基于透明地質(zhì)的綜采工作面規(guī)劃截割協(xié)同控制系統(tǒng)

李 森 ，李重重 ，劉 清

（北京天瑪智控科技股份有限公司, 北京 101399）

0 引 言

近年以來(lái)煤礦智能化逐步走向廣泛的應(yīng)用，以煤層精細(xì)探測(cè)為目標(biāo)的地質(zhì)透明化技術(shù)成為智能化開采的重要技術(shù)手段之一。礦井透明地質(zhì)條件是煤炭精準(zhǔn)開采智慧化的重要基礎(chǔ)[1-2]，袁亮等[3-4]從靜態(tài)與動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型角度提出實(shí)現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)生產(chǎn)全過(guò)程中地質(zhì)條件透明化的思路，通過(guò)多參數(shù)反演，搭建多源信息數(shù)據(jù)庫(kù)和時(shí)空四維地質(zhì)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井地質(zhì)條件的透明重構(gòu)，為煤炭資源的精準(zhǔn)開發(fā)利用和智慧礦區(qū)建設(shè)提供支撐。王國(guó)法等[5]總結(jié)了煤炭智能化開采面臨的十大痛點(diǎn)問(wèn)題，并提出“透明地質(zhì)”技術(shù)保障支撐能力需要地質(zhì)信息和裝備智能化以及工程信息等進(jìn)一步融合。李首濱[6]提出了智能化開采的4 個(gè)階段，指出目前正處于向透明工作面（3.0 時(shí)代）研究邁進(jìn)的過(guò)程中。

智能地質(zhì)保障是智能化建設(shè)的創(chuàng)新方向[7]，工作面高精度透明三維地質(zhì)數(shù)字模型為智能化開采提供地質(zhì)寫實(shí)、物探、鉆探等基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)。程建遠(yuǎn)等[8]提出多層級(jí)、遞進(jìn)式、高精度三維地質(zhì)建模的思路，以期提升工作面三維地質(zhì)模型的精度。薛國(guó)華[9]提出了一種應(yīng)用離散平滑插值算法預(yù)測(cè)煤層頂?shù)装甯叱?，?gòu)建綜采工作面靜態(tài)三維煤層模型的建模方法。為實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型的全息可視化和透明化，盧新明等[10]提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于約束Delaunay 的三維網(wǎng)格自適應(yīng)剖分算法。葛世榮等[11]通過(guò)精細(xì)化導(dǎo)航地圖，結(jié)合截割聲波、震動(dòng)、溫度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了采煤機(jī)自主導(dǎo)航截割的技術(shù)方案。孫振明等[12]研究了實(shí)現(xiàn)煤礦三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)修正過(guò)程中所用的相關(guān)技術(shù)，包括平面-剖面對(duì)應(yīng)算法、膨脹搜索算法、樣條曲面算法、平滑過(guò)渡算法等關(guān)鍵技術(shù)。殷大發(fā)[13]對(duì)煤礦三維地質(zhì)模型精度評(píng)價(jià)及動(dòng)態(tài)更新技術(shù)進(jìn)行探討，提出基于熵權(quán)法的三維地質(zhì)模型精度評(píng)價(jià)方法。劉萬(wàn)里等[14]提出一種煤層三維模型的動(dòng)態(tài)精細(xì)修正技術(shù)，進(jìn)而提升煤層三維模型局部精度，實(shí)現(xiàn)工作面的有限透明。王昕等[15]提出智能開采工作面初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)智能化解決方案及其功能。馬騁等[16]通過(guò)研發(fā)綜采智能化管控平臺(tái)以及應(yīng)用綜采自動(dòng)化控制技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)基于透明地質(zhì)規(guī)劃截割的“智能化開采3.0”階段。賀海濤提出了綜采工作面智能化開采系統(tǒng)架構(gòu)和開采模式，確定綜采工作面有限透明技術(shù)路徑和智能化開采三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[17]。毛善君等[18]利用測(cè)量機(jī)器人大地坐標(biāo)傳導(dǎo)、透明化工作面系統(tǒng)建立和動(dòng)態(tài)修正、采煤機(jī)與地質(zhì)模型的自適應(yīng)耦合以及基于時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)（TGIS）的一體化管控平臺(tái)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了較為復(fù)雜地質(zhì)條件下的智能化自適應(yīng)開采和地面遠(yuǎn)程管控。王峰、原長(zhǎng)鎖[19-20]提出了基于透明工作面的智能化開采概念以及綜采工作面透明化開采模式和關(guān)鍵技術(shù)。

綜上所述，透明地質(zhì)技術(shù)在智能化開采的探索中取得了一定的成效，但透明地質(zhì)技術(shù)成果在智能開采系統(tǒng)中的集成融合度不高。本文搭建以智能規(guī)劃中心和開采控制中心為核心的基于透明地質(zhì)的綜采工作面規(guī)劃截割協(xié)同控制系統(tǒng)，依據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)規(guī)劃開采工藝，融合截割模板規(guī)劃和裝備協(xié)同控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面智能協(xié)同規(guī)劃開采。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能規(guī)劃

系統(tǒng)在架構(gòu)設(shè)計(jì)上分為智能規(guī)劃中心和開采控制中心，如圖1 所示。系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)上進(jìn)行了分層實(shí)現(xiàn)，底層為地質(zhì)數(shù)據(jù)層，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字煤層數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)與初步處理；中間層為分析規(guī)劃層，基于地質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)綜采裝備進(jìn)行路徑、啟停和生產(chǎn)工藝規(guī)劃；最上層為協(xié)同控制層，實(shí)現(xiàn)按照規(guī)劃策略對(duì)綜采裝備進(jìn)行協(xié)同控制。

圖1 基于透明地質(zhì)的綜采工作面規(guī)劃截割協(xié)同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Planned cutting and collaborative control system structure of fully-mechanized mining face based on transparent geology

智能規(guī)劃中心以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器為載體，通過(guò)http或websocket 等通信協(xié)議與地質(zhì)模型服務(wù)器交互，獲取地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，按照約定的json 格式，將數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，以數(shù)據(jù)流的形式進(jìn)行傳輸。智能規(guī)劃中心的數(shù)據(jù)源由三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)、歷史截割數(shù)據(jù)、采高傳感數(shù)據(jù)等組成，三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)依據(jù)每刀煤的截割分為多個(gè)切片模型，每個(gè)切片的橫坐標(biāo)與采煤機(jī)的編碼器或者行程傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，采煤機(jī)在每個(gè)橫坐標(biāo)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)的地質(zhì)模型高度數(shù)據(jù)，在切片模型下，將數(shù)據(jù)源中各類數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的橫坐標(biāo)進(jìn)行融合處理，過(guò)濾掉臨時(shí)反刀或傳感器異常等干擾數(shù)據(jù)，調(diào)整不同種類數(shù)據(jù)的權(quán)重，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行迭代修正的同時(shí)生成截割模板，截割模板由高度模板和工藝段組成，按照截割模板對(duì)采煤機(jī)路徑、支架跟機(jī)、煤流負(fù)荷等進(jìn)行規(guī)劃，為開采控制中心提供生產(chǎn)效率最優(yōu)規(guī)劃方案，智能規(guī)劃中心截割模板生成過(guò)程示意如圖2 所示。

圖2 智能規(guī)劃中心截割模板生成過(guò)程示意Fig.2 Intelligent planning central cutting template generation process

開采控制中心承擔(dān)傳感器數(shù)據(jù)采集分析、規(guī)劃策略的執(zhí)行以及裝備的協(xié)同控制等任務(wù)。開采控制中心與綜采裝備通過(guò)礦井環(huán)網(wǎng)連接，采集的傳感類數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解析后作為智能規(guī)劃中心的數(shù)據(jù)來(lái)源之一，依據(jù)智能規(guī)劃中心的截割模板和規(guī)劃策略，協(xié)同控制綜采裝備，主要功能包括：綜采裝備實(shí)時(shí)遠(yuǎn)控，采煤機(jī)與支架、采煤機(jī)與運(yùn)輸系統(tǒng)協(xié)同控制，執(zhí)行采煤機(jī)、支架、刮板輸送機(jī)等規(guī)劃截割控制方案，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)等。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 截割模板規(guī)劃

截割模板由高度模板和工藝段模板組成，高度模板為采煤機(jī)在每個(gè)位置提供滾筒高度值和速度目標(biāo)值，工藝段模板為采煤機(jī)的截割提供路徑導(dǎo)航。截割模板規(guī)劃技術(shù)生成了高度模板和工藝段模板，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)在開采全過(guò)程中依據(jù)截割模板執(zhí)行截割。

2.1.1 高度模板規(guī)劃

獲取了地質(zhì)模型數(shù)據(jù)后，智能規(guī)劃中心將歷史截割數(shù)據(jù)、人工干預(yù)數(shù)據(jù)、采煤機(jī)傳感數(shù)據(jù)、工作面工況數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、加權(quán)、擬合，與地質(zhì)模型數(shù)據(jù)融合形成高度模板。高度模板由一個(gè)四維數(shù)組構(gòu)成，數(shù)組元素為[p，h1，h2，v]，p為采煤機(jī)位置，h1為模板底部高度，h2為模板頂部高度，v為采煤機(jī)速度。其中p作為高度模板的索引，值必須是唯一的，因?yàn)樵谌我獾囊粋€(gè)時(shí)刻，采煤機(jī)的位置對(duì)應(yīng)的每個(gè)滾筒的高度必須是確定唯一的，不可能在某個(gè)時(shí)刻，每個(gè)滾筒的高度有多個(gè)值，因此在一個(gè)高度模板中，p必須唯一。高度模板的生成原理如圖3 所示，詳細(xì)的高度模板規(guī)劃算法在下文中詳細(xì)闡述。

圖3 高度模板生成原理Fig.3 Principle of generating height template diagram

1）基于趨勢(shì)分解與機(jī)器學(xué)習(xí)的滾筒高度預(yù)測(cè)方法。高度模板的規(guī)劃即是對(duì)采煤機(jī)滾筒的高度預(yù)測(cè)，為了提高截割效率與截割精度，提出一種基于趨勢(shì)分解和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒高度更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。基于綜采工作面一定時(shí)空尺度下的歷史數(shù)據(jù)、感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)使用時(shí)序分析算法對(duì)滾筒高度序列數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分解，并對(duì)分解后的各趨勢(shì)項(xiàng)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型，最后將各趨勢(shì)項(xiàng)的預(yù)測(cè)結(jié)果依據(jù)分解模型進(jìn)行趨勢(shì)融合，完成對(duì)滾筒高度的預(yù)測(cè)。圖4 展示了滾筒高度規(guī)劃系統(tǒng)流程圖。

步驟1：數(shù)據(jù)融合，滾筒高度影響因素多且影響機(jī)理復(fù)雜，不同因素在不同條件下對(duì)其影響程度不同，因此從多維度采集數(shù)據(jù)。具體的，從綜采工作面一定時(shí)空尺度下的刮板機(jī)高程、支架歷史高度、滾筒歷史采高、采煤機(jī)速度、人工干預(yù)數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)、機(jī)身姿態(tài)、搖臂擺角、采煤機(jī)軌跡、搖臂振動(dòng)、上竄/下滑測(cè)量、俯仰角、煤層厚度、歷史截割數(shù)據(jù)等維度采集數(shù)據(jù)，并以時(shí)間作為索引將其整合為時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

步驟2：數(shù)據(jù)處理，對(duì)以滾筒高度為因變量融合后的多維數(shù)據(jù)集，將數(shù)據(jù)中連續(xù)取值的特征進(jìn)行分箱處理，連續(xù)數(shù)據(jù)的分箱處理是指把一段連續(xù)的值按照數(shù)據(jù)內(nèi)在統(tǒng)計(jì)特征切分成若干段，每一段的值作為一個(gè)分類取值，把連續(xù)值轉(zhuǎn)換成離散值的過(guò)程。

對(duì)以滾筒高度為因變量融合后的多維數(shù)據(jù)中存在的缺失值，根據(jù)數(shù)據(jù)缺失的原因和類型，使用不同的處理方法，諸如直接刪除、替代填充(前值/后值/均值/眾數(shù)/中位數(shù)/插值法等)、擬合填充(回歸算法/極大似然估計(jì)算法/隨機(jī)森林算法等)、衍生變量等。

對(duì)以滾筒高度為因變量融合后的多維數(shù)據(jù)使用統(tǒng)計(jì)分析判別數(shù)據(jù)中是否存在不合理的異常值，對(duì)確認(rèn)存在異常值的情況，可以將其視為數(shù)據(jù)的內(nèi)在變現(xiàn)不予處理，也可以根據(jù)異常的原因和類型通過(guò)直接刪除、用均值修正、以處理缺失值的方法進(jìn)行處理。

步驟3：趨勢(shì)分解，煤層的形成與植物遺體的堆積和地殼的沉降速度有直接關(guān)系，從其形成的過(guò)程可以看到，煤層厚度本身具有一定的周期性和季節(jié)性。滾筒直接面向煤層厚度作業(yè)，因此也具有較強(qiáng)的循環(huán)周期性，同時(shí)其可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高度的變化，具有較強(qiáng)的波動(dòng)性、變化頻率快、隨機(jī)性強(qiáng)，而且影響滾筒高度的各影響因素之間存在一定程度的相互作用，因此采用X-11 分解法的乘法模型，將滾筒高度的時(shí)序數(shù)據(jù)(Yt)進(jìn)行趨勢(shì)分解，將其分解為長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)(Tt) 、季節(jié)變動(dòng)項(xiàng)(St) 、循環(huán)變動(dòng)項(xiàng)(St)和隨機(jī)波動(dòng)項(xiàng)(It)，具體的模型為：Yt=TtStCtIt。

步驟4：最優(yōu)特征篩選，以滾筒高度時(shí)序數(shù)據(jù)分解后的各趨勢(shì)項(xiàng)作為因變量，以步驟2 處理后的數(shù)據(jù)作為自變量，通過(guò)反復(fù)構(gòu)建Ridge(嶺回歸)模型,選出最好的特征，把選出來(lái)的特征作為候選特征集，然后在剩余的特征上重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到遍歷所有特征，過(guò)程中特征被消除的次序就是特征的排序，依據(jù)排序進(jìn)行最優(yōu)特征的篩選。

步驟5：機(jī)器學(xué)習(xí)建模，對(duì)特征篩選后的數(shù)據(jù)，以步驟3 趨勢(shì)分解后滾筒高度時(shí)序數(shù)據(jù)中的長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)、季節(jié)變動(dòng)項(xiàng)、循環(huán)變動(dòng)項(xiàng)分別作為因變量，以步驟四篩選后的特征數(shù)據(jù)作為自變量，基于自變量和因變量構(gòu)成的樣本數(shù)據(jù)，按照4∶3∶3 的比例將樣本數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集，在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集上分別訓(xùn)練長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)、季節(jié)變動(dòng)項(xiàng)、循環(huán)變動(dòng)項(xiàng)的機(jī)器學(xué)習(xí)GBDT(Gradient Boosting Decision Tree)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，在測(cè)試集上使用MSE(Mean squared error)指標(biāo)進(jìn)行各模型效果的評(píng)估，在確保MSE 達(dá)到一定的精度閾值時(shí)，完成機(jī)器學(xué)習(xí)的建模

其中，對(duì)于按照步驟3 分解出來(lái)滾筒高度時(shí)序數(shù)據(jù)的隨機(jī)波動(dòng)項(xiàng)首先進(jìn)行自相關(guān)檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)隨機(jī)波動(dòng)項(xiàng)進(jìn)行ARIMA(Auto Regressive Integrated Moving Average)模型擬合并對(duì)模型進(jìn)行白噪聲檢驗(yàn)，通過(guò)檢驗(yàn)后的ARIMA 模型即為隨機(jī)波動(dòng)項(xiàng)預(yù)測(cè)模型。

步驟6：趨勢(shì)融合，對(duì)步驟五處理后的數(shù)據(jù)，對(duì)分解出來(lái)滾筒高度時(shí)序數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)的預(yù)測(cè)結(jié)果(T?t) 、季節(jié)變動(dòng)項(xiàng)的預(yù)測(cè)結(jié)果(S?t)、循環(huán)變動(dòng)項(xiàng)的預(yù)測(cè)結(jié)果(C?t) 和隨機(jī)波動(dòng)項(xiàng)(I?t) 的預(yù)測(cè)結(jié)果按照步驟3 的趨勢(shì)分解乘法模型進(jìn)行趨勢(shì)融合，滾筒高度預(yù)測(cè)值(Y?t)結(jié)果為：Y?t=T?tS?tC?tI?t。

2）高度規(guī)劃模型設(shè)計(jì)。高度規(guī)劃模型的因變量為滾筒高度數(shù)據(jù)。模型自變量主要包含：刮板機(jī)高程、支架歷史高度、滾筒歷史采高、煤機(jī)速度、人工干預(yù)數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)等歷史數(shù)據(jù)；機(jī)身姿態(tài)、搖臂擺角、采煤機(jī)軌跡、搖臂振動(dòng)、上竄/下滑測(cè)量、俯仰角等感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)；煤層厚度、歷史截割數(shù)據(jù)等地質(zhì)數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)記錄的過(guò)程中，每隔一段距離（約0.5 m）設(shè)置一個(gè)記憶點(diǎn)，在每個(gè)記憶點(diǎn)采集并保存一次采煤機(jī)截割工作數(shù)據(jù)。在一個(gè)長(zhǎng)約150 m 的煤壁截割作業(yè)中，每刀共設(shè)置了300 個(gè)采樣點(diǎn)來(lái)對(duì)該刀截割時(shí)的采煤機(jī)左右滾筒高度進(jìn)行預(yù)測(cè)，滾筒高度規(guī)劃模型如圖5 所示。

圖5 滾筒高度規(guī)劃模型Fig.5 Drum height planning model

采用的趨勢(shì)分解是一種有效的處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)的方式，時(shí)間序列數(shù)據(jù)通常有很多種潛在模式，趨勢(shì)分解是將時(shí)間序列數(shù)據(jù)分解為4 種基礎(chǔ)模式：長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)、季節(jié)變動(dòng)項(xiàng)、循環(huán)變動(dòng)項(xiàng)和隨機(jī)波動(dòng)項(xiàng)（隨機(jī)波動(dòng)項(xiàng)包含時(shí)間序列中其它所有信息）。本文采用的X-11 分解法，通過(guò)迭代進(jìn)行分解，在計(jì)算過(guò)程中可根據(jù)滾筒高度序列數(shù)據(jù)中的隨機(jī)因素大小，采用不同長(zhǎng)度的移動(dòng)平均，不僅可以全自動(dòng)處理加法模型和乘法模型，而且對(duì)于滾筒高度序列時(shí)間序列中的異常值和數(shù)據(jù)變動(dòng)有較強(qiáng)的魯棒性。

采用的GBDT 機(jī)器學(xué)習(xí)模型是機(jī)器學(xué)習(xí)算法中對(duì)真實(shí)分布擬合的較好的算法之一，通過(guò)多輪迭代且每輪迭代產(chǎn)生一個(gè)弱分類器，將所有弱分類器的結(jié)果加起來(lái)等于預(yù)測(cè)值，在實(shí)踐中具有很強(qiáng)的預(yù)測(cè)精度。所采用的GBDT 模型可以處理以滾筒高度為因變量融合后的多維數(shù)據(jù)中各種類型的特征，且能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)特征之間的關(guān)系，同時(shí)對(duì)滾筒高度序列數(shù)據(jù)中的異常值和缺失數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的魯棒性。

采用的ARIMA 模型可以用來(lái)對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)測(cè)，常被用于需求預(yù)測(cè)和規(guī)劃，主要用來(lái)解決 “隨機(jī)過(guò)程的特征隨著時(shí)間變化而非固定”且“導(dǎo)致時(shí)間序列非平穩(wěn)的原因是隨機(jī)而非確定”的問(wèn)題。本文使用ARIMA 模型的思想，就是從采煤機(jī)滾筒高度的歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到隨時(shí)間變化的模式，之后使用這個(gè)規(guī)律去預(yù)測(cè)下一刀采煤機(jī)滾筒的高度趨勢(shì)分解后隨機(jī)波動(dòng)項(xiàng)的變化趨勢(shì)。

2.1.2 工藝段規(guī)劃

綜采工作面截割工藝通常由中部截割、端頭三角煤截割組成，端頭三角煤又分為掃煤、割底、斜切進(jìn)刀等工藝，按照全截深雙向割煤工藝，截割一刀煤規(guī)劃為若干工藝段，工藝段具有的特征為：①每個(gè)工藝段內(nèi)，采煤機(jī)行進(jìn)方向不變；②相鄰2 個(gè)工藝段采煤機(jī)行進(jìn)方向相反；③上一個(gè)工藝段的結(jié)束位置，即為下一個(gè)工藝段的開始位置。工藝段每個(gè)特征的目的詳細(xì)說(shuō)明如下：特征①的目的是為了保證每個(gè)工藝段內(nèi)采煤機(jī)位置不會(huì)重復(fù)，因?yàn)楦叨饶０逯幸蟛擅簷C(jī)位置作為高度模板的索引，值必須是唯一的，所以每個(gè)工藝段內(nèi)只要采煤機(jī)的行進(jìn)方向不變，采煤機(jī)位置就不會(huì)發(fā)生重疊。特征②和特征③的目的是為了保證整體截割工藝的連續(xù)和完整，避免截割過(guò)程中缺失截割模板。

根據(jù)地質(zhì)模型數(shù)據(jù)中的工作面切片的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，可以確定中部以及三角煤部分工藝段的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，將每個(gè)工藝段定義的數(shù)據(jù)模型為[n，s1，s2]，n為工藝段號(hào)，s1為起點(diǎn)位置，s2為終點(diǎn)位置。假設(shè)工作面支架數(shù)量為160，截割一刀煤的工藝段規(guī)劃見表1。

表1 工藝段規(guī)劃Table 1 Shearer cutting process segment planning

結(jié)合高度模板中四維數(shù)組的定義，高度模板的底部和頂部高度可以對(duì)應(yīng)到每個(gè)工藝段內(nèi)的每個(gè)位置的采高和挖底量，位置間距根據(jù)地質(zhì)模型中當(dāng)前截面的橫坐標(biāo)間距和工作面長(zhǎng)度動(dòng)態(tài)調(diào)整，一般設(shè)置在0.1～0.5 m 范圍。

2.2 綜采裝備協(xié)同控制

2.2.1 采煤機(jī)與支架協(xié)同控制

采煤機(jī)與支架協(xié)同[17]的目的是為了保證采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，支架能夠完成自動(dòng)跟機(jī)作業(yè)，支架動(dòng)作到位并且不丟架。本系統(tǒng)中采煤機(jī)與支架的協(xié)同規(guī)劃策略包括截割前工藝適配和截割中實(shí)時(shí)調(diào)整。

截割前首先依據(jù)截割模板中規(guī)劃的工藝段，確定與該工藝段相關(guān)的支架范圍，其次依據(jù)工藝段內(nèi)采煤機(jī)的運(yùn)行方向和高度模板中規(guī)劃的采煤機(jī)速度，計(jì)算出該范圍內(nèi)支架的跟機(jī)參數(shù)，最后適配出與各工藝段匹配的支架跟機(jī)工藝，從整刀截割的流程上保證跟機(jī)工藝的適配。

截割中實(shí)時(shí)檢測(cè)采煤機(jī)位置和當(dāng)前跟機(jī)支架范圍內(nèi)各個(gè)支架的動(dòng)作狀態(tài)，在判定當(dāng)前支架的跟機(jī)速度與規(guī)劃的采煤機(jī)速度不匹配時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整采煤機(jī)速度，或者切換支架的快/慢速跟機(jī)模式。采煤機(jī)到達(dá)設(shè)置的檢測(cè)點(diǎn)后，檢測(cè)相關(guān)區(qū)域的支架是否全部動(dòng)作到位，若存在部分支架動(dòng)作未到位，則牽停采煤機(jī)等待支架動(dòng)作完成。

2.2.2 煤流負(fù)荷協(xié)同控制

煤流負(fù)荷協(xié)同控制是為保證煤流負(fù)荷平衡穩(wěn)定，減少或避免突發(fā)煤流量過(guò)大導(dǎo)致的運(yùn)輸系統(tǒng)故障或停機(jī)，同時(shí)也要避免運(yùn)輸系統(tǒng)空轉(zhuǎn)空載。煤流負(fù)荷協(xié)同控制主要由預(yù)估規(guī)劃和實(shí)時(shí)調(diào)整2 種策略。預(yù)估規(guī)劃是以地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)生成的截割模板頂?shù)赘叨?、采煤機(jī)截深、煤質(zhì)密度預(yù)估出截割煤量，對(duì)于截割模板頂?shù)赘叨认嗖钶^大的區(qū)域，降低規(guī)劃的采煤機(jī)速度，使得單位時(shí)間內(nèi)新截割煤量不會(huì)驟然增長(zhǎng)，對(duì)于掃煤階段，提高規(guī)劃的采煤機(jī)速度。實(shí)時(shí)調(diào)整是在預(yù)估規(guī)劃基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸負(fù)荷相關(guān)的傳感數(shù)據(jù)，融合分析，調(diào)整采煤機(jī)的速度、啟停來(lái)達(dá)到煤流負(fù)荷實(shí)時(shí)控制的目的。

煤流負(fù)荷協(xié)同控制策略如圖6 所示。泵站控制模塊根據(jù)期望值控制實(shí)時(shí)流量，支架控制模塊將移架速度、數(shù)量等參數(shù)輸入給采煤機(jī)速度控制模塊，同時(shí)輸送帶、刮板輸送機(jī)將負(fù)荷數(shù)據(jù)作為參數(shù)輸入采煤機(jī)速度控制模塊，采煤機(jī)速度控制模塊綜合決策采煤機(jī)速度的邊界以及到達(dá)邊界條件時(shí)觸發(fā)啟停。

圖6 煤流負(fù)荷協(xié)同控制策略Fig.6 Coal flow load collaborative control strategy

1）基于線性規(guī)劃的煤流負(fù)荷協(xié)同控制方法。為了實(shí)現(xiàn)煤流負(fù)荷平衡穩(wěn)定的目標(biāo)，本文提出基于線性規(guī)劃的煤流負(fù)荷協(xié)同控制方法。首先利用歷史數(shù)據(jù)（截割模板頂?shù)赘叨?、采煤機(jī)截深、煤質(zhì)密度、采煤機(jī)的速度和刮板輸送機(jī)負(fù)荷）尋找煤流負(fù)荷的線性回歸方程；其次基于多元線性回歸方程推導(dǎo)出采煤機(jī)速度的線性規(guī)劃函數(shù)；最終，求得滿足約束條件的最優(yōu)解。

2）煤流負(fù)荷協(xié)同模型設(shè)計(jì)。煤流負(fù)荷協(xié)同模型中涵蓋的歷史數(shù)據(jù)包括截割模板頂?shù)赘叨取⒉擅簷C(jī)截深、煤質(zhì)密度、采煤機(jī)的速度和刮板輸送機(jī)負(fù)荷。探究發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)變量（刮板輸送機(jī)負(fù)荷）與各個(gè)特征變量（截割模板頂?shù)赘叨取⒉擅簷C(jī)截深、煤質(zhì)密度、采煤機(jī)的速度）之間具有強(qiáng)相關(guān)性，因此采用線性回歸模型，得出關(guān)于刮板輸送機(jī)負(fù)荷與各個(gè)特征之間的函數(shù)表達(dá)式。在實(shí)際的綜采作業(yè)中，煤流負(fù)荷需要控制在一定的范圍內(nèi)，而使得開采效益最高，即采煤機(jī)的速度越快越好。因此，在線性規(guī)劃模型中，需將速度表達(dá)式作為目標(biāo)函數(shù)，截割模板頂?shù)赘叨?、采煤機(jī)截深、煤質(zhì)密度等作為約束條件，進(jìn)行求解。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證基于透明地質(zhì)的綜采工作面規(guī)劃截割協(xié)同控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，在陜煤化黃陵一礦807工作面進(jìn)行了系統(tǒng)部署，該工作面走向長(zhǎng)度2 156 m，工作面寬度235 m，平均煤厚2.75 m。系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)部署的軟件主界面如圖7 所示，顯示了工作面總體地質(zhì)信息、三維數(shù)字煤層模型、系統(tǒng)規(guī)劃的截割模板，以及采煤機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。系統(tǒng)部署完成后，在2021 年9 月13 日的日間生產(chǎn)班進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)部署的軟件主界面Fig.7 Main window of software deployed onsite

中煤科工集團(tuán)西安研究院在黃陵一礦807 工作面建立了的三維地質(zhì)模型，并對(duì)外提供了地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的接口，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用接口獲取推進(jìn)方向和切眼方向起點(diǎn)和終點(diǎn)位置坐標(biāo)，以及當(dāng)前推進(jìn)度未來(lái)兩刀煤的切片模型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)以此數(shù)據(jù)生成截割模板，在實(shí)驗(yàn)開始前將截割模板數(shù)據(jù)下發(fā)給采煤機(jī)，試驗(yàn)開始后，允許采煤機(jī)司機(jī)使用遙控器干預(yù)操作，采煤機(jī)根據(jù)截割模板進(jìn)行自動(dòng)完成兩刀煤的截割，包括中部和端頭三角煤。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果如圖8 所示，因在試驗(yàn)過(guò)程中，允許司機(jī)使用遙控器干預(yù)滾筒高度，所以頂?shù)装宓膶?shí)際截割高度也就相當(dāng)于人工截割的高度，因此對(duì)比頂?shù)装宓慕馗罡叨扰c規(guī)劃高度，就可以判斷出規(guī)劃的高度是否與人工調(diào)高的結(jié)果一致，按照規(guī)劃高度截割與人工截割是否具有相似的截割結(jié)果。從圖8a中可以看出頂?shù)装宓慕馗罡叨群鸵?guī)劃截割高度趨勢(shì)一致，系統(tǒng)規(guī)劃的高度與人工調(diào)高結(jié)果具有高度的一致性，因此規(guī)劃的高度是符合實(shí)際的生產(chǎn)需求的，也輔證了透明地質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.8 Field application result curve

圖8b 統(tǒng)計(jì)了試驗(yàn)期間采煤機(jī)司機(jī)使用遙控器干預(yù)采煤機(jī)的次數(shù)，兩刀煤累計(jì)人工干預(yù)46 次，第一刀干預(yù)25 次，通過(guò)上位機(jī)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)可以查詢到在無(wú)規(guī)劃截割的方式下每刀煤人工干預(yù)約70～80 次，對(duì)比計(jì)算出在使用規(guī)劃截割后，人工干預(yù)次數(shù)顯著下降64.28%～68.75%，并且三角煤區(qū)域完全沒(méi)有人工干預(yù)，因此說(shuō)明規(guī)劃截割可以有效地降低采煤機(jī)司機(jī)的工作量。

圖8c 和圖8d 表明依據(jù)系統(tǒng)的規(guī)劃的采煤機(jī)速度，運(yùn)輸機(jī)電流曲線平穩(wěn)，負(fù)荷與采煤機(jī)速度趨勢(shì)一致，沒(méi)有出現(xiàn)空載停機(jī)現(xiàn)象，說(shuō)明了煤流負(fù)荷規(guī)劃與協(xié)同控制的應(yīng)用效果良好。

4 結(jié) 論

1）提出了基于透明地質(zhì)的綜采工作面規(guī)劃截割協(xié)同控制方法，集成了透明地質(zhì)技術(shù)的成果，以地質(zhì)模型等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建截割模板的數(shù)據(jù)模型，是透明地質(zhì)技術(shù)成果在智能化開采中的有效應(yīng)用。

2）結(jié)合開采工藝設(shè)計(jì)開發(fā)了綜采工作面規(guī)劃截割協(xié)同控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)按照規(guī)劃的截割模板對(duì)綜采裝備進(jìn)行協(xié)同控制，輔以人工在線干預(yù)實(shí)現(xiàn)智能開采，為智能開采控制技術(shù)的發(fā)展提供了理論和方案參考。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，系統(tǒng)規(guī)劃的頂?shù)装褰馗钋€與采煤機(jī)實(shí)際截割曲線基本一致，每一刀的人工干預(yù)最大值需要25 次，人工干預(yù)次數(shù)下降64.28%～68.75%，并且三角煤截割區(qū)域不需要人工干預(yù)。采煤機(jī)按照截割模板自動(dòng)截割，支架全程正常自動(dòng)跟機(jī)，沒(méi)有出現(xiàn)丟架現(xiàn)象，運(yùn)輸機(jī)電流曲線平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)空載或停機(jī)現(xiàn)象。

4）煤層精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)尚在發(fā)展之中，如何在地質(zhì)模型數(shù)據(jù)精度不足的條件下實(shí)現(xiàn)規(guī)劃截割與協(xié)同控制是值得進(jìn)一步研究的課題。