From tunnel boring machine to tunnel boring robot: perspectives on intelligent shield machine and its smart operation

Advances in intelligent shield machines reflect an evolving trend from traditional tunnel boring machines(TBMs)to tunnel boring robots(TBRs).This shift aims to address the challenges encountered by the conventional shield machine industry arising from construction environment and manual operations.This study presents a systematic review of intelligent shield machine technology,with a particular emphasis on its smart operation.Firstly,the definition,meaning,contents,and development modes of intelligent shield machines are proposed.The development status of the intelligent shield machine and its smart operation are then presented.After analyzing the operation process of the shield machine,an autonomous operation framework considering both stand-alone and fleet levels is proposed.Challenges and recommendations are given for achieving autonomous operation.This study offers insights into the essence and developmental framework of intelligent shield machines to propel the advancement of this technology.

综合管廊智能机器人应用

随着城市化的快速发展,城市综合管廊作为重要的基础设施,其管理和维护面临着日益增长的挑战。智能机器人技术的引入为城市综合管廊的高效、安全管理提供了新的解决方案。本文研究了智能机器人在综合管廊中的应用。通过理论分析和实际案例研究,探讨了智能机器人在综合管廊的管理中显著提高巡检效率、有效降低安全风险等方面的积极作用,可为相关工程实践提供参考和借鉴。

基于雷达机器人的隧道衬砌高效检测技术研究

为解决隧道衬砌结构病害检测中设备布设困难、检测效率低下、结果不具代表性等问题,设计由四旋翼-四驱动结构搭载900 MHz无线雷达、运行速度为18 km/h的隧道衬砌雷达检测机器人,设定力学指标满足机器人沿衬砌环向曲面行走的功能,并研制重力传感器用于路径校准。依据雷达机器人采集的结构损伤信息,开发雷达信号轻量化网络模型,对钢筋、厚度不足、不密实与空洞4类衬砌内部常见的异常信号进行自动分类,并输出空洞顶部与底部反射的信号时间窗,可用于空洞信号的精准定位与深度测算。在小笠尖隧道与鹿山隧道开展实际工程检测应用,并完成现场打孔验证。工程应用及验证结果表明:1)雷达机器人能快速稳定完成结构数据的自动化采集,与人工检测相比,检测数据精度较高,检测4000 m^(2)衬砌由3 h缩短至0.5 h;2)雷达信号轻量化网络分类精确度指标F1分数与mAP@0.5分别为0.93与97.51%,优于雷达图谱模型并且计算量较小;3)定位模块在不同位置处对空洞深度尺寸的预测准确率均大于80%,输出位置、深度信息与现场打孔结果一致,证明了雷达机器人在病害自动化检测中的有效性。

公路隧道巡检机器人关键技术应用研究

公路隧道巡检机器人是一种结合先进技术的智能化设备,其研究与应用对于提高公路隧道安全性和效率具有重要意义。采用精准的定位系统和路径规划算法,机器人可按照预设路线巡检,避开障碍物,提高巡检效率。文章探讨了公路隧道巡检机器人关键技术及其应用现状,旨在为相关领域的研究与实践提供参考。

煤矿巷道智能掘进机器人系统关键技术研究

按照国家“加快煤矿智能化发展”的战略部署,贯彻“采掘并重,掘进先行”方针,针对煤矿巷道掘进存在地质条件复杂、工艺装备落后、作业人员偏多、操作环境恶劣、安全风险严竣、采快掘慢失衡等问题,深入总结分析国内外煤矿巷道智能掘进技术的研究动态,指出存在的不足和亟待解决的问题。针对煤矿复杂地质条件下的巷道掘进难题,研发了一种全新的集截割、临时支护、钻锚和锚网运输等并行智能协同的煤矿巷道掘进机器人系统。通过研究进展分析、理论方法探索以及研发实践,提出构建煤矿巷道智能掘进机器人系统的3大关键技术问题及其研究内涵,创建解决关键技术问题的研究体系架构:煤矿巷道掘进机器人系统建模与围岩耦合机理;煤矿巷道掘进机器人系统智能协同控制技术,提出数字孪生驱动的虚拟现实远程智能控制方法;煤矿巷道快速掘进机器人系统精确定位定向和定形技术,提出机器人系统全局和局部精准定位定向及断面截割精准定形控制方法。破解复杂地质条件下的煤矿巷道智能掘进机器人系统关键技术难题,对于研发高质量、高可靠、高效率、高智能的煤矿巷道智能掘进机器人系统,从根本上改善掘进工作面环境,解放生产力,全面提高煤矿巷道掘进效率和质量。

煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展

基于煤矿巷道掘进智能化、无人化的发展要求,综述了悬臂式掘进机综掘技术、连续采煤机掘进技术和掘锚一体化掘进技术3条掘进作业线的国内外发展现状,依据国家煤炭安全监察局发布的《煤矿机器人重点研发目录》中对煤矿掘进机器人的规划,从感知、决策、执行3个层面分析了煤矿掘进机的机器人化应具备的特征,感知层通过多类传感器对煤矿井下巷道环境信息进行采集感知,决策层分析和求解作业任务,并融合感知层传输的环境信息,制定规划出最适合的控制策略,执行层接收决策层的指令,对机器人化掘进群组的位姿和运动进行控制。系统阐述了机器人化掘进群组关键技术:掘进机器人的自主定位、煤岩识别与自动截割、远程监控与故障检测等技术;临时支护机器人的自动支护技术;钻锚机器人的平行钻锚技术;辅助装载输送机器人的同步运输技术等。对比分析国际先进机器人化掘进装备和群组,结合我国煤矿巷道掘进技术与装备的现状,提出了煤矿掘进机的机器人化技术与装备发展思路和研究方向:冲击致裂-快速掘进新技术;远程前探-精准惯导新技术;协同掘支-自适护顶新装备;钻锚一体-智能锚固新装备,实现钻探-掘进-支护-锚固-运输协同作业的机器人化掘进群组快速掘进技术,最终达到煤矿巷道掘进作业少人化、无人化的目标。

隧道电缆巡检轨道机器人智能越障控制方法研究

针对传统隧道电缆巡检机器人智能越障控制方法控制能力差的问题,研究了一种新的隧道电缆巡检轨道机器人智能越障控制方法,探究了巡检机器人的工作环境,引用D-H参数法建立巡检机器人越障模型,分析每个机器人的关节变量,得到机器人末端执行器的位置和姿态,使用求近似解值法求出力矩和的最小值,通过逆向求解计算出巡检机器人绕线偏转扭转角度,利用优化算法分析机器人越障运动工作空间,建立三维坐标系,并将分解成X-Y坐标系、Y-Z标系、X-Z坐标系,确定末端夹持器在各轴上弹出的最大距离,判断巡检机器人是否能够实现越障,根据反馈结果,进行智能控制。设计实验验证该控制方法有效性,结果表明,该控制方法得到的巡检机器人电压值更接近理论值,可以有效帮助机器人精准地实现越障操作。

护盾式智能掘进系统截割机器人截割能力研究

为研究全断面滚筒截割在不同硬度煤岩掘进截割过程中截割力变化规律及截割力与煤岩硬度的相互关系,攻克煤矿巷道护盾式智能掘进机器人系统截割控制难题,以护盾式智能掘进系统中的截割机器人为研究对象,采用理论分析、系统仿真和现场试验等相结合的方法,研究护盾式智能掘进系统截割机器人截割能力。结果表明:当截割速度及截割深度一定时,截割力随煤岩硬度增大而增大;当截割煤岩硬度及截割速度不变时,截割机器人的截割力随截割深度的增加而增大,且截割速度、煤岩硬度不变时,可得到截割机器人的最大截割深度;截割机器人截割试验结果与仿真结果保持一致,对比误差在较小范围内。证明仿真研究方法可用于截割机器人截割作业控制的研究,来确定截割机器人的截割能力,为煤矿巷道快速掘进截割提供理论依据。

巡检机器人在公路隧道运营中的应用

针对衬砌病害智能化检测在公路隧道运营中的应用,介绍国内外智能检测技术硬件装备和基于衬砌图像的病害检测算法,并重点梳理隧道巡检机器人的关键技术方案和应用情况,提出了巡检机器人在交通隧道应用面临的技术问题和解决思路,展望了隧道巡检机器人在交通隧道运营安全方面的应用前景。

基于模糊PID的智能掘进机器人系统轨迹纠偏

针对智能掘进机器人系统在定向掘进过程中受地质条件、路况等因素的影响导致实际机身位置偏离规划路线的问题,提出一种基于模糊PID的智能掘进机器人系统轨迹纠偏算法,利用模糊控制规则对PID的比例系数、积分系数、微分系数进行实时在线调整,实现智能掘进机器人系统轨迹纠偏。最后搭建实验平台进行实验验证,对比了传统PID算法和模糊PID算法的纠偏效果,实验表明:同传统的PID相比,模糊PID可以更快地消除横向误差来实现运动轨迹纠偏。

大型风洞设备的智能化研究

大型风洞设备作为空气动力学研究以及航空航天等先进武器装备研制的基础性战略性资源,是一种多学科高度融合的大科学装置,其技术复杂、建设周期长、投资规模大。为了提升我国大型风洞设备的智能化水平,提高其流场品质、运行效率和试验能力,文章从制造装配、测量控制、压缩机运行、低温机器人、健康管理及振动控制等6个方面提出了大型风洞设备智能化措施,并针对相关关键技术问题,给出了未来需要重点研发的方向性建议,为推动风洞设备向深度智能化发展提供了借鉴。

煤矿智能掘进机器人数字孪生系统研究及应用

针对煤矿井下巷道掘进过程中环境复杂多变,存在掘进效率低下、智能化程度不高等问题,论文提出了一种基于数字孪生技术的煤矿井下智能掘进机器人监控技术。在数字孪生体技术通用参考框架的指导下搭建了智能掘进数字孪生系统参考框架,分析了面向掘进的数字孪生系统成熟度模型,通过对智能掘进机器人系统及其组件进行数字孪生实例化设计,实现智能掘进机器人群掘-支-运平行作业协同控制。为了适应陕北地区的复杂地质条件,设计了盾体式临时支护+横轴式掘进机的智能掘进机器人并介绍了其各组成部分工作原理。设计了智能掘进机器人数字孪生系统控制架构,详细描述了其数据感知模型。并以小保当矿业有限公司智能掘进机器人系统为应用案例,展示了智能掘进机器人数字孪生系统的研究和应用情况。研究显示该系统可适应复杂地质条件下多机器人掘-支-运平行作业协同控制,结合虚拟现实有效整合多源数据,可实现多机器人掘进过程的智能感知与远程控制,有效提升巷道掘进的智能化水平,保障巷道掘进效率和成型质量。

轨道隧道巡检现状及智能检测机器人发展趋势

从轨道交通运维对轨道和隧道巡检需求出发,综合分析了轨道交通巡检的现状和存在的突出问题,总结国内外巡检方式的差异。结合当前大数据、物联网、人工智能、无人驾驶、机器人等前沿科技发展趋势,提出了机器人智能巡检的发展方向。针对轨道交通特殊的运用环境特征,指出轨道交通巡检机器人的7个关键技术研究方向,最后对轨道交通巡检机器人的应用前景进行展望。

城市地下综合管廊智能消防机器人设计

针对国内城市地下综合管廊消防现状分析以及现有消防设备的不足,设计了一款集智能巡检、自动报警、灭火三大功能于一体的城市地下综合管廊智能消防机器人,不但提升了巡检和消防效率,而且解决了现有设备功能单一、重复投资等缺点。尤其是针对复杂的管廊空间环境,设计了并联支撑-电动履带行走和H型导轨吊装行走两种模式,可以根据实际情况选用合适的行走模式,有力地支持了机器人的智能巡检实施,极大地丰富了机器人的智能巡检功能。

我国煤矿坑道钻探装备技术进展与展望

煤矿坑道钻探装备技术在发展过程中受到诸多不利条件的限制,导致新技术发展滞后,随着我国煤矿大力推进智能化建设,给煤矿坑道钻探装备技术带来了革命性的发展机遇。通过分析国外坑道钻探装备的技术特点和发展状况,以及国内坑道钻探装备技术的3个阶段发展,包括初级阶段的分体式钻机与稳定组合钻具轨迹控制方法,蓬勃发展阶段的履带式钻机、定向钻进装备技术及松软煤层钻进技术,新发展阶段的自动化和智能化装备技术,提出了今后我国煤矿智能化发展阶段钻探装备技术需要解决的关键问题,为推进钻探装备技术智能化水平的提高提供支撑。

隧道反光环清洗机器人的设计与实验研究

为解决隧道反光环清洗困难的问题,设计一种隧道反光环自动清洗机器人。分别对机器人主框架、行走装置、清洗装置和智能检测系统等部分进行了规划与设计,确定各部分的主要功能和实现方式,并利用ANSYS Workbench对主框架进行静力学分析。机器人样机真实隧道环境实验结果表明:该隧道反光环清洗机器人结构与控制设计合理,工作状况良好,在不影响隧道正常通车的情况下完成了反光环的清洗。

隧道清洗机器人智能调度方法

针对目前隧道清洗机器人作业调度中采用定时的僵化作业模式,造成电力、消防资源浪费,并干扰驾驶人行车安全问题,提出一种隧道清洗机器人智能调度方法。该方法首先依据隧道车流量、温度、湿度等影响因素,形成了对基础设施运营性能时变模型的描述。在此基础上,考虑基础设施运营性能、机器人作业成本、对隧道交通流的影响等,构建了隧道清洗机器人调度的级联优化模型,分别对机器人调度周期及作业时间进行优化,以实现机器人的高效运营。将该方法与常用的基于人工经验的定周期调度方法进行实验对比,结果显示在相同的作业成本下,该方法的基础设施运营性能较定周期调度方法提高了6%。

机器人智能巡检技术在城市综合管廊中的应用

为了解决综合管廊人工巡检的不足,国内正在探索机器人智能巡检代替人工巡检。以黄石市大冶湖生态新区地下综合管廊为例,介绍了机器人智能巡检技术在综合管廊中的应用。通过对机器人现场实施问题进行分析,给出了机器人智能巡检系统设计方案和工程实施方案,并对机器人智能巡检系统与综合管廊运维管理系统的对接,以及机器人智能巡检系统集控管理进行了介绍。工程实践表明,智能机器人巡检系统在黄石市大冶湖生态核心区地下综合管廊PPP项目运行良好,达到了预期要求。

机器人技术在煤矿中的应用及发展趋势

煤矿机器人作为煤矿运营管理体系的重要组成部分,在生产作业、矿难事故、安全救援等方面发挥着关键性作用,探讨了国内煤矿掘进机器人、采煤机器人和救援机器人的发展和研究现状,最后针对存在的问题展望了其发展趋势,为煤矿机器人技术发展提供参考。

巡检机器人在昆明安石路综合管廊智慧化上的应用

针对综合管廊管廊内环境恶劣和人工巡检效率低的问题,在昆明安石路综合管廊智慧化的建设中,采用挂轨式巡检机器人进行巡检,文章对巡检机器人的技术思路、系统架构、功能模块、功能设备以及机器人的安装和综合管廊的智慧控制平台的融合,结合工程设计实践,分别作了介绍。