史佳林

（云南省煤炭機電試驗所，云南昆明 650000）

煤炭作為重要的生產(chǎn)、生活能源，隨著綜采技術的不斷創(chuàng)新發(fā)展，井下作業(yè)的智能化、自動化水平也穩(wěn)步提升。但在巷道綜掘機電系統(tǒng)的設計與應用方面，仍舊存在機身位姿感應不全面、裝備故障自主探測能力差等方面的問題，在截割、支護、錨固等生產(chǎn)作業(yè)中，人工操作的步驟繁瑣，無法保持穩(wěn)定的并行、循環(huán)作業(yè)狀態(tài)，協(xié)同控制的水平有待加強。在綜掘作業(yè)機電系統(tǒng)建設與應用的過程中，煤礦單位應在深入分析工作面掘進設備作業(yè)特點的基礎上，合理引進先進的智能技術，通過關鍵技術的研究與創(chuàng)新應用，對機電系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

1.綜掘工作面智能化機電控制系統(tǒng)運行框架的設計

綜掘工作面智能化機電系統(tǒng)主要由邊緣感知層、平臺決策層、設備執(zhí)行層以及遠程運維層4個模塊構成。其中，邊緣感知層的功能設計包括地質(zhì)數(shù)據(jù)（地質(zhì)勘探、隨掘勘探）、掘進環(huán)境（圍巖位移、圍巖感知、錨桿變形、底板變形）、設備狀態(tài)勘測（截割負載、煤流負載、支護壓力、鉆機轉矩、位姿行程、故障感知），是機電智能化作業(yè)系統(tǒng)的監(jiān)測“眼睛”，具有超前探測、動態(tài)感知、提前判斷等方面的應用優(yōu)勢，為一體化自適應截割作業(yè)提供可靠、全面的數(shù)據(jù)支持。該模塊的關鍵技術包括GIS、BIM、云計算以及大數(shù)據(jù)分析、人工智能識別等技術，以三維GIS為基礎融合時間維，搭建起四維時空數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，為機電設備的協(xié)同性、實時性操作奠定了基礎[1]。

平臺決策層作為綜掘機電設備智能控制的核心層，設計理論包括鉆機調(diào)控、自適應控制、臨時支護、圍巖失穩(wěn)等方面的作用特點，采用中央集成化控制的模式，推進決策方法的制定、優(yōu)化與落實，利用智能化一體錨掘自適應模型與動載荷識別模型，實現(xiàn)多種機電設備的協(xié)同控制，其核心技術包括協(xié)同控制、數(shù)字孿生等技術。作為系統(tǒng)控制的“大腦”具有狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、確定作業(yè)參數(shù)、發(fā)出控制指令等方面的功能。

智能系統(tǒng)的設備執(zhí)行模塊主要承擔執(zhí)行控制指令的作用，在接收決策層的控制信號后，進行裝料與卸料、自動截割、錨桿支護等操作。執(zhí)行層與決策層之間的信號傳遞核心技術是5G技術，自適應操作需要組合神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學習等技術的支持?？刂葡到y(tǒng)通過軟件程序?qū)C電設備進行一體化、智能化操作，執(zhí)行自動跟機、智能支護、自動截割、掘進導航、連續(xù)導航等指令[2]。

遠程運維模塊是智能控制體系的安全保障，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析，評估機電綜掘設備的故障狀態(tài)與異常風險，生成系統(tǒng)的評估報告后，為設備日常養(yǎng)護、狀態(tài)檢修、故障處理、更新維護等工作提供幫助，關鍵技術包括大數(shù)據(jù)、云平臺與專家系統(tǒng)等。解決了影響傳統(tǒng)掘進智能化的“數(shù)據(jù)不清、判斷不明”問題，實現(xiàn)了掘進作業(yè)從信息感知到設備聯(lián)動運行的一體化控制，具有邏輯層次明確、狀態(tài)監(jiān)測反饋及時、故障風險識別準確的優(yōu)勢。

2.基于GIS關鍵技術的四維數(shù)據(jù)分析應用

礦井信息是支持綜掘作業(yè)的基礎，而GIS是智能化機電控制系統(tǒng)邊緣感知模塊的關鍵技術?？臻gGIS系統(tǒng)能夠?qū)y繪、鉆探、物探等數(shù)據(jù)進行智能探測、采集、分類存儲，借助大數(shù)據(jù)分析、智能關聯(lián)技術，對數(shù)據(jù)進行挖掘，提升控制操作與運維管理相關決策工作的科學性。同時，還能支持快速掘進、智能設計、智能開采、無人駕駛等功能的實現(xiàn)。依托于三維GIS系統(tǒng)，引進時間維，構建起了囊括點線、平面、立體、時間為一體的四維數(shù)據(jù)采集、分析與處理系統(tǒng)，能夠?qū)ο嚓P地質(zhì)環(huán)境、掘進環(huán)境、設備狀態(tài)等信息進行集成化、一體化的整合。以空間數(shù)據(jù)處理為核心，針對綜掘工作面的時空環(huán)境，在智能化平臺上構建透明化的“資源賦存、地質(zhì)結構、生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)過程、安全風險”礦山管理模式，讓系統(tǒng)操作人員可以直觀、動態(tài)地了解該時空環(huán)境空間信息的變化。通過大數(shù)據(jù)與云平臺的計算分析，對環(huán)境變動趨勢進行評估、預判，為礦井平臺決策、設備運維操作、遠程控制等模塊的運行提供相應的支持[3]。

3.群組協(xié)同控制及數(shù)字孿生技術

綜掘設備的智能化、一體化作業(yè)要求不同設備間的操作協(xié)同，可以進行同步或連續(xù)截割、支護、裝料與卸料作業(yè)。因此，需要在保證設備能夠自動化操作的同時，通過建立多機組群的統(tǒng)一空間坐標系來實現(xiàn)多設備精準定位、協(xié)同操作、智能導航等操作目標?；谌航M協(xié)同控制技術的多掘進機組可以借助無線網(wǎng)絡、傳感設備等實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的實時交互與共享，合理解決協(xié)同控制過程中多機組同步操作過程中的矛盾問題。當前，群組協(xié)同智能控制技術的研究逐步深化，提出了無人化掘護錨聯(lián)合機組的設計，使用機器人進行操作，實現(xiàn)了群組協(xié)同與遠程控制技術的融合應用。通過智能平臺對綜掘作業(yè)情況進行分析，進一步完善智能系統(tǒng)的機電智能控制、截割軌跡設定與優(yōu)化、智能截割、自主糾偏等功能，并驗證了掘護錨協(xié)同控制策略與錨固網(wǎng)絡結構多目標優(yōu)化設計方法的可行性。提出超前支架調(diào)平及錨固裝備鉆進力和轉速自適應協(xié)同控制策略，以群組分布式智能協(xié)同控制算法為基礎，搭建起囊括掘進、支護、運輸與錨固等平行、循環(huán)作業(yè)的智能化管理機制，針對性地提升了煤礦綜掘作業(yè)的安全性與效率性。在不同的煤巷作業(yè)環(huán)境中，掘護錨串行對設備操作的需求不同，通常情況下，可以將作業(yè)工序分為以下幾個環(huán)節(jié)：巷道掘進、臨時支護、永久支護等。智能系統(tǒng)的數(shù)字孿生仿真技術可以通過邊緣感知層收集的信息，搭建物理模型在分析群組歷史運行數(shù)據(jù)后形成機電設備的數(shù)字映射，對聯(lián)合機組設備的并行、循環(huán)作業(yè)進行設計與優(yōu)化。當完成進深截割階段性操作指令后可以及時銜接臨時護頂工程，實現(xiàn)高效、快速掘進、截割的目標。

4.組合神經(jīng)網(wǎng)絡技術

當前，在自適應截割一體化控制技術的研究領域，國內(nèi)外關注的重點在于截割擺速方面，擺速自適應調(diào)節(jié)主要基于電流與油缸壓力兩種判斷方法。掘進設備在截割作業(yè)過程中，煤巖硬度會發(fā)生變化，如果截割臂擺速難以根據(jù)變化情況自動調(diào)節(jié)，將會導致作業(yè)無法順利進行或是出現(xiàn)安全事故。為此，以組合神經(jīng)網(wǎng)絡分析和D-S證據(jù)理論為基礎，對截割臂擺速進行自適應控制的方法被提出。該種掘錨一體自適應機組智能控制系統(tǒng)的結構分為電磁閥控制單元、礦用本安型數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)測單元。監(jiān)測單元借助掘錨設備上安裝的傳感器，動態(tài)采集掘錨機電機溫度、截割轉速與載荷、搖臂傾角等各部位的運行狀態(tài)信息，將采集的結果傳輸?shù)降V用本安型數(shù)據(jù)采集單元，在控制中心對各項運行數(shù)據(jù)進行對比分析后，對設備的使用狀態(tài)進行評估，并通過對圍巖狀態(tài)感知設數(shù)據(jù)的分析，預測掘錨機下一階段的狀態(tài)，然后向電磁閥控制單元反饋預測結果，控制單元下達下一階段的操作指令。在整個掘錨一體自適應機組智能控制系統(tǒng)總，系統(tǒng)需要借助組合神經(jīng)網(wǎng)絡，對截割臂升降速度及速度的變化速率等數(shù)據(jù)進行整合分析，精準掌握掘錨機實際運行狀態(tài)與要求運行狀態(tài)的差異情況，將各項運行參數(shù)差值上傳到上位控制平臺，平臺根據(jù)各項偏差量對油缸、電機需要的調(diào)節(jié)量進行計算，然后將調(diào)節(jié)量的數(shù)字量信號轉換為控制電信號，將其傳輸給對應的電機和液壓系統(tǒng)，確保最終的執(zhí)行情況滿足截割系統(tǒng)的調(diào)控要求，對誤差進行動態(tài)控制，及時調(diào)整截割擺速。

5.智能導航控制技術

在井下工作面進行綜掘作業(yè)的過程中，巷道環(huán)境通常具有粉塵含量高、低照度的特點，掘進機械的位置測量與操作控制的精度難以保證。以視覺測量、激光標靶、機器視覺、物聯(lián)網(wǎng)等技術為基礎的智能導航控制模式，可以通過傳感設備、深度相機、全站儀等設備對機器人的行為進行精準控制，準確定位掘進設備，進行精細化的操作[4]。當前，智能導航控制模式包括以下幾種：以激光束為特征，構建掘進設備位姿視覺動態(tài)測量模型，通過空間矩陣相關數(shù)據(jù)的變換求解出掘進設備的位姿數(shù)據(jù)。掃描激光靶向建立位姿測量模型，解算掘進設備在巷道坐標系中的位置、身姿信息。通過傳感器與激光得到視覺測量數(shù)據(jù)使用PID控制算法進行糾偏控制的快速定位法。在井下機器人自主移動導航方面，可以搭建機器視覺智能系統(tǒng)，利用具有深度學習功能的相機實現(xiàn)自主導航操作?，F(xiàn)階段，由于井下作業(yè)環(huán)境中，激光穿透力不足，定位偏差率較高，采用慣性導航會隨著作業(yè)時間的延長，使得定位、身姿測量誤差過大。因此，相關專家提出了一種慣性導航與數(shù)字全站儀結合的方式，可以準確測量掘進設備的位置、身姿信息，該種智能導航模式需要安裝慣性導航設備、指北儀以及全站儀等裝置通過物聯(lián)網(wǎng)進行連接與控制。

6.5G技術

煤炭綜掘的智能化機電控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率與平穩(wěn)度、安全性要求較高，在移動網(wǎng)絡技術的應用過程中，存在網(wǎng)絡覆蓋范圍受限、組網(wǎng)構建復雜等技術問題。隨著智能技術在煤炭產(chǎn)業(yè)的深入應用，終端結構與非結構數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)指數(shù)級上漲的特點，在機器視覺、深度學習、語音識別與高頻采樣傳感設備的大范圍應用背景下，現(xiàn)有網(wǎng)絡傳輸技術已經(jīng)無法滿足煤炭智能化生產(chǎn)管理的需求。5G技術具有低時延、廣連接、大帶寬的優(yōu)勢，可以通過微基站、端到端連接與切片技術，突破原有移動網(wǎng)絡的技術瓶頸，為智能化系統(tǒng)指數(shù)級數(shù)據(jù)的處理、傳輸提供支持。運用5G技術搭建囊括多種接入方式的傳輸網(wǎng)絡，可以通過設定統(tǒng)一傳輸標準建設起泛在感知系統(tǒng)，進行多場景無縫接入，滿足機電智能控制系統(tǒng)的平臺共享、數(shù)據(jù)實時交互、高效融合、多樣承載的需求[5]。同時，5G切片技還可以通過場景切片設計，在保證業(yè)務安全的基礎上滿足不同綜掘場景的業(yè)務需求。

7.大數(shù)據(jù)與云平臺技術

智能掘進機電控制系統(tǒng)中，信息的收集、處理、存儲離不開大數(shù)據(jù)及云平臺技術的支持。借助云平臺的高效計算、智能存儲與大數(shù)據(jù)關聯(lián)數(shù)據(jù)提取、分析等功能，可以對煤礦感知系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行動態(tài)、精準的分析，并構建煤礦云數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)中心智能管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)倉庫的建設，為平臺決策層、遠程管理層的預判與決策提供客觀、全面的數(shù)據(jù)支持。煤礦大數(shù)據(jù)框架包括數(shù)據(jù)抽取加工，數(shù)據(jù)共享和交換，數(shù)據(jù)分析與預測等幾個方面，最終構建主體數(shù)據(jù)模型庫，形成數(shù)據(jù)集市。云數(shù)據(jù)平臺的統(tǒng)一管控開放性技術架構。通過建立人工智能模型庫對數(shù)據(jù)集市進行高效開發(fā)，為井上調(diào)度運行、智能化生產(chǎn)等環(huán)節(jié)提供實時的數(shù)據(jù)服務，包括數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享等功能，平臺用戶在獲得相應的權限后可以運用云數(shù)據(jù)引擎，開展各項管理工作。為綜合管控平臺各種應用提供數(shù)據(jù)支持。云數(shù)據(jù)可以滿足綜采智能化機電控制系統(tǒng)協(xié)同控制、在線監(jiān)測、運行決策等多方面的服務需求，能夠迅速構建起組態(tài)化的業(yè)務邏輯，實現(xiàn)綜采、綜掘、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的工作有效對接。

8.結語

智能技術在煤炭領域的應用形式不斷創(chuàng)新，在為煤炭產(chǎn)業(yè)高效、綠色發(fā)展提供支持的同時，也對煤炭產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)技術、運行管理提出了更高的要求。煤炭單位應在全面把握GIS、群組協(xié)同控制、數(shù)字孿生、智能神經(jīng)網(wǎng)絡、5G、大數(shù)據(jù)與云平臺等技術在綜掘工作面智能機電控制系統(tǒng)不同模塊應用提點的基礎上，結合煤礦生產(chǎn)的實際情況，按照全局優(yōu)化、多點協(xié)同的原則，有序開展智能綜掘設備管理系統(tǒng)的優(yōu)化設計與建設工作，實現(xiàn)科學決策、動態(tài)監(jiān)管、安全生產(chǎn)、保質(zhì)提效的目標，推進高新技術與煤炭產(chǎn)業(yè)全面融合發(fā)展。