数据构建掘进机器人运行状态的智能评估模型，实现对掘进机器人当前状态的评估、过去发生问题的诊断、未来工作状态趋势的预测，并给出分析结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。
02
智能辅运关键技术研究
煤矿智能辅助运输系统是利用信息、通信、控制技术将车辆、路况、人员、物资紧密结合，通过采用智能仓储、无人配送、自动装卸、物料识别等技术，全面实现无人物流配送，实现无人安全、及时高效、精准节约的煤矿辅助运输技术变革。智能辅助运输系统如图4所示。
图4 智能辅助运输系统示意
车辆感知与辅助驾驶技术
以多传感器融合方式感知车辆整车电气参数和环境参数，通过显示设备进行人机交互，以此满足日益递增的整车信息化需求、行业标准提升要求，减少驾驶事故发生，同时也为高级驾驶辅助系统夯实技术基础。车辆感知与辅助驾驶系统组成如图5所示。
图5 车辆感知与辅助驾驶系统组成
新型防爆柴油机车辆能够通过无线网络有效传递机车温度、转速、机油压力、倒车信号、刹车信号、水位信号、倾角信号、甲烷传感信号、一氧化碳信号、超声波雷达信号等；蓄电池车辆能够通过整车控制器，传递蓄电池BMS信号、电机故障信号、操纵开关信号等。车载显示设备具备仪表显示、全景影像显示、大容量数据存储和无线数据传输功能。车灯具备自动控制装置，由面板型旋钮开关以及隔爆兼本安型车灯控制器组成，使车辆具备车灯自诊断功能、刹车、倒车自动控制等能力。低照度摄像头和近距离探测超声波、激光雷达，能够有效探测的距离为0.1～40 m。新技术带动着防爆车辆感知、辅助报警和主动安全技术的发展。
井下安全辅助驾驶受技术条件和场景影响，与地面辅助驾驶系统有所区别，主要是针对防爆车辆现状开发视觉提升、探测提升、驾驶难度降低、主动干预、车矿协同的煤矿井下安全辅助驾驶系统。太原研究院开发的低照度高清视频监控系统和人员接近预警系统，已经成功在国能神东煤炭集团、山东能源集团等大型矿井应用数百套。
遥控驾驶技术
井下车辆作业时，由于光线暗、环境差等原因，通常需要驾驶员和辅助指挥人员配合作业，存在效率低、安全性差的问题。视距遥控、远程遥控具有重要作用，也是更高层次无人驾驶研究的基础。遥控驾驶技术已成功应用于梭车、双动力架线无人测试车、无反复支撑支架搬运车（图6）等车型，将司机从驾驶室解放出来，通过视距遥控在车外指挥车辆驾驶，通过远程要求从调度室遥控车辆行驶，可有效提升驾驶员职业健康水平，降低劳动强度。
图6 遥控无反复支撑支架搬运车
无人驾驶技术
大型高产高效矿井多使用大量的无轨胶轮车辆，需要大量司机。煤矿井下无人驾驶不同于地面、露天矿无人驾驶，是GPS信号屏蔽条件下在潮湿、昏暗、水雾、狭长、多岔等复杂环境下的内部空间无人驾驶系统，只能采用机载多传感技术融合和车路协同辅助相结合的井下专用技术路线，目前已经应用到防爆电动卡车、防爆电动运人车、防爆柴油机液压驱动巷道车等多种车型，未来煤矿井下将能用到完全去除驾驶室的新型无人驾驶车辆。无人驾驶车辆与自动操控系统如图7所示。
（a）无人驾驶车辆
（b）自动操控系统
图7 无人驾驶车辆与自动操控系统
03
智能辅助机器人关键技术研究
随着采煤工作面、掘进工作面自动化和智能化技术与装备的快速发展，综采、综掘工作面一线工人的作业强度得到明显降低。但是煤矿井下生产作业任务复杂，很多细分场合作业（如巷道密闭墙作业、巷道维修、随动输送机尾移设作业、管道安装拆除、巷道冲尘等）仍需要投入大量人员，因此如何通过设备代替或者协助人员作业已经成为智能煤矿建设的关键内容。基于现有巷道开槽装备、巷道修复装备、机尾随动连续运输装备、管路安拆装备、巷道冲尘机等开展智能辅助作业机器人的技术研究，能够有效解决矿井辅助作业的需求。
机器人本机控制技术
机器人本机控制技术包括机械臂关节驱动及测量技术、机械臂运动控制技术和机器人自学习技术。机械臂关节驱动及测量技术通过研究重载关节及驱动一体化设计技术、电气/液压伺服控制技术、关节位移测量技术，以实现机械臂姿态的精确识别；机械臂运动控制技术通过运动学正解/逆解，求解机械臂轨迹，并在此基础上开发相应的控制策略，以精确控制机械臂的运动轨迹，完成既定动作和任务。机器人本机如图8所示。
图8 机器人本机
机器人与环境交互技术
机器人与环境交互技术包括机器人位姿精确识别技术、目标物检测技术、基于组合惯导的无人驾驶技术。机器人位姿精确识别技术研究基于激光雷达、超声雷达等定位技术，以实现精准识别机器人本体与巷道环境的相对位置关系；目标物检测技术重点研究以机器视觉为基础，将目标物作为训练样本，通过训练样本对深度网络进行训练，以实现精准识别目标物料；基于组合惯导的自主驾驶技术利用IMU、LIDAR、UWB等定位技术，控制机器人在一定区域内实现自主规划路径、自主移动、主动避障。
04
掘支锚运辅工艺系统优化和装备研发
少人化智能矿井要求掘进、辅助运输、辅助作业的相关施工工艺与装备紧密配合使用，切实解决现场实际面临的问题，并且需要不断优化技术与装备，使装备更加适应煤矿井下各种环境，以及协作效率更高。
（1）掘支运一体化快速掘进装备太原研究院研发了掘支运一体化快速掘进装备（图9），实现了掘进工艺空间多维同步作业；研发出掘支运一体化平行作业系列化成套装备，创造了煤巷掘进月进尺3 088 m的世界纪录。
图9 掘支运一体化快速掘进装备
（2） 综采工作面快速安装回撤成套装备太原研究院研制的系列化支架搬运车、铲板车，覆盖了25~120 t的产品系列，满足煤矿各种工作面的回撤需求，大幅提高了综采工作面设备的安装回撤效率和安全性，降低了作业强度。综采工作面快速安装回撤成套无轨搬运装备如图10所示。
（a）安装回撤布置
（b）架线柴油双动力重型支架搬运车
图10 综采工作面快速安装回撤成套无轨搬运装备
（3） 井下装备群协同控制系统综采、综掘、辅助运输、辅助作业施工工艺相互交叉融合，大量装备需要协同控制，延伸出机器人群间的交互技术，包括远程集控、监控技术和机器人群远程调度技术。远程集控、监控技术面向单一工作面机器人群，基于工控上位机软件，采集多传感器数据，获取工作面机器人群工作状态，实现远程控制，集中管理；机器人群远程调度技术面向井下所有机器人，开发交互式人机界面，配套语音视频交互系统，对所有机器人进行任务规划分配，监测各机器人运行状态。井下装备群协同控制系统如图11所示。
（a）集控仓 （b）集控中心
图11 井下装备群协同控制系统
05
结语
中国煤科太原研究院坚持科技创新带动高质量发展，用数字技术赋能传统装备，以智能技术牵引创新研发，在智能掘进技术与装备、智能辅助运输技术与装备和辅助作业机器人技术与装备三大产业方向开拓发展，为少人化、无人化智能矿井提供掘进、辅助运输、辅助作业新技术和新装备。在不断提升单机装备可靠性的同时，贴近煤矿井下现场需求，着力为智能化矿井提供更加安全、高效的成套工艺与装备，推动安全、高效、绿色、节能的智能矿山技术体系建设。
来源：智能矿山杂志
