Роботы и искусственный интеллект в шахтах

Афанасьев Олег Александрович – кандидат технических наук, специалист в области горного дела. Родился в городе Туле. После окончания Тульского государственного университета по специальности «Прикладная математика и информатика» начал работать в Конструкторском бюро приборостроения.

В 31 год Олег защитил кандидатскую диссертацию на тему «Прогноз динамики газовыделения и оценка газовых ситуаций в углекислотообильных шахтах». 

Олег является автором более 14 научных работ. В диссертации он уточнил ряд закономерностей фильтрационно-диффузионного переноса газов в угольных пластах, выработанных пространствах и горных выработках, а также разбавления и переноса газовых примесей в вентиляционном потоке горных выработок очистных и подготовительных участков с учётом трен-дов временно́го ряда атмосферного давления для прогноза газовых ситуаций в период экстренных газовыделений и повышения безопасности очистных и подготовительных работ.

– Олег Александрович, что стало продолжением вашей научной деятельности?
– В последние годы я активно занимался научными исследованиями в области применения робототехники в горном деле. На данный момент разрабатываю концепцию интеллектуальных роботов для работы в опасных горных выработках. Предложил использовать автономные дроны для поиска и спасения шахтёров при внезапных обвалах и неблагоприятных газовых ситуациях. При этом общая схема применения искусственного интеллекта состоит из сервера, ретрансляторов и мобильных средств газового контроля и спасения (далее – МСГК).

– Какие новые возможности открываются при использовании искусственного интеллекта для обеспечения газовой безопасности горнорабочих?
– На сегодняшний день существует много различных систем контроля за газовой опасностью в шахтах, но нет систем, позволяющих анализировать получаемые данные и на основании их анализа предвидеть опасные газовые ситуации в режиме реального времени и заблаговременно сообщать о возможных опасностях горнорабочим, находящимся в зоне и/или на пути распространения потенциальной опасности.
В рамках этой работы была разработана полезная модель. Кратко приведу суть этой полезной модели. Она заключается в том числе в применении искусственного интеллекта для обеспечения газовой безопасности горнорабочих, в частности, может быть применено построение сети мобильных и стационарных устройств, а также сервера, объединяющие данные устройства (рис. 1). Для решения задач мониторинга, сигнализации, анализа и предупреждения опасных газовых ситуаций, а также оперативного автоматического поиска местоположения горнорабочих, попавших в сложную ситуацию, сервер снабжается искусственным интеллектом на базе нейросети.

Итак, данная система может состоять из следующих устройств:

• сервер с искусственным интеллектом;
• мобильные устройства (крепятся на руку горнорабочего);
• стационарные устройства (монтируются стационарно в шахте с определённым шагом).

Рассмотрим каждое из этих устройств подробно.

Мобильные устройства

Каждый горнорабочий надевает специальный прибор на руку/запястье – мобильное средство газового контроля (рис. 2).

Возможные характеристики МСГК:

• форм-фактор наручных часов;
• наличие газовых датчиков;
• наличие датчика температуры окружающей среды;
• экран индикации + звуковой зуммер;
• батарейка на 36 часов работы;
• радиопередатчик на 2,4 или 5 мГц (для огибания радиоволнами препятствий);
• внутренняя память;
• процессор управления;
• программное обеспечение МСГК.

Возможные функции прибора МСГК:

• сбор данных с газовых сенсоров в своём корпусе;
• звуковой и видеосигнал о газовой опасности;
• радиообмен данными с такими же устройствами МСГК;
• определение собственного местоположения в угольной шахте на основании радиообмена со стационарными устройствами – маяками, в том числе являющимися и репитерами;
• функция радиорепитера данных с одних МСГК на другие МСГК;
• обеспечение радиосети наподобие сети Wi-Fi, с многочисленными клиентами/ретрансляторами; 
• функция радио SOS;
• функция приёма данных об опасности с соседних/удалённых МСГК, а также с сервера обработки данных всех МСГК о газовой опасности, просчитанной нейросетью сервера обработки и хранения данных;
• функция голосового помощника на базе ИИ; 
• функция таскменеджера и многие другие функции.

Стационарные устройства

Основными их функциями могут быть:

• функция «маяка»;
• функция ретранслятора данных.

Эти устройства могут размещаться на всём протяжении шахты с определённым шагом. Представляют собой ретранс-ляторы радиосигналов в защищённых корпусах, передающие данные между ближайшими МСГК, а также сервером.

Сервер

Это мозг всей системы. Он может состоять из:

• компьютера;
• радиоприёмника/передатчика, например, на частоте сети 2,4/5 мГц.

Основные возможные функции:

• радиообмен данными с МСГК и ретрансляторами;
• анализ данных от всех МСГК о газовой опасности, просчитанной собственной нейросетью для обработки и хранения данных;
• расчёт вероятностей возникновения возможных ЧС на основании данных, обработанных собственной нейро-сетью;
• расчёт направлений распростране-ния и последствий ЧС;
• автоматический вызов спасателей и экстренных служб в случае возникновения ЧС.

– А какой функциональностью будет обладать на практике предложенная вами система?
– В целом система позволит:

• прогнозировать и предупредить о возможной газовой опасности вблизи носителя мобильного прибора МСГК на основании обработки данных искусственным интеллектом;
• предупредить о возникшей газовой опасности вблизи носителя мобильного прибора МСГК, с передачей информации по концентрации вредных веществ с привязкой к координатам/местности в шахте;
• послать предупреждение всем соседним таким приборам МСГК, а по сути, горнорабочим, находящимся вблизи возникшей газовой опасности;
• при возникновении на нескольких МСГК вся информация поступает на сервер, где нейросеть определяет очаг, направление и скорость распространения газовой и пожарной опасности и рассылает предупреждение всем горнорабочим, находящимся на пути распространения опасности, используя радиосеть, состоящую из МСГК и маяков репитеров;
• МСГК посылает сигнал SOS в случае попадания горнорабочего в сложную ситуацию, при этом отсылаются данные с номером устройства, концентрации газов, температуре и данными о нахождении МСГК/горнорабочего относительно ближайшего стационарного маяка, что позволит существенно ускорить поиск и нахождение последнего. 

В свою очередь, нейросеть на сервере по техническим данным приёма определяет точное местоположение данного горнорабочего, после чего высылаются спасатели.

– Какие основные направления можно выделить для дальнейшего развития робототехники в шахтах?
– Вот основные направления для дальнейшего прогресса в горнодобывающей промышленности:

• повышение автономности и интеллекта роботов – создание систем искусственного интеллекта для анализа ситуации, принятия решений и управления без участия оператора;
• совершенствование алгоритмов машинного зрения и технологий SLAM для навигации роботов в сложных трёхмерных пространствах шахт и туннелей;
• разработка мультиагентных технологий – комплексов из множества небольших роботов, эффективно взаимодействующих для решения поставленных задач;
• создание стандартизированных унифицированных аппаратно-программных платформ, упрощающих разработку специализированных роботов;
• повышение энергоэффективности и создание компактных источников питания для увеличения времени автономной работы;
• разработка прочных и износостойких материалов и компонентов, выдерживающих условия подземных работ;
• создание систем беспроводной передачи энергии для зарядки роботов в труднодоступных местах;
• развитие нормативно-правовой базы для внедрения и эксплуатации роботизированных комплексов в шахтах.

Считаю, внедрение технологий искусственного интеллекта действительно может кардинально улучшить характеристики роботизированных систем, применяемых в горнодобывающей промышленности. Благодаря алгоритмам машинного и глубокого обучения роботы смогут действовать автономно в меняющихся условиях шахт, анализировать ситуацию и самостоятельно принимать решения. Нейронные сети позволят распознавать объекты в условиях недостаточной видимости, обеспечивая надёжную навигацию роботов. Использование ИИ увеличит скорость и качество выполнения таких задач, как бурение, добыча, транспортировка, погрузка горной массы. Интеллектуальная координация группы роботов повысит общую производительность и эффективность процессов. Предиктивная аналитика на основе больших данных от датчиков роботов оптимизирует управление шахтными операциями. Использование ИИ повысит автономность работы в опасных условиях, где нахождение человека затруднено или невозможно. Несомненно, интеллектуализация роботизированных решений приведёт к автоматизации шахт и значительному прогрессу горнодобывающей отрасли.

– В завершение расскажите, считаете ли вы развитие технологий, связанных с искусственным интеллектом, приоритетным?
– Безусловно, технологии искусственного интеллекта должны стать одним из стратегических приоритетов в развитии робототехники для горной отрасли. Планирую вносить и свой вклад в данное направление и продолжать научную деятельность. ●

© СТА-ПРЕСС, 2024