李志旺

（西山煤電馬蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

綜采面周?chē)h(huán)境粉塵高、濕度大、噪聲大，嚴(yán)重影響作業(yè)人員的職業(yè)健康。同時(shí)，綜采面事故頻發(fā)，如礦頂垮塌、瓦斯爆炸、礦井洪水等嚴(yán)重威脅人員的生命安全，但是綜采面又涉及開(kāi)挖、支撐、運(yùn)輸、勘探和通信等各種重要作業(yè)，不能減少人力數(shù)量和工作強(qiáng)度，因此采礦面成為煤礦災(zāi)害的高發(fā)地區(qū)[1]。為了解決這些困擾綜采面安全高效生產(chǎn)的問(wèn)題，普遍的共識(shí)是依靠自動(dòng)化和智能技術(shù)來(lái)解決。為此，對(duì)煤礦綜采面進(jìn)行了更多的探索，相關(guān)的成功經(jīng)驗(yàn)值得綜合參考[2]?；诋?dāng)前綜合采礦面的各種研究成果，結(jié)合目前的客觀技術(shù)要求以及玉溪煤礦現(xiàn)狀，本研究提出了新的可行的技術(shù)途徑，即煤礦綜采工作面遠(yuǎn)程可視化控制技術(shù)系統(tǒng)。

1 遠(yuǎn)程視覺(jué)控制系統(tǒng)

隨著煤炭工業(yè)的復(fù)蘇，無(wú)論是對(duì)持續(xù)開(kāi)采的需求，還是對(duì)安全高效生產(chǎn)的需求，提高全機(jī)械化開(kāi)采的自動(dòng)化和智能化水平都勢(shì)在必行。包括進(jìn)一步提高傳動(dòng)設(shè)備單機(jī)自動(dòng)化水平，提高配套機(jī)械化，開(kāi)展原煤運(yùn)輸、材料運(yùn)輸、道路通風(fēng)、航向面除塵等自動(dòng)與智能系統(tǒng)的集成研究?；诿旱V綜采面的成功經(jīng)驗(yàn)，提出了一種滿(mǎn)足當(dāng)前技術(shù)水平、滿(mǎn)足煤礦地下作業(yè)需求的“遠(yuǎn)程視覺(jué)控制”技術(shù)體系。從可視化遠(yuǎn)程干預(yù)型智能化采煤關(guān)鍵控制技術(shù)的關(guān)鍵邏輯示意圖（見(jiàn)圖1）可以看到，控制系統(tǒng)涉及許多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域和類(lèi)別。

圖1 可視化遠(yuǎn)程干預(yù)型智能化采煤關(guān)鍵控制技術(shù)的邏輯示意圖

綜采面的“遠(yuǎn)程可視化控制”是多種技術(shù)的集成，必須建立一個(gè)完整的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。這意味著視覺(jué)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、控制命令等的實(shí)時(shí)交互。需要在遠(yuǎn)程（地面或地下監(jiān)測(cè)中心）與航向面周?chē)拿總€(gè)設(shè)備之間進(jìn)行操作。綜采面上的每個(gè)獨(dú)立設(shè)備都要有一定的自動(dòng)化和智能基礎(chǔ)，以確?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的自動(dòng)協(xié)調(diào)和保護(hù)[3]，主要包括成套設(shè)備的協(xié)調(diào)控制、智能切割等關(guān)鍵技術(shù)。

2 對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的探討

2.1 綜采面WLAN 協(xié)同控制技術(shù)

對(duì)于機(jī)械化綜采面，設(shè)備具有較大的移動(dòng)范圍和強(qiáng)機(jī)動(dòng)性。通過(guò)無(wú)線(xiàn)接入地下環(huán)網(wǎng)是一種相對(duì)可行、比較方便的方式。通過(guò)“設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)+WLAN+礦山工業(yè)以太網(wǎng)”的方法，實(shí)現(xiàn)了全機(jī)械化綜采面的數(shù)據(jù)交換和上傳。綜采面的WLAN 優(yōu)先選擇工業(yè)4G專(zhuān)用網(wǎng)技術(shù)，以滿(mǎn)足高帶寬、移動(dòng)接入穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和可擴(kuò)展性的需求。

全機(jī)械化綜采面的自動(dòng)化控制對(duì)象不僅是單臺(tái)機(jī)器，而且是將整個(gè)面作為整體來(lái)協(xié)調(diào)控制。例如，在快速傳動(dòng)系統(tǒng)中，它已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)聯(lián)動(dòng)、阻塞、行走、牽引和姿勢(shì)等的協(xié)同控制。根據(jù)開(kāi)挖、支護(hù)和運(yùn)輸工藝的要求，實(shí)現(xiàn)成套設(shè)備控制，解決了重負(fù)荷啟動(dòng)、隧道開(kāi)采運(yùn)輸效率等具體問(wèn)題[4]。

在雙車(chē)道隧道作業(yè)中，需要經(jīng)常調(diào)度穿梭車(chē)、車(chē)頂螺栓、叉車(chē)和饋線(xiàn)斷路器等設(shè)備，切割支撐和運(yùn)輸作業(yè)依靠人工監(jiān)控。操作人員不能交換設(shè)備的狀態(tài)信息和周?chē)墓ぷ鳁l件，因此他們無(wú)法根據(jù)其他設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)預(yù)測(cè)和調(diào)整機(jī)器的運(yùn)行情況。例如，無(wú)法根據(jù)有無(wú)煤流對(duì)啟動(dòng)和停止設(shè)備的負(fù)荷大小進(jìn)行控制。圖2 為礦用WLAN 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 礦用WLAN 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

目前，玉溪煤礦對(duì)連接綜采面的設(shè)備進(jìn)行了許多有益的嘗試。例如，穿梭車(chē)和斷路器的操作實(shí)現(xiàn)了卸煤聯(lián)動(dòng)操作，饋線(xiàn)斷路器可根據(jù)穿梭車(chē)的位置自動(dòng)啟動(dòng)和停止，避免怠速空轉(zhuǎn)。在快速傳動(dòng)系統(tǒng)中，還嘗試了成套設(shè)備的自動(dòng)連接操作、鎖定和調(diào)度等。

2.2 防撞技術(shù)

移動(dòng)設(shè)備之間的碰撞、前后重疊圈設(shè)備相對(duì)移動(dòng)時(shí)的碰撞和阻力，以及工作人員與設(shè)備之間的危險(xiǎn)接近，都可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故。到目前為止，已經(jīng)測(cè)試了各種防碰撞技術(shù)，如基于光學(xué)的紅外探測(cè)、基于無(wú)線(xiàn)信號(hào)的雷達(dá)技術(shù)、基于圖像的人體識(shí)別技術(shù)和基于無(wú)線(xiàn)測(cè)距的超寬帶定位技術(shù)，防撞模塊工作流程如圖3 所示。

圖3 防撞模塊工作流程

這些技術(shù)都有一定的局限性。例如，紅外和雷達(dá)技術(shù)只能識(shí)別障礙物，不能區(qū)分人或物?；趫D像的人體識(shí)別具有實(shí)時(shí)性能，不能應(yīng)用于快速移動(dòng)的設(shè)備。無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)要求受保護(hù)人員攜帶身份證，否則無(wú)法識(shí)別，身份證和個(gè)人位置識(shí)別卡不能共同使用。如何突破對(duì)人體的快速識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的主動(dòng)保護(hù)是下一步的研究重點(diǎn)。

2.3 定位技術(shù)

定位技術(shù)通過(guò)各種方法建立隧道機(jī)與道路的相對(duì)坐標(biāo)空間角，實(shí)時(shí)調(diào)整隧道設(shè)備的水平偏角、水平偏移、偏仰角和滾仰角等姿態(tài)參數(shù)，并結(jié)合隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，為整機(jī)行走控制提供直接控制參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)設(shè)備始終處于隧道設(shè)計(jì)所要求的理想位置。

隧道設(shè)備的定位是智能切割控制的基礎(chǔ)。目前使用的主要技術(shù)有全站儀、陀螺儀、電子羅盤(pán)、激光引導(dǎo)和視覺(jué)測(cè)量等。目前的主要問(wèn)題是如何克服地下惡劣的工作條件，包括機(jī)器振動(dòng)、粉塵和高溫、高濕等惡劣的工作環(huán)境，并將其他領(lǐng)域的自主導(dǎo)航技術(shù)成功應(yīng)用于煤礦設(shè)備。目前，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（陀螺儀+加速度計(jì)）在機(jī)械化方面的應(yīng)用取得了進(jìn)展。為了適應(yīng)全機(jī)械化掘進(jìn)面的工作條件，還需要克服低速和漂移的困難。

2.4 自適應(yīng)切割

根據(jù)隧道技術(shù)的要求，可獨(dú)立完成橫截面的圓形切削，其中主要包括切面成型控制和切削頭的自動(dòng)速度控制，以提高切割效率和切割質(zhì)量。采煤切割示意圖如圖4 所示，可以看出，在準(zhǔn)確定位的基礎(chǔ)上，根據(jù)道路橫斷面剖面的技術(shù)要求，通過(guò)定量指標(biāo)自動(dòng)調(diào)整切割周期路徑，可避免過(guò)度開(kāi)挖和欠開(kāi)挖。主要的實(shí)現(xiàn)方法包括內(nèi)存切割和設(shè)置邊界參數(shù)。

圖4 采煤切割示意圖

根據(jù)巖石硬度自動(dòng)調(diào)整切割頭速度和切割臂擺動(dòng)速度。對(duì)煤層和軟巖，適合采用切削頭轉(zhuǎn)速高、切割臂擺動(dòng)速度高的方法，提高工作效率。對(duì)硬巖，可采用降低切削速度、增加切削力矩的方法，提高巖石破碎能力，減少工具磨損。傳動(dòng)作業(yè)的主要任務(wù)是切割滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的路段，并根據(jù)切割負(fù)荷調(diào)整切割策略。切割水頭動(dòng)態(tài)負(fù)載的實(shí)時(shí)識(shí)別技術(shù)仍處于理論探索階段，以實(shí)際測(cè)量和反演計(jì)算的模式來(lái)表示。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別切割電流、切割振動(dòng)和氣缸壓力等的信息融合處理。通過(guò)對(duì)切割頭振動(dòng)響應(yīng)的反向推導(dǎo)，推導(dǎo)出了動(dòng)態(tài)負(fù)載的計(jì)算表達(dá)式。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合開(kāi)挖面的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)成套設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)了綜合開(kāi)挖面上各類(lèi)數(shù)據(jù)和信息的有效關(guān)聯(lián)和上傳。它可以實(shí)現(xiàn)工作面的協(xié)調(diào)、聯(lián)合控制和大數(shù)據(jù)的沉淀?？陀^地說(shuō)，對(duì)于勘探和錨定生產(chǎn)操作的自動(dòng)化和智能化，還缺乏一套完整的解決方案。對(duì)隧道掘進(jìn)過(guò)程的智能控制進(jìn)行了大量的研究，并取得了有效的進(jìn)展。隧道錨固自動(dòng)化和智能化、環(huán)境安全監(jiān)控和輔助操作缺乏完善的解決方案，需要根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行工藝創(chuàng)新，通過(guò)新設(shè)備和新工藝逐步應(yīng)用智能信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)降低人工、提高效率的目標(biāo)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，要真正實(shí)現(xiàn)“透明的綜合隧道面”，必須對(duì)基于數(shù)據(jù)的3DVR 數(shù)字平臺(tái)進(jìn)行研究。這也是提高綜合隧道工作面安全、持續(xù)、高效生產(chǎn)的技術(shù)途徑之一。