王燕飛

（山西焦煤華晉焦煤調(diào)度指揮中心，山西 呂梁 033000）

作為煤礦中最重要的開采設(shè)備之一，采煤機(jī)在井下作業(yè)中具有至關(guān)重要的作用[1]。然而，由于采煤機(jī)作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，以往的傳感器技術(shù)難以滿足采煤機(jī)對位置和狀態(tài)的高精度要求[2]。隨著傳感器技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，高精度傳感器技術(shù)在許多領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用，例如醫(yī)療器械、工業(yè)軍事和航空航天等，并取得了矚目成績[3]。高精度傳感器技術(shù)有多種類型，包括位移傳感器、加速度傳感器和壓力傳感器等?，F(xiàn)有的采煤機(jī)位置檢測技術(shù)多為單傳感器檢測，如利用紅外線傳感器或超聲波傳感器計算采煤機(jī)位置。長時間在復(fù)雜的井下作業(yè)環(huán)境中使用后，檢測精度會隨下降。因此本文結(jié)合高精度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN），改進(jìn)了采煤機(jī)中的刮板運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)，提出了一種新型采煤機(jī)定位感知模型，并分析了該模型的實(shí)際檢測性能。通過該高精度無線傳感器技術(shù)，可以準(zhǔn)確測量采煤機(jī)位置，為后續(xù)采煤工作保駕護(hù)航。

1 采煤機(jī)高精度定位感知模型搭建

1.1 采煤機(jī)位置檢測方法

作為一種專用于煤礦開采的機(jī)械設(shè)備，采煤機(jī)具有高效、安全和節(jié)能的特點(diǎn)。傳統(tǒng)煤礦開采主要依靠人工開采或使用簡單的機(jī)械工具。這種方式效率低下、勞動強(qiáng)度大且存在安全隱患。隨著工業(yè)化和智能化的推進(jìn)和對能源需求的不斷增長，保證煤礦開采效率并提高安全性十分重要?，F(xiàn)有的采煤機(jī)定位檢測方法主要分為有限位置檢測法和紅外無線位置檢測法，其中有限位置檢測法如圖1所示。通常將齒輪傳感器放置于采煤機(jī)的刮板運(yùn)輸機(jī)牽引旋轉(zhuǎn)軸上，并內(nèi)接磁性開關(guān)。通過計算采煤機(jī)運(yùn)輸機(jī)齒輪旋轉(zhuǎn)一周所需位移量來確定當(dāng)前采煤機(jī)的位置。以第一個液壓支架為起始點(diǎn)，采煤機(jī)位移距離和支架數(shù)量之間的關(guān)系如公式（1）所示。

圖1 采煤機(jī)有限位置檢測法示意圖

式中：Nw表示支架數(shù)量；c表示當(dāng)前齒傳感器的數(shù)值；C表示傳感器旋轉(zhuǎn)一周的計數(shù)值；lc表示齒輪旋轉(zhuǎn)一周采煤機(jī)位移的距離；bz表示相鄰液壓支架之間的距離；k表示液壓支架中心距調(diào)節(jié)系數(shù)。

紅外無線傳感器檢測法則是在有限位置檢測法的基礎(chǔ)上，將齒輪傳感器替換為紅外傳感器，并在每個支架上添加一塊接收器。由紅外發(fā)射器發(fā)射特定的紅外線信號，接收器進(jìn)行信號監(jiān)測接收，從而達(dá)到實(shí)時監(jiān)測采煤機(jī)位置的目的。位移計算如公式（2）所示。

式中：Nwl表示液壓支架的平均數(shù)；Dwl表示采煤機(jī)位移距離。

在紅外線信號中，接收的支架數(shù)量存在多個數(shù)值，因此需要通過取平均值來確定當(dāng)前采煤機(jī)的位置。

在有限位置檢測中，由于常年機(jī)械磨損和物理碰撞等因素，相鄰兩處支架的距離會發(fā)生變化，因此會導(dǎo)致最終的定位檢測結(jié)果存在一定誤差。在紅外無線檢測中，地下信號接收環(huán)境影響存在一定偏差，如果該偏差大于融合閾值，則檢測結(jié)果同樣存在誤差。綜上所述，無論有線還是無線的采煤機(jī)位置定位方法，都會因某些物理或環(huán)境因素而受干擾。

1.2 基于高精度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)定位感知模型構(gòu)建

無線傳感器（Wireless Sensor）是一種對無線通信技術(shù)的應(yīng)用，用于感知和收集環(huán)境中的各種數(shù)據(jù)[4]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量分布式的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[5]。每個傳感器節(jié)點(diǎn)都具有感知、處理、通信和能量供應(yīng)等功能。為了進(jìn)一步提高位置檢測精度，本文提出了一種利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)位置定位模型，如圖2所示。

圖2 利用無線傳感器的采煤機(jī)感知模型場景圖

根據(jù)圖2 可知，整個采煤機(jī)的刮板運(yùn)輸機(jī)分為工作方向和工作面切割方向，運(yùn)輸機(jī)的動力系統(tǒng)由多個液壓支架共同構(gòu)建。在每個液壓支架中安置著錨節(jié)點(diǎn)，便于標(biāo)注區(qū)分。在采煤機(jī)的工作面中，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將采煤機(jī)的實(shí)際位移軌跡構(gòu)建成移動的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。在正常工作中，進(jìn)行第i次循環(huán)切割時，液壓支架上的錨點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)發(fā)生偏移，與初始規(guī)定位置出現(xiàn)誤差。此時錨節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)如公式（3）所示。

式中：bR表示相鄰液壓支架間的距離；j表示0～m的標(biāo)號；exj表示沿著工作方向設(shè)置的錨節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)差；i表示采煤機(jī)第i次切割循環(huán)；r表示錨節(jié)點(diǎn)與移動節(jié)點(diǎn)之間的距離；eYj表示沿著工作面方向設(shè)置的錨節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)差；ezj表示沿著厚度方向設(shè)置的錨節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)差；Z0表示底板與液壓支架上錨節(jié)點(diǎn)的距離。

液壓支架上分布移動節(jié)點(diǎn)。分別將錨節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)放置于運(yùn)輸機(jī)底部和液壓支架的底部，以便固定位置。該模型下的采煤機(jī)定位如公式（4）所示。

式中：LQM表示布置在采煤機(jī)上的無線節(jié)點(diǎn)；LDRSS表示各節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度；gEALG表示映射距離。

井下作業(yè)受環(huán)境因素影響，在信號采集過程中會存在一定的數(shù)據(jù)偏差。具體表現(xiàn)為臨近錨節(jié)點(diǎn)處移動目標(biāo)信號強(qiáng)，反之則信號弱。因此本文通過信號強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）給出了測距誤差分類，如公式（5）所示。

式中：μb表示無線射頻存在的誤差；μn表示短距離定位監(jiān)測誤差；μ0表示長距離定位監(jiān)測誤差；bj0表示錨節(jié)點(diǎn)j與移動節(jié)點(diǎn)之間的距離。

由公式（5）可知，將距離誤差分為0m、0m～5m、5m～30m 共3 個級別，通過誤差概率分布對某處錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)測量，其基準(zhǔn)差如公式（6）所示。

式中：θ0表示一個移動節(jié)點(diǎn)；Wj0表示該點(diǎn)的信號強(qiáng)度；m表示錨點(diǎn)數(shù)；w表示路徑損耗。

通過克拉美羅下限（Cramer-RaoLowerBound，CRLB）對這些移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行方差測算，如公式（7）所示。

式中：θ0表示任意一個移動節(jié)點(diǎn)；X、Y、Z和Q、M、N表示2 組以該節(jié)點(diǎn)建立的三維坐標(biāo)測量值；FCRLB（θ0）表示一定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)下限值。

2 基于高精度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)定位仿真測試

為了驗(yàn)證結(jié)合高精度無線傳感器的采煤機(jī)定位模型的性能，本文建立了合適的試驗(yàn)環(huán)境。采用TI 品牌的電子產(chǎn)品CC2530 硬件定位引擎的片上系統(tǒng)對RSSI 信號進(jìn)行接收測量。信號頻率設(shè)置為2.85GHz，采煤機(jī)接定位時的接收功率為45dB，接收功率的方差設(shè)置為0.7dB，路徑損耗指數(shù)設(shè)置為5，其測量誤差如圖3所示。

圖3 30m 和5m 通信距離對應(yīng)的測量誤差圖

圖3（a）為30m 通信距離對應(yīng)的測量誤差圖，圖3（b）為5m 通信距離對應(yīng)的測量誤差圖。根據(jù)圖3 觀察可知，在30m 的通信測量距離內(nèi)，得到的測量誤差數(shù)據(jù)隨測量距離逐步攀升，尤其靠近30m 時，測量的誤差可接近0.8m，即RSSI 測量誤差較大。反之，在0m～5m 內(nèi)的檢測誤差偏低，整體誤差不超過0.5m。說明要想提高采煤機(jī)的定位精度，對錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量時可選擇的測量半徑為5m范圍內(nèi)。

結(jié)合上述數(shù)據(jù)，本文將仿真試驗(yàn)的測量環(huán)境范圍為半徑為5m，通信距離半徑為30m，參考距離為800m。信號產(chǎn)生的誤差系數(shù)為0.3。采用SIMULIA 仿真軟件進(jìn)行仿真測試。將采煤機(jī)的位移速度設(shè)置為2m/s，額定電壓為1140V，功率為300W，相鄰2 個液壓支架間的距離設(shè)置為700m。將采煤機(jī)支架底座與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離設(shè)置為150m，刮板運(yùn)輸機(jī)底座與移動節(jié)點(diǎn)之間的距離設(shè)置為1000m。錨節(jié)點(diǎn)、移動節(jié)點(diǎn)距離與定位精度誤差、錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)距離的測量誤差圖

根據(jù)圖4 可知，隨著采煤機(jī)錨節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)間距離增加，測量誤差值會隨之增加，最大的誤差值接近30%。因此后續(xù)設(shè)計錨節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況盡可能縮短兩者之間的距離，從而減少信號干擾，避免定位精度誤差增大。隨著采煤機(jī)中的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，測量誤差隨之降低，最小誤差約10%，表明定位精度增加。因此說明在一定范圍內(nèi)，當(dāng)錨點(diǎn)數(shù)目增加時，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位精度會隨之提升。將本文提出的高精度傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與其他采煤機(jī)定位技術(shù)的定位精準(zhǔn)度進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

表1 不同采煤機(jī)定位技術(shù)對比結(jié)果

根據(jù)表1 可知，由于超聲波定位技術(shù)受傳播媒介的物理因素干擾影響較大，因此相對誤差值最大。而軌道里程定位技術(shù)和慣性裝置定位技術(shù)主要依靠結(jié)構(gòu)測量和公式計算采煤機(jī)具體位置，因此定位精度稍差。對常見的定位技術(shù)進(jìn)行比較后，本文無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的定位精確度值可達(dá)0.2m，比其他技術(shù)最大提升50%，相對誤差值比軌道里程定位技術(shù)提高了25%。因此可以說明，本文提出的結(jié)合無線傳感器的井下作業(yè)采煤機(jī)定位精準(zhǔn)度較高，具有一定可行性。

3 結(jié)論

煤礦行業(yè)開采機(jī)械化為該領(lǐng)域的智能技術(shù)推廣奠定了可靠基礎(chǔ)。面對復(fù)雜的井下作業(yè)環(huán)境，為了進(jìn)一步提高采煤機(jī)定位檢測精度，本文在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提出了一種結(jié)合高精度無線傳感器的采煤機(jī)定位感知模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，相鄰錨節(jié)點(diǎn)距離小于5m 的測量精度最高。測量誤差隨錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加和節(jié)點(diǎn)距離縮短而降低。本文提出的高精度定位感知模型的測量相對誤差小于10%，定位精準(zhǔn)度可達(dá)0.2m。綜上所述，本文提出的定位技術(shù)對采煤機(jī)井下作業(yè)的發(fā)展具有重要意義。后續(xù)會進(jìn)一步研究采煤機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度等影響因素。