自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)的探索與研究

黃太光(龍煤鶴崗礦業(yè)公司生產(chǎn)技術(shù)部，黑龍江 鶴崗 154100)

0 引言

煤礦開采的升級(jí)轉(zhuǎn)型是煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期發(fā)展的重要途徑。煤礦企業(yè)要積極采用自動(dòng)化、智能化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦開采的遠(yuǎn)程控制，并通過(guò)無(wú)人化智能作業(yè)方式來(lái)提高煤礦開采的安全性和生產(chǎn)效率，因此必須加大對(duì)自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)的研究。在自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)的探索過(guò)程中，要注意及時(shí)掌握國(guó)內(nèi)外先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并要充分了解目前制約自動(dòng)化智能開采技術(shù)研發(fā)應(yīng)用的影響因素，合理確定自動(dòng)化智能開采技術(shù)方案，積極采用遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)測(cè)以及視頻拼接等技術(shù)方法，不斷突破技術(shù)難點(diǎn)，推動(dòng)我國(guó)煤炭開采的自動(dòng)化智能發(fā)展。

1 煤礦開采自動(dòng)化智能技術(shù)現(xiàn)狀分析

隨著我國(guó)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、自動(dòng)化以及智能化控制技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，在煤礦開采中逐步提高了自動(dòng)化水平，同時(shí)自動(dòng)化智能技術(shù)設(shè)備也在由單純依賴進(jìn)口逐漸向?qū)崿F(xiàn)國(guó)產(chǎn)化方向發(fā)展[1]。目前我國(guó)一些煤礦企業(yè)已經(jīng)采用了具有機(jī)載視頻以及截割記憶功能的自動(dòng)化智能采煤機(jī)、全作業(yè)面自動(dòng)根機(jī)電液控制設(shè)備、智能化煤巖識(shí)別技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)等，部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化智能開采控制，但還需要進(jìn)一步加大自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)的探索與研究。

2 自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究的影響因素

2.1 影響自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究的環(huán)境因素分析

在自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)的研究中，綜采作業(yè)面的瓦斯?jié)舛取㈨數(shù)匕鍫顟B(tài)、仰俯角度、礦壓以及采高等各種環(huán)境因素都是影響自動(dòng)化智能開采控制的重要因素[2]。在當(dāng)前的技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)化智能開采控制具有較高的難度，因此應(yīng)首先在具有較好安全條件和地質(zhì)條件的作業(yè)面內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)化智能開采控制技術(shù)的研究，并不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步提高自動(dòng)化智能開采控制技術(shù)在不同環(huán)境條件下的適應(yīng)性。

2.2 影響自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究的設(shè)備因素分析

要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能開采控制就必須確保各單機(jī)設(shè)備具有較高的自動(dòng)化水平，例如液壓支架應(yīng)具備全作業(yè)面的自動(dòng)根機(jī)控制功能，而采煤機(jī)也需要具有作業(yè)面截割的自動(dòng)記憶功能等，而目前在單機(jī)設(shè)備的自動(dòng)化和智能化程度、控制的穩(wěn)定性以及設(shè)備質(zhì)量性能方面還存在一定的差距。

2.3 影響自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究的技術(shù)因素

由于我國(guó)煤礦開采目前仍屬于簡(jiǎn)單自動(dòng)化程度，同時(shí)工作人員的操作技術(shù)水平也相對(duì)較低，因此對(duì)自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)的掌握等方面還存在較大差距。

3 自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)探索與研究

3.1 自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究

3.1.1 自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)方案分析

在應(yīng)用自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行開采作業(yè)時(shí)，需要通過(guò)視頻圖像的自動(dòng)處理、作業(yè)面直線自動(dòng)化智能控制以及綜采設(shè)備的智能安全感知和姿態(tài)智能定位等技術(shù)綜合應(yīng)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此需要根據(jù)綜采工藝要求以及工藝流程等合理確定自動(dòng)化智能控制技術(shù)方案。

3.1.2 自動(dòng)化智能開采的視頻控制技術(shù)研究

在自動(dòng)化智能控制中首先需要獲取綜采作業(yè)面的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)視頻圖像信息，因此需要利用智能拼接技術(shù)來(lái)自動(dòng)完成視頻監(jiān)控圖像的自動(dòng)化拼接，從而實(shí)現(xiàn)呈現(xiàn)全景動(dòng)態(tài)畫面的目的。在對(duì)視頻圖像進(jìn)行拼接時(shí)，由于不同的監(jiān)控設(shè)備在成像時(shí)存在一定的差異，特別是在重疊區(qū)域特征匹配時(shí)會(huì)受到選擇、平移以及縮放等幾何變形因素的影響，因此在圖像匹配時(shí)首先需要解決匹配分值差異問(wèn)題。同時(shí)在圖像配準(zhǔn)時(shí)還會(huì)受到誤差累積等因素的影響，給全景圖像的拼接效果以及效率增加難度。此外，在架設(shè)相機(jī)時(shí)通常都是設(shè)置在煤機(jī)或者支架等移動(dòng)式設(shè)備上，因此相機(jī)的視野場(chǎng)景也會(huì)受到目標(biāo)物以及其自身運(yùn)動(dòng)的影響，這些都是需要在自動(dòng)化智能圖像拼接處理中需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵控制技術(shù)。

3.1.3 自動(dòng)化智能開采的遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究

為了了實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)等開采設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，需要應(yīng)用視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)獲取作業(yè)面的圖像信息，這樣操作者才能控制中心及時(shí)掌握采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。因此需要應(yīng)用數(shù)字視頻技術(shù)來(lái)進(jìn)行視頻的存儲(chǔ)、處理、發(fā)布以及控制，同時(shí)還需要應(yīng)用實(shí)時(shí)模擬視頻控制技術(shù)來(lái)對(duì)遠(yuǎn)程操作命令的實(shí)際執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外，還需要結(jié)合三維虛擬技術(shù)的應(yīng)用來(lái)為遠(yuǎn)程操控人員營(yíng)造一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，以增強(qiáng)其對(duì)操作環(huán)境的感知體驗(yàn)。

3.1.4 其他自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究

在自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)中，還需要利用煤巖分界技術(shù)來(lái)對(duì)煤機(jī)滾筒的割巖或者割煤操作進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別，并要能夠根據(jù)其截割記憶來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化的自我調(diào)整控制。同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)煤巖識(shí)別技術(shù)的研究，以便通過(guò)對(duì)放煤過(guò)程的監(jiān)測(cè)來(lái)判斷是否有巖石存在，并據(jù)此來(lái)對(duì)放煤時(shí)間進(jìn)行智能化控制。此外，還需要應(yīng)直線度的自動(dòng)智能控制技術(shù)來(lái)對(duì)綜采作業(yè)面的整體彎曲狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，且要自動(dòng)將相關(guān)數(shù)據(jù)向電液控制系統(tǒng)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架前進(jìn)量的自動(dòng)控制，這也是準(zhǔn)確控制作業(yè)面彎曲度以及保持開采作業(yè)連續(xù)進(jìn)行的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2 自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究重點(diǎn)分析

在自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究中，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)、實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)、綜采面的推進(jìn)預(yù)測(cè)以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的綜合應(yīng)用是確保開采設(shè)備連續(xù)正常運(yùn)行、且所有設(shè)備姿態(tài)控制均能夠達(dá)到目標(biāo)性要求的難點(diǎn)技術(shù)，也是自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。因此在自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究中要加強(qiáng)對(duì)綜采面推進(jìn)連續(xù)性影響因素、連續(xù)推進(jìn)方法以及俯、仰采、直線度和調(diào)偽傾斜控制等多方面關(guān)鍵控制技術(shù)的研究。同時(shí)還需要加強(qiáng)刮板運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)化姿態(tài)測(cè)量控制、移動(dòng)式高精度傳感設(shè)備以及高精度支架電液控制設(shè)備的研發(fā)，并要加強(qiáng)對(duì)運(yùn)輸機(jī)在拉架過(guò)程的拉回檢測(cè)機(jī)制以及連接機(jī)構(gòu)間隙等問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)的研究探索，逐步解決將實(shí)時(shí)視頻傳輸延時(shí)控制在50ms以內(nèi)、避免煤塵以及低照度等因素對(duì)視頻清晰度影響等技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題[3]。

3.2.1 自動(dòng)化智能開采的實(shí)時(shí)控制技術(shù)研究

實(shí)現(xiàn)開采自動(dòng)化智能控制的關(guān)鍵之一是要確保視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，同時(shí)為了滿足遠(yuǎn)程控制要求，必須要將綜采面視頻實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的延時(shí)控制在50ms以內(nèi)，一旦超出這一延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，將無(wú)法有效保障遠(yuǎn)程操控的安全性。目前采用CWDM技術(shù)通過(guò)粗波分復(fù)用結(jié)合以IP網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)了數(shù)字視頻傳輸技術(shù)來(lái)獲取高精度的作業(yè)面視頻畫面，該視頻系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性能。這樣工作人員就可以在順槽控制中心的幫助下實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采作業(yè)面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)觀察，并能夠根據(jù)其操作效果來(lái)對(duì)操作幅度進(jìn)行適時(shí)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

3.2.2 自動(dòng)化智能開采的高清視頻控制技術(shù)研究

視頻動(dòng)態(tài)圖像的清晰度是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能開采控制的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。雖然可以采取增加攝像機(jī)臺(tái)數(shù)以及采用高清攝像設(shè)備等技術(shù)方法來(lái)改善動(dòng)態(tài)圖像，不過(guò)由于采煤機(jī)在對(duì)每層進(jìn)行截割開采時(shí)往往會(huì)有大量煤塵產(chǎn)生，其會(huì)將滾筒完全遮蔽，嚴(yán)重影響了對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的觀察控制。同時(shí)由于在綜采作業(yè)面缺乏自然光照條件，僅能依靠人工照明方式來(lái)保持較低的照度，而簡(jiǎn)單采取增加照明設(shè)備數(shù)量或者提高照明功率的方式會(huì)造成開采成本以及能耗的增加，因此需要加強(qiáng)在低照度環(huán)境下提高成像清晰度技術(shù)的研究，從而為自動(dòng)化智能開采的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造良好的條件。

3.3 自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究的主要發(fā)展方向

在自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究和探索中要及時(shí)把握網(wǎng)絡(luò)信息等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)炸動(dòng)態(tài)，以確保自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)研究具有一定的前瞻性。在未來(lái)的研究中要加強(qiáng)對(duì)數(shù)字化遠(yuǎn)程調(diào)度以及監(jiān)控平臺(tái)技術(shù)的探索，要在對(duì)綜采作業(yè)面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)三機(jī)自動(dòng)化同步的遠(yuǎn)程控制、設(shè)備運(yùn)行故障的智能預(yù)測(cè)以及自動(dòng)報(bào)警等，從而全面提高開采作業(yè)的自動(dòng)調(diào)度控制能力和綜采系統(tǒng)的柔性控制能力等。

3.3.1 加強(qiáng)與GIS等技術(shù)的融合

通過(guò)與GIS技術(shù)的融合可以在井下電子地圖中存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這樣在地面就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直觀的獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)GIS技術(shù)的可視化功能還能夠直觀的顯示采煤機(jī)等設(shè)備所處位置以及運(yùn)行狀態(tài)，從而為地面遠(yuǎn)程控制提供便利。

3.3.2 加強(qiáng)與UWB定位技術(shù)的融合

由于在綜采作業(yè)過(guò)程中對(duì)信號(hào)傳輸頻譜以及數(shù)據(jù)傳輸速率的限制較少，因此可以結(jié)合UWB定位技術(shù)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。UWB技術(shù)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單以及低功耗等特點(diǎn)，而且其技術(shù)應(yīng)用成本也相對(duì)較低，并能夠高速率的數(shù)據(jù)傳輸，能夠很好的適應(yīng)巷道以及綜采作業(yè)的通信要求。同時(shí)，在采用了UMW無(wú)載波技術(shù)后，不僅進(jìn)一步降低了其功耗以及技術(shù)成本，而且也更適合本安電路設(shè)計(jì)的要求。因此在未來(lái)自動(dòng)化智能開采關(guān)鍵控制技術(shù)的研究中要加強(qiáng)與UWB技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。

4 結(jié)語(yǔ)

在煤礦開采的自動(dòng)化智能發(fā)展中要結(jié)合其開采工藝特點(diǎn)建立數(shù)字模型，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程控制等技術(shù)應(yīng)用構(gòu)建可視化平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開采過(guò)程數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理，并能夠通過(guò)語(yǔ)言、圖像等來(lái)對(duì)開采作業(yè)面進(jìn)行遠(yuǎn)程遙視、遙測(cè)以及遙控，以達(dá)到自動(dòng)化智能開采的目標(biāo)，推動(dòng)我國(guó)煤礦開采的無(wú)人化發(fā)展，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，全面提升煤礦開采作業(yè)的安全性和生產(chǎn)效率，為我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更加充足的能源保障。