煤矿智能机器人发展与应用

前沿：在当前“智能化”的时代下，机器人代替矿工井下作业是大势所趋。

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机器人大讲堂直播间  049期

在我国煤矿从业人员中，从事采煤、掘进、运输、安控等危险繁重岗位人员占比在60%以上，是目前最迫切需要开展大范围“机器换人”的高危行业。

我国煤矿机器人的研发起步较晚，最早以煤矿救援探测机器人研发实现突破，近年来较成熟的是各类煤矿巡检机器人和采、掘、运等各类作业机器人。

2019年国家煤矿安监局发布第1号公告，提出要重点研发掘进、采煤、运输、安控和救援等5类、38种煤矿机器人，加快煤矿机器人产业化应用。模式识别、多模态感知融合、深度学习、人工神经网络等人工智能技术的应用使煤矿机器人的智能化程度越来越高。随着云计算、互联网和大数据的不断发展，煤矿机器人的性能将更加完善、功能将更加强大。

我们特邀中信重工开诚智能装备有限公司常务副总经理兼工程师裴文良先生做客「机器人大讲堂直播间」，为大家分享煤矿智能机器人发展与应用。

本期分享要点如下

1、煤矿机器人行业背景和政策导向

2、煤矿机器人发展与应用

3、煤矿机器人的发展趋势

4、人工智能在煤矿机器人中的应用

5、特种机器人云平台

6、中信重工开诚智能公司及产品介绍

以下内容根据裴文良先生直播分享实录整理

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作为世界第一煤炭大国，在未来相当长的时期内，煤炭资源在我国资源格局中仍会占据着重要地位。然而我国煤炭开采条件极其复杂，90%以上的煤炭资源仅适合井工开采，平均开采深度600m，全国50%以上煤炭储量处于高瓦斯地区。

矿井现场环境复杂，空气温湿度、瓦斯浓度、一氧化碳等环境参数以及回采工作面、巷道顶板及底板状态直接影响矿井人员安全。在我国煤炭从业人员中，从事采煤、掘进、运输、安控等危险繁重岗位人员占比在60%以上，是目前迫切需要开展大范围“机器换人”的高危行业。在当前“智能化”的时代下，机器人代替矿工井下作业是大势所趋。

对于高危的煤炭开采行业，煤矿机器人的大规模采用，必然在大幅度降低矿难得基础上有效提升生产管理效率，成为解决“矿难”难题的金钥匙。从2016年至今，国家有关部门多次发布相关的指导意见。今年3月由国家发改委、能源局、应急管理部、煤监局、工信部、财政部、科技部、教育部8部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了煤矿智能化发展目标、主要任务以及保障措施等内容。

总的来说，我国煤矿经历了40多年的发展，已经经历了数字化、自动化、信息化等阶段为智能煤矿的建设提供了基础支撑；同时物联网、大数据、云计算、人工智能、机器人、5G等技术的不断发展和成熟，为智能煤矿的建设提供了技术支撑；第三相关科研院校、装备制造企业及煤矿单位形成有针对性、系统性的煤矿智能化培养体系，为智能煤矿建设提供了人才支撑。

行业急需、政策导向和技术支撑三大因素，为煤矿机器人和智能装备的发展提供了良好的机遇！

什么是煤矿机器人？

煤矿机器人是能依靠随身动力和自主控制能力来实现某种特定采矿功能的一种机器，它可以通过受人指挥、预先编程、人工智能规划的方式，协助或替代人的采矿作业劳动或危险岗位的操作。

煤矿机器人是构建智能煤矿的重要组成部分，是提升煤矿智能装备水平的重要体现，也是保证煤矿生产安全和提高生产效率的根本保证，是实现煤矿“少人、无人”的有效支撑。

煤矿机器人的组成

煤矿机器人主要由四大系统构成，机械系统、控制系统、驱动系统、感知系统。

煤矿机器人的分类

煤矿机器人按照智能程度分为可编程煤矿机器人、初级智能煤矿机器人、高级智能煤矿机器人、机器人化智能装备。

1、可编程机器人

这种机器人一般根据操作人员所编写的程序，完成简单的重复性操作，需要使用者事先教给它们动作顺序和运动路径，然后不断地重复这些动作。因此此类机器人不具有外界信息的反馈能力，不能适应环境的变化。例如：排水机器人、通风机器人、支护机器人、搬运机器人、管道安装机器人、破碎机器人。

2、低级智能煤矿机器人

低级智能煤矿机器人也叫自适应机器人。它是在第一类煤矿机器人基础上发展起来的，具有不同程度感知周围环境的能力。机器人根据感觉器官（听觉、视觉、触觉传感器）获得信息，灵活调整工作状态，适应不同环境，例如：巡检机器人、救援机器人、无人驾驶矿车等。

3、高级智能煤矿机器人依靠人工智能技术决策行动的煤矿机器人。它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理、并做出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作任务，能在变化的环境中，自主决定自身的行为。

具有高度的适应性和自制能力，具有自主解决问题的能力，也被称为自治机器人，是未来煤矿机器人努力发展的方向。

4、机器人化智能装备首先，了解什么是“机器人化机器”。所谓的机器人化机器，指在传统机械中引入机器人技术，使其具有机器人的功能，也可把机器人化机器称之为智能机器。

机器人化装备是指对传统煤矿机器赋予机器人的感知、学习、决策能力，能够实现智能协作协同作业、人机交互控制，实现无人操作完成采矿任务，也可以称作智能化装备，例如：承担掘进、采煤、运输作业的机器人化装备。

煤矿机器人按照使用功能分为5大类，共38种，部分分类如下图所示：

1、掘进机器人

2、采煤机器人

3、运输机器人

4、安控机器人

5、救援机器人

随着人工智能技术、互联网和大数据的不断发展，煤矿机器人性能也将更加完善、功能更加强大。未来，煤矿机器人将朝着下面几个方向发展：

1、多传感器信息智能融合技术的应用

针对煤矿井下复杂、高危的环境，研发适用于煤矿机器人的各类防爆、高精度、高可靠性传感器。未来需要在多模态融合的认知机理、计算模型、数据集和应用系统上开展突破，综合解决融合表示、融合感知、融合学习的融合计算问题，增强机器人多维度智能化感知。

2、5G+智能物联技术

基于新一代5G+信息技术与煤矿机器人深度融合是一种必然结果，会大大提升煤矿机器人性能，促进智能煤矿发展，所以紧抓物联网与5G是一种发展趋势。

3、多机器人协同作业技术

在煤矿巷道、作业面等复杂环境中，通常需要多个、多种机器人协同作业，涉及多传感信息感知、协同工艺轨迹规划、作业碰撞与干涉规避、多机器人定位信息协同及导航算法等技术。如何组织和控制多个机器人协作完成单机器人无法完成的复杂任务，是今后煤矿机器人研究领域的新课题。

4、智能化、小型化及模块化方向

智能化：通过深度融合基于机器视觉、机器听觉、计算机统计学、计算机数学建模与人工智能、机器学习、大数据分析、云计算等领域的技术，实现目标识别、场景感知、行为预测等功能，进一步提高机器人的智能化和对环境的适应性，使其在煤矿井下代替人工进行智能化作业。

小型化：在保证机器人功能的基础上，尽量使机器人小型化，增加机器人的灵活性。

模块化：采用模块化设计，更换不同的功能，增加机器人的通用性。

5、通讯及可靠性技术

由于井下工作环境的复杂性，无线信号受巷道屏蔽，传播距离有限。同时，井下还存在着大型机电设备产生的电磁干扰。今后需研究高可靠性、长距离的通讯系统，进一步提高机器人对煤矿井下环境的适应性。

6、新能源电池的利用

目前煤矿机器人电源主要是锂电池，由于物理和化学性能的限制，使得机器人体积与质量过大。因此，研发适用煤矿领域的新能源电池是煤矿机器人动力电源的发展趋势之一。

7、防爆材料轻量化

由于井下环境复杂，煤矿机器人（如煤矿救援机器人等）的防爆应采用体积小、质量轻的材料，如碳纤维、导电材料等。

随着GPU、NPU等硬件广泛的应用，人工智能开始急速式发展。在音频、视频、文本、态势预测等理解感知方向海量爆发，由弱人工智能逐渐向强人工智能演变，目前人工智能在煤矿机器人中应用非常广泛。首先，先思考一个问题，什么是模式识别？

模式识别指让计算机能够对给定的事务进行鉴别，并把它归入与其相同或相似的模式中，被鉴别的事物可以是物理的、化学的、生理的，也可以是文字、图像、声音等。其中运用到一些机器学习和深度学习的技术。模式识别的过程如下图所示：

模式识别主要是对单一模态进行识别，但在现实中，我们所面对的大部分都是多模态问题，所以需要进行多模态感知融合，使得机器人可以像人一样感知与理解周围环境。

下面将从应用场景和功能、关键问题、技术路线及检测分析四点阐述人工智能在煤矿机器人中的应用。

应用场景和功能

解决的关键问题

主要解决四大关键问题，包括人员安全、生产过程安全、设备状态安全、减员增效智能矿山。

技术路线

检测分析

机器人检测分析从视觉检测分析、听觉/嗅觉检测分析、热感识别分析三部分展开说明。

1、机器人视觉检测分析——检测方式

机器人视觉检测方式分为基于可见光检测、红外热成像检测及多线激光检测三种。

基于可见光检测

基于红外热成像检测

基于多线激光检测

2、机器人视觉检测分析——异物识别

识别内容为检测皮带上的矸石、锚杆、道木、铁管等，发现异常及时报警、停车，检测皮带机硫化接头，减少皮带机纵撕、断带事故的发生。

异物识别原理：采集皮带机图片样本，对样本中的锚杆、矸石等异物进行标定、训练，利用神经网络挖掘样本数据特征，建立算法模型，通过神经网络和预先建立的算法模型，检测识别锚杆、矸石等异物，发现异物将报警信息上传工作站。关联皮带控制系统，避免事态蔓延。

3、机器人视觉检测分析——跑偏识别

针对不同场景环境下，综合应用图像处理与深度学习技术检测跑偏。

4、机器人听觉、嗅觉检测分析

听觉识别原理：搭载高灵敏度拾音传感器，采用Clear Speech自适应动态降噪处理技术，内置高速DSP数字信号处理器，结合音频特征提取与检测模型算法识别处理，判断是否有异常声音。

嗅觉识别原理：融合多种传感技术，准确检测环境中的甲烷、硫化氢、一氧化碳、氧气等多种气体浓度和烟雾是否超限，及时发现气体泄漏和预警着火。

5、机器人热感识别分析

利用红外热像仪采集电机、水泵、轴承、托辊、皮带等物体温度，对异常超温进行报警。

热感识别原理是基于红外成像仪采集红外成像图片，对红外热视图进行图像预处理分析，在热视图中精确定位目标检测区域，相比可见光成像识别，红外可直接采集目标表面温度，并将其通过温度值、数字化展示目标温度。

机器人云平台基于物联网和大数据技术构建完成，可实现机器人产品生命周期管理、售后服务、可预测维护、算法训练、远程升级、远程监控和故障诊断等服务。

公司介绍

中信重工开诚智能装备有限公司，始于1991年，前身为唐山开诚电控设备集团有限公司，是国内知名的集研发、生产、销售、服务于一体的智能装备制造企业。企业拥有特种机器人、煤矿智能装备两大产业120余种产品，其中20余款产品为国内首创，多项核心技术具备先发优势。

公司拥有危险环境特种智能机器人国家地方联合工程研究中心、国家企业技术中心、院士工作站以及国内大型高压4MW传动产品实验室，拥有230项授权专利、52项软件著作权，主持、参与编写变频器、机器人等多项国家和行业标准。

企业拥有70余款煤矿智能装备产品，应用覆盖采掘、供电、供排水、通风、主辅运输、洗选等生产经营管理环节，推进固定岗位的无人值守和危险岗位的机器人作业。同时采用数字化、信息化方式搭建起“管控一体化”的智慧矿山作业体系，助力煤矿智能化转型升级，推动煤炭行业高质量发展。

产品介绍

中信重工开诚智能围绕煤矿生产管理需求，不断研发，形成系列化煤矿智能机器人产品。截至目前，公司已拥有防爆轨道式巡检机器人、防爆轮式巡检机器人、防爆固定值守机器人、智能井筒监测机器人、井下运输安全预警机器人、智能选矸机器人、矿用消防机器人等10余款煤矿智能机器人系列产品，可执行井下巡检、值守、洗选、侦测、预警、救援等多类型任务。

1、矿用巡检机器人

基于煤矿生产管理实际需求，开诚智能自主研制出执行煤矿巡检、固定值守等任务的矿用巡检类机器人系列产品，适用于煤矿井下皮带机、绞车房、掘进面、水泵房以及煤化工、选煤厂、变电站等不同场景。

具备视觉、听觉和热感检测分析等功能，成功将AI人工智能技术应用到煤矿。矿用机器人的广泛应用，为煤矿实现减员增效、降低劳动风险、减轻矿工劳动强度、提高生产安全性提供了有力的科技保障。

2、矿用隔爆兼本安型轨道巡检机器人

矿用隔爆兼本安型轨道巡检机器人本体吊挂在轨道上，在巷道内往复运行，能够完全替代巡检工可靠巡检。

机器人搭载多种传感器，实时采集现场的图像、声音、红外热像及温度数据、烟雾、多种气体浓度等参数。具有智能识别功能，采用智能感知关键技术算法，能够准确判断设备当前运行状态，并基于大数据分析预警技术，对煤矿设备运行故障超前预判、预警，减少故障停机时间。

功能

智能识别分析、声音异常识别、红外热像图采集及温度异常报警、移动图像采集、烟雾检测、环境检测、自主避障。

优势

适用于各种复杂的煤矿井下环境；爬坡角度大，可达到25°；采用钢丝绳牵引发电方式，真正实现24小时无人值守；采用多种检测方式及数据处理算法，实现多种智能化分析识别功能；支持4G/5G/WiFi多组网模式通讯；对减员增效、减轻巡检人员的劳动强度具有重要意义。

3、露天矿轨道巡检机器人

露天矿轨道巡检机器人吊挂在轨道上往复运行，能够完全代替巡检工可靠巡检。巡检机器人采用耐低温设计，保证在极寒条件下充足的动力输出。

4、防爆固定值守机器人

固定值守机器人安装于落煤点皮带面上方，采集高速运转的皮带图像。图像信息传输到防爆计算机，进行实时分析，识别大块矸石、锚杆、道木、铁管等大块物料和长杆利器。

当发现异常，机器人及时报警，结合从皮带控制系统获取的皮带机速度，记录异物位置也可联动皮带控制系统，控制皮带机停止运行。

5、井下运输安全预警机器人

2019年，中信重工开诚智能研制出国内第一套可应用于井下矿井、电机车巷道的井下运输安全预警机器人。

通过传感器与视觉分析相结合的检测手段，能够实时监测人员入侵及巷道异物，发现异常及时报警；通过无线通讯，将巷道沿线的图像实时上传到操作室，保证绞车司机能够实时、清晰、直观地察看运输沿途的情况，避免盲目开车，防患于未然；与绞车电控系统联动，保证斜巷提升系统安全、稳定运行。

井下运输安全预警机器人安装在矿车上，可探测识别巷道内人员入侵以及轨道异物，通过巷道沿线安装的基站将信息上传到计算机。

计算机对预警仪采集分析的信息进行显示，发现异常报警，以便于煤矿工作人员判断现场环境状况，避免事故发生。

6、智能井筒监控机器人

智能井筒监测机器人融合多种智能传感技术，可实时采集分析井筒罐道偏移、罐耳磨损等情况，由通信分站将数据和图像传输到计算机，便于工作人员及时掌握设备工作状况，满足生产单位对井筒内设备工作状态实时、全面的监测要求。

功能分析：

视频分析功能：视频分析罐道是否平直，有无开裂，固定螺栓是否脱落；罐道梁上有无杂物，固定螺栓是否完好；井壁，管线固定是否完好；罐耳间隙是否超标，磨损超限情况，滚动罐耳转动是否灵活。

音频分析功能：音频分析井筒设备机械异响、管路砂眼漏水等，发现异常声音报警。

张力监测功能：监测提升载荷（钢丝绳张力）可有效防止提升机箕斗粘煤、二次装载以及副井提升操作人员判断不准确造成超载，还可避免因超载时静荷重旋转力距过大引起制动力距不足无法制动，导致坠罐、过卷等事故的发生。

7、矿用消防机器人

矿用消防灭火侦察机器人主要用于矿井危险作业区域的环境探测、火灾灾情侦察、火灾扑救，可以代替救援人员深入灾害事故现场进行侦察、灭火和搜救，对提高救援安全性，减少人员伤亡具有重要意义。

8、选矸机器人

选矸机器人能够替代原有人工捡矸的工作方式，对矸石自动识别、分捡，并进行自动分流处理。通过数据远程监测和管理，实现真正意义上的自动化生产，有效降低工作强度和职业危害，提高煤炭利用率，提升企业生产效率和盈利能力。

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