国内外煤矿救灾机器人的研究工作经历了十余年的时间[1-2]，取得了丰硕的成果，出现了各种不同形式的救灾机器人及其相关技术，在安全、通信、能源、控制、照明、传感、机构等重点技术问题上取得了非常大的进步。然而，至今能够深入井下开展搜索和救援任务的机器人依然屈指可数。只有深入剖析其发展的瓶颈，找到问题所在，才能真正推动煤矿救灾机器人的发展，尽快使其能够应用到救灾工作中去。笔者力图通过实际案例和多维度分析的方法，从市场需求、政策许可、技术提升三个维度去解析问题，找出解决问题的办法，并提出了对煤矿救灾机器人未来的一些展望。

1 国外矿难救援应用

目前煤矿救灾机器人在矿难救援中应用的案例有2006 年美国西贡山矿难中的 V2、新西兰派克河矿难的军用机器人和西澳水务机器人、俄罗斯北极城市沃尔库塔 (Vorkuta)“北方”煤矿矿难的机器人。

1.1 美国矿山安全卫生管理局 V2 机器人

1.1.1 V2 机器人相关背景及救援经历

世界上最早并且也是唯一在美国投入使用的煤矿救灾机器人是美国的 V2 机器人[3-4]，如图1所示，由美国矿山安全与健康管理局 (MSHA) 委托矿业技术与机器人技术公司 (Remotec) 开发和制造的安德鲁斯金刚狼机器人 (ANDROS Wolverine)，绰号 V2。MSHA以 26.5 万美元的价格购买了这台专门设计的机器人。V2 高约 50 英寸，质量超过 1 200 磅，由防爆电动机驱动，驱动方式类似于军用坦克的橡胶履带，配备导航和监控摄像机、照明设备、大气探测器，具备夜视能力、双向语音通信和操纵臂。V2 从安全的位置远程操控，探索范围达 5 000 英尺，通过光缆传输有关矿井状况的重要信息。操作员可以查看包括视频在内的实时信息，以及可燃和有毒气体的浓度。

结论：当今社会是以知识经济为特征的社会，柔性管理也是当前社会人力资源发展的新趋势，掌握了柔性管理的科学方法，就是掌握了人才的需求，及时满足人才的需求，才能更好的激发员工的主动性和创造性，提高员工的创新能力，对于提高企业的核心竞争力具有重要的意义。随着企业不断发展，柔性管理方式将在企业经济管理中发挥更大的作用。

  

图1 V2 机器人Fig. 1 V2 robot

在 2006 年发生的西贡山矿难中，V2 机器人进入矿井，但从矿井入口前进 2 600 英尺 (约 790 m) 后受到阻碍，被迫将其拉出[5]，其后未见继续使用的报道。

1.1.2 V2 机器人救援中获得的经验

根据 V2 机器人的研发及使用经历，Remotec 公司获得了几点经验。

(1) 使用的及时性 即当某地发生灾难时，救援人员能够快速就位执行救援任务，这就要求每个矿山附近配置一支能够随时获得该设备的团队。

(2) 运输的便捷性 目前 V2 机器人的质量为850 磅，不便于运输，行动时容易被障碍物阻碍前行。煤矿救灾机器人不能是笨重设备，应该是更灵活和更容易运输[2]的便捷设备。

(3) 需要预算支持 目前，美国的采矿行业只有 MSHA 管理的唯一一台 V2 机器人，如果没有预算支持，就难以发展下去。Remotec 公司曾收到过来自中国、智利、澳大利亚等多个国家和地区对救灾机器人的咨询，这些地区都发生过煤矿灾害，但是咨询者最后都没有购买。在后期对采矿技术与机器人公司Remotec 总裁 Michael Knopp 的报道中，他认为煤矿救灾机器人没有得到深入和广泛的使用是因为煤矿行业并不愿意为机器人买单[4]。

1.2 新西兰派克河矿难中的国防部军用机器人和西澳水务机器人

1.2.1 机器人相关背景及救援经历

2010 年 11 月 19 日，位于新西兰西海岸的派克河煤矿发生瓦斯爆炸事故[6]，如图2所示。11 月 22日，救援人员打通了一个长度为 162 m、直径为 15 cm 的救援孔，将空气成分探测仪、摄像机和声音探测仪等送入井下，探测到甲烷含量达到 95%，未发现任何生命迹象。

机器人获得怎样的特许才能进入井下进行救援工作，是每个煤矿救灾机器人的研究人员最为困惑的问题，同时也是必须面对的问题。煤矿对于下井的电气设备有着严格的安全规定，防爆电气设备入井前，应检查其“产品合格证”、“煤矿矿用产品安全标志”、“防爆合格证”及安全性能，全部符合规定后方能入井。“防爆合格证”由具备资质的相关检测机构出具；“煤矿矿用产品安全标志”则由安标国家矿用产品安全标志中心 (矿用产品安全标志办公室) 颁发。煤矿救灾机器人进入煤矿井下救援需要经过一个较长的检测和认证的过程，文献 [19]主要就 GB 3836《爆炸性气体环境用电气设备》[20]系列标准以及国际标准 IEC 60079《爆炸性气体环境用电气设备》[21]针对煤矿救灾机器人的各个组成构件的安全问题，逐个展开分析并提出了相应的建议。

  

图2 新西兰派克河矿难Fig. 2 Pike River Mine disaster in New Zealand

11 月 23 日上午，救援队将新西兰国防军提供的2 台排爆机器人送入煤矿 (见图3)，并拍摄到了一顶矿工的废灯帽，但它仅仅行驶了约 550 m 便因进水而发生短路故障[7]。机器人的故障激怒了寄希望于高科技力量的矿工家属，并质疑救援工作。

  

图3 国防部机器人及其在矿难环境下拍摄的照片Fig. 3 Robot of Department of Defense and photos taken in environment of mine disaster

11 月 24 日上午，西澳大利亚州政府派出了第 3台，西澳大利水务公司的一种管道机器人，进入巷道进行搜救。该机器人采用差速转向，配备摄像头、灯光和气体检测设备，由一根光纤控制，最远可达 6 km[8]，适合进入大型管道内作业，如图4所示。

用于救援的第 4 台机器人由美国运来，但没有其进入矿井后的相关报道。

工信部在机器人的检测、评定工作方面走在了前头。2015 年赛迪研究院中国软件评测中心获批建设国家发改委“国家机器人检测与评定中心”，为机器人产业提供公共技术服务[22]。国评中心机器人检验检测公共服务平台落户北京，由工业和信息化部计算机与微电子发展研究中心 (中国软件评测中心) 以及北京赛迪认证中心有限公司建设和运行[23]，已经获得了国家认监委的“国家智能机器人质量监督检验中心”和“机械设备及零部件产品认证”。上海、重庆、广州等地区也相继建立了机器人检测与评定中心。

事后，为了进行事故调查，派出了第 5 台机器人，是西澳大利水务公司的另一台水务机器人。该机器人于 2011 年 3 月 15 日运至派克河煤矿，被派克河煤矿接收并送入井下，拍摄了大量爆炸后巷道内的视频资料。2016 年，警方公开了超过 13 h 的视频。机器人采用不同角度的摄像机拍摄，视频中有一些空白区域和重复的图像，时间戳也不是全部按顺序排列，但这与新西兰警方前期提供的图片完全一样，并没有以任何方式进行编辑[10]。由于机器人本身过于笨重，最终被遗留在矿井中。

  

图4 西部澳大利亚水务公司的机器人Fig. 4 Robot of Western Australia Water Company

事后，西澳大利亚水务公司向派克河煤矿负责人收取了 2 台机器人的费用约 17 万美元。2 台机器人中的 1 台是救援中第 3 台机器人，由于第 2 次爆炸而结束工作滞留在废弃的矿井中；另外 1 台是 2011 年 3月用于调查煤矿的现状，帮助警方确定矿山是否可以进入恢复阶段，这台机器人在结束调查以后，以租赁的方式留在煤矿，租赁的总成本等于机器人的成本，新西兰警方在 6 个月的时间内以每月 2 万美元左右的价格支付了机器人的费用[11]。

1.2.2 获得的经验

(1) 机器人需要进行特殊的防护设计 由于缺乏专业的设计，这次矿难救援中机器人损失惨重，甚至有人称派克河煤矿为机器人“百慕大三角”。进水短路、被障碍物卡住，矿难救援中所用的 4 台机器人都发生了故障，最终全部被遗弃在矿井内。因此，防水、越障设计对于煤矿救援机器人非常重要。

若要推动机器人的使用，就得有一系列的质量保证措施，包括机器人产品质量的检测、评定及标准化等工作。

(3) 机器人不能过于笨重 灾后调查用的水务公司机器人十分笨重，其采用四轮差速转向，在狭窄的矿井中很难避障、越障，掉头也非常困难，导致其自身无法返回。且机器人本身质量大，救援人员无法将其抬出矿井，因此进入矿井拍摄后就没有出来，留在了派克河煤矿井下。

1.3 俄罗斯矿难救援机器人

2016 年 2 月 25 — 29 日，俄罗斯科米共和国沃尔库塔市附近，由谢韦尔集团的子公司佛库道戈矿业公司经营的北地煤矿发生一系列瓦斯爆炸事件，造成 36 人死亡，其中包括 31 名矿工和 5 名救援人员。此次救援工作共有 550 人参加[12]。2 月 28 日上午的第 3 次爆炸震动了整个矿井，导致进一步的坍塌，造成被困矿工全部遇难，5 名救援人员和 1名矿工在救援过程中遇难，许多参与地面救援的人员也受了伤，救援行动随后停止。由于矿山现场过于危险，2 月 29日 EMERCOM 高风险救援中心将俄罗斯特种部队的“领导者”机器人系统运至该矿，由“领导者”机器人代替救援人员进行侦查工作，以确定再次进入矿井救援的时间[13-14]。该系统由多台机器人组成，如图5所示，配备有摄像头、气体传感器和其他计量设备，可以在偏远、黑暗、烟雾和灰尘的情况下工作，采集空气样本。

  

图5 “领导者”机器人系统Fig. 5 System of "Leader" robot

此次救援只有前期的新闻，包括机器人的演示视频，没有后期的报道，救援过程不详。

“多向互动、动态生成”的词汇课堂也可以通过改善师生之间的合作交往形式来实现。而其中最主要的形式是互动性对话。笔者深入课堂调查的结果表明“失真性” 互动是制约目前独立学院英语词汇课堂动态生成的一个重要因素。要克服这一现象，就要把民主平等、和谐宽松的师生对话落到实处，真正的对话始于平等、基于差异、重于关怀、成于创新。如以下案例。

2 中国的相关研究

国内的煤矿救灾机器人研究和开发集中在传统的矿业高校和煤矿相关企业，以中国矿业大学和中信重工开诚智能装备有限公司为龙头。

2.1 中国矿业大学

齐白石有两句题画诗：“省却人间烦恼事，斜阳古树看鸦归。”老人屡次以此题画，也可见其对恬淡心境的追求。可惜人间烦恼事不是那么容易省却的。官本位、金本位文化的影响，常常叫人淡定不能。譬如深恶特权思想的家长们，也时常不自觉参与钻营，只因为怕孩子“遭遇不公”。

  

图6 中国矿业大学第 1 代煤矿救灾机器人 CUMT-ⅠFig. 6 First generation of colliery disaster rescue robot CUMT-Ⅰmanufactured by China University of Mining & Technology

经过“煤矿井下环境探测与搜救机器人系统”和“矿灾救援机器人研究开发与应用”这 2 个国家 863计划重点项目课题的深入研究和开发，中国矿业大学与常州科研试制中心有限公司合作的 CUMT-Ⅴ型煤矿救灾机器人获得煤矿安全认证 (见表1)，其中终止日期“/”代表的是新产品安全标志证书[15]。

 

表1 常州科研试制中心通过安全认证的机器人产品Tab. 1 Certif i cated robot products manufactured by Changzhou Research & Development Center

  

安标编号MLE160001 MLE160002 MAB160422产品名称矿用防爆机器人装置矿用防爆机器人装置矿用隔爆兼本安型机器人装置主控箱产品型号ZR ZR(A)ZR-K终止日期/ / /安标状态正常正常正常

2016 年 8 月 3 日 CUMT-Ⅴ在大同煤矿集团塔山煤矿进行了井下救援试验，如图7所示。此次在塔山煤矿试用的机器人为 3 台煤矿环境探测机器人，2台煤矿救援机器人，1 台煤矿灭火机器人。现场对机器人的功能和主要性能进行验证，包括机器人在井下行走、通信以及发现着火点后灭火装置的开启等功能[16-17]。

2.2 中信重工开诚智能装备有限公司

中信重工开诚智能装备有限公司前身为唐山开诚电控设备集团有限公司，是国内知名的智能装备制造企业，是国内最早进行煤矿救灾机器人的研发和产业化的公司，该公司开发的煤矿救灾机器人及消防机器人如图8所示。

此外，Warwick Mills还开发了Metal Flex Armor(MFA)柔性装甲和SoftPlateTM防弹衣，这两种层压柔性复合材料结合了紧密织造以及与NASA合作期间开发的涂层整理技术。其中，MFA由Twaron织物与刚性结构层压制成，可防碎冰锥、皮下注射针和刀具刺穿，提供与刚性防刺装甲相同的性能，但具有更高的灵活性和舒适性。SoftPlateTM与MFA结构相似，但主要目的是防弹。

  

图7 CUMT-Ⅴ及井下救援试验Fig. 7 CUMT-Ⅴand downhole rescue test

  

图8 中信重工开诚智能装备有限公司的煤矿救灾机器人及消防机器人Fig. 8 Colliery rescue robot and fire fighting robot manufactured by CITIC Heavy Industries Kaicheng Intelligence Equipment Co., Ltd.

该公司是目前国内首先和唯一获得矿用安全标志(MA) 和防爆证的设备制造企业，其通过煤矿安全认证的机器人产品如表2所列[15]。

3 发展状况综合分析

煤矿救援机器人的发展现状可以总结为以下几个方面。

(1) 目前进行隔爆设计的机器人，存在体积庞大、笨重等问题，而且遇到水域很容易发生短路等故障，在巷道中很难灵活前行，容易被障碍物阻碍。

 

表2 中信重工开诚智能装备有限公司通过安全认证的机器人产品Tab. 2 Certif i cated robot products manufactured by CITIC Heavy Industries Kaicheng Intelligence Equipment Co., Ltd.

  

安标编号MLE110002 MLE110003 MAJ110006产品型号KRZⅠ-BT KRZⅠKBXⅠ-12终止日期2020/12/1 2020/12/1 2015/12/16安标状态有效有效过期MAK120077 MLE120119 MLE120120 MAJ120275 TBS12 KQR24Z KQR48 KQR220Z-K 2017/10/25过期正常正常正常MLE150001 KSJ24正常MLE170001 MAB170513产品名称机器人本体矿用井下机器人装置矿用井下机器人隔爆型显示器矿用隔爆型生命探测仪矿用本安型机器人矿用灾区侦测机器人地面输出本安型机器人控制显示器矿用隔爆兼本安型水下机器人矿用隔爆兼本安型巡检机器人矿用巡检机器人装置KRXJ38 ZRXJ127// / / / /正常正常

(2) 虽然防水密封性好的水务机器人能够进入危险区域，但是煤矿灾害容易发生二次爆炸，防爆设计的缺失易使第一时间进入矿井救援的机器人在爆炸中损毁，无法完成任务返回。

(3) 中国的机器人稳步发展，中信重工开诚智能装备有限公司研制的 KQR48 型矿用侦测机器人和中国矿业大学研制的 CUMT-Ⅴ型煤矿救援机器人取得了煤矿安全认证，获得了进入矿井救援的许可。

因此，从世界范围内看，煤矿救灾机器人目前只是初步使用，效果并不理想，只能对非常有限的巷道环境 (障碍少、淹水少、距离短) 和有限的救援阶段进行探测，如刚发生矿难后的快速调查、矿难之后的灾后调查等，达不到预期的效果。但即便如此，这些机器人也能代替救援队员面对二次爆炸带来的潜在危险，具备很高价值。

4 发展历程中存在的问题及对策

透过近年来美国、新西兰、俄罗斯、中国几个国家对煤矿救灾机器人的研发、使用过程中存在的问题，笔者从市场需求、政策许可、技术瓶颈 3 个维度进行分析，试图找出相应的对策。

4.1 市场需求

4.1.1 需求方分析

煤矿灾害发生不属于煤矿的常态事件，所以机器人的使用频率非常低，机器人的发展速度必然会受到使用频次的影响，研发迭代的速度也不快。因为每次灾害的情形都有很大差别，机器人救援的效果也受到很大的影响，所以即使在机器人技术发达的美国，煤矿救灾机器人的发展也非常缓慢。对于煤矿救灾机器人的市场，美国 Remotec 公司的观点是比较悲观的[4]。

(1) 采用轻质防爆材料 如碳纤维、玻璃钢、导电塑料[32]等，这些材料必须符合 GB 3836.1 对于表面静电方面的规定，强度也要符合其相关规定要求[20]。目前可以参考的是喷涂机器人，其必须符合防爆要求，而且部分壳体采用了碳纤维，大大减轻了质量。

4.1.2 购买方分析

除了煤矿救灾机器人，矿业还有许多机器人可以进入的生产应用领域，如特殊煤层采掘机器人、凿岩机器人、井下喷浆机器人、钻孔机器人、巡检机器人等[16-17]。这些机器人应用在生产领域，使用频率很高，一旦技术成熟会很快得到推广。和煤矿机器人技术相近的其他采用防爆技术的机器人，如消防机器人、喷漆机器人[18]等，其技术也可以被煤矿机器人引用，如中信重工在消防、煤矿救援等领域的机器人都有完整的产品系列，其消防机器人系列产品 (见图9)取得了商业上的成功，购买方为各级地方政府。机器人装备一般都是成套的系列产品，煤矿救灾机器人的购买方应该为具备机器人化作业的新型煤矿企业或集团，他们具备相应的人才、设备保障，能够快速对灾害做出反应。

  

图9 中信重工开诚智能装备有限公司的消防机器人Fig. 9 Fire fighting robot manufactured by CITIC Heavy Industries Kaicheng Intelligence Equipment Co., Ltd.

4.1.3 经营/使用方分析

煤矿救灾机器人和其他机器人产品一样，需要专业化的团队进行维护、保养，需要对操作人员进行培训，使用专业人员操作，需要定期对传感器进行校准检测。因此，煤矿救灾机器人的使用方需要建立起专业队伍才能满足这些要求。而对一个煤矿而言，较难建立起这样一支专业队伍，成本也相对较高。由于煤矿企业相对集中于某个区域，如果采用以地区为单位，建立一支机器人救援队伍则较为合理，这样就需要同一地区的不同煤矿集团采用合作的形式，当然也可以和安监、消防，甚至专业化救援公司进行合作，以组建完整的救援机器人经营团队。

4.2 政策许可

4.2.1 安全特许

壶天晓冷哼了一声。他并不确定自己作为猎影星族的一员究竟有什么超凡的能力，只是发现他和镜心羽衣的感应网络能穿过飞鼠的泡泡，和伙伴们建立连接。只要能突破泡泡屏障，接下来的事情就好办多了。壶天晓对自己信心十足。

目前，为了解决煤矿救灾机器人下井许可问题，许多企业也提出很多办法，如常州科研试制中心有限公司和中信重工开诚智能装备有限公司对其机器人产品采用新产品安全标志认证样机的方法。表1、2 中终止日期标识为“/”的安全证书为新产品安全标志证书，在其“发证产品详细信息”的“适用范围”里有这样的规定：本证书为新产品安全标志证书。仅依据现行通用标准及规范对产品的安全性能进行考核，存在一定的局限性，也可能存在未知风险，请持证人正确指导用户使用、维护，确保产品的安全使用。另外，在“数量及编号”栏中有“本证书对下列数量及编号的产品有效”的规定，只适用于单台或者有限数目的多台新产品试制，而不适合于大批量的生产和配备。

4.2.2 检测、评定及标准化

(2) 机器人需要特殊的环境传感设计 进入煤矿的国防部机器人原用于检测和处理爆炸物，因此没有配备风速传感器，救援人员只能在其机械臂上挂了一块碎布，用来判断隧道中是否有空气流动，这种方法不利于判断微弱的气流。因此，传感系统对于煤矿救援机器人是必须配置的。

11 月 24 日下午发生的第 2 次爆炸使得机器人的救援任务彻底结束，进入矿井的 4 台机器人全部埋没在废弃的巷道内。11 月 26 日发生第 3 次爆炸，接着又发生了第 4 次爆炸，并点燃了井下的煤炭[9]。

关于标准化工作，全国特种作业机器人标准化工作组[24]正在积极开展工作。2017 年 7 月启动了《地面废墟搜救机器人通用技术条件》[25]的编制工作。随着标准制定工作的展开，进一步的检测、评估、认证体系工作会接着跟进。煤矿是一个特殊的领域，安全要求非常严格，相信随着标准化工作的推进，煤矿救灾机器人也会很快获得准入的合法依据。

4.2.3 政策与法规

煤矿救灾机器人的配备和井下作业必须要有政策和法律作为依据。依据《中华人民共和国安全生产法》等有关法律法规制定的《企业安全生产费用提取和使用管理办法》[26-27]，于 2012 年 2 月 14 日由财政部、安全监管总局以财企〔2012〕16 号文件印发。根据该办法的十七条 (三) 中的规定，煤矿生产企业必须“完善煤矿井下监测监控、人员定位、紧急避险、压风自救、供水施救和通信联络安全避险‘六大系统’支出，应急救援技术装备、设施配置和维护保养支出，事故逃生和紧急避难设施设备的配置和应急演练支出”。煤矿救灾机器人可依据井下检测监控、通信联络安全避险、应急救援技术装备等项目进行支出。

根据《爆炸危险场所电气安全规程 (试行)》 中“对爆炸危险场所的区域等级划分原则”、《煤矿安全规程》中关于“矿用防爆电动机车在瓦斯浓度超过0.5% 时必须断电”和 GB 3836.1《爆炸性环境设备 通用要求》中的相关规定，目前的标准和规范使得煤矿救灾机器人无法进入井下。文献 [19]提出了应允许隔爆型、ib 本质安全型仪器设备用于救灾机器人，并通过对其采用高性能材料和特殊结构设计来提升机器人的安全性能，力图从标准和法律层面上解决煤矿救灾机器人下井的政策性问题。

2011 年，河北省地方标准 DB13/T 1483—2011《矿用井下探测机器人》由河北省质量技术监督局发布[28]。该标准由唐山市质量技术监督局提出，唐山开诚电控设备集团有限公司起草。可见开诚公司在标准化工作上已经取得国内甚至国际领先地位。

两组患者在服药治疗期间均未出现明显不良反应，4周后试验组与对照组中均有1例肝功能出现轻微变化，不良反应发生率均为4.17%，停药后均恢复至正常，所有患者均顺利完成8周用药治疗。

值得一提的是，喷漆机器人的相关标准对机器人应用有巨大的推动作用。由于喷漆作业处于毒害环境中，所以喷漆机器人代替喷涂作业人员在工业上应用非常广泛。喷涂作业时，各种喷涂涂料中的可挥发性有机物 (丙酮、甲苯、二甲苯、乙醚等) 在密闭的喷涂房中会形成具有潜在爆炸可能的气体环境，喷漆区内爆炸性气体环境为 1 区危险区域[18]。喷漆机器人由于长期工作在爆炸性气体环境内，其危险程度不亚于煤矿救灾机器人，其参照标准从 1990 年国家机械专业标准 ZB J28 002—90 《喷漆机器人 通用技术条件》到 1999 年由国家机械工业局修订的 JB/T 9182—1999《喷漆机器人 通用技术条件》[29]，再到 2014 年由工业和信息化部发布的 JB/T 9182—2014《喷漆机器人通用技术条件》[30]，近 30 年历经多个版本的修订，保证了喷漆机器人能够在特种作业环境下使用，给机器人生产制造厂家提供了明确的法律保障，这也给煤矿救灾机器人提供了一个很好的示范作用。

煤矿瓦斯二次爆炸的成因比较复杂，但是引发二次爆炸主要还是由于矿难本身的状态 (综合原因、成因复杂) 造成的，是人为无法预防和阻止的，机器人不是二次爆炸的主要因素[31]。是否采取特别严格的防爆措施 (0 区，可以采用 2 区的要求，并增加一些) 并不是那么重要。煤矿救灾机器人最重要的作用是能够在灾后快速、远距离地采集爆炸后矿井内环境的气体成分，帮助后台的救援人员对井下环境做出正确的判断，并决策是否派救援人员深入井下开展救援工作，以减少后续救援过程中的人员伤亡，为救援方案提供准确依据。过度的防爆措施 (设计) 会给机器人带来巨大的体积、质量负担，造成一系列的问题，如移动速度缓慢、越障能力差、行动距离短、待机时间短等，导致无法完成探测和救援任务，希望有关部门对煤矿救灾机器人的标准、法规方面予以特殊的规定，使得这项技术能够真正造福广大煤矿职工。

4.3 技术提升

技术提升是推进煤矿救灾机器人发展非常重要的一个方面。尤其是在防爆设计、防爆材料、轻量化结构、电子设备集成化、人工智能以及测试手段等方面的提升，是煤矿救灾机器人走向实用化过程中必须要解决的问题。

例（3）中拒绝行为就是一种有伤面子的行为，因此，商务人士在拒绝对方时要谨慎，尽量修饰自己的拒绝行为，使自己的拒绝言语行为显得间接，因为拒绝言语行为越间接，就越显得说话人有礼貌，越有利于双方的谈判沟通。例（3）中卖方表示不能满足买方对该商务的需求，用“regret”来缓和语气，表达同情。接着又提出一旦有新货供应，将再和买方接洽商谈。这表明卖方的态度，原意与买方合作，只是目前的客观情况，只能暂时拒绝，后期有再合作的机会。这不但给对方留了面子，也符合礼貌原则中的“一致准则”。

4.3.1 新型防爆材料及轻量化结构

目前煤矿救灾机器人的防爆壳体主要由钢铁制成，质量非常大，美国 V2 机器人为 1 200 磅 (约 544 kg)，中国矿业大学的 CUMT-Ⅴ型机器人约为 500 kg，其余机器人的体积、结构也与之相似，可以推算出质量也大致相仿。更大的机器人本体质量需要使用更大的驱动电动机、驱动电路，更重的电池，如此沉重的机器人一旦电量不足、短路、被障碍物卡住，三四个救援队员无法搬动，就很难再出矿井。因此新西兰派克河矿难中的 4 台机器人都遗弃在矿井中无法出来[7]，造成了巨大的损失。机器人的轻量化是煤矿救灾机器人实用化最重要的工作之一，应从以下几方面着手进行防爆和轻量化设计。

煤矿事故的不连续性导致了市场需求的不连续性，虽然在某种程度上制约了煤矿机器人的发展，但是从社会需求的层面上，这种灾害涉及到广大人民群众的生命财产安全问题，一旦发生，伤亡人数众多，造成的影响极大，因此还是有非常大的社会需求，应当积极地从官方途径制定政策，引导煤矿企业的需求；另一方面，随着时代的发展，和对生命的更加重视，不仅仅是煤矿救援机器人，煤矿工作机器人也会越来越多，而利用煤矿工作机器人进行救援工作也足以推动企业的需求。

(2) 采用传统材料+表面改性工艺处理 也可以采用传统轻质材料和传统工艺制作基体，然后采用特殊工艺提高其表面导电性，以避免表面静电的产生和提高抗冲击能力。表面可采用弹性体材料[33]进行涂覆处理，如聚脲涂料等[34]。

(3) 壳体采用一体化结构设计 采用压力铸造工艺生产壳体，如目前的手机、笔记本电脑壳体等，许多都是采用该结构工艺制作[35-36]。一体化壳体结构坚固、紧凑、质量轻，非常有利于机器人的轻量化设计。

中国矿业大学对于煤矿救灾机器人的探索始于2004 年，由葛世荣教授提出并组建了国内首只研发队伍[2]，第 1 代机器人于 2006 年诞生 (见图6)，具备基本的遥控移动、视频传输、危险气体探测及物品移动能力。

4.3.2 电子设备集成化

(1) 提高电路集成程度 一方面可以降低功耗、缩小电路面积、提高电路的可靠性，另一方面还可以减小防爆壳体体积，降低整机质量。

(2) 采用总线设计 各种电线接头处电线都需要弯曲、交叉，所占的空间也非常大。采用总线连接可减少单独连线数量，不仅可靠性高，而且方便更换各种模块。

(3) 加强电路散热设计 由于防爆的需要，机器人的电路都被密封在狭小的壳体内，而且机器人工作在灾害后的矿井内，内部热量很难散出，因此机器人的电路应尽量采用壳体作为散热的媒介，结构上应有将热量导入壳体的结构设计。

(4) 采用双冗余设计 核心器件应采用双冗余设计，尤其是中央处理单元，避免因为死机造成的整台机器人失效。

4.3.3 人工智能

4.3.3.1 自主导航技术难以应用

现有的煤矿救灾机器人系统都是采用遥控方式，原因有以下几方面。

(1) 结构/安全限制 由于必须遵守一些安全方面的设计[19]，许多传感器无法使用在煤矿救灾机器人上，如激光、超声等传感器的使用都受到了严格的控制，许多机器人只配备了摄像机和危险气体传感器。没有大量的传感器做支撑，无法实现智能化的导航控制。

为使流经导流片①A的水流能均匀地沿水平方向流动，在①A与收缩段之间设置整流段，并在整流段安置蜂窝器，可对水流起导向作用，并能降低水流的横向湍流强度。图6给出蜂窝器附近不同断面的湍动能分布。从图6中可看出，现有的整流蜂窝器能起到有效的整流作用，水流经过蜂窝器之后湍动能得到有效降低。

(2) 环境恶劣 由于井下环境极其恶劣，作为遥控机器人最重要的传感器摄像机，在昏暗、潮湿、充满粉尘的环境下，导航背景又是对光吸收最大的黑色物体煤炭，提取的图像信息很难进行相关的人工智能算法的学习、计算和训练，只能采用人工遥控的方式进行导航控制。

(3) 煤矿的非结构化环境 目前的人工智能算法还都处于相对初级的阶段，在结构化环境下能够比较好地执行导航工作，但对于非结构化环境还不能很好地适应。

国家能源局日前召开新闻发布会，介绍2018年前三季度能源形势等情况。国家能源局发展规划司司长李福龙表示，前三季度，全国能源消费继续回暖，供给质量不断改善，能源结构进一步优化，能源转型持续推进，主要指标好于预期。

基于此，传统机器人研究领域的导航技术，目前很难用在煤矿救灾机器人上，但是还有一些应用领域可以用到人工智能的相关技术。

4.3.3.2 借鉴其他领域的人工智能技术

(1) 语音识别和分析 在煤矿灾害环境中，在各种噪声情况下正确识别判断各种求救声音信号，包括人声、敲击声、爆炸声等的智能识别和方向判定。

学音乐的都知道，该高调的时候就要高调，如果该高调的时候低调了，那叫跑调。——周立波告诫，不要相信“做人要低调”这句话

(2) 图像增强和障碍物识别 恶劣环境下的图像去噪与增强，以便于机器人操控员识别判断机器人周边环境及障碍物分布，能够使其具有部分的识别能力，对井下障碍物进行智能识别测量，协助操作员对机器人做出越障、避障等决策。

(3) 危险气体组分分析和识别 采用组合式气体成分传感器对灾害环境下的气体组分、分布进行记录和分析，协助机器人操作员判断机器人环境危险性，以利于做出正确的操作。

(4) 基于图像特征的位置导航 通过机器人视觉系统对灾后环境内还存在的各种井下几何、图像特征进行判断，如各种标志物与标志牌的识别，结合机器人导航系统分析机器人所在位置，以利于机器人操作员做出准确的导航判断。

4.3.4 测试手段及研发方法

机器人和其他所有的机电、电子产品一样，其软件、硬件的研发离不开测试与开发的方法。煤矿救灾机器人作为特种环境机器人，出现在井下灾区救援的时间有限，如何在这种条件下更好地适应灾区环境，避免前述机器人在救援过程中遇到的问题，可以采用以下几种方法开展测试与研发工作。

(1) 虚拟测试技术 目前虚拟测试有三类：基于虚拟仪器的虚拟测试技术、基于虚拟现实的虚拟测试技术、基于软件仿真的虚拟测试技术[37]。这些测试能够对煤矿救灾机器人的功能性、可控性、鲁棒性等进行测试。基于软件仿真的虚拟测试是较为常见的测试技术，常用的软件有 ANSYS、RecurDyn、MATLAB等。基于虚拟仪器的测试常用的软件有 LabVIEW。基于虚拟现实的测试，能够在计算机内仿真出和真实机器人相似的机器人物理模型，将所有机器人的控制程序运行其上，能够对机器人进行完整的控制和操作，目前已经是机器人测试领域的重要的组成部分，常用的软件有 Evolution Robotics ERSP、Microsoft Robotics Studio、OROCOS、Skilligent、URBI、Webots、Player、Stage、Gazebo、iRobot AWARE、Open JAUS、CLARAty、V-REP、Unity3D 等。

(2) 半实物仿真测试 半实物仿真是一种将控制器 (实物) 与在计算机上实现的控制对象的仿真模型(数学仿真) 联接在一起进行试验的技术[38-40]。煤矿救灾机器人的使用环境恶劣，一般很难进行整机的现场试验，可以采用三综合试验机 (温度、湿度、振动) 模拟机器人恶劣的使用环境，结合虚拟测试对机器人的控制系统进行半实物仿真测试，测试机器人控制器的可靠性和功能性。

根据ANOVA分析结果可知，专家评估皮肤光泽度、皮肤粗糙程度、色素沉着明显程度及拟合水光指数4次测试的结果均无显著差异，说明各评估参数具有较好的重复性。

(3) 缩比模型试验 在真机体积较大无法开展试验，或者试验的代价巨大的情况下，采用缩比模型代替真机进行试验。缩比模型风洞试验可以用在具有飞行功能的煤矿救灾机器人上[41]。对于一些大型机器人的电磁兼容试验，也可以采用缩比模型进行[42]。

模块能够提供企业应急预案信息的录入、修改、删除等功能，系统用户可以通过新增或修改将企业应急预案信息提交到后台数据库中。也可将不再需要的信息进行单独和批量删除。

(4) 迭代式开发 一般用于系统性工程开发，常见于软件开发，是将整个开发工作分解成一系列短小的小项目，每一次迭代都包括了从定义、需求分析到设计、实现与测试的整个过程。这种方法能够渐进式地将复杂的问题简单化，不断地根据客户的反馈来细化需求，从而利用迭代的过程来不断完善整个项目解决方案[43]。煤矿救灾机器人的产品及开发是一项复杂的系统工程，集成了机、电、软件等技术。在设计初期，应将其划分成许多个独立的开发单元进行独立开发，如驱动单元、驱动机构、控制软件、视频传输单元等等，每一个单元则划分成若干个开发阶段，如驱动单元的接口设计、驱动设计、嵌入式软件设计、电动机驱动试验、负载试验等小项目，每个小项目也要持续进行迭代改进，将复杂的问题划分为一个个小问题，依靠逐步改进来完善整个机器人产品。

5 结语

目前，无论是在国内还是在国外，煤矿救灾机器人的发展都仍旧是个难题，还没有进入到实用的阶段，原因是多方面的，并非仅仅是技术层面的问题。通过对煤矿救灾机器人应用案例的介绍和分析可知，必须从市场需求、政策许可、技术提升等多个维度扫除煤矿机器人发展的障碍，才能使其真正地进入矿井，开展救援工作。

包括总酸、氨基酸态氮和还原糖含量的测定，测定方法具体参照标准《GB18186-2000酿造酱油》[24]。

参 考 文 献

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