煤礦無人機智能系統設計與實現

侯 剛

(天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

隨著智能化礦山建設的發展，對礦井區域內地表、生態、安防和主要設施、設備的監控管理的要求也日趨智能化[1]，煤礦無人機智能系統通過航測無人機、安防無人機、設備巡查無人機、無人機智能管控軟件[2]，實現了對礦區地表和生態環境的周期監測[3]、礦區范圍內的空中安防和警戒、主要建筑重要設備的定期巡檢。無人機在煤礦的應用在成本上節省了人力資源、減少了其它設備投資[4]，在安全上實現了礦區大面積、復雜、險峻生態條件下的全面監控，規避了人工風險[5]，在智能化方面實現了數據信息可追溯、智能管控和數據的深度分析處理，實現了礦井地面區域的高效監控[6]。

1 煤礦無人機智能系統組成

煤礦無人機智能系統主要由無人機、遙控設備、移動終端設備、服務器和用戶操作端幾個主要部分組成，系統組成示意如圖1所示。

圖1 無人機智能系統組成

無人機按照使用功能配置有小型航空測繪無人機、安防巡查無人機、設備巡檢無人機三種無人機機型。航空測繪無人機設計選用深圳市大疆創新科技有限公司生產的DJI Phantom 4 RTK無人機，該機型實現了視覺避障+超聲波測距避障系統，配合上位機軟件實現了生態厘米級建模。礦區安防巡查深圳市大疆創新科技有限公司生產的DJI M210 V2無人機和DJI Mavic 2行業雙光板無人機，DJI M210 V2無人機實現了前視下視上視視覺避障系統，DJI Mavic 2行業雙光版無人機實現了視覺避障系統、大于等于24GB機載內存(機載內存可加密)、可見光成像+紅外熱成像系統。設施設備巡檢選用了DJI M210 V2無人機。三種無人機機型都實現了最大可承受5級風 12m/s風力、8km通視環境測控距離、-20℃ 至 40℃工作溫度、無線+4G備份通信鏈路功能。根據不同的功能給相應的無人機分別設計配置了Z30變焦相機云臺、XT2A25SR雙光云臺、X5S相機、TB55電池、精靈4電池、DJI Mavic 2行業雙光版電池、M600用X3/X5安裝支架、M200用XT2轉接座、M210喊話器、M210隨動補光燈等負載配件。建模和智能管控平臺使用深圳市大疆創新科技有限公司的TERRA、FLIGHTHUB司空政企版。

2 煤礦無人機智能系統功能設計

2.1 基于二維、三維建模的地表沉陷及生態環境監測功能設計

為掌握礦區綜合生態環境狀況，需對礦區地表下沉及生態環境的綜合監測，礦區以往大都采用在地表多點固定位置，安裝相應監測傳感器實現對地表沉陷監測[7]，因礦區面積大、地形復雜，在安裝、維護、通信上難度大。生態環境監測及建模依賴于專業的測繪遙感飛行器，需有專門的遙感測繪單位完成[8]，這種測繪方式成本高周期性長。

此設計立足于小型無人機進行地表二維、三維監測和重建技術，系統根據監測區域自動生成航測路線，航測周期為一星期一次，最終實現精度達到厘米級的地表沉陷及生態環境監測。該過程為三個主要流程，第一步為無人機外業數據采集、第二步為業內數據處理、第三步為數字線劃圖生產，其工作流程如圖2所示。根據張家峁煤礦實際礦井范圍將檢測范圍三個區域，每個區域分別設置四個區域像控點坐標實現對監測區域的精準劃分，為了提升建模的絕對精度對區域像控點進行了優化選取，每個像控點具有明顯的特征易于區分，現場測量了每個像控點的三維坐標，系統具備手動將改點的坐標與拍攝到該點的坐標進行對應并調整到正確刺像控位置的功能。通過無人機搭載激光雷達對采煤塌陷區實現傾斜攝影航拍，通過拍攝多角度的圖片，單張獲取2000萬像素的照片，通過多次飛行和多臺無人機集群化作業拍攝一組正射航線視角影響4組不同朝向角度傾斜航線視角影像，采用RTK動態差分技術，利用載波相位實時處理測站之間觀測量的差分方法，高精度RTK模塊具有精準的時間同步實時位置補償，配合搭載的GPS、GLONASS、BEIDOU、GALILEO實現了在野外實時厘米級定位精度信息，保證了無人機準確到達像控點位置，同時準確記錄下拍攝時刻相機的位置。通過飛行過程中基于同步定位、地圖構建和影響正射糾正算法實時生成二維正射影像，實現邊飛變出圖快速獲取數字二維初步正射影像，可及時發現問題靈活采區具有針對性的應對措施。在飛行過程中實時生成三維點云實現實時攝影測量，通過后倒入建圖方式生成高精度、高分辨率正射影像圖，通過建立數字高程模型、數字表面模型、數字線劃圖、最終建立實景三維模型，通過三維模型能快速獲取礦區地面沉陷區的精準信息，通過對整個礦區地表坐標、距離、面積、體積等多種關鍵數據自動分析，實現對煤礦地面塌陷及周邊生態環境的自動監測分析，通過三維模型可以快速查看任意點處的具體照點及圖像信息，對具體情況進行核查。

該設計方案不但受外界條件影響小、成本低、而且縮短了作業周期。無人機監測礦區地表沉陷及生態環境，可快速展現地表2D和3D形態。通過對地表環境的監測，集成生態氣象環境的監測，可實現對礦井綜合生態環境的綜合監測和分析，對生態災害進行預防式判斷分析。地表沉陷及生態環境監測效果圖如圖3所示。

圖2 地表沉陷及生態環境監測流程圖

圖3 地表沉陷及生態環境監測

2.2 智能空中安防巡查功能設計

目前礦區安防大多都采用攝像頭、紅外對射傳感器加人工巡邏的方式[9]，該方式存在設備投入大，監控方式固定、人為因素多等問題。本次設計通過搭載攝像頭的無人機，在煤礦礦區內根據規劃的路線進行飛行，對安全防范維護的區域進行全方位立體監控，將所防范維護場所的實時畫面通過網絡進行實時傳輸，實現晝夜巡檢、空中立體全方位監控。智能無人機管控平臺可通過運用視頻監控AI技術，對特定區域內的可疑人員進行追蹤，對嫌疑人的照片、個人行蹤等信息進行上傳和分析，引導地面安防工作人員采取針對性的行動。

智能空中安防巡查為了保證實時效性可以進行區域劃分，以陜北地區煤礦為例將安防分為5各區域，每個區域使用DJI Mavic 2行業雙光版進行安防巡查，巡查頻率及路徑可以智能生成和規劃；除常規周期化安防巡查，還可安排隨機抽查。夜間巡查時，如使用DJI Mavic 2 行業雙光版發現異常，能快速出動DJI M210 搭載補光燈及云臺相機負載到達現場，抓拍異常情況，起到震懾作用且留存證據。

2.3 礦區基礎設施、設備可見光紅外熱成像巡檢功能設計

對礦區洗煤廠、變電站、樓宇等基礎設施和通信基站、輸電塔、輸電線路等大型重要設備進行日常檢查時，因為視角有限，距離遠難以靠近，許多部位難以查看[10]。通過設施設備巡檢無人機實現了從不同角度進行詳細檢測，通過變焦相機放大細節，及時發現設備故障和隱患，保障生產安全[11]。無人機采用光學變焦巡檢及紅外熱成像巡檢技術，可對巡檢設施和設備進行光學和熱成像對比，對設備隱患和溫度進行實時掌握[12]。可對高危特定事物進行高頻率重點實時監測。可見光和熱成像巡檢效果圖如圖4所示。

圖4 可見光和熱成像巡檢

3 無人機智能管控平臺設計

無人機智能管控平臺實現了在煤礦特定的生產環境中進行無人機設備及業務管控功能，具備資源管理功能，包含固件管理、解禁證書管理[13]。具備業務管理功能，包含實時狀態畫面、遠程和智能控制的實時狀態監控功能；航線智能規劃與實時干預、航線庫同步的航線管理功能；飛行日志、視頻、數據歸檔的存儲功能；無人機系統架構、任務功能角色的管理功能。具備與礦井智能化系統融合數據共享的功能[14]。智能管控平臺功能框圖如圖5所示。

圖5 智能管控平臺功能框圖

3.1 地表沉陷及生態環境監測功能智能管控流程設計

1)無人機起飛前檢查：檢查無人機集體完整度、機身電量、風力及雨雪等天氣狀況。

2)航線設置：設置相應無人機飛行航線及航測模式。

3)無人機起飛、降落、更換電池。

4)無人機回收：無人機安全降落后正確裝箱。

5)數據處理、模型重建：在上位機平臺上進行數據整理、建模、文件及重建模型。

6)模型分析、地表沉陷情況監測：周期性對比地表重建模型高程數據，監測沉陷情況，對各區域按時間順序進行沉陷監測記錄。

7)模型分析、生態環境監測：周期性對比地表生態環境變化，對各區域按時間順序進行沉陷和生態監測記錄[15]。

3.2 智能空中安防巡查功能智能管控流程設計

1)無人機起飛前檢查：檢查無人機集體完整度、機身電量風力及雨雪等天氣情況。

2)航線設置：根據安防區域圖，設置相應無人機飛行航線及航測模式。飛行航線避開過高建筑物，保證飛行航線安全。

3)無人機起飛、降落、更換電池。

4)智能管控：結合礦區網絡，對無人機進行任務航線下發，視頻實時回傳，等管理，實現飛行流程平臺化管理，信息采集云存儲，信息可回溯等礦區安防信息管理要求。

5)應急響應：如使用DJI Mavic 2行業雙光版發現異常狀況，及時放飛 DJI M210 搭載適宜負載進行支援，實現異常狀況報警，支援無人機及時到位。

6)無人機回收：無人機安全降落后正確裝箱。

3.3 礦區基礎設施、設備可見光紅外熱成像巡檢功能智能管控流程設計

1)無人機起飛前檢查：檢查無人機集體完整度風力及雨雪等天氣情況。

2)航線設置：根據現場設備布置情況設置，遠離電磁干擾及遮擋，保證飛行安全。

3)無人機起飛、降落、更換電池。

4)設備信息采集：對被巡檢設備的關鍵結構，部位進行精細可見光觀察，對熱敏感部位進行紅外熱成像觀察。

5)巡檢信息管理：現場巡檢信息通過無線回傳，存儲在礦區服務器里。按設備種類、時間順序歸類保存，便于追溯。

6)無人機回收：無人機安全降落后正確裝箱。

4 設計實現及效果分析

該設計方案在陜煤集團神木張家峁礦業公司進行實際應用，現場共采用航空測繪無人機DJIPhantom4RTK3架、DJITERRA1套，安防巡查無人機DJI M210V2 3架、DJIMavic2行業雙光版5架、X5S相機1個、Z30變焦相機云臺1個、補光燈1個，設施設備巡檢無人機人DJI M210 V2 3架、Z30變焦相機云臺1套、XT2A25SR雙光云臺1套，無人機智能管控平臺1套，經現場測試實現了對地表沉陷和生態環境變化的厘米級監控，對礦井區域的空中全方位立體巡查，對重要設施和特定設備進行自然光和熱成像的綜合監控，實現了對無人機系統的智能管控，為張家峁智慧園區和智慧礦山建設起到積極作用。

5 結 語

目前實現了厘米級的地表沉陷和生態環境監測，后期針對礦區特定環境進行精度提升方面的研究工作。煤礦無人機智能系統雖然實現了地表生態、安防、設備的巡檢，也可以完成特殊事件的監控，實現遠程警戒、遠程預警、避免無關人員進入、遠程操作監控、保證人員安全的功能，后期應考慮在礦井項目施工進度管理、工程現場建模上進行研究應用，通過無人機實現工程規劃設計可視化、對工程現場進行2D和3D建模，達到工程進度和工程量的實時掌控的目的。后期也可在設備盤點、物體體積測量等方面進行探討研究。