基于液壓支架自主跟機邏輯的移架時長參數(shù)設(shè)定及動態(tài)優(yōu)化

李 昊，柴保明，翟大磊

（1．中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院，北京100083；2．中國煤炭科工集團 北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京100013；3．河北工程大學(xué) 材料工程學(xué)院，河北 邯鄲056038）

自動化采煤技術(shù)能夠大幅度的提高煤礦開采效率，降低煤礦開采的成本消耗，為煤礦開采行業(yè)帶來的技術(shù)革命。液壓支架電液控制系統(tǒng)及其自主跟機控制的應(yīng)用、與采煤機記憶截割控制的應(yīng)用一起被視為是綜采工作面實現(xiàn)自動化的標(biāo)志之一[1-2]。液壓支架自主跟機是依靠預(yù)先設(shè)定程序，使液壓支架自動完成降、移、升等多個動作順序，而在這個過程中，判斷動作是否完成（到位）是由傳感器和時間雙參數(shù)冗余控制的，傳感器數(shù)值為優(yōu)先判斷條件，當(dāng)達到設(shè)定的閾值時，自動結(jié)束該過程，時間參數(shù)為動作保護值，在傳感器失效時，或由于外部因素導(dǎo)致動作不到位、傳感器檢測值不能達到設(shè)定的閾值，則需要判斷動作執(zhí)行時長，達到規(guī)定時長時也要結(jié)束該動作，否則將會影響下一個液壓支架的跟機動作[3]。因此，傳感器和時長雙參數(shù)的設(shè)定，是液壓支架自主跟機邏輯中的核心內(nèi)容之一，同時，由于傳感器的精度、可靠性不一，作為保護的時長參數(shù)則尤為重要。然而，液壓支架動作時長參數(shù)目前多是依靠人工經(jīng)驗進行設(shè)定，而且是靜態(tài)的、不會隨著開采過程動態(tài)的變化，造成整體的跟機移架速度較慢，自動化生產(chǎn)效率低于人工開采。如何設(shè)定移架最長時長參數(shù)，以及如何動態(tài)的調(diào)整該參數(shù)，是自主跟機研究中急需研究解決的問題之一。

針對這個問題，目前國內(nèi)外的研究成果及文獻較少，文獻[4-8]采用了基于移架機理的研究，通過計算確定移架時長，但實際應(yīng)用效果不夠理想，因為采煤工作面工作條件復(fù)雜多變，液壓支架移架時長受工作面傾角變化、工作面巖石性質(zhì)、頂?shù)装迤扑槌潭鹊纫蛩赜绊懀簤褐Ъ芤萍軙r的摩擦力阻力各向異性，由于沿傾向每刀煤每個支架受到的摩擦力不一樣，每個支架沿走向每刀煤受到的摩擦力不一樣，使通過機理研究確定移架時長較為困難[9-10]。為此給出了基于試驗的移架時長確定方法，該方法基于歷史實際移架時長數(shù)據(jù)，進行置信區(qū)間估計，以確定液壓支架移架時長，并可隨著生產(chǎn)過程的推進，利用實際數(shù)據(jù)對模型進行迭代更新以達到動態(tài)優(yōu)化的效果。

1 移架時長確定方法

采煤工作面示意圖如圖1，隨著工作面的推進，每次割煤循環(huán)中，每個液壓支架都會有1 次移架動作，記移架時長為t，設(shè)支架數(shù)為n，割煤循環(huán)次數(shù)為m，則移架時長數(shù)據(jù)集（m×n 個數(shù)據(jù)）可表示為矩陣Tmn，則有tij為第i 個支架，割第j 刀煤時的移架時長（i＝1，2，3，…，n；m＝1，2，3，…，m）。

圖1 采煤工作面示意圖

1.1 試驗數(shù)據(jù)篩選與分布規(guī)律

由于煤礦采掘工作面情況復(fù)雜，影響移架時長因素比較多。試驗數(shù)據(jù)分布分散，須剔除無效數(shù)據(jù)。如：對由于液壓系統(tǒng)故障、底板巖石摩擦力過大等原因，致使液壓支架長時間移動不到位，造成試驗數(shù)據(jù)過大。需根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論建立有效的判別方法，予以去除，判別方法如下。

設(shè)試驗測量得到液壓支架跟機移架時長有個試驗數(shù)據(jù)（i＝1，2，…，n），則試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與精密度分別為：

式中：Tn為n 個試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度；STn為 精密度；Ti為第i 個試驗數(shù)據(jù)。

1.1.1 試驗數(shù)據(jù)有效性的判別方法

設(shè)試驗數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，取單側(cè)置信度為（1-0.5α），由試驗數(shù)據(jù)個數(shù)n 和t 分布性質(zhì)，可確定t 分布系數(shù)tn-0.5α，由于測試數(shù)據(jù)數(shù)n＞120，t 分布接近于正態(tài)分布，t120至t400≈2.32，對數(shù)據(jù)Ti求ti：

如果：

則表明Ti是非有效數(shù)據(jù)，需要剔除。剔除后對剩余數(shù)據(jù)再次計算準(zhǔn)確度與精密度，進行有效性判別，直到剔除全部無效數(shù)據(jù)。若無效數(shù)據(jù)有r 個，最后對n-r 個有效數(shù)據(jù)需要計算準(zhǔn)確度與精密度。

取α=0.02，即單側(cè)置信度為99%時，分析試驗數(shù)據(jù)的有效性。表明有99%的把握認(rèn)為剔除的數(shù)據(jù)是因為意外因素而形成的無效數(shù)據(jù)。

1.1.2 分布規(guī)律的假設(shè)檢驗

根據(jù)測得的移架時長數(shù)據(jù)，通過畫頻率密度直方圖，初步判斷數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。對于移架時長是否符合正態(tài)分布規(guī)律，需運用概率統(tǒng)計原理，對試驗數(shù)據(jù)分布規(guī)律進行假設(shè)檢驗。具體步驟如下：

1）假設(shè)移架時長試驗數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。

2）根據(jù)有效試驗數(shù)據(jù)個數(shù)n-r，把有效試驗數(shù)據(jù)T1，T2，…，Tn-r分布范圍（Ti）max-（Ti）min分為M 個區(qū)間，M=1+3.3lg（n-r）并取整數(shù)。

3）計算各分區(qū)間的理論頻數(shù)。對于符合正態(tài)分布的隨機變量T，其統(tǒng)計量Ti，在分組區(qū)間[a1，a2]，[a3，a4]，…，[aM，aM+1]內(nèi)的理論概率分別為Pj，對于n-r個有效試驗數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計量Ti落在分組區(qū)間[aj，aj+1]內(nèi)的理論頻數(shù)為（n-r）×Pj。

式中：φ（·）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)積分；a1=（Ti）min，aM+1=（Ti）max；（Ti）min、（Ti）max為Ti中的最小值與最大值；aj+1=

5）確定皮爾遜檢驗統(tǒng)計量的臨界值χ2f，σ，對于M 個區(qū)間，取自由度為f=M-1-2，取顯著度為δ。根據(jù)自由度f 與顯著度δ 查表確定χ2f，σ。

1.2 液壓支架時長置信區(qū)間估計

設(shè)液壓支架移架時長總體T~N（μ，σ2），來自T樣本為：T1，T2，…，Tn，則μ 的置信水平為1-α 的區(qū)間估計為：

2 液壓支架移架時長測試實例

根據(jù)某礦的實測數(shù)據(jù)進行實例計算，以該礦某工作面使用的ZY6800/11.5/24D 型兩柱掩護式液壓支架為研究對象，該支架的最小/大高度為1 150/2 400 mm，工作阻力位6 800 kN。針對該綜采工作面實際液壓支架移架時長數(shù)據(jù)，進行了現(xiàn)場測試，測試條件為：采煤機速度7.0 m/min，單泵供應(yīng)流量，泵的流量為400 L。測試液壓支架數(shù)n 為80，割煤次數(shù)m 為5，通過數(shù)據(jù)前期計算、處理，綜采工作面液壓支架移架時長部分測試數(shù)據(jù)（從小到大排列）為：8、8、8、8、8、9、9、9、9、11、11、11、11、12、12、12、12、12、13、13、13、13、13、13、13、13、13、13、13、13、14、14、30、30、30、31、31、31、31、31、31、31、31、31、32、32、32、32、32、33、33、33、34、34、34、34、35、36、37、39、40、58、482、1 052 s。

將測試數(shù)據(jù)代入式（1）與式（2）可得到400 組移架時長的準(zhǔn)確度與精度。由式（3）、式（4）檢驗第400個移架時長數(shù)據(jù)T400=1 502，因｜T400｜=19.15＞t399，0.99=2.32，認(rèn)為該數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，從新計算剩余數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與精密度，再次用式（3）與式（4）檢驗，直到第392 組移架時長試驗數(shù)據(jù)T392=34 的｜T392｜=2.24＜t391，0.99=2.32，因此表明是有效的。

假設(shè)移架時長Tm基本符合正態(tài)分布，對于392組移架時長Tm的有效試驗數(shù)據(jù)，由1+3.31g392=9.55，確定M=10，將其分為10 個區(qū)間，自由度為f=10-1-2=7，取顯著度，δ=0.05。

查表得皮爾遜檢驗統(tǒng)計量的允許值χ27，0.95=14.067，計算每個分組區(qū)間實際頻數(shù)（Nj）與皮爾遜檢驗統(tǒng)計量，移架時長的皮爾遜統(tǒng)計量χ2見表1。

由式（7），可求出置信度為0.95 的置信區(qū)間估算，由于樣本大于400，樣本數(shù)較大，認(rèn)定t 分布趨向于正態(tài)分布，查表取=1.96：

即移架時長的置信水平為95%的區(qū)間估計為[21.3，22.42]，工程上認(rèn)為95%置信水平條件下，對數(shù)據(jù)估值是準(zhǔn)確的，確定移架時長為22 s。

3 模型的動態(tài)優(yōu)化和驗證

1）動態(tài)優(yōu)化。由于地質(zhì)條件等環(huán)境因素的影響，綜采工作面生產(chǎn)過程是動態(tài)變化的，因此，上述確定移架跟機時長參數(shù)的方法也需要根據(jù)生產(chǎn)情況的變化而動態(tài)優(yōu)化。模型動態(tài)優(yōu)化過程示意圖如圖2，其中，通過液壓支架電液控制器實時采集實際移架時長，并將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心上位機中，由上位機中的軟件進行數(shù)據(jù)的篩選以及前文所述的算法計算，最終確定液壓支架自主跟機邏輯中的移架時長參數(shù)。同時，上位機將原始數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果數(shù)據(jù)存入至數(shù)據(jù)庫中，隨著工作面的推進，這些數(shù)據(jù)與新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一起作為新的訓(xùn)練樣本，對模型進行迭代訓(xùn)練，以此，達到模型的動態(tài)優(yōu)化。

移架時長的皮爾遜統(tǒng)計量χ2

圖2 模型動態(tài)優(yōu)化過程示意圖

2）模型驗證。在試驗礦井的另一個綜采工作面進行了實際的模型驗證，該工作面傾斜長150 m，安裝了相同架型綜采液壓支架100 個，工作面初采時，采用上述方法確定支架移架初始時長，結(jié)合采煤機割記憶截割示范刀時，同時收集移架時長數(shù)據(jù)，經(jīng)去除無效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分布假設(shè)檢驗，對移架時長進行置信區(qū)間估計，得到移架時長的置信水平為95%的區(qū)間估計為[15.28，15.91]，確定移架初始時長為15 s。解決了由于初始值設(shè)置不準(zhǔn)導(dǎo)致工作面初采時，移架混亂的問題，并為工作面移架時長的進一步修正提供了依據(jù)。

4 結(jié) 語

給出了基于生產(chǎn)實測數(shù)據(jù)的移架時長計算方法，其特點為應(yīng)用簡單，確定的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。而且，以此試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，能分析判斷出供液系統(tǒng)和采煤機割煤工藝質(zhì)量以及頂板狀況存在的問題，提出相應(yīng)改進改進措施，縮短移架時長。經(jīng)實際應(yīng)用，獲得了好的效果,為下一步建立數(shù)據(jù)庫，形成基于機器學(xué)習(xí)的移動時長確定方法，實現(xiàn)采煤工作面自動化、智能化奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。