综采工作面智能化关键技术现状与展望.pdf

中国煤炭行业知识服务平台 您可能感兴趣的文章、专题您可能感兴趣的文章、专题 ““煤矿智能化综述及关键技术煤矿智能化综述及关键技术””专题专题 ““我国煤矿瓦斯防治理论技术研究进展我国煤矿瓦斯防治理论技术研究进展””专题专题 ““煤地质与煤结构煤地质与煤结构””专题专题 ““煤矿安全煤矿安全 智能化智能化””专题专题 ““深部煤层瓦斯精准抽采深部煤层瓦斯精准抽采””专题专题 ““中国煤科首席科学家中国煤科首席科学家””专题专题 ““矿井冲击地压灾害防治技术及工程实践矿井冲击地压灾害防治技术及工程实践””专题专题 20202020 年度煤炭科学技术年度煤炭科学技术““领跑者领跑者 50005000””论文论文 20212021煤炭科学技术封面文章煤炭科学技术封面文章 煤炭行业青年科学家论坛煤炭行业青年科学家论坛20212021 年年 第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 特约综述 高有进（），男，河南辉县人，博士，教授级高级工程师，国务院政府特殊津 贴专家。 年任郑州煤矿机械厂副厂长、总工程师， 年任郑州 煤矿机械集团股份有限公司副总经理、总工程师。 现任河南省煤矿智能开采技术与 装备重点实验室主任，河南理工大学智能开采研究院院长、特聘教授、博士生导师，华 中科技大学兼职教授。 兼任中国煤炭工业技术委员会委员、中国矿用产品专业委员 会副主任委员、中国矿用产品油品委员会副主任委员、河南省煤炭学会常务理事等。 荣获河南省学术技术带头人称号，为国家科技部项目评审专家，国家奖励办专家。 高有进高工主要从事综采工作面智能化技术及成套装备研究工作。 主持研发的高 度为 、、、、 等系列国产化高端液压支架，彻底打破了国外液压支架厂商对我国高端市场的垄断。 主持首创研发的 、、、、、 等系列大采高高端液压支架，奠定了我国在 以上超大采高液压支 架领域的国际领先地位。 主持研发的煤矿智能开采技术与装备，目前已推广应用近 个综采智能化工作面。 主持国家级、省市级重大科技项目 余项，主持了河南省煤矿智能化建设与验收标准起草、修订工作。 主要 成果获得国家级、省部级科技进步奖 项，其中国家科技进步二等奖 项，省部科技进步一等奖 项。 获得第一发 明人授权专利 项。 移动扫码阅读 高有进，杨 艺，常亚军，等综采工作面智能化关键技术现状与展望煤炭科学技术，，（） ， ， ， ， ， （ ） 综采工作面智能化关键技术现状与展望 高有进，，杨 艺，，，常亚军，，张幸福，，李国威，，连东辉，，崔科飞，，武学艺，，魏宗杰， （郑州煤矿机械集团股份有限公司，河南 郑州 ；郑州煤机液压电控有限公司，河南 郑州 ； 河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 ） 收稿日期；责任编辑赵 瑞 基金项目河南省科技攻关资助项目（）；河南省煤矿智能开采技术创新中心支撑资助项目（） 作者简介高有进（），男，河南辉县人，教授级高级工程师，博士。 通讯作者杨 艺（），男，湖北利川人，讲师，博士。 摘 要综采工作面智能化是我国煤炭开采的重点发展方向之一。 综采工作面环境复杂，设备众多， 开采工艺各环节高度耦合，且采煤过程中各设备之间的动作协同性要求较高，这给设备的智能控制带 来了巨大挑战。 为厘清综采工作面智能化的技术现状，发掘技术难题的解决方法，探讨未来的发展方 向，首先从工程应用角度出发，围绕采煤机、液压支架群、供液系统、运输系统等核心设备，综述综采工 作面智能化的发展历史和技术现状，介绍了智能化综采工作面现有的系统架构和关键技术，梳理智能 化建设过程中的技术难点。 其次从控制理论角度出发，重点阐述了采煤机滚筒自适应调高、支架姿态 控制、支架自动跟机、工作面直线度调整、设备协调控制等技术难点所面临的科学问题，从系统建模、 控制算法及优化决策等方面，介绍了解决上述问题的技术路径和国内外最新的研究成果。 最后，根据 人工智能研究领域的发展动态，展望了采煤机、液压支架、运输系统的智能化发展方向；结合计算机视 觉、三维激光点云技术、大数据分析、多智能体控制与决策等方向的研究成果，探讨了综采工作面在视 频目标识别与跟踪、关键设备三维姿态感知、透明工作面地质信息获取与建模、设备故障综合诊断、工 作面信息挖掘与智能分析、设备集群智能最优控制等方面的智能化技术。 关键词综合机械化工作面； 智能化；人工智能；大数据分析 中图分类号 文献标志码 文章编号（） 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 ，， ，，， ，， ，， ，， ，， ，， ，， ， （ ， ，； ，， ，； ， ， ） ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ； ； ； 引 言 煤炭是我国重要的基础能源。 根据中国工程院 相关报告预测到 年，煤炭在我国能源结构中 所占比例为 ；直至 年，仍将以 的占比 高居榜首。 煤矿安全高效生产是确保我国经济 发展和社会稳定的重要基础之一。 煤矿智能化开采是我国能源战略的重要发展方 向。 年 月，由国家发展改革委、国家能源局 等八部委联合印发的关于加快煤矿智能化发展的 指导意见，对煤矿智能化发展阶段性目标和任务 提出具体要求到 年，各类煤矿基本实现智能 化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统， 建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体 系。 河南、山东、山西、内蒙古、安徽、贵州等煤炭 主产区先后出台了煤矿智能化建设的实施方案，确 定了各省煤矿智能化建设的具体任务和目标。 长期以来，煤矿开采作为高危和艰苦行业，对人 才的吸引力很小。 年，第 次全国经济普查结 果显示，全国煤炭行业法人 万个，从业人员达到 万人。 然而，近年来，随着我国金融、、电 子商务、新型物流等行业蓬勃发展，对煤炭行业的从 业人员形成巨大冲击，导致煤炭行业的各类人才流 失严重。 更为严重的是国内主要煤炭院校相关专业 的本科生、研究生报考比例持续走低，而且社会青年 进入煤矿生产一线的意愿不高，从而致使煤炭行业 的新生力量匮乏，员工老龄化十分严重。 年第 次全国经济普查时，煤炭行业企业法人已大幅下 降到 万个，从业人员锐减到 万人。 此 外，随着我国煤炭资源开发的纵深发展，煤矿采深不 断增加，地质条件更加复杂，冲击地压、水害、瓦斯突 出等多种灾害叠加效应不断显现，给煤矿安全生产 提出了更高的新要求。 因此，如何确保煤矿生产安 全、稳定生产队伍、提高煤矿开采效率是煤炭行业健 康可持续发展的重要内容。 煤矿智能化开采是以井下少人化、无人化为目 标，通过设备的智能自主控制实现自动化高效采煤。 这可将工作人员从高风险区域解放出来，从根本上 消除生产过程中的人员伤亡现象。 同时，采掘设备 的智能自主控制可大幅弱化生产过程对人员的需 求，有效缓解人员短缺的问题。 此外，在智能开采模 式下，井下环境可实现精确感知；冲击地压、有害气 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 高有进等综采工作面智能化关键技术现状与展望 年第 期 体、巷道围岩状态等监控得以完善；大数据分析与事 件预测深度融合，形成井下全局信息，并作为工作面 设备智能控制的决策依据，从而驱动工作面各个设 备控制与决策。 在智能控制与决策算法中，以优化 出煤品质为目的的性能指标，决定了所设计的控制 算法和决策策略必将提升出煤的品质，提高煤矿的 经济效益。 综合机械化采煤是我国煤矿开采的主要方式， 综采工作面的智能化水平直接决定了我国煤矿智能 化程度。 厘清综采工作面智能化开采的技术现状、 科学问题及技术难点，对于攻克综采工作面智能开 采关键技术，提升我国煤矿开采智能化水平意义重 大。 笔者以综采工作面采、支、运等主要系统的智 能化技术为核心，从理论研究和工程实践方面阐 述了智能化过程中的科学问题、技术关键和未来 展望。 综采工作面智能化开采发展历程 煤矿综采工作面的智能化发展历程大致可划分 为机械化、自动化和智能化 个阶段，如图 所示。 图 煤矿综采工作面的智能化发展历程 ）煤矿机械化开采。 年，世界上第 台商 用旋转轮式割煤机在英国诞生，拉开了煤矿开采 机械化的大幕。 到 年，英国率先将割煤机、输 送机和液压支架综合运用，形成了综合机械化采煤。 随后，前苏联、德国、波兰等国家逐步开始推进工作 面的机械化进程。 我国于 年在大同煤峪口煤矿 工作面 第 次按照综合机械化开采模式进行工业性试验。 通过引进技术、消化吸收，经过半个世纪的发展，我国 煤矿的机械化水平取得突飞猛进的发展。 特别是 自主研制的液压支架、大功率采煤机、刮板输送机等 一批重要的煤机设备成功应用于工业现场，加快 了我国煤矿机械化开采的进程。 目前，我国大型煤炭 企业的采煤机械化程度已达到 。 ）综采工作面的自动化。 综采工作面的自动 化是在机械化基础上集成微处理器、传感器、现场总 线、计算机控制、可编程控制器等技术，通过电机调 速、电液控制，实现采煤机、液压支架、刮板输送机等 设备的自动化控制。 世纪 年代初，英国对工作面自动化提出 要求，即研究一种远距离操纵工作面设备的系统。 但由于微处理器等电子元器件尚未成熟而最终失 败。 直到 年， 公司推出 位单片机后， 单独的微处理芯片在煤矿的运输、环境和水泵站的 监控才逐步实现。 随着工业现场总线在 年推出标准，设备互 联、非本地控制等技术使得煤矿综采工作面的自动 化水平得到突破性发展，其中最具代表性的成果 是电液控系统。 在电液控制系统中，建立了地面主 控计算机、井下主控主机到液压支架传感器和控制 器的网络结构。 如 公司的控制系统采用 总线实现液压支架间的通信，整个工作面 的互联则采用 总线。 而 公司的电液控 制系统则采用 总线连接各个液压支架，并 将液压支架与工作面的 台服务器相连。 我国的 电液控技术发展相对较晚。 年起，煤炭工业部 开始立项对支架电液控制技术进行研究，至 年，我国完成了首套工作面电液控系统研发和井下 工业性试验。 年，在引进国外技术的基础 上，我国研发的电液控系统逐步在国内多个大型煤 矿推广。 目前，电液控系统已经成为综采工作面 的标准配置，也是综采工作面智能化的硬件基础 之一。 ）综采工作面的智能化。 综采工作面智能化 是在自动化基础之上，以工作面少人化或无人化为 目标，结合机器视觉、三维激光扫描、多传感器融合 等信息感知技术，采用工业互联网、物联网、云平台 等数据传输方法，通过大数据分析与挖掘、深度神经 网络、多智能体决策等，实现综采工作面设备的智 能、自主、最优控制。 综采工作面初级智能控制以远程视频监控为主 要信息感知手段，以设备的程序化控制为目标，采用 经验存储、顺序控制、反馈控制等方法，实现采煤机 记忆截割、工作面调直、液压支架自动跟机移架等功 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 能。 年，澳大利亚提出 技术，包括 工作面调直、采煤机自动控制、通信及操作接口、信 息系统、防撞系统、状态监视等 个功能模块。 年，黄陵煤矿率先在国内实现了综采设备远程 可视化监控和记忆割煤。 年前后， 技术被引入我国，并在兖矿集团转龙湾矿、国家能源 集团宁夏煤业有限公司红柳煤矿、国家能源集团宁 夏煤业集团有限公司麦垛山矿和陕西能源凉水井矿 业有限公司等地推广应用。 年，以深度学习为代表的新一代人工智能 技术取得重大突破，并迅速应用于计算机视觉、 大数据挖掘、智能控制等领域。 年 月，我国 首次把人工智能写入政府工作报告，大幅促进了综 采工作面智能化的发展。 其中， 煤岩分界线识 别、井下视频目标跟踪、 巷道激光点云重 建、工作面三维地质模型、工作面设备群组智 能控制、煤矿大数据分析等关键技术已 取得可喜进展。 综采工作面的智能化水平也正从初 级阶段逐步往高级阶段迈进。 随着人工智能研究的 纵深发展，综采工作面信息感知、智能决策和最优控 制等核心问题将取得突破，综采工作面智能的无人 化开采必将实现。 综采工作面智能化开采技术现状及难点 综采工作面智能化开采系统架构 综采工作面成套设备主要包括信息感知系统、液 压支架群、采煤机、运输系统、供液系统等。 各部分通 过工业现场总线、以太环网等建立数据链路，可实现地 面远程控制、巷道集控仓集中控制和设备本地控制。 目前，典型的智能化综采工作面结构如图 所示。 图 智能化综采工作面典型系统架构 目前，综采工作面的被控对象主要是液压支架 群、采煤机和刮板输送机。 智能控制系统以巷道集 控仓和支架电液控系统为核心，形成了信息感知、智 能决策、驱动执行、反馈评估的集散控制方式。 其 中，由摄像头、压力传感器、红外传感器、位移传感器 和接近传感器等构成的信息感知子系统，为系统决 策提供工作面环境、设备运行状况、设备姿态等信 息。 供液系统主要为支架电液控提供驱动力，同时 也为工作面喷淋装置提供水源。 电液控系统是支架 的控制核心，其根据感知的信息，通过控制策略对动 作做出决策。 而巷道集控仓实现采煤机、刮板输送 机、支架群的远程协调控制。 工作面的视频信息、地 质信息、设备信息、操作过程等数据通过工业以太网 上传至地面服务器，为地面监控中心提供实时数据。 同时，这些数据通过互联网进入云平台，为云端用户 提供实时的可视化数据及分析结果。 采煤机智能化技术现状及难点 采煤机是综采工作面的核心设备。 目前，采煤 机的智能化主要围绕滚筒运动调节和牵引控制 个 方面展开研究和工程实践。 采煤机牵引系统采用变频器控制牵引电机驱动 采煤机在行走齿轮上往返运动。 由于牵引系统的控 制精度要求不高，且变频调速技术已经较为成熟，所 以牵引控制本身已能满足智能系统的需求。 但是， 由于牵引控制关系到采煤机位置和姿态，进而影响 到煤壁的截割工艺。 因此，采煤机的迁移控制衍生 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 高有进等综采工作面智能化关键技术现状与展望 年第 期 出 个主要的问题采煤机的定位技术和采煤机的 规划开采技术。 人工操作模式下，在截割煤壁时采煤机司机根 据顶板和底板的起伏，手动调节采煤机滚筒升降，避 开顶底板的岩层。 而在智能化开采模式下，采煤机 需要根据感知信息自主调节滚筒高低。 然而，目前 工作面精确的地质信息尚不完善，煤岩分界面识别 技术尚无法攻克，无法做到实时感知顶底板状态。 因此，采煤机滚筒还无法达到真正的智能化调节。 在此情况下，记忆截割是一种较好的半智能化方法。 此外，在滚筒截割过程中，煤层变化和滚筒截深不同 导致截割部的负载变化明显，是典型的负载扰动。 如果滚筒调节的控制算法不适配，将导致滚筒的调 节鲁棒性差、精度达不到要求，这也是采煤机智能控 制领域面临的重要问题之一。 采煤机定位技术现状及难点 采煤机精确定位是记忆割煤、液压支架动作、开采 工艺决策的基础。 目前，采煤机定位方法主要有 种 红外传感器定位、编码器定位和惯性导航装置定位。 ）红外传感器定位。 红外传感器定位是将红 外发射装置安装在采煤机上，在每台支架上安装红 外接收装置。 当采煤机经过液压支架时，支架上的 红外接收装置输出开关信息，从而确定采煤机相对 于支架的位置。 由于采煤机上发射的红外线通常是 扇形区域，经常导致多台支架同时接收到信号。 因 此，需要设计相应算法对接收到架次信息进行修正。 修正算法的可靠性和稳定性直接决定了采煤机的定 位准确性。 工作面回采是动态的过程，这使得空间定位难 以找到恰当的绝对参考位置。 而红外传感器定位方 法能够为采煤机提供相对于支架的参考位置，这为 支架的“降移升”和采煤机的截割规划提供了位 置基准。 但这一方法的定位精度低，一般为液压支 架的宽度。 此外，在工程应用中，红外传感器偶尔会 遭遇砸损、进水、煤尘覆盖等事故，导致数据丢失，从 而引起采煤机定位出现丢架、跳架的情况。 ）编码器定位。 编码器定位方法是在采煤机 牵引部位安装编码器，记录采煤机的增量位置。 编 码器的定位精度高，故障少，使用方便，目前已被广 泛使用。 同时为防止累积误差，在工作面回采过程 中往往需要定时校正。 编码器位置校正有静态校正和动态校正 种方 式。 其中，静态校正是在工作面某固定位置安装接 近开关，当采煤机处于该位置时，对编码器数据进行 校正，从而确定编码器值与工作面位置的关系。 动 态校正是编码器与红外传感器定位相结合的方法。 该方法需要建立编码器输出与红外传感器位置的映 射关系；在采煤机运行过程中，当通过红外传感器可 以确定采煤机的相对位置时，对该映射关系进行修 正。 编码器动态校正方法融合了编码器和红外传感 器的信息，使得采煤机定位更加准确。 ）惯性导航定位。 将惯性导航技术应用于采 煤机定位并绘制采煤机的运行轨迹是 的核 心技术之一。 目前，国内外在采煤机定位中应用的 惯性导航装置均采用捷联方式，主要结构如图 所 示。 惯性导航的主要部件是陀螺仪和加速度计，分 别测量载体的角加速度和线加速度；然后通过惯性 测量单元得到角速度、线速度；再采用导航解析算 法，求解出运动物体的横滚角、航向角、俯仰角等姿 态以及速度和位置等信息。 图 惯性导航装置的主要结构框图 通常情况下，惯导系统以“东北天”为基准建 立导航坐标系，以采煤机几何中心为原点建立 载体坐标系，如图 所示。 载体坐标系采用“右 手定则”，以指向煤壁方向为俯仰轴 ，采煤机的行 进方向为横滚轴 ，指向顶板方向为航向轴 。 惯 性导航装置获得的是在载体坐标系中的运动参 数。 而实际应用中需要的信息是在导航坐标系 下的横滚角、航向角、俯仰角、速度和位置信息。 因 此，需要通过导航解析算法将载体坐标系中的位姿 转化到导航坐标系。 在惯性导航系统运行之初，通常需要通过位置校 正算法进行位置标定，即通过北斗或 等导航卫 星明确采煤机在导航坐标系中的位置。 然而，在工作 面无法接受北斗或 信号。 因此，每次开机均做 一次位置初始化标定，且在标定时，无论采煤机处于 何种绝对位置和姿态，均会被初始化为预设值。 这就 使得惯性导航仅能提供采煤机的相对位置信息。 此 外，光纤陀螺仪和加速度计在运行过程中存在误差， 当采煤机长时间运行后，产生的累积误差可能导致导 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 采煤机惯性导航坐标系 航结果偏差较大。 因此，需要通过位置校正算法对惯 性导航装置在导航坐标系中的位置进行校正。 将惯性导航应用于采煤机定位，不仅可以提升 采煤机自身的位姿感知能力，还可以为记忆截割、工 作面调直等其他工艺提供重要的信息。 在实际的工程 应用中，惯性导航的应用仍然存在以下 个问题 ）惯性导航累积误差的影响。 惯性导航的核 心部件光纤陀螺仪和加速度计是精密仪器。 在采煤 机运行过程中，振动等原因容易造成导航位置漂移， 从而构成累积误差。 解决这类问题的最主要方法是 定期进行位置校正（如图 中的位置校验算法模 块）。 然而，位置校正需要从外部引入绝对位置和 姿态信息。 因此，目前的工程应用中往往是定期对 惯性导航装置采用寻北定位等方法实现简单的标 定。 在理论研究方面，学者提出几种有益的消除累 计误差的方法。 例如文献提出一种安装误差 和初始对准误差的校验算法，对定位结果进行补偿； 文献提出一种基于零速修正技术的卡尔曼滤 波器对位置经行估计，提高了惯性导航的精度；文献 采用构建了冗余惯性导航系统的定位方法，在 一个采煤机上配置 套惯性导航装置，以降低累积 误差的影响。 ）杆臂效应的影响。 惯性导航装置输出的采煤 机姿态信息是从载体坐标系转换到导航坐标系的结 果。 因此，在理想状态下，光纤陀螺仪和加速度计的 三轴交汇点应该是采煤机的几何中心。 且 个光纤 束和加速度测量单元的轴向方向分别与煤壁指向方 向、采煤机运行方向和顶板指向方向完全重合。 这在 实际工程中几乎是不可能实现的，而中心点的错位将 会形成杆臂效应，造成系统误差。 目前，在工程应用 中较少考虑这类问题的补偿方法，仅有少量的理论研 究。 如文献提出初始对准误差的校准方法，文献 则对杆臂效应的提出补偿方法等。 采煤机姿态检测的技术现状及难点 在无人开采条件下，采煤机的横滚角、航向角、 俯仰角等姿态信息是割煤工序和参数设置的重要依 据。 例如俯仰角直接决定了摇臂的高度，航向角则 关系到斜切进刀的深度。 因此，如何检测采煤机的 姿态信息是采煤机智能化技术的重要方向之一。 测 量姿态主要采用倾角传感器或惯性导航装置，这 类检测装置在实际工程中均有成熟的应用。 特别是 惯性导航装置可同时提供采煤机的位置和姿态信 息，应用前景更加广阔。 但是，采煤机的姿态信息必须与工作面顶底板 的地质状态相匹配，才能真正实现采煤机滚筒的自 适应调节等智能控制。 然而，当前煤层的顶板识别 仍然是技术难题。 因此，在工程应用中采煤机的姿 态信息检测应用相对较少。 为解决这一问题，部分 学者将煤层地质信息与惯性导航装置检测的位姿信 息相结合，提出了采煤机的定位定姿算法。 年，文献利用地震波探测技术对工作面建立了 精确的地理信息系统，将采煤机定位在煤层中，并根 据采煤机的姿态信息确定滚筒与工作面顶板和底板 的位置关系。 该方法在试验中能使滚筒的截割轨迹 与地理信息系统的顶板曲线之间的误差小于 ， 经过消差处理后该误差可小于 。 年，文献提出采煤机自主导航截割原理和方 法，特别是引入运动学原理建立了采煤机全位姿参 数矩阵，综合表述了采煤机左右滚筒的位置信息，实 现了采煤机位姿从物理模型到数学模型的转换。 滚筒自适应调高技术现状及难点 采煤机滚筒的高度自适应调节是采煤机智能割 煤的基础和关键。 采煤机截割部如图 所示。 图 采煤机截割部 采煤机滚筒一般通过液压油缸的伸缩控制摇臂 转动从而使滚筒升降。 根据截割部的几何特性，滚 筒调节高度可简化为 （） 式中 为滚筒高度； 为油缸推出距离；和 分 别为大摇臂和小摇臂的长度；为摇臂水平夹角。 由于机械几何关系固定，因此摇臂高度与油缸 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 高有进等综采工作面智能化关键技术现状与展望 年第 期 行程之间的非线性关系可以确定。 然而，在控制油 缸行程过程中，滚筒的动载荷受煤层条件、截割深 度、牵引速度变化的影响，使得液压控制系统的负荷 变化明显，从而导致滚筒动态调节的控制精度受负 载扰动的影响很大。 根据采煤机截割过程的物理模型，滚筒调高过 程的动力学方程可简化为 （ ） （ ） （ ） （） 式中 为滚筒角位置； 为载荷变化频率；和 分别为滚筒和摇臂的质量；为液压油缸的弹簧刚度； 为液压油缸的黏性阻尼系数；和 分别为水平 方向和垂直方向的平均载荷；为滚筒偏心载荷的最 大值；和 分别为周期性载荷在水平和垂直方向的 最大值； 为重力加速度；为截割阻力矩。 由式（）可知，在负载变化情况下，滚筒的转动 是十分复杂的非线性动力学模型。 因此，其控制模 型也十分复杂，这也是目前滚筒调高多为人工操作 的主要原因。 为实现滚筒调高的自动控制，将上述 模型和液压油缸动态过程简化成简单的二阶线性系 统是一种较为直接的方法。 然而，这类方法的负 载变化过程并不能被体现，因此控制效果欠佳。 为 此，智能控制算法，如模糊控制方法、自适应 控 制算法、遗传算法最优控制、鱼群算法等被研 究用来实现不同负载情况下滚筒的自适应调高。 但 是上述方法基本均处于理论研究阶段。 在工程应用 中，可实现的方式多是在油缸控制中采用液压比例 控制阀，，通过简单的比例控制实现滚筒调高。 由于比例控制属于简单的线性控制方法，无法有效 处理滚筒调高的强非线性过程，因此效果十分有限， 同时液压比例阀成本过高也制约了其推广使用。 记忆截割技术现状及难点 记忆割煤通常是人工示范 刀或 刀，并记录 采煤机的位置、摇臂高度等信息。 在自动截割时，通 过查表或模型映射方法为采煤机动态提供割煤参 数。 目前，采煤机自动割煤技术已在多个煤矿推广， 取得了较为显著的效果。 但是，即便在顶底板条件 都较好的煤矿，记忆割煤在几刀后一般也需要进行 人工校正，其主要原因以下 点 ）采煤机位置定位精度不高。 采煤机位置定 位是记忆割煤的基础，在记忆割煤技术中，通常是存 储示采煤机在示范刀的位置区间。 如图 所示， （）、（）分别为采煤机在示范刀和作业刀的 第 个位置区间， 为采煤机截割的刀数，图中，假 定第 刀为示范刀，第 刀为作业刀。 图 采煤机记忆割煤示意 虽然采用编码器的定位精度已远远超过采煤机 区间定位的需要，但是编码器定位的参考坐标系为 载体坐标系，即 （）记录的是参考坐标系中横 滚轴 的值。 但由于坐标系是固定在采煤机 上，这使得示范刀和作业刀的空间位置在本质上是 相互独立的。 因此，当刮板输送机的直线度和起伏 程度在示范刀和作业刀不一致时，同一定位区间在 次轨迹中极易出现错位，从而导致截割参数错误。 ）采煤机姿态信息欠缺。 目前，采煤机记忆割 煤主要通过位置信息确定滚筒高度，通常忽略采煤 机的姿态信息。 如图 所示，假设采煤机的导航坐 标系的三轴方向与采煤机载体坐标系相同，即 为指向煤壁方向，为采煤机运行方向，为 顶板方向。 在理想状态下，采煤机水平置于 平面。 然而，底板起伏不平和刮板输送机处于非直 线状态，即便示范刀和作业刀相同处于同一水平位 置，采煤机的姿态（俯仰、横滚、偏航）通常会变化。 因此，在示范刀和作业刀中，即使截割高度相同，滚 筒与顶煤的空间位置的差异依然较大。 图 采煤机姿态示意 为解决上述问题，采用惯性导航装置对采煤机 进行绝对位置定位，。 在此基础上，通过工作面 直线度调整，可以减小偏航姿态带来的滚筒调高误 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 差。 但是，目前采用惯性导航的姿态信息来矫正采 煤机摇臂高度的方法尚需进一步研究。 液压支架智能化技术现状及难点 液压支架是工作面安全支护的核心设备，长臂 综采工作面通常有上百架液压支架同时作业，完成 顶板支护、煤壁护帮、刮板输送机推移等工序。 自电 液控技术成熟以来，液压支架的升架、降架、移架、护 帮板和伸缩梁的伸缩等动作均已能实现程序控制。 目前，在智能化综采工作面中，液压支架智能控制的 关键技术主要集中在支架姿态感知、跟随采煤机的 自主移架和工作面直线度调整等 个方面。 液压支架姿态控制技术现状及难点 液压支架的姿态信息是综采工作面动作控制的 基础，特别是液压支架群组动作时，如果其姿态信息 不准确，支架容易出现咬架、倾斜、低头等情况，严重 影响设备后续操作，甚至危及工作面安全。 因此，首 先需要对液压支架的姿态进行监测，并在支架动作 过程中对姿态进行控制。 以双柱式液压支架为例，其姿态监测的参数是 在“东北天”导航坐标系中估计支架高度、底 座俯仰角和滚转角、顶梁俯仰角、立柱千斤顶长度和 倾角、护邦板俯仰角、平衡千斤顶长度与倾角等关键 参数。 由于液压支架的本质上是四连杆机构与 液压立柱等的组合体（图 ）。 其姿态信息可以 通过 个倾角传感器解算出来。 因此，目前液压 支架的姿态信息多是在底座、掩护梁、后连杆和顶梁 安装倾角传感器，如图 所示的 处的监测位 置。 部分液压支架还在护帮板上增加 个倾角传感 器，如图 所示的 ，测量护帮板的姿态。 图 液压支架结构 倾角传感器的装配和校准对液压支架的姿态监 测至关重要。 然而，在工程应用中，因为装配不当、 校准不够精细、环境温湿度变化等情况，经常导致监 测精度不高，甚至监测失效。 此外，根据电容式倾角 传感器监测原理，传感器仅能监测二维平面上的倾 角。 因此，目前的工程应用通常监测导航坐标系 中 平面上的支架姿态，其中 轴指向 煤壁，轴指向顶板，轴指向采煤机运行方向。 为解决三维空间姿态监测的难题，部分研究人 员采用三轴陀螺仪，通过液压支架的空间旋转角度 解析其空间姿态。 除此以外，也存在少量采用 计算机视觉方法检测液压支架姿态的研究。 在三维空间内解析液压支架姿态，需要将支架的几 何结构和三维空间旋转角度结合，在理论上推理旋 转角度与支架高度、底座俯仰角和滚转角等关键因 素的关系，从而刻画支架三维姿态。 目前，这类理论 研究尚未成熟。 而采用计算机视觉方法检测支架姿 态存在 个关键性技术难题一是如何克服井下煤 尘和水雾的影响；二是如何在运动环境中对双目视 觉实现标定，即液压支架推移过程中，如何确定世界 坐标系（可假设世界坐标系与导航坐标系相同）与 相机坐标系的映射关系。 虽然目前上述方法在工程应用中还未得到推 广，但部分技术具有很强的实用性。 如文献提 出基于深度视觉的液压支架姿态检测方法，采用双 目视觉摄像头测量支架高度和顶梁姿态角，可获得较 高精度的姿态信息。 此外，视觉 （ ）技术和激光 均可以获取液压支架的三维姿态信息，是目前人工 智能技术应用于综采工作面的又一重要领域。 液压支架姿态的调整主要是通过支架的推移千 斤顶、抬底千斤顶、底调千斤顶实现。 目前，仅有推移 千斤顶的油缸安装有位移传感器，采用开环控制方 式。 因此，对液压支架姿态的调整现在仍处于人工调 整阶段。 在智能开采模式下，对支架姿态进行自动精 确调整，首先需要对上述 个千斤顶的控制实现闭环 模式，建立必要的控制模型，设计合理的控制算法。 液压支架自动跟机控制技术现状及难点 液压支架自动跟机控制技术是液压支架群根据 采煤机的运行方向和位置等信息，针对不同的采煤 工艺，在采煤机运行前方执行收护帮板，在采煤机后 方执行伸护帮板、伸伸缩梁、成组推移刮板输送机、 拉架等动作。 这一系列动作是液压支架、采煤机和 刮板输送机之间的协同控制，如图 所示。 目前，液压支架自动跟机控制技术在倾角较小、 顶板条件较好的综采工作面的中部应用较为成熟。 其中，当采煤机位置和运行方向确定后，如何根据割 煤工艺确定相应位置液压支架的动作是自动跟机控 制的核心。 常用的方法有 种一是建立采煤机与 对应液压支架动作的规则库，以查表的方式确定支 架动作；二是建立采煤机位置与液压支架位置 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 高有进等综采工作面智能化关键技术现状与展望 年第 期 之间的函数关系，在线直接求解液压支架的动 作。 但在实际工程应用中，由于地质条件和设 备运行状态的影响，仍然存在跟机缓慢、丢架、端头 跟机困难等问题，其主要原因包括以下 个方面。 图 液压支架群自动跟机示意 ）液压支架移架控制精度难题。 液压支架的移架 控制是根据采煤机的运行速度，位于采煤机后方一定 数量的液压支架通过推移千斤顶移动到刮板输送机的 控制。 液压支架移架过程的主要受力如图 所示。 液压支架所受的顶板压力；液压支架的自身重力；工作 面沿回采方向的倾斜角； 推移千斤顶与液压支架地板间的夹角 图 液压支架移架过程的受力示意 根据液压支架的受力过程，可得推移千斤顶活 塞杆的负载 为 （ ）（ ） （） 其中， 和 分别为液压支架受到底板和顶板 的摩擦力。 由式（）可知，推移千斤顶的负载与工作 面倾斜度、顶板压力、顶底板的摩擦因数密切相关。 在工作面回采过程中，上述参量会发生较大变 化，从而导致推移千斤顶负载变化，特别是当顶板破 碎时，液压支架需要带压移架。 此时，顶板压力、顶 板和底板对液压支架的摩擦力变化较大，液压支架 成组移架时，推移千斤顶动力来自供液系统。 如果 推移油缸负载增大，而供液系统动力不足，则有可能 导致支架移动速度过慢或者推移不到位，甚至使得 部分支架缺乏动力无法移动，出现丢架。 为解决上述问题，文献对液压支架推移的 力学过程进行精确建模，分析了影响推移精度的主 要因素。 文献提出一种液压支架的移架状态 识别方法，并综合分析环境因素，通过选择不同的控 制策略，提升支架推移控制的精度。 文献则在 统计液压支架移架时间长度的基础上，通过置信度 估计建立移架时间长度模型，从而确定各液压支架 移架时间，减少丢架的发生。 ）自动跟机自适应控制难题。 液压支架自动 跟机控制需要完成“降移升”、护帮板伸缩、喷雾 等成组动作。 在顶板和底板地质条件较好、煤层分 布均匀的工作面，上述自动跟机控制可以采用相对 固定的顺序逻辑，通过查表或者计算直接获取液压 支架的执行动作。 然而受复杂地质条件和设备运行 状态的影响，部分执行顺序可能需要重新配置，如带 压移架需要减少成组移架的数量、底板起伏则需要 调整采煤机运行到可以移架的液压支架的距离等。 特别是当发生跟机缓慢、丢架等事件时，上述固化的 顺序逻辑控制有可能使得整个移架过程出现错乱。 因此，如何感知工作面的环境变化和液压支架的自 身工作状态，使液压支架具备自适应控制功能，从而 实现智能跟机控制是目前面临的一大难题。 工作面自动调直技术现状及难点 在工作面回采过程中，液压支架不断推动刮板输 送机向着回采方向移动。 在液压支架推移刮板输送机 过程中，由于底板地质条件差异和刮板输送机与液压 支架之间的链接间隙，使得在相同的推移方式下，各支 架常产生不同的推移距离，造成了刮板输送机的直线 度较差。 如图 所示，采煤机的空间位置在地面的投 影（平面投影）显示刮板输送机弯曲变形，若长 时间处于该状态，容易引起刮板链条断裂，直接影响生 产。 此外，工作面的推移会发生偏移，可能导致液压支 架支护不到位，从而影响工作面的安全。 因此，在回采 过程中需要经常对工作面进行调直。 工作面智能调直需要解决工作面的直线度感知 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 工作面直线度变化 和工作面直线度调整 个关键技术。 ）工作面直线度感知。 工作面直线度感知的 实质是获取刮板输送机在导航坐标系中的空间 位置。 在工程中通常以地面投影，即 平面投 影作为直线度的量测对象，如图 所示。 目前，工 程中常用的测试方法有钢丝量测、测距传感器量测、 惯性导航反演量测、光纤光栅传感器量测和机器视 觉量测等几种类型。 钢丝量测是