煤礦智采工作面概念及系統(tǒng)架構(gòu)研究

葛世榮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)智慧礦山與機(jī)器人研究院，北京 100083)

0 引言

智能化采煤是信息化與工業(yè)化在煤礦深度融合的體現(xiàn)，也是煤炭生產(chǎn)技術(shù)革命的重要途徑之一。在60多年前，煤炭開采從機(jī)械化起步，經(jīng)過20多年的煤礦自動化、信息化、數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，目前將邁向智能化開采新階段。井下采煤工作面是煤礦生產(chǎn)煤炭的第一現(xiàn)場，也是煤礦最復(fù)雜、最危險的作業(yè)場所，涵蓋了煤炭割采、巖層支護(hù)、煤流運輸、安全監(jiān)控、生產(chǎn)管理等環(huán)節(jié)，要依靠采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)完成采煤過程，由供電站、乳化液泵站提供動力。因此，智能化采煤工作面(簡稱智采工作面)的核心是這些“五機(jī)一架兩站”具有單機(jī)智能化和機(jī)群智能化能力。

近年來，智能開采技術(shù)成為煤炭行業(yè)的技術(shù)追求和創(chuàng)新高地。王國法等[1-4]總結(jié)提出了4種智采工作面建設(shè)模式：薄煤層及中厚煤層智能化無人開采模式、大采高工作面智能耦合人工協(xié)同高效開采模式、綜放工作面智能化操控與人工干預(yù)輔助放煤模式、復(fù)雜條件機(jī)械化+智能化開采模式。

目前，我國已建成約220處不同層次的智采工作面，一些先進(jìn)的創(chuàng)新實踐在煤炭行業(yè)具有示范意義。例如，黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司創(chuàng)新實施“可視化遠(yuǎn)程干預(yù)型”智能化開采技術(shù)路徑，體現(xiàn)為液壓支架全工作面跟機(jī)自動化、采煤機(jī)全工作面記憶截割、工作面視頻監(jiān)控、綜采自動化集中控制、智能化集成供液控制、超前支護(hù)自動控制六項關(guān)鍵技術(shù)[5-6]。自2010年起，我國先后在補(bǔ)連塔煤礦、金雞灘煤礦、上灣煤礦建成世界首個7，8.2，8.8 m的超大采高智能綜采工作面，采運裝備從進(jìn)口與國產(chǎn)設(shè)備配套變?yōu)槿繃a(chǎn)化配套[7-10]。

筆者在前人卓有成效的工作基礎(chǔ)上，探討智采工作面的基本概念及技術(shù)層次，研究智采工作面的智能特性指標(biāo)、等級劃分和評價方法，構(gòu)建智采工作面關(guān)聯(lián)模型及3個智能閉環(huán)，搭建智采工作面的體系架構(gòu)。

1 智采工作面基本定義

自從20世紀(jì)50年代實現(xiàn)機(jī)械化采煤之后，經(jīng)歷了自動化、數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化采煤技術(shù)發(fā)展，每個階段都為智能采煤體系形成提供了技術(shù)基礎(chǔ)。自動化改變了人工手動操作的采煤設(shè)備，產(chǎn)生了程序化控制的自動采煤機(jī)器；數(shù)字化使采煤物理空間轉(zhuǎn)換到信息網(wǎng)絡(luò)的虛擬空間，使智能化元素參與提高采煤信息處理能力；網(wǎng)聯(lián)化建設(shè)礦山物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)，促進(jìn)龐大采煤裝備實現(xiàn)信息集成；未來的智能化將通過傳感器和人工智能等技術(shù)實現(xiàn)采煤無人化。

至今，智能化采礦概念的提出及發(fā)展已有30多年，在不同時期或從不同角度，對智能化采礦有不同的理解和認(rèn)識。從時間維度梳理，大致有以下觀點。

1988年，加拿大采礦自動化與機(jī)器人研究中心(CCARM)創(chuàng)立，致力于研發(fā)和推動自動化技術(shù)引入采礦工程，主要瞄準(zhǔn)能執(zhí)行自動化采礦的人工智能和機(jī)器人核心技術(shù)，為采礦公司開發(fā)提高生產(chǎn)率、降低成本及改進(jìn)安全的關(guān)鍵技術(shù)[11]。當(dāng)時提出了人工智能和機(jī)器人用于采礦，這是智能采礦的特征。

1992年，芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)巖石工程實驗室和芬蘭技術(shù)發(fā)展中心啟動智能礦山技術(shù)發(fā)展計劃，智能礦山是一個實時控制的自動化生產(chǎn)過程、遠(yuǎn)程操作機(jī)械設(shè)備的自動化礦山，以實現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的自動化露天礦和地下礦[12]。

1995年，馮夏庭等[13]指出智能采礦學(xué)將是21世紀(jì)采礦科學(xué)發(fā)展的新方向，它包括實時礦山控制系統(tǒng)、智能采礦巖石力學(xué)模型、智能礦山機(jī)器人等重要方面。

1996年，謝賢平等[14]提出智能采礦是采礦系統(tǒng)的智能控制、優(yōu)化、管理、決策及其集成化。

1997年，葛世榮[15]指出21世紀(jì)的礦山機(jī)械將向著大型化、智能化、無人化發(fā)展，將實現(xiàn)電子化、自動化和機(jī)器人化操作，成為有頭腦(計算機(jī)控制)、有知覺(傳感系統(tǒng))、有血液(液壓系統(tǒng))、有心臟(驅(qū)動裝置)、有骨骼(智能傳動機(jī)構(gòu))的機(jī)電系統(tǒng)。

2012年，古德生等[16]提出智能采礦是以開采環(huán)境數(shù)字化、采掘裝備智能化、生產(chǎn)過程遙控化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化和經(jīng)營管理信息化為特質(zhì)，以實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保為目標(biāo)的采礦工藝過程。

2014年，葛世榮[17]提出智能化開采是指在不需要人工直接干預(yù)情況下，通過采掘環(huán)境的智能感知、采掘裝備的智能調(diào)控、采掘作業(yè)的自主巡航，由采掘裝備獨立完成的回采作業(yè)過程。

2016年，韓建國[18]認(rèn)為智能礦山是對數(shù)字礦山和礦山物聯(lián)網(wǎng)的自然延伸和升華，實現(xiàn)物理礦山的虛擬化、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的可視化、運營環(huán)節(jié)的高效化，是在感知礦山和數(shù)字化基礎(chǔ)上將開采信息提煉為決策智慧、將決策智慧轉(zhuǎn)化為執(zhí)行能力的過程。

2018年，王國法等[1]提出智能化開采是在自動化綜采系統(tǒng)中加入自主決策功能，使其能夠?qū)崟r感知圍巖條件及外部環(huán)境的變化并自動調(diào)整開采參數(shù)，使采運設(shè)備具有自主學(xué)習(xí)和自主決策功能，具備自感知、自控制、自修正的能力，進(jìn)而實現(xiàn)自適應(yīng)開采。

歸納上述的智能采礦(礦山)概念，都包含描述智能特征的“數(shù)據(jù)、互聯(lián)、實時、自主、感知、決策、規(guī)劃、調(diào)控”等術(shù)語表達(dá)?！皵?shù)據(jù)、互聯(lián)、實時”體現(xiàn)了信息特征，“自主、感知、決策”表示信息處理，“規(guī)劃、調(diào)控”則是信息運用。因此，智能化實質(zhì)上是信息獲取及運用的新層次，達(dá)到了信息知識化的水平。

本文將智采工作面定義為：一個在不同程度上無需人工干預(yù)而自主完成采煤作業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)，其中的“不需要人工干預(yù)”意為通過機(jī)器感知、深度學(xué)習(xí)、自主控制而實現(xiàn)，“自主完成”明確智能機(jī)器要承擔(dān)指定任務(wù)，“不同程度”表明智能化有等級之分。因此，智采工作面的基礎(chǔ)是智能機(jī)器，特征是自主感控，功能是獨立作業(yè)，目的是無人化開采。

2 智采工作面等級劃分

2.1 已有智能等級的借鑒

目前對智采工作面的等級劃分方法仍在研究之中，尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。自主駕駛船舶、自動駕駛汽車和智能家電已有智能等級，其分級及評價指標(biāo)對智采工作面技術(shù)等級評價有參考價值。

(1)國際海事組織將海上自主駕駛船舶劃分為4個等級[19]：自主Ⅰ級，船舶具有自動化程序操作和決策支持的功能；自主Ⅱ級，船舶具備遠(yuǎn)程遙控的功能，同時有船員在船上；自主Ⅲ級，船舶具備遠(yuǎn)程遙控功能，無船員在船上；自主Ⅳ級，船舶完全自主行駛。

(2)美國高速公路安全管理局將自動駕駛汽車的智能水平劃分為5個等級[20]：L1級是駕駛輔助，主要駕駛操作都由人操作；L2級是部分自動駕駛，通過環(huán)境信息對方向和加減速中的多項操作提供輔助，其他駕駛操作都由人操作；L3級是有條件自動駕駛，無人駕駛系統(tǒng)完成所有駕駛操作，駕駛員提供必要干預(yù)；L4級是高度自動駕駛，無人駕駛系統(tǒng)完成所有駕駛操作，特定環(huán)境下會向駕駛員提出干預(yù)請求；L5級是完全自動駕駛，無需駕駛員介入。

(3)我國制定了智能家用電器智能化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按照智能特性、智能技術(shù)、智能結(jié)構(gòu)3個層次，以整機(jī)檢測、聯(lián)機(jī)檢測和脫機(jī)檢測進(jìn)行檢測評價，根據(jù)得分將家電智能水平分為1—5級(1級為最高)；得分80～100為1級，60～79為2級，40～59為3級，20～39為4級，0～19為5級。

2.2 智采工作面智能特性指標(biāo)

智采工作面的智能特性體現(xiàn)在智能裝備的運行行為，實際上是采煤裝備自主能力的高低。自主性是一個系統(tǒng)獨立于操作者的管理程度和自我管理的能力，自主控制能力越強(qiáng)，智能化水平越高。為此，本文認(rèn)為智采工作面應(yīng)具備5個智能要素、25個自主功能，其中的智能要素主要體現(xiàn)為自主感知、自主決策、自主控制、自主協(xié)同、自主交互。

(1)自主感知：使工作面裝備具有視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺、力覺、動覺、方位覺等感知功能，實時獲取采煤過程中的設(shè)備運行、外部環(huán)境及生產(chǎn)系統(tǒng)的各類信息。

(2)自主決策：通過感知信息的分析和理解，形成預(yù)設(shè)場景的適當(dāng)操作決策能力。

(3)自主控制：使智采工作面具有自治能力，實現(xiàn)無人干預(yù)下的自主運行。

(4)自主協(xié)同：使智采工作面對不確定因素具有實時協(xié)調(diào)能力。

(5)自主交互：使人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間具有信息傳遞、深度學(xué)習(xí)和知識更新的互動能力。

智采工作面的目標(biāo)、智能要素、自主功能及技術(shù)要求見表1。

表1 智采工作面智能特性指標(biāo)

2.3 智采工作面智能等級劃分

根據(jù)智采工作面定義，根據(jù)智能要素的差異性，本文將智采工作面智能等級分為初級、中級和高級。3個等級的智采工作面技術(shù)描述、人為干預(yù)程度和基本特征見表2。

表2 智采工作面智能等級及技術(shù)描述

初級智采工作面屬于遠(yuǎn)程監(jiān)控模式，設(shè)備能以預(yù)先編寫的程序來完成采煤任務(wù)，在采煤過程中約有50%的工序還需要人為干預(yù)，這種少人遠(yuǎn)程監(jiān)控模式在一些有預(yù)設(shè)的簡單工作面場景中能實現(xiàn)自動運行。

中級智采工作面屬于半自主監(jiān)控模式，具有部分感知采煤作業(yè)態(tài)勢的能力，能自動執(zhí)行復(fù)雜條件的采煤任務(wù)，并對一些異變狀況做出常規(guī)決策，采煤過程中約有20%的工序還需要人為干預(yù)。

高級智采工作面屬于全自主監(jiān)控模式，對設(shè)備本體及環(huán)境態(tài)勢具有廣泛感知的能力，能自主做出全面優(yōu)化決策，可在預(yù)設(shè)的復(fù)雜工作面場景中自動實現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃和運行，仍有不到5%的工序需要人為干預(yù)。

智采工作面發(fā)展是一個承前啟后的過程，它與自動化、信息化、互聯(lián)化工作面建設(shè)相銜接，形成一個漸進(jìn)發(fā)展過程。預(yù)計到2025年左右，我國重點煤礦將實現(xiàn)初級智能化采煤作業(yè)；到2035年進(jìn)入中級智能化，智采工作面具有自主感知、自主調(diào)控能力，在條件較好的一些煤礦基本實現(xiàn)無人化采煤作業(yè)；2045年左右，我國煤礦將建成高級智采工作面，實現(xiàn)工作面無人化開采。

2.4 智采工作面智能等級評價方法

對于不同煤礦條件、裝備水平和技術(shù)目標(biāo)，智采工作面的智能等級不盡相同。為了描述這種差異性，有必要建立智采工作面的智能等級評價方法。

2.4.1 基于蛛網(wǎng)圖的定性評價方法

本文采用蛛網(wǎng)圖來定性評價智采工作面的智能等級，從原點向外輻射出5條軸，每條軸分別代表1個評價要素，劃分3個級別，代表這些要素的技術(shù)成熟程度。對一個智采工作面，把每個評價要素的相應(yīng)水平標(biāo)在每條軸上的對應(yīng)點，連接起來就構(gòu)成蛛網(wǎng)的緯線，即可直觀地評價智采工作面所處的等級，如圖1所示。圖中給出了一個初級智采工作面的五維要素分布，自主感知級別為0.9、自主決策級別為0.5、自主控制級別為0.9、自主協(xié)同級別為0.7、自主交互級別為0.65。

圖1 智采工作面智能等級評價模型

利用蛛網(wǎng)圖可直觀地找到智采工作面的短板維度，有益于針對性地制定改進(jìn)措施。按照人類智能的一般發(fā)展路徑，智采工作面可從“智商”、“情商”和“逆商”3方面形成發(fā)展路徑?！爸巧獭睂?yīng)智采裝備個體能力，體現(xiàn)為分析和決策技術(shù)，例如路徑規(guī)劃、工藝優(yōu)化、沖突應(yīng)對、過程決策等；“情商”對應(yīng)智采裝備群體融合能力，體現(xiàn)為信息交互、互操作、互協(xié)作技術(shù)，例如采運協(xié)同、采支協(xié)同等；“逆商”對應(yīng)智采工作面應(yīng)對非預(yù)期狀況的能力，體現(xiàn)為自適應(yīng)、高容錯技術(shù)，例如健康管理、故障修復(fù)、碰撞規(guī)避等。

2.4.2 基于層次分析法的定量評價方法

根據(jù)智采工作面的5個智能要素、25個自主功能，構(gòu)建智采工作面智能等級評價指標(biāo)體系，如圖2所示。目標(biāo)層的元素為A，準(zhǔn)則層的元素為Bi(i=1，2，…，5)，措施層的元素為Cij(j=1，2，…，5)。

圖2 智采工作面智能等級評價指標(biāo)體系

基于層次分析法的智采工作面智能等級評價流程如圖3所示。首先確定智采工作面智能要素的權(quán)重向量，然后將每個一級指標(biāo)下的二級指標(biāo)權(quán)重向量轉(zhuǎn)化為百分制得分，對每個二級指標(biāo)用數(shù)值進(jìn)行量化，最后得出智采工作面評價分值，由此確定智能等級。本文設(shè)定初級、中級、高級智采工作面的分值段分別為55～69，70～84，85～100分。

圖3 基于層次分析法的智采工作面智能等級評價流程

3 智采工作面系統(tǒng)架構(gòu)

智采工作面建設(shè)以數(shù)字化為基礎(chǔ)，以信息化為引領(lǐng)，通過建立信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems，CPS)，對采運設(shè)備進(jìn)行智能升級，使其能夠自主地根據(jù)實時開采信息進(jìn)行分析、判斷、優(yōu)化、決策、驅(qū)動，構(gòu)成一個自律分散型采煤系統(tǒng)。智采工作面不僅要求單體設(shè)備具有智能化能力，而且要求工作面內(nèi)形成“人-機(jī)-環(huán)”物聯(lián)網(wǎng)，使地質(zhì)信息、煤層割采、煤流運輸、安全保障、設(shè)備狀態(tài)等信息實現(xiàn)互通互聯(lián)互控，從而實現(xiàn)采運過程自主運行。為此，須有一個多變量耦合、多控量融合、信息空間通合的智采工作面系統(tǒng)架構(gòu)。

3.1 智采工作面關(guān)聯(lián)模型

在地下煤層開采工程中，采煤機(jī)挖掘煤層、輸送機(jī)裝運煤炭、液壓支架支護(hù)挖掘空間是一個動態(tài)協(xié)作過程，采煤機(jī)與輸送機(jī)、液壓支架共同形成一個機(jī)器協(xié)作體，煤層與頂?shù)装逍纬梢粋€煤巖載荷體，在機(jī)器之間、煤巖之間、機(jī)器與煤巖之間構(gòu)成一個煤層與機(jī)器的耦合系統(tǒng)。一旦該耦合系統(tǒng)無法自適應(yīng)控制，就會導(dǎo)致局部失穩(wěn)或系統(tǒng)失控，直接影響開采效率，甚至引起生產(chǎn)事故。

本文提出智采工作面耦合關(guān)聯(lián)模型，如圖4所示。采煤機(jī)、液壓支架、輸送機(jī)組分別受到來自煤巖體的煤層構(gòu)造突變、巖層壓力瞬變、采運煤流多變的外部作用，這些作用既是智能采煤的環(huán)境難題，也是智能采煤控制的關(guān)鍵變量。煤層構(gòu)造突變主要表現(xiàn)為煤層厚度變化、地質(zhì)構(gòu)造斷層、頂?shù)装羼薨櫋⒚簩又械那秩霂r體等；巖層壓力瞬變主要受上覆巖層巖性、煤層賦存狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造、采煤方法、控頂方法等因素影響，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力及礦壓顯現(xiàn)劇烈變化；采運煤流多變是由采煤機(jī)割煤位置、高度、速度調(diào)節(jié)所引起的煤炭流量變化，以及地質(zhì)條件改變產(chǎn)生的煤矸含量變化。

圖4 智采工作面耦合關(guān)聯(lián)模型

針對3個煤巖作用變量，智采工作面必須保證3個自適應(yīng)調(diào)控能力，即采煤與煤層自適應(yīng)、支護(hù)與巖層自適應(yīng)、運輸與割煤自適應(yīng)。因此，采煤設(shè)備與煤巖體之間、采煤-運輸-支護(hù)設(shè)備之間就形成了3個智能控制閉環(huán)。

3.1.1 工藝智能閉環(huán)

工藝智能閉環(huán)是智采工作面的第1個智能控制閉環(huán)，體現(xiàn)為采煤工藝智能化，實現(xiàn)采煤與支護(hù)協(xié)同控制、采煤與運輸協(xié)同控制、支護(hù)與推溜協(xié)同控制，如果是放頂煤開采工藝，還應(yīng)實現(xiàn)放煤與運輸協(xié)同控制。

目前的采煤-支護(hù)協(xié)同控制通過自動跟機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)，能對變化的環(huán)境、設(shè)備條件、配套設(shè)備和采煤機(jī)運行速度等信息進(jìn)行感知分析，從而自動調(diào)整液壓支架動作數(shù)量、動作控制參數(shù)和泵站開啟數(shù)量，形成連續(xù)、高效、可靠的割煤-支護(hù)協(xié)作系統(tǒng)[21]。

采煤-運輸協(xié)同控制直接影響采運均衡性，必須要保證輸送機(jī)組的順暢性，否則會出現(xiàn)運輸制約開采的瓶頸問題。目前，針對刮板輸送機(jī)適應(yīng)采煤機(jī)的協(xié)同控制技術(shù)取得了一定進(jìn)展，實現(xiàn)了跟隨采煤機(jī)正常割煤量的運輸量自動調(diào)控，在發(fā)生隨機(jī)變化時，刮板輸送機(jī)可隨之調(diào)節(jié)運輸量。但是，采煤機(jī)對刮板輸送機(jī)的反饋適應(yīng)控制還有待研究。

支護(hù)-推移協(xié)同控制直接影響刮板輸送機(jī)的運行姿態(tài)(直線度)和運行阻力，間接影響采煤機(jī)行走軌跡、煤壁平整度及液壓支架支護(hù)一致性。目前的刮板輸送機(jī)推移控制主要是基于電液控制系統(tǒng)對推移油缸的定時閥控方式，少數(shù)采用行程傳感器控制方式。

3.1.2 設(shè)備智能閉環(huán)

注冊成功并登錄后，即可開始創(chuàng)建試卷，選擇在線考試，問卷說明里輸入考試名稱，建議與授課章節(jié)一致，方便以后問卷查詢和重復(fù)使用?？忌矸蒡炞C方式里，選擇考生自主輸入，勾選問卷上方個人信息，將默認(rèn)的姓名、部門及員工編號根據(jù)需要可修改為班級、學(xué)號、姓名等。

設(shè)備智能閉環(huán)是智采工作面的第2個智能控制閉環(huán)，體現(xiàn)為設(shè)備系統(tǒng)智能化，實現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架之間的9項自適調(diào)控。

采煤機(jī)與液壓支架之間應(yīng)具有自適跟機(jī)、自適支護(hù)和自適避讓的調(diào)控能力。① 自適跟機(jī)：采煤機(jī)為主控的液壓支架跟隨移步的智能控制，須保持液壓支架隨著采煤機(jī)割煤過程及時跟進(jìn)移動。② 自適支護(hù)：液壓支架感知頂板、底板壓力之后，執(zhí)行與采煤機(jī)割煤進(jìn)度所匹配的支護(hù)。③ 自適避讓：以采煤機(jī)與液壓支架不發(fā)生碰撞為目標(biāo)的智能避障控制策略，既可以是采煤機(jī)停車避讓，也可以是液壓支架調(diào)姿讓過。

采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)之間應(yīng)具有自適調(diào)速、自適調(diào)高、自適推進(jìn)的調(diào)控能力。① 自適調(diào)速：針對割煤過程中的突變載荷實現(xiàn)自適應(yīng)牽引調(diào)速，以達(dá)到恒功率割采。② 自適調(diào)高：截割滾筒跟隨煤巖界面進(jìn)行割煤，以減少巖石截割，降低截割部過載損壞，減少煤矸石產(chǎn)出量。③ 自適推進(jìn)：既有刮板輸送機(jī)自動調(diào)直的要求，也有遇到褶皺煤層時，以截割滾筒調(diào)高來實現(xiàn)漸進(jìn)過渡的控制需求。

刮板輸送機(jī)與液壓支架之間應(yīng)具有自適推移、自適調(diào)直、自適調(diào)姿的調(diào)控能力。① 自適推移：液壓支架推移機(jī)構(gòu)在割煤作業(yè)中智能推移刮板輸送機(jī)和移架動作的協(xié)同控制，以實現(xiàn)工作面的連續(xù)推進(jìn)。② 自適調(diào)直：自動保持液壓支架和刮板輸送機(jī)直線度的智能控制，達(dá)到刮板輸送機(jī)機(jī)身、液壓支架排列、采煤機(jī)行走、截割煤壁的“4個平直”要求。③ 自適調(diào)姿：對液壓支架傾斜、偏轉(zhuǎn)的智能糾正，以保持液壓支架的支護(hù)穩(wěn)定性。

3.1.3 煤流智能閉環(huán)

煤流智能閉環(huán)是智采工作面的第3個智能控制閉環(huán)，體現(xiàn)為運輸系統(tǒng)智能化，實現(xiàn)刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)之間的3個自適調(diào)控。① 自適驅(qū)動：對煤流運輸設(shè)備自適應(yīng)軟啟動及載荷變化時自適應(yīng)調(diào)速，以保證運輸設(shè)備的運行可靠性。② 自適銜接：對煤流裝載、轉(zhuǎn)載、破碎、外運的4個運輸環(huán)節(jié)無縫對接、智能協(xié)作、高效順暢的智能控制，能自主適應(yīng)煤炭塊度和流量的突變。③ 自適調(diào)量：煤流量與割煤量的協(xié)同控制，使煤炭割采與運輸形成互饋感控閉環(huán)，避免出現(xiàn)采運失調(diào)而影響工作面生產(chǎn)。

3.2 智采工作面體系架構(gòu)

智采工作面體系架構(gòu)是對智能采煤過程各相關(guān)要素及要素之間關(guān)系的一種映射，也是智采工作面建設(shè)方案的抽象化、模型化描述。在微觀上，它為智能采煤實踐提供構(gòu)建、開發(fā)、集成和運行的框架；在中觀上，它為煤礦實施智能采煤提供技術(shù)路線指導(dǎo)；在宏觀上，它為推進(jìn)煤炭工業(yè)智能轉(zhuǎn)型提供頂層設(shè)計模型，促進(jìn)智能采煤技術(shù)科學(xué)發(fā)展。

圖5 智采工作面體系架構(gòu)

(1)功能維——從虛擬設(shè)計到物理現(xiàn)實的孿生。

智采工作面涵蓋開采設(shè)計、生產(chǎn)組織、運行維護(hù)、安全保障的智能化，智能設(shè)計是前提，智能生產(chǎn)是主線，智能維護(hù)是變革，智能安控是保障。

智能設(shè)計：通過大數(shù)據(jù)智能分析，精確獲取煤層開采地理信息，形成智能開采工藝、智能設(shè)備配置、智能采運操作的規(guī)劃方案，并通過并行協(xié)同策略實現(xiàn)運行信息的有效反饋；智能設(shè)計保證了智采工藝準(zhǔn)確性及優(yōu)化，具有先導(dǎo)作用，在開采過程中能根據(jù)實際狀態(tài)及時做出優(yōu)化調(diào)整。

智能生產(chǎn)：在采煤過程中，通過傳感器采集數(shù)據(jù)和機(jī)器視覺對采煤流程自動跟蹤，實時掌握開采過程狀態(tài)，從而實現(xiàn)采運參數(shù)最優(yōu)化配置、煤炭截割作業(yè)和煤流優(yōu)化調(diào)度、開采過程精細(xì)化管理和自適協(xié)同決策；智能生產(chǎn)保證了復(fù)雜條件下的敏捷開采，使智采裝備能快速響應(yīng)煤層變化，實現(xiàn)穩(wěn)健的開采作業(yè)。

智能維護(hù)：對采煤裝備主動識別，對煤流可視化跟蹤，采用性能衰退分析和預(yù)測方法，實現(xiàn)開采設(shè)備精準(zhǔn)健康維護(hù)；智能維護(hù)屬于預(yù)測性維護(hù)，可有效避免發(fā)生意外停機(jī)，縮短計劃停機(jī)時間，可提高設(shè)備正常運行時間和可用性10%～20%，減少維護(hù)時間20%～50%，降低總維護(hù)成本5%～10%[24]。

智能安控：利用智能傳感器技術(shù)、分布式感知技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)和人工智能態(tài)勢分析技術(shù)，對采煤工作面的災(zāi)害風(fēng)險、事故征兆實現(xiàn)智能化識別、預(yù)警和管控。

(2)技術(shù)維——從自動化、數(shù)字化到智能化的演變。

智采工作面建設(shè)不能一蹴而就，要從自動化向數(shù)字化、再向智能化逐步拓展而成。信息采集、感知、分析、運用能力決定智能控制水平，根據(jù)不同階段、不同層次的采煤過程信息感控能力，智采工作面分為自動化、數(shù)字化、智能化3個層次。

自動化開采：在經(jīng)歷了單機(jī)自動化、工作面自動化之后，采煤作業(yè)向綜合自動化發(fā)展，運用現(xiàn)代控制理論、人工智能、4C(Computer，Communication，CRT，Control)技術(shù)，實現(xiàn)采煤作業(yè)監(jiān)控自動化、流程最優(yōu)化、安全本質(zhì)化、運行少人化。這是實現(xiàn)智能化采煤的基礎(chǔ)，如果沒有達(dá)到自動化綜采水平，智采工作面建設(shè)就會基礎(chǔ)不牢固。

數(shù)字化開采：將數(shù)字化技術(shù)用于采煤工作面生產(chǎn)過程，實現(xiàn)采煤過程的數(shù)字化表達(dá)、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和信息高度集成；通過信息建模和信息處理，數(shù)字化增強(qiáng)了采煤過程智能調(diào)控能力，達(dá)到開采工藝數(shù)字化設(shè)計和仿真、設(shè)備程序化控制、計算機(jī)系統(tǒng)和采運系統(tǒng)的融合，從而一定程度地替代人工監(jiān)控，提高了采運作業(yè)自動化水平、開采效率和安全性。

智能化開采：依靠智能裝備自主感知、自主調(diào)控、自主運行而獨立完成采煤作業(yè)，在數(shù)字化開采的基礎(chǔ)上，融合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、無線通信等新技術(shù)，顯著提高信息運用能力，可實時學(xué)習(xí)并動態(tài)適應(yīng)采煤條件變化，從而增強(qiáng)開采過程感控性，降低工作面的人為干預(yù)，優(yōu)化采運流程。

(3)組織維——從智能裝備、智能機(jī)組到智能采面的進(jìn)階。

智采工作面在不同層次體現(xiàn)，既能展現(xiàn)為單機(jī)設(shè)備層面的智能運行、機(jī)組層面的智能協(xié)作，也能呈現(xiàn)為工作面層面的智能開采。

設(shè)備層：采煤、運輸、支護(hù)單機(jī)設(shè)備作為最小的生產(chǎn)單元，應(yīng)對自身和生產(chǎn)過程進(jìn)行自感知，對與裝備、運行狀態(tài)環(huán)境有關(guān)的信息進(jìn)行自分析，根據(jù)開采設(shè)計要求與實時信息進(jìn)行自決策，依據(jù)決策指令進(jìn)行自執(zhí)行，通過“感知—分析—決策—執(zhí)行與反饋”的閉環(huán)過程，不斷提升運行性能及適應(yīng)能力，實現(xiàn)安全高效的自主采煤作業(yè)。

機(jī)組層：由采煤、運輸、支護(hù)的3套裝備構(gòu)成，須協(xié)同完成煤層割采、頂板支護(hù)、煤流運輸?shù)壬a(chǎn)任務(wù)，因此要提升智能生產(chǎn)管控能力，應(yīng)形成“優(yōu)化計劃—智能感知—動態(tài)調(diào)度—協(xié)調(diào)控制”的閉環(huán)，以增強(qiáng)采運機(jī)組運行適應(yīng)性和快速響應(yīng)能力。

采面層：體現(xiàn)為整個采煤工作面所有生產(chǎn)要素的集成化智能，包括采煤作業(yè)感控、安全生產(chǎn)監(jiān)控、設(shè)備生命周期管理、備件管理系統(tǒng)等，應(yīng)通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)共享信息，實現(xiàn)協(xié)同管理、智能生產(chǎn)、精準(zhǔn)開采。

上述體系架構(gòu)表明，一個真正的智采工作面是多個智能機(jī)群的有機(jī)整合，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能云平臺，實現(xiàn)跨機(jī)群、跨平臺的縱向、橫向集成，從而構(gòu)建協(xié)同與共治的智能開采生態(tài)。一方面實現(xiàn)智采工作面內(nèi)部智能要素的“大集成”，形成生產(chǎn)、監(jiān)控、安控、管理之間的設(shè)備集成，即縱向集成；另一方面實現(xiàn)采煤工作面與掘進(jìn)工作面、主輔運輸、通排系統(tǒng)、瓦斯治理等環(huán)節(jié)之間的互聯(lián)互控，實現(xiàn)各子系統(tǒng)的集成、共享、協(xié)作和優(yōu)化，即橫向集成，這是智采工作面外部智能要素的“大集成”，它支撐智慧煤礦建設(shè)。

4 結(jié)論

(1)智采工作面是一個在不同程度上無需人工干預(yù)而獨立完成采煤作業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)，它的基礎(chǔ)是智能機(jī)器，特征是自主感控，功能是獨立作業(yè)，目的是無人化開采。因此，建設(shè)智采工作面應(yīng)聚焦于強(qiáng)化智能性基礎(chǔ)，突出自主性特征，提高獨立性功能。

(2)智采工作面的智能等級可劃分為初級、中級和高級，其評價指標(biāo)體系包括自主感知、自主決策、自主控制、自主協(xié)同、自主交互等5個智能要素及其底層25個自主功能，定性評價可采用蛛網(wǎng)圖法，定量評價可采用層次分析法。

(3)采煤工作面的煤巖與裝備之間具有強(qiáng)耦合作用關(guān)系，須從采煤工藝智能閉環(huán)、設(shè)備智能閉環(huán)和煤流智能閉環(huán)來解決強(qiáng)耦合問題，以此提高截割與煤層自適應(yīng)性、支護(hù)與巖層自適應(yīng)性、運輸與割煤自適應(yīng)性。從功能維、技術(shù)維和組織維構(gòu)建智采工作面，將為建設(shè)協(xié)同與共治的智能開采生態(tài)提供新構(gòu)思。