基于煤矿井下不同灾害环境的救援机器人通信方式研究

史兆伟　卢雪红　樊宙　潘涛

摘 要：煤矿安全事故多种多样，救援机器人作为最早能够进入煤矿事故现场的设备，对于被困人员的救援、矿井的维修有着非常中的意义。救援机器人在井下能够有效展开工作的基本依靠就是通信功能，通信功能有助于地面人员根据井下的不同情况采取相应的救援措施。然而由于地下情况复杂，由于不同的因素造成的灾害事故也产生了不同的环境，对于通信的正常传输造成了一定的影响。本文主要分析了矿井之中常见的灾害的不同特征，讨论了不同灾害发生时的网络特性，提出了不同通信要求的搭建方式，以期能够为救援机器人的使用以及不同环境的需求提供有效帮助。

关键词：煤矿井下灾害;救援机器人;通信方式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.100

0 引言

随着煤矿开采工作机智能化越来越高，先进的技术也不断的被应用在煤矿救援之中，煤矿救援机器人就是其中之一。救援机器人的通信是一种基于远程控制与智能操作的设备，其能够采集井下实际情况，并将其传输回地面端，为救援工作提供有价值的参考。

1 研究目标

本项目以煤矿井下救援机器人为服务对象和基础，研究适用于煤矿井下不同灾害发生时救援机器人的通讯系统的研究与搭建，在此基础上，实现煤矿救援机器人通信系统安全、准确、快速的搭建。预期达到以下目标：（1）全面掌握煤矿井下不同灾害发生时的环境特性，为救援机器人在不同环境下工作提可靠依据;（2）掌握煤矿井下不同灾害环境下的通信网络传输特性，为安全、可靠、稳定的搭建通信系统提供可靠依据;（3）根据煤矿井下不同灾害发生时的环境特性、通信网络传输的特性，为实现不同环境下煤矿救援机器人应急救援通信系统搭建合理的不同类型的通信系统。

2 研究内容

本项目围绕煤矿安全事故发生后，针对煤矿救援机器人开展救援工作时，煤矿井下不同灾害环境中的应急救援通信系统搭建方式进行研究，主要内容包括以下几点：（1）研究煤矿井下不同灾害发生时的环境特性。通过统计分析，研究近年来瓦斯、煤尘、水、火和顶板灾害发生时的环境特性，按照煤矿事故发生时井下环境的特性分类总结。（2）研究煤矿井下不同灾害发生时的通信网络传输特性。根据煤矿事故发生时井下环境的特性分类研究救援机器人在不同环境中的通信网络传输的特性。（3）研究煤矿井下不同灾害发生时不同通信系统的搭建方式。根据煤矿井下事故发生时的环境特性、通信网络传输的特性，为实现不同环境下煤矿救援机器人应急救援通信系统建立合理的不同类型的通信系统搭建方式。

3 研究结果

（1）不同环境以及不同的传输方式。煤矿井下不同災害发生时，救援机器人在开展救援工作时，建立安全可靠高效的通迅网络是关键问题。根据事故的引发以及井下的实际情况，可以将井下事故分为煤矿瓦斯爆炸、塌方、漏水等。在此基础上结合实际造成的事故大小，可以大致分为易燃易爆类、结构坍塌类、水含量高类。这几种事故场景伴随着不同的二次危险，对于易燃易爆类，如果在建立通信或者通信过程中产生火花，则有可能造成爆炸情况，严重影响了救援进度。对于结构坍塌类，由于通道曲折，不利于线路通行，在选择通信过程中，不能选择有线方式，极容易造成线路缠绕，影响通信过程。对于发生漏水事故的情况，由于通信设备可能在水中进行长期的浸泡，因此需要做好防水措施，如果使用有线通信，则需要选择外部包裹防水的线路。

有线传输是指通过特质的线路跟随救援机器人一起进入井下，这种线路的优势在于能够将大量的数据以无损的形式传输，同时这种传输形式延迟非常小，有利于对于救援机器人的控制，是一种存在时间长、效果好的通信模式。现阶段，由于光线线路轻、韧性好被广泛应用于救援机器人进行井下救援，但是这种线路耐磨性能差、不利于在狭小的空间内来回穿梭，影响了救援机器人的灵活性。

无线传输是指通过电磁波的形式进行信号的传输，但是电磁传输过程中有可能造成火花，因此这种方式的使用也有着一定的限制性。但是无线传输的优势在于能够通过各种复杂的井道进行信息的传输。当前应用比较广泛的WIFI通信模式，除了自身能够直接传输信息之外，还能够通过搭建AP的形式进行信息的阶段传输，不但保证信息的传输的距离还能够强化其传输质量。需要注意的是，这种传播方式与天线的功率以及指向有着非常紧密的关联，因此一些传输系统，尤其是中继之中采用了“不倒翁”设计，通过在天线的另一端增加重锤的形式，使得另一端的天线能够一直呈现向上的状态。

（2）通信的搭建。根据通信性质的不同，可以分为有线通信搭建与无线通信搭建。在有线通信搭建过程中需要充分考虑井道之内是否出现了水或者其他腐蚀性液体，以便在搭建通信时选择合适的线路。选择好通信线路之后，直接将机器人放入井道之中，通过拖曳的方式，进行通信的建立。在无线通信搭建方面，一般需要根据通信需要在井道之中建立网络，并设置多个热点，使其能够覆盖整个井道，当进行救援机器人通信搭建时只需要进行网络接入。对于一部分没有进行网络布置的井道，可以通过自主携带AP，逐步投放的形式来建立起广泛的局域网络。常见的通信搭建包括了WIFI通信搭建、ZigBee通信搭建等。

4 总结

煤矿井下事故环境复杂，一旦发生事故，一般需要投放救援机器人进行勘探，再制定相应的救援方案。因此能够将井下实际情况回传就必得非常关键，救援机器人的通信功能是能够实现救援机器人功能性的基本依靠。在面对不同的井下环境时需要选择相应的通信方式，既要不对井道造成二次危害，又要能够实现井下情况的准确回传。这就需要在通信方式的选择上具有速率高、延迟低的特性，还需要能够快速布置，减少通信的困难度。

参考文献：

[1]韩秀娟，杜翠杰，秦玉鑫，etal.基于WIFI的井下救援机器人无线监测系统设计[J].煤矿安全，2015，46（03）：105-107.

基金项目：2019年甘肃省高等学校创新能力提升项目《基于煤矿井下不同灾害环境的救援机器人通信方式研究》阶段性研究成果。

作者简介：史兆伟（1985-），男，陕西岐山人，硕士，讲师，主要研究方向：机电设备的改进、设计与制造。