智能綜放工作面自動(dòng)運(yùn)行與人工干預(yù)分析系統(tǒng)

韓秀琪，楊秀宇，孫峰，趙東升，霍棟

(1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京 100013；2.中煤華晉集團(tuán)有限公司 王家?guī)X礦， 山西 河津 043300)

0 引言

我國煤炭工業(yè)逐步進(jìn)入智能化開采階段，綜采智能化成為煤炭工業(yè)的發(fā)展方向[1]。綜放開采是厚及特厚煤層的一種重要的開采方式，智能綜放開采技術(shù)也取得了重要進(jìn)展[2-3]。文獻(xiàn)[4-5]總結(jié)了智能化開采的4個(gè)階段，指出目前已經(jīng)在向智能化開采3.0階段過渡，但是智能化開采技術(shù)適應(yīng)性不強(qiáng)的問題仍然突出。文獻(xiàn)[6-7]分析了放頂煤工作面與一次采全高工作面智能化開采模式的差異，提出了時(shí)序控制放煤、自動(dòng)記憶放煤、煤矸識別放煤等智能化放煤控制邏輯，以及綜放工作面智能化操控與人工干預(yù)輔助放煤模式。文獻(xiàn)[8]指出現(xiàn)有智能開采“人-機(jī)-環(huán)-管”信息需要進(jìn)行全面感知，避免產(chǎn)生信息孤島。對于智能綜放開采，不僅要考慮采煤機(jī)割煤，還要綜合考慮支架后部放煤及頂煤回收情況。相比智能綜采工作面，智能綜放工作面設(shè)備數(shù)量更多、工況更加復(fù)雜，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常的可能性更大，導(dǎo)致人工遠(yuǎn)程干預(yù)更多。

為保障智能綜放開采的順利運(yùn)行、完善控制系統(tǒng)邏輯、改進(jìn)現(xiàn)場裝備，本文設(shè)計(jì)了智能綜放工作面自動(dòng)運(yùn)行與人工干預(yù)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用已有的液壓支架姿態(tài)、刮板輸送機(jī)推進(jìn)狀態(tài)、采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等監(jiān)測信息，對綜放工作面自動(dòng)化率與人工干預(yù)原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以驗(yàn)證工作面三機(jī)設(shè)備群之間及開采環(huán)境與裝備之間的耦合情況，指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行軌跡及協(xié)同控制方法；根據(jù)人工干預(yù)原因的分析結(jié)果，完善系統(tǒng)控制邏輯，提升綜放工作面智能化決策水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

智能綜放工作面自動(dòng)運(yùn)行與人工干預(yù)分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 智能綜放工作面自動(dòng)運(yùn)行與人工干預(yù)分析系統(tǒng)Fig.1 Automatic operation and manual intervention analysis system for intelligent fully mechanized caving face

數(shù)據(jù)采集部分主要采集設(shè)備狀態(tài)信息(如功率、油壓、位移)、設(shè)備故障信息(如傳感器故障)、設(shè)備耦合信息(如采煤機(jī)位置信息、直線度)、開關(guān)量信息(如設(shè)備啟停信息)、生產(chǎn)信息(如采高、截深、采煤機(jī)速度、割煤刀數(shù))。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)將采集到的信息進(jìn)行匯總整理，結(jié)合遠(yuǎn)程人工干預(yù)控制情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表。數(shù)據(jù)傳輸部分即井下千兆工業(yè)以太網(wǎng)，由隔離耦合器、光電轉(zhuǎn)換器、鎧裝電纜等構(gòu)成。

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

智能綜放工作面自動(dòng)運(yùn)行與人工干預(yù)分析系統(tǒng)軟件包括監(jiān)測監(jiān)控和自動(dòng)化運(yùn)行情況分析2個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 智能綜放工作面自動(dòng)運(yùn)行與人工干預(yù)分析系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Software structure of automatic operation and manual intervention analysis system for intelligent fully mechanized caving face

監(jiān)測監(jiān)控部分：數(shù)據(jù)采集處理模塊是系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)?？刂颇K執(zhí)行控制命令，記錄人工干預(yù)行為。報(bào)警模塊發(fā)出設(shè)備故障和自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)失效2類報(bào)警信息。

自動(dòng)化運(yùn)行情況分析部分：自動(dòng)化率分析模塊根據(jù)用戶配置的參數(shù)計(jì)算智能綜放工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化率。運(yùn)行狀態(tài)門限分析模塊用于識別人工干預(yù)前的生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)，判斷是否符合生產(chǎn)設(shè)備解除自動(dòng)化運(yùn)行條件。專家分析模塊基于對專家知識的深入分析形成規(guī)則庫，通過條件表、規(guī)則表和結(jié)論表實(shí)現(xiàn)規(guī)則邏輯。解釋模塊將專家分析模塊得出的數(shù)值或符號轉(zhuǎn)換成用戶能夠理解的文字語言，并借助人機(jī)界面進(jìn)行展示。

2 智能自動(dòng)化率分析模塊設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)化率的定義

智能綜放工作面自動(dòng)化率包括時(shí)間比率和產(chǎn)量比率。時(shí)間比率：在一定周期內(nèi)，設(shè)備開機(jī)后自動(dòng)化運(yùn)行時(shí)間與總運(yùn)行時(shí)間的比率。產(chǎn)量比率：在一定周期內(nèi)，放煤工作面控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)回采煤量與總回采煤量的比率。通過采集綜放工作面各主要設(shè)備運(yùn)行信息和采煤信息，判斷各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行綜放工作面自動(dòng)化率統(tǒng)計(jì)分析。本文中涉及的關(guān)鍵指標(biāo)描述如下：

(1) 放煤工作面控制系統(tǒng)開機(jī)率：在一定周期內(nèi)，放煤工作面控制系統(tǒng)開機(jī)時(shí)間與生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的比率。

(2) 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架率：在一定周期內(nèi)，開機(jī)狀態(tài)液壓支架自動(dòng)跟機(jī)數(shù)量與支架總運(yùn)行數(shù)量的比率。

(3) 采煤機(jī)記憶割煤率：在一定周期內(nèi)，開機(jī)狀態(tài)采煤機(jī)記憶割煤量與總采煤量的比率。

(4) 自動(dòng)放頂煤率：在一定周期內(nèi)，開機(jī)狀態(tài)自動(dòng)化放煤量與總放煤量的比率。

2.2 自動(dòng)化率分析模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化率分析模塊由軟件調(diào)用庫和軟件配置模塊組成，如圖3所示。

圖3 自動(dòng)化率分析模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of automation rate analysis module

軟件調(diào)用庫中的相關(guān)庫文件通過編譯、鏈接后生成可執(zhí)行的功能庫集合，集合中包括液壓支架自動(dòng)跟機(jī)率檢測模塊、支架跟機(jī)干預(yù)率檢測模塊、放頂煤率檢測模塊、采煤機(jī)記憶割煤率檢測模塊、采煤機(jī)干預(yù)率檢測模塊、采煤機(jī)遙控器操作頻率檢測模塊、放煤工作面控制系統(tǒng)開機(jī)率檢測模塊等。軟件配置模塊具有用戶配置和分析兩大功能，用戶配置即用戶可根據(jù)需求輸入相關(guān)參數(shù)，分析模塊允許用戶選擇所需要的分析功能，分析結(jié)果以可視化方式呈現(xiàn)。

3 專家分析模塊設(shè)計(jì)

為了有效提升綜放工作面自動(dòng)化運(yùn)行水平，需要在探究自動(dòng)化率的基礎(chǔ)上，找出生產(chǎn)過程由自動(dòng)運(yùn)行變更為人工操作的具體原因，為自動(dòng)化運(yùn)行水平的提升提供第一手資料。

3.1 專家分析模塊架構(gòu)

專家分析模塊設(shè)計(jì)思路：根據(jù)綜放工作面自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)門限知識信息和設(shè)備工作流程，建立智能綜放工作面自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)變更的狀態(tài)門限知識庫。當(dāng)實(shí)施人工干預(yù)控制時(shí)，自動(dòng)基于規(guī)則庫中的規(guī)則判斷是否符合解除自動(dòng)化運(yùn)行的條件，并分析人工干預(yù)原因[9]。發(fā)現(xiàn)運(yùn)行條件超限或設(shè)備異常時(shí)，報(bào)警提示，嚴(yán)重時(shí)自動(dòng)停機(jī)。

專家分析模塊由知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理引擎、解釋工具和用戶界面5個(gè)部分組成[10-11]，如圖4所示，其中知識庫包含狀態(tài)門限知識庫和規(guī)則庫。

圖4 專家分析模塊結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of expert analysis module

(1) 知識庫包含解決問題相關(guān)的領(lǐng)域知識。知識用一組規(guī)則來表達(dá)，其結(jié)構(gòu)為“IF(條件)THEN(行為)”。當(dāng)規(guī)則的條件被滿足時(shí)，觸發(fā)規(guī)則，繼而執(zhí)行行為。

(2) 數(shù)據(jù)庫包含一組事實(shí)，用于匹配知識庫中的IF(條件)。

(3) 推理引擎執(zhí)行推理，鏈接知識庫中的規(guī)則和數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)。

(4) 解釋工具用于查看專家分析模塊得出解決方案的過程。

(5) 用戶界面是實(shí)現(xiàn)用戶和專家分析模塊之間人機(jī)交互的接口。

3.2 狀態(tài)門限知識庫建立

在智能綜放工作面自動(dòng)化運(yùn)行生產(chǎn)環(huán)境中，經(jīng)常發(fā)生人工干預(yù)的非自動(dòng)化運(yùn)行情況，其中有的是因不具備自動(dòng)化運(yùn)行條件而進(jìn)行的人工干預(yù)，而有的是在具備自動(dòng)化運(yùn)行條件情況下的人工操作。根據(jù)智能綜放工作面自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)門限，建立自動(dòng)化運(yùn)行的狀態(tài)門限知識庫[12-13]，用于識別人工干預(yù)前的設(shè)備狀態(tài)。

狀態(tài)門限知識庫包括影響自動(dòng)化運(yùn)行的生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)門限、環(huán)境、地質(zhì)條件等知識，如采煤機(jī)記憶割煤信息報(bào)警門限知識、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)失效門限知識、自動(dòng)放頂煤失效門限知識。采煤機(jī)記憶割煤信息報(bào)警門限知識主要包括截割功率、調(diào)高油缸壓力超限報(bào)警設(shè)定值。液壓支架自動(dòng)跟機(jī)失效門限知識主要包括推/拉溜千斤頂不到位、傳感器失效、直線度超差等失效設(shè)定值。自動(dòng)放頂煤失效門限知識主要是由煤矸檢測技術(shù)不能保證識別精確度導(dǎo)致的放頂煤失效設(shè)定值。

3.3 規(guī)則庫建立

3.3.1 推理機(jī)制

專家分析模塊采用產(chǎn)生式規(guī)則、正向推理機(jī)制[14-15]實(shí)現(xiàn)推理。產(chǎn)生式規(guī)則基本形式：IFAisxTHENBisy或IFAisx1andx2andx3…THENBisy。其中，Aisx是產(chǎn)生式可用的條件(現(xiàn)象或征兆，可以有多個(gè))；Bisy是指當(dāng)Aisx所指的所有條件均被滿足時(shí)，應(yīng)該得出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作。正向推理是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，即根據(jù)已有事實(shí)推斷出新的事實(shí)，模擬專家推理過程。

推理從已知的數(shù)據(jù)(條件)開始，依次執(zhí)行每條可執(zhí)行的規(guī)則，規(guī)則所產(chǎn)生的新的事實(shí)加入數(shù)據(jù)庫中，直到?jīng)]有可執(zhí)行的規(guī)則為止。例如：已知事實(shí)Aisx，根據(jù)規(guī)則IFAisxTHENBisy獲得新的事實(shí)Bisy，則將Bisy加入數(shù)據(jù)庫；再尋找新的規(guī)則，即IFBisyTHEN …。

3.3.2 規(guī)則的邏輯處理

以“液壓支架自動(dòng)跟機(jī)”規(guī)則為例，分析規(guī)則的建立過程。建立液壓支架自動(dòng)跟機(jī)變更為人工操作的專家知識庫列表，如果監(jiān)控中心發(fā)出推/拉溜千斤頂不到位、傳感器失效、直線度超差等報(bào)警信息，則應(yīng)解除液壓支架自動(dòng)跟機(jī)狀態(tài)。如果不是由相關(guān)監(jiān)測信息報(bào)警引起自動(dòng)化狀態(tài)解除，則為人工隨意變更。

規(guī)則的邏輯處理通過條件表、規(guī)則表和結(jié)論表實(shí)現(xiàn)。

(1) 條件表(表1)：存儲(chǔ)規(guī)則的條件部分(IF)，按順序排列。每個(gè)條件為1行，由條件ID、條件描述(Con)、條件所屬規(guī)則號(RuleID)、匹配標(biāo)志(MatchSign，0表示未匹配，1表示匹配)4個(gè)字段組成。將當(dāng)前時(shí)刻已有條件全部輸入，進(jìn)行匹配搜索，確定成功匹配的條件。

表1 條件表Table 1 Condition table

(2) 規(guī)則表(表2)：存儲(chǔ)規(guī)則的基本信息，按順序排列。每個(gè)規(guī)則為1行，由RuleID、該規(guī)則所包含的條件數(shù)(ConNum)、已匹配成功條件數(shù)(MatcNum)、同一規(guī)則的條件已經(jīng)匹配的比率(Ratio，0表示未匹配成功，1表示匹配成功)、該規(guī)則是否被執(zhí)行過(Use，默認(rèn)值為0，若該規(guī)則已經(jīng)執(zhí)行過1次則變?yōu)?)5個(gè)字段組成。當(dāng)同一規(guī)則的全部條件已經(jīng)匹配的比率為1時(shí)，則規(guī)則匹配成功，需要執(zhí)行本規(guī)則，即輸出結(jié)論表中規(guī)則號所對應(yīng)的規(guī)則結(jié)論的描述內(nèi)容。

表2 規(guī)則表Table 2 Rule table

(3) 結(jié)論表(表3)：存儲(chǔ)規(guī)則的結(jié)論部分(THEN)，按順序排列。每個(gè)結(jié)論為1行，由結(jié)論ID、RuleID、結(jié)論描述(Fault)、最終結(jié)論標(biāo)志(LastFast，0表示未匹配，1表示匹配)4個(gè)字段組成。例如,輸出與條件所屬規(guī)則號R002相匹配的結(jié)論描述中的內(nèi)容：由直線度超差引起液壓支架自動(dòng)跟機(jī)狀態(tài)解除。

表3 結(jié)論表Table 3 Conclusion table

4 工程應(yīng)用

智能綜放工作面自動(dòng)運(yùn)行與人工干預(yù)分析系統(tǒng)在中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X煤礦12309工作面進(jìn)行了應(yīng)用，支架推/拉溜千斤頂是否到位、帶式輸送機(jī)是否平直等，全部由分析系統(tǒng)自主判斷。根據(jù)王家?guī)X煤礦12309工作面的設(shè)備參數(shù)和綜放工藝參數(shù)，設(shè)定該工作面自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)門限：截割功率門限為單個(gè)截割電動(dòng)機(jī)功率的1.2倍，采煤機(jī)調(diào)高油缸壓力門限為23 MPa；移架不到位門限為與目標(biāo)行程差值大于150 mm，工作面直線度門限為公差大于500 mm。

由于12309工作面配備的為全新裝備，在生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行初期，工人需要與設(shè)備進(jìn)行磨合。在現(xiàn)場自動(dòng)化運(yùn)行較為順暢后，一個(gè)割煤循環(huán)中工作面中部自動(dòng)化率穩(wěn)定在90%，兩端頭自動(dòng)化率為60%。智能綜放工作面自動(dòng)化作業(yè)及人工干預(yù)情況如圖5所示。

(a) 支架自動(dòng)化作業(yè)及人工干預(yù)情況

(b) 采煤機(jī)自動(dòng)化作業(yè)情況

選取人工干預(yù)率較高的某生產(chǎn)班，對其在12309工作面的人工干預(yù)次數(shù)及其原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表4。

從表4可看出，采煤機(jī)調(diào)整次數(shù)相對較少，且每次采煤機(jī)調(diào)整均受割煤前方支架收護(hù)幫不到位影響；支架調(diào)整次數(shù)居中，一般是支架姿態(tài)超限導(dǎo)致，少部分是尾梁和插板動(dòng)作執(zhí)行不到位導(dǎo)致；中部槽調(diào)整節(jié)次較多，主要是推/拉溜千斤頂不到位和直線度超差導(dǎo)致的，推/拉溜千斤頂位移傳感器失效在每一刀都出現(xiàn)，查閱自動(dòng)化作業(yè)圖表后發(fā)現(xiàn)支架架次相同，說明該支架推移行程傳感器損壞，需要更換。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在采煤機(jī)運(yùn)行速度較快時(shí)，推溜不到位的情況多發(fā)，且集中在中部支架，可據(jù)此調(diào)整中部支架的推溜控制邏輯。人工干預(yù)原因最多的是推/拉溜千斤頂不到位和直線度超差，分析發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)場對工作面直線度要求較高，為了達(dá)到要求，人工干預(yù)推溜或移架操作，造成液壓支架自動(dòng)跟機(jī)狀態(tài)的保護(hù)性解除，后續(xù)需要在這一方面完善現(xiàn)場控制與保護(hù)邏輯，避免過度安全保護(hù)操作。

表4 某生產(chǎn)班人工干預(yù)分析Table 4 Analysis of manual intervention in a production class

5 結(jié)論

(1) 從智能放煤工作面控制系統(tǒng)開機(jī)率及液壓支架自動(dòng)跟機(jī)率、采煤機(jī)記憶割煤率、自動(dòng)放煤率4個(gè)方面對綜放工作面自動(dòng)化率進(jìn)行了定義。

(2) 建立了綜放工作面自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)門限知識庫，用于識別設(shè)備失效門限和狀態(tài)門限，以及其他影響工作面自動(dòng)化運(yùn)行的知識門限。

(3) 采用正向推理機(jī)制，建立基于規(guī)則的專家分析模塊，在實(shí)現(xiàn)綜放工作面自動(dòng)化率統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，對人工干預(yù)原因進(jìn)行分析。

(4) 實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠評估智能綜放工作面自動(dòng)化率并分析人工干預(yù)原因，為生產(chǎn)系統(tǒng)控制邏輯的優(yōu)化提供依據(jù)。