張曉磊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

1 掘進(jìn)工作面無人值守系統(tǒng)存在的問題分析

當(dāng)前我國掘進(jìn)機(jī)智能化和無人值守技術(shù)發(fā)展較為迅速，但由于起步較晚，技術(shù)和功能相對落后，主要存在以下問題：

（1）掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)定向與自身定位一直無法解決，激光指向儀投射在掘進(jìn)迎頭的激光點(diǎn)是掘進(jìn)機(jī)僅有的參考坐標(biāo)，且兩者之間無法產(chǎn)生必然聯(lián)系。

（2）司機(jī)手動(dòng)操作掘進(jìn)機(jī)，自動(dòng)化水平低，定向與定位憑感覺，截割無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，斷面成型質(zhì)量差。

（3）需手動(dòng)控制截割臂擺動(dòng)頻率，若擺動(dòng)頻率低則引起效率低，若擺動(dòng)頻率高遇上夾矸則會(huì)引起油缸和截齒損壞，降低截割電機(jī)的壽命。

（4）掘進(jìn)機(jī)智能化及自動(dòng)化水平低，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，因此掘進(jìn)工作面無人化無法實(shí)現(xiàn)，尤其對于多瓦斯及多水礦井，其工作面存在多且嚴(yán)重的安全隱患。

（5）一般掘進(jìn)工作面需多人作業(yè)，其惡劣的工作環(huán)境造成高勞動(dòng)強(qiáng)度、低工作效率及多安全隱患等問題。

2 無線遙控掘進(jìn)無人值守技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)智能化掘進(jìn)工作面無人值守開采的問題，必須要對無線遙控掘進(jìn)無人值守技術(shù)進(jìn)行研究[1-5]。以EBZ260 型煤巷掘進(jìn)機(jī)為對象，通過多技術(shù)融合處理，操作人員在施工巷道以外進(jìn)行操作，對該掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控作業(yè)。遙控功能主要包括掘進(jìn)機(jī)的移動(dòng)、切割、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視、視頻融合、掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視、輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)的遠(yuǎn)程開停等，最終實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的智能化和無人值守，從而提高掘進(jìn)效率，降低安全隱患。

2.1 掘進(jìn)機(jī)位姿檢測關(guān)鍵技術(shù)

掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)階段主要由人工操作，在惡劣的工作環(huán)境中工作人員對掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)難以掌控，易引起操作失誤、采掘失調(diào)及掘進(jìn)工作斷面成型質(zhì)量差的問題。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)無法掌握掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行情況同樣會(huì)造成工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工安全隱患多及掘進(jìn)機(jī)壽命短等問題。所以對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行位姿檢測是遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。因此必須對掘進(jìn)機(jī)位姿檢測問題進(jìn)行分析。

2.1.1 掘進(jìn)機(jī)位姿信息確定

為確定EBZ260 型掘進(jìn)機(jī)懸臂段、掘進(jìn)機(jī)機(jī)身及掘進(jìn)巷道的位置關(guān)系，需要建立相對應(yīng)的坐標(biāo)系，如圖1。主要有地球坐標(biāo)系（OeXeYeZe）、巷道坐標(biāo)系（OhXhYhZh）、測量坐標(biāo)系（OaXaYaZa）、機(jī)身坐標(biāo)系（ObXbYbZb）、懸臂坐標(biāo)系（OdXdYdZd）。為確定掘進(jìn)機(jī)懸臂段各連桿間的位姿關(guān)系，可將掘進(jìn)機(jī)及各部件看作剛體結(jié)構(gòu)，以上坐標(biāo)系在空間位置上形成閉環(huán)，它們之間的位姿關(guān)系可通過相鄰齊次坐標(biāo)矩陣乘積解得。

圖1 EBZ260 型掘?進(jìn)機(jī)位姿感知與定位坐標(biāo)系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿特征參數(shù)選擇。三維空間中，若想確定某一剛體位姿，可通過確定該剛體上某一固定點(diǎn)的三維坐標(biāo)以及該剛體在空間坐標(biāo)系下的三軸傾角得到。在礦井掘進(jìn)機(jī)定位過程中，通常使用掘進(jìn)機(jī)的俯仰角、偏轉(zhuǎn)角和橫滾角來描述機(jī)身位姿。

綜上所述，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿特征參數(shù)選擇：機(jī)身偏轉(zhuǎn)角α、機(jī)身俯視角β、機(jī)身橫滾角γ、水平偏移位置△x、垂直偏移位置△z，如圖2。以上5 個(gè)特征參數(shù)作為懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的特征參數(shù)，描述機(jī)身在巷道空間中的位置與姿態(tài)，并在后續(xù)工作中，針對這五個(gè)參數(shù)完成機(jī)身位姿的實(shí)時(shí)檢測。

圖2 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿特征參數(shù)選擇

采用基于機(jī)器視覺技術(shù)對掘進(jìn)機(jī)位姿進(jìn)行檢測，基于機(jī)器視覺技術(shù)原理圖如3。

圖3 基于機(jī)器視覺技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)位姿檢測技術(shù)原理圖

2.1.2 多激光+二次視頻融合技術(shù)定位系統(tǒng)

當(dāng)前煤礦井下巷道掘進(jìn)時(shí)主要采用激光指向儀進(jìn)行指向定位，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)通過激光指向儀照射到巷道迎頭的激光點(diǎn)來控制掘進(jìn)機(jī)的切割作業(yè)。從以往應(yīng)用情況來看，采用激光指向儀進(jìn)行定位的方式問題較多：①人工進(jìn)行定位判斷誤差較大；②掘進(jìn)工作面工作環(huán)境中煤塵濃度較大，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)視線較為模糊；③激光指向儀采用的單激光點(diǎn)非常容易被設(shè)備機(jī)體擋住。針對這一情況，提出了“多激光+二次視頻融合”技術(shù)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由5 組激光指向儀和多個(gè)便攜式高清攝像頭組成。

（1）多激光定位

激光指向儀分別布置在巷道左右兩幫中心、巷道肩窩及頂板中心處，實(shí)現(xiàn)多激光定位。為了便于判斷迎頭掘進(jìn)機(jī)的切割位置，激光指向儀距巷道輪廓線距離不大于1 m，各激光指向儀距掘進(jìn)工作面距離應(yīng)不大于100 m。

（2）二次視頻融合技術(shù)

① 視頻一次融合技術(shù)。受井下掘進(jìn)工作面光線暗、環(huán)境差等因素的影響，拍攝的掘進(jìn)工作視頻需做一次融合處理得到清晰畫面，以方便工作人員觀察分析。視頻一次融合技術(shù)必備硬件包括：紅外線及可見光傳感器、視頻顯示器及達(dá)芬奇DM6446 開發(fā)板。通過軟件控制紅外光傳感器和可見光傳感器實(shí)現(xiàn)紅外光和可見光分幀采集，得到兩幀紅外和可見光視頻幀，然后進(jìn)行圖像預(yù)處理，進(jìn)而將兩幅圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，最終通過基于小波變換的圖像融合方法將兩圖像融合，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)高清晰視頻。

② 多視頻二次融合技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備360°全方位監(jiān)視，保證安全，方便人員操作，需進(jìn)行多個(gè)視頻二次融合處理。首先對所需目標(biāo)攜帶的移動(dòng)終端通過無線傳感器提取相關(guān)特征，通過無線定位算法對目標(biāo)定位，并融合經(jīng)、緯度等定位信息；同時(shí)通過對攝像頭獲得圖像信息進(jìn)行融合處理分析，跟蹤識(shí)別目標(biāo)；最后，將2 種傳感器獲取的信息通過再次融合，根據(jù)設(shè)定好的融合策略，做出最后的決策，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面360°全方位高清晰監(jiān)視。

2.2 基于CANOpen 通信協(xié)議的無線遙控系統(tǒng)

無線遙控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能化掘進(jìn)工作面無人值守的關(guān)鍵，在德國 HETRONIC 無線遙控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種基于CANOpen 通信協(xié)議的HETRONIC 無線遙控系統(tǒng)。CANOpen 總線物理層穩(wěn)定，數(shù)據(jù)鏈路層可靠，靈活兼容性高，具有高的互操作性。將寫入程序的控制器和遙控接收裝置安裝在掘進(jìn)機(jī)上，達(dá)到無線遙控作業(yè)的目的，如圖4。操作手柄遙控發(fā)射器發(fā)出信號(hào)，遙控接收器接收信號(hào)并對信號(hào)進(jìn)行融合處理，進(jìn)而將其傳輸?shù)娇偩€。EPEC控制器按不同傳輸?shù)刂愤M(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的接收，并對傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)過處理后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制掘進(jìn)機(jī)。

圖4 基于CANOpen 通信協(xié)議的無線遙控系統(tǒng)示意圖

遙控器選用基于CANOpen 通信協(xié)議的 Hetronic無線遙控系統(tǒng)，包括發(fā)射裝置和接收裝置。采用RS485 總線傳輸協(xié)議，RS485 采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力，加上總線收發(fā)裝置靈敏度較高，能測得不小于200 mV 的電壓，因此其傳輸信號(hào)可達(dá)1000 多米。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 工程概況

晉能控股煤業(yè)公司挖金灣虎龍溝煤業(yè)位于山西省懷仁縣鵝毛口鎮(zhèn)，井田面積8.921 7 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬t/a，主要開采石炭系3#、5#、8#煤層。51505 巷位于井田東盤區(qū)，設(shè)計(jì)長度為1505 m，斷面規(guī)格尺寸寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道沿3#～5#合并煤層底板平行掘進(jìn)，煤層厚度為8.9～14.32 m，平均厚度為12.73 m，煤層傾角為2°～6°，平均傾角4°。煤層直接頂為2.3 m 的棕灰色高嶺石泥巖，基本頂為8.8 m 的粗粒砂巖及中粗粒砂巖。施工巷道由機(jī)掘二隊(duì)采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)。

3.2 無人值守系統(tǒng)的應(yīng)用

基于智能化的二次視頻融合技術(shù)+多激光定位+ HETRONIC 無線遙控+RS485 總線數(shù)據(jù)傳輸于一體的掘進(jìn)工作面無人值守系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后，在虎龍溝煤業(yè)51505 巷進(jìn)行了工作性試驗(yàn)。

在51505 巷與井底車場聯(lián)巷三岔門頂幫完好處設(shè)置操作臺(tái)，對掘進(jìn)工作面無人值守系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行安裝調(diào)試，從2020 年6 月開始，智能化掘進(jìn)工作面無人值守系統(tǒng)投入實(shí)踐應(yīng)用，進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。無人值守系統(tǒng)投入應(yīng)用后，51505 巷即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能掘進(jìn)作業(yè)，工作人員在操作臺(tái)區(qū)域利用井下監(jiān)測、控制中心及高清監(jiān)控視頻對工作面進(jìn)行遠(yuǎn)程掘進(jìn)控制。在工作性試驗(yàn)階段，在51505 巷設(shè)2 名監(jiān)護(hù)人員跟機(jī)監(jiān)護(hù)，后期減少為1 人，最后監(jiān)護(hù)人員全部撤除。

3.3 效果分析

?在為期3 個(gè)月的工作性試驗(yàn)階段，51505 巷可以實(shí)現(xiàn)智能化掘進(jìn)工作面的無人值守，能實(shí)現(xiàn)平均日掘進(jìn)進(jìn)尺約10.5 m，真正意義上實(shí)現(xiàn)了采用無線遙控進(jìn)行掘進(jìn)工作面的無人化掘進(jìn)作業(yè)。

掘進(jìn)工作面無人值守工業(yè)性試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)后，工作人員在操作臺(tái)就可以無線遙控進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，有效地改善井下掘進(jìn)工作面工人的工作環(huán)境和工作模式，有效提高掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)效率。掘進(jìn)工作面工作人員減少了，并降低了其勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了安全隱患。

智能化掘進(jìn)工作面無人值守系統(tǒng)的應(yīng)用，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)安全效益，為掘進(jìn)工作面的無人化作業(yè)的實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)例。