煤矿无人机智能系统设计与实现

侯 刚

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

随着智能化矿山建设的发展，对矿井区域内地表、生态、安防和主要设施、设备的监控管理的要求也日趋智能化[1]，煤矿无人机智能系统通过航测无人机、安防无人机、设备巡查无人机、无人机智能管控软件[2]，实现了对矿区地表和生态环境的周期监测[3]、矿区范围内的空中安防和警戒、主要建筑重要设备的定期巡检。无人机在煤矿的应用在成本上节省了人力资源、减少了其它设备投资[4]，在安全上实现了矿区大面积、复杂、险峻生态条件下的全面监控，规避了人工风险[5]，在智能化方面实现了数据信息可追溯、智能管控和数据的深度分析处理，实现了矿井地面区域的高效监控[6]。

1 煤矿无人机智能系统组成

煤矿无人机智能系统主要由无人机、遥控设备、移动终端设备、服务器和用户操作端几个主要部分组成，系统组成示意如图1所示。

图1 无人机智能系统组成

无人机按照使用功能配置有小型航空测绘无人机、安防巡查无人机、设备巡检无人机三种无人机机型。航空测绘无人机设计选用深圳市大疆创新科技有限公司生产的DJI Phantom 4 RTK无人机，该机型实现了视觉避障+超声波测距避障系统，配合上位机软件实现了生态厘米级建模。矿区安防巡查深圳市大疆创新科技有限公司生产的DJI M210 V2无人机和DJI Mavic 2行业双光板无人机，DJI M210 V2无人机实现了前视下视上视视觉避障系统，DJI Mavic 2行业双光版无人机实现了视觉避障系统、大于等于24GB机载内存(机载内存可加密)、可见光成像+红外热成像系统。设施设备巡检选用了DJI M210 V2无人机。三种无人机机型都实现了最大可承受5级风 12m/s风力、8km通视环境测控距离、-20℃ 至 40℃工作温度、无线+4G备份通信链路功能。根据不同的功能给相应的无人机分别设计配置了Z30变焦相机云台、XT2A25SR双光云台、X5S相机、TB55电池、精灵4电池、DJI Mavic 2行业双光版电池、M600用X3/X5安装支架、M200用XT2转接座、M210喊话器、M210随动补光灯等负载配件。建模和智能管控平台使用深圳市大疆创新科技有限公司的TERRA、FLIGHTHUB司空政企版。

2 煤矿无人机智能系统功能设计

2.1 基于二维、三维建模的地表沉陷及生态环境监测功能设计

为掌握矿区综合生态环境状况，需对矿区地表下沉及生态环境的综合监测，矿区以往大都采用在地表多点固定位置，安装相应监测传感器实现对地表沉陷监测[7]，因矿区面积大、地形复杂，在安装、维护、通信上难度大。生态环境监测及建模依赖于专业的测绘遥感飞行器，需有专门的遥感测绘单位完成[8]，这种测绘方式成本高周期性长。

此设计立足于小型无人机进行地表二维、三维监测和重建技术，系统根据监测区域自动生成航测路线，航测周期为一星期一次，最终实现精度达到厘米级的地表沉陷及生态环境监测。该过程为三个主要流程，第一步为无人机外业数据采集、第二步为业内数据处理、第三步为数字线划图生产，其工作流程如图2所示。根据张家峁煤矿实际矿井范围将检测范围三个区域，每个区域分别设置四个区域像控点坐标实现对监测区域的精准划分，为了提升建模的绝对精度对区域像控点进行了优化选取，每个像控点具有明显的特征易于区分，现场测量了每个像控点的三维坐标，系统具备手动将改点的坐标与拍摄到该点的坐标进行对应并调整到正确刺像控位置的功能。通过无人机搭载激光雷达对采煤塌陷区实现倾斜摄影航拍，通过拍摄多角度的图片，单张获取2000万像素的照片，通过多次飞行和多台无人机集群化作业拍摄一组正射航线视角影响4组不同朝向角度倾斜航线视角影像，采用RTK动态差分技术，利用载波相位实时处理测站之间观测量的差分方法，高精度RTK模块具有精准的时间同步实时位置补偿，配合搭载的GPS、GLONASS、BEIDOU、GALILEO实现了在野外实时厘米级定位精度信息，保证了无人机准确到达像控点位置，同时准确记录下拍摄时刻相机的位置。通过飞行过程中基于同步定位、地图构建和影响正射纠正算法实时生成二维正射影像，实现边飞变出图快速获取数字二维初步正射影像，可及时发现问题灵活采区具有针对性的应对措施。在飞行过程中实时生成三维点云实现实时摄影测量，通过后倒入建图方式生成高精度、高分辨率正射影像图，通过建立数字高程模型、数字表面模型、数字线划图、最终建立实景三维模型，通过三维模型能快速获取矿区地面沉陷区的精准信息，通过对整个矿区地表坐标、距离、面积、体积等多种关键数据自动分析，实现对煤矿地面塌陷及周边生态环境的自动监测分析，通过三维模型可以快速查看任意点处的具体照点及图像信息，对具体情况进行核查。

该设计方案不但受外界条件影响小、成本低、而且缩短了作业周期。无人机监测矿区地表沉陷及生态环境，可快速展现地表2D和3D形态。通过对地表环境的监测，集成生态气象环境的监测，可实现对矿井综合生态环境的综合监测和分析，对生态灾害进行预防式判断分析。地表沉陷及生态环境监测效果图如图3所示。

图2 地表沉陷及生态环境监测流程图

图3 地表沉陷及生态环境监测

2.2 智能空中安防巡查功能设计

目前矿区安防大多都采用摄像头、红外对射传感器加人工巡逻的方式[9]，该方式存在设备投入大，监控方式固定、人为因素多等问题。本次设计通过搭载摄像头的无人机，在煤矿矿区内根据规划的路线进行飞行，对安全防范维护的区域进行全方位立体监控，将所防范维护场所的实时画面通过网络进行实时传输，实现昼夜巡检、空中立体全方位监控。智能无人机管控平台可通过运用视频监控AI技术，对特定区域内的可疑人员进行追踪，对嫌疑人的照片、个人行踪等信息进行上传和分析，引导地面安防工作人员采取针对性的行动。

智能空中安防巡查为了保证实时效性可以进行区域划分，以陕北地区煤矿为例将安防分为5各区域，每个区域使用DJI Mavic 2行业双光版进行安防巡查，巡查频率及路径可以智能生成和规划；除常规周期化安防巡查，还可安排随机抽查。夜间巡查时，如使用DJI Mavic 2 行业双光版发现异常，能快速出动DJI M210 搭载补光灯及云台相机负载到达现场，抓拍异常情况，起到震慑作用且留存证据。

2.3 矿区基础设施、设备可见光红外热成像巡检功能设计

对矿区洗煤厂、变电站、楼宇等基础设施和通信基站、输电塔、输电线路等大型重要设备进行日常检查时，因为视角有限，距离远难以靠近，许多部位难以查看[10]。通过设施设备巡检无人机实现了从不同角度进行详细检测，通过变焦相机放大细节，及时发现设备故障和隐患，保障生产安全[11]。无人机采用光学变焦巡检及红外热成像巡检技术，可对巡检设施和设备进行光学和热成像对比，对设备隐患和温度进行实时掌握[12]。可对高危特定事物进行高频率重点实时监测。可见光和热成像巡检效果图如图4所示。

图4 可见光和热成像巡检

3 无人机智能管控平台设计

无人机智能管控平台实现了在煤矿特定的生产环境中进行无人机设备及业务管控功能，具备资源管理功能，包含固件管理、解禁证书管理[13]。具备业务管理功能，包含实时状态画面、远程和智能控制的实时状态监控功能；航线智能规划与实时干预、航线库同步的航线管理功能；飞行日志、视频、数据归档的存储功能；无人机系统架构、任务功能角色的管理功能。具备与矿井智能化系统融合数据共享的功能[14]。智能管控平台功能框图如图5所示。

图5 智能管控平台功能框图

3.1 地表沉陷及生态环境监测功能智能管控流程设计

1)无人机起飞前检查：检查无人机集体完整度、机身电量、风力及雨雪等天气状况。

2)航线设置：设置相应无人机飞行航线及航测模式。

3)无人机起飞、降落、更换电池。

4)无人机回收：无人机安全降落后正确装箱。

5)数据处理、模型重建：在上位机平台上进行数据整理、建模、文件及重建模型。

6)模型分析、地表沉陷情况监测：周期性对比地表重建模型高程数据，监测沉陷情况，对各区域按时间顺序进行沉陷监测记录。

7)模型分析、生态环境监测：周期性对比地表生态环境变化，对各区域按时间顺序进行沉陷和生态监测记录[15]。

3.2 智能空中安防巡查功能智能管控流程设计

1)无人机起飞前检查：检查无人机集体完整度、机身电量风力及雨雪等天气情况。

2)航线设置：根据安防区域图，设置相应无人机飞行航线及航测模式。飞行航线避开过高建筑物，保证飞行航线安全。

3)无人机起飞、降落、更换电池。

4)智能管控：结合矿区网络，对无人机进行任务航线下发，视频实时回传，等管理，实现飞行流程平台化管理，信息采集云存储，信息可回溯等矿区安防信息管理要求。

5)应急响应：如使用DJI Mavic 2行业双光版发现异常状况，及时放飞 DJI M210 搭载适宜负载进行支援，实现异常状况报警，支援无人机及时到位。

6)无人机回收：无人机安全降落后正确装箱。

3.3 矿区基础设施、设备可见光红外热成像巡检功能智能管控流程设计

1)无人机起飞前检查：检查无人机集体完整度风力及雨雪等天气情况。

2)航线设置：根据现场设备布置情况设置，远离电磁干扰及遮挡，保证飞行安全。

3)无人机起飞、降落、更换电池。

4)设备信息采集：对被巡检设备的关键结构，部位进行精细可见光观察，对热敏感部位进行红外热成像观察。

5)巡检信息管理：现场巡检信息通过无线回传，存储在矿区服务器里。按设备种类、时间顺序归类保存，便于追溯。

6)无人机回收：无人机安全降落后正确装箱。

4 设计实现及效果分析

该设计方案在陕煤集团神木张家峁矿业公司进行实际应用，现场共采用航空测绘无人机DJIPhantom4RTK3架、DJITERRA1套，安防巡查无人机DJI M210V2 3架、DJIMavic2行业双光版5架、X5S相机1个、Z30变焦相机云台1个、补光灯1个，设施设备巡检无人机人DJI M210 V2 3架、Z30变焦相机云台1套、XT2A25SR双光云台1套，无人机智能管控平台1套，经现场测试实现了对地表沉陷和生态环境变化的厘米级监控，对矿井区域的空中全方位立体巡查，对重要设施和特定设备进行自然光和热成像的综合监控，实现了对无人机系统的智能管控，为张家峁智慧园区和智慧矿山建设起到积极作用。

5 结 语

目前实现了厘米级的地表沉陷和生态环境监测，后期针对矿区特定环境进行精度提升方面的研究工作。煤矿无人机智能系统虽然实现了地表生态、安防、设备的巡检，也可以完成特殊事件的监控，实现远程警戒、远程预警、避免无关人员进入、远程操作监控、保证人员安全的功能，后期应考虑在矿井项目施工进度管理、工程现场建模上进行研究应用，通过无人机实现工程规划设计可视化、对工程现场进行2D和3D建模，达到工程进度和工程量的实时掌控的目的。后期也可在设备盘点、物体体积测量等方面进行探讨研究。