李志豪

（晉能控股集團(tuán)晉城公司西河煤業(yè)，山西晉城 048100）

在我國(guó)最基礎(chǔ)與最主要的能源就是煤炭，煤炭在不短的時(shí)間中一直當(dāng)作來(lái)源，來(lái)供化石能源所消耗，可是，因?yàn)樯鐣?huì)的不斷進(jìn)步，因此，全世界就將如何合理、高效、安全、智能地開(kāi)采煤炭資源作為了最主要的課題來(lái)進(jìn)行研究。在煤礦開(kāi)采中，最關(guān)鍵的設(shè)備就是液壓機(jī)、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)，而且液壓機(jī)、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)又統(tǒng)稱三機(jī)。為了使三機(jī)運(yùn)行更加協(xié)同與智能化，因此，所研究的采煤機(jī)和液壓支架相對(duì)位置檢測(cè)技術(shù)的意義更加重要。

采煤機(jī)準(zhǔn)確定位的方法被不少學(xué)者與專家所研究。現(xiàn)在，最普遍的定位方法就是組合慣性定位法、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)法、超聲反射法與紅外對(duì)射法等。其中，紅外對(duì)射法的基本原理就是自動(dòng)定位紅外對(duì)射的有關(guān)信息，可因?yàn)榧t外節(jié)點(diǎn)被區(qū)域所限制，因此盲區(qū)就出現(xiàn)了。超聲反射法即為一種跟蹤技術(shù)，就是有回波被超聲波所反射，并被采掘機(jī)所跟蹤，該方法所存在的缺點(diǎn)是因?yàn)楣ぷ髅娴膶挾戎饾u增大，而使信息缺乏真實(shí)性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是按照無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間對(duì)信息進(jìn)行傳輸所需要的時(shí)間來(lái)將詳細(xì)位置進(jìn)行確定，該方法的缺點(diǎn)為其準(zhǔn)確性被環(huán)境所影響[1]。

與物體有關(guān)的信息經(jīng)過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)的收發(fā)而被射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)所取得，進(jìn)而使目標(biāo)得以識(shí)別，而且，經(jīng)過(guò)空間耦合射頻來(lái)促進(jìn)自動(dòng)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)，且自動(dòng)識(shí)別是不接觸的。在本文中，將以RFID為基礎(chǔ)的采煤機(jī)和液壓支架相對(duì)位置精準(zhǔn)定位的技術(shù)提出來(lái)了，使采煤機(jī)和液壓支架相對(duì)位置的檢測(cè)更加精準(zhǔn)。

1 采煤機(jī)與液壓支架相對(duì)位置定位的具體方案

RFID 技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)就是非接觸式自動(dòng)識(shí)別且距離比較遠(yuǎn)，能夠同一時(shí)間識(shí)別很多目標(biāo)，可以存儲(chǔ)很多信息、資料的更新比較快、使用的時(shí)間標(biāo)比較長(zhǎng)等?？梢詮V泛使用到礦難救援、路徑跟蹤、井下人員定位等方面。

在本文中，將該方法提出來(lái)。按照工作面對(duì)采煤機(jī)定位方面的要求，將以無(wú)線傳輸技術(shù)與RFID定位技術(shù)為基礎(chǔ)的位置檢測(cè)裝置研發(fā)出來(lái)了，圖1就是其示意圖。從圖1可以看出，該裝置把定位數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并以此來(lái)支撐綜采的自動(dòng)化。而且，射頻發(fā)射器、射頻信號(hào)中繼器、射頻接收器、總線轉(zhuǎn)換器、集控平臺(tái)構(gòu)成了該射頻定位系統(tǒng)。安裝到采煤機(jī)中的射頻發(fā)射器所具有的作用就是與上位機(jī)安裝到順槽集控平臺(tái)中。采煤機(jī)中安裝的射頻發(fā)射器的主要作用就是發(fā)射數(shù)據(jù)信息與感知位置信號(hào)；在液壓支架中安裝的射頻接收器的最主要作用就是將位置信息接收并把其上傳到至液壓支架電液監(jiān)控系統(tǒng)中；工控平臺(tái)、上位機(jī)及數(shù)據(jù)交換機(jī)被安裝至順槽集控平臺(tái)中。為了使數(shù)據(jù)通信的雙向性得以實(shí)現(xiàn)，就經(jīng)過(guò)使用交換機(jī)來(lái)連接上位機(jī)與集控平臺(tái)，于此同時(shí)，工作面的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)就將采煤機(jī)中的有關(guān)數(shù)據(jù)直接輸送至集控平臺(tái)，進(jìn)而使其檢測(cè)更加精準(zhǔn)。

圖1 設(shè)備布置示意圖

2 RFID定位技術(shù)的工作原理

一般RFID 定位算法是由以接收信A 強(qiáng)度定位（RSS）、到達(dá)時(shí)間定位(TOA)、信號(hào)到達(dá)角度定位(AOA)為基礎(chǔ)的方法所構(gòu)成的，以接收信A強(qiáng)度定位（RSS）為基礎(chǔ)的方法被本文所使用。

射頻發(fā)射器與射頻接收器構(gòu)成了該定位系統(tǒng)，并且射頻接收器安裝至液壓支架中，射頻發(fā)射器安裝至采煤機(jī)中[2]。經(jīng)過(guò)使用基于RSS 的定位算法來(lái)對(duì)接收器與發(fā)射器的間距進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)椴淮_定性是信號(hào)傳播所具有的特性，因此，假設(shè)在實(shí)際環(huán)境中，信號(hào)接收強(qiáng)度符合對(duì)數(shù)的正太分布，就是：

式中：P0(d0)——射頻接收器在距離信號(hào)源為d0位置接收到的信號(hào)強(qiáng)度；

η——路徑的消耗因子；

Xσ——服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布中的隨機(jī)分布變量。

當(dāng)路徑損耗參數(shù)值明確時(shí)，信號(hào)源與接收器之間的距離的似然最大估計(jì)是：

可是，一般會(huì)使用液壓支架所在的位置來(lái)對(duì)采煤機(jī)位置進(jìn)行表示，且液壓支架是用數(shù)字編號(hào)的，一般是在1～300之間，所以，液壓支架與采煤機(jī)的相對(duì)位置能夠經(jīng)過(guò)發(fā)射器與接收器的間距來(lái)進(jìn)行判斷，即為數(shù)字跳躍式，該方法是使用最普遍的方法。圖2就是其采煤機(jī)位置示意圖，從圖2可以看出，數(shù)字、虛線與箭頭分別代表的是液壓支架、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)前進(jìn)的位置。而且，由機(jī)頭來(lái)牽引采煤機(jī)運(yùn)行，21 就是采煤機(jī)的位置。

圖2 采煤機(jī)位置示意圖

排列獨(dú)立的單元，使其構(gòu)成液壓支架。將液壓支架上的編號(hào)當(dāng)作識(shí)別碼，并以此為參考來(lái)確定采煤機(jī)相對(duì)位置，將其識(shí)別碼放置到標(biāo)簽中。在明確可讀寫(xiě)的范圍時(shí)，可以對(duì)閱讀器上的發(fā)射功率進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而促進(jìn)范圍中的標(biāo)簽被讀寫(xiě)器所掃描。識(shí)別碼被讀寫(xiě)器所讀取，并把讀取的所有數(shù)據(jù)信息直接上傳到上位機(jī)，此時(shí)采煤機(jī)的詳細(xì)位置就被上位機(jī)所確定。以下就是詳細(xì)的工作原理：

在放置標(biāo)簽和讀寫(xiě)器時(shí)，放置的水平一定是相同的，將二者安裝到液壓支架與采煤機(jī)中，在移動(dòng)采煤機(jī)時(shí)，按照讀寫(xiě)器所能讀取的范圍和角度，標(biāo)簽就能被讀出來(lái)，且標(biāo)簽的數(shù)量是1 個(gè)或者是多個(gè)，采煤機(jī)位置會(huì)被軟件算法所計(jì)算出來(lái)[3]。如圖3所示。

圖3 RFID射頻技術(shù)采煤機(jī)位置檢測(cè)示意圖

圖4 無(wú)線傳輸方案

3 無(wú)線傳輸方案的工作原理

無(wú)線發(fā)射器是由感知發(fā)射器所集成的，將接收器安裝在液壓支架的頂梁，支架控制器和接收器連接在一起，并且12V 的工作電源是由支架控制器所提供的。無(wú)線發(fā)射器會(huì)將采煤機(jī)的位置發(fā)送至空間電磁場(chǎng)，對(duì)采煤機(jī)的位置進(jìn)行接收，并將其發(fā)送至其支架控制器中，進(jìn)而來(lái)傳輸采煤機(jī)位置的有關(guān)信息。

按照設(shè)計(jì)的有關(guān)要求，把距離相等的接收器安裝到采煤機(jī)中，使多點(diǎn)接收這一功能得以實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)的工作步驟為：機(jī)頭牽引著采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)，通信指令被無(wú)線發(fā)射器所發(fā)出，然后再連接接收器，且接收器是在一定范圍中能夠通信的。當(dāng)采煤機(jī)正在行進(jìn)時(shí)，會(huì)增大前面無(wú)線接收器之間的距離，在距離直至增大至不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行收發(fā)時(shí)，就會(huì)斷開(kāi)和接收器的連接，繼而會(huì)和四周別的接收器相連接，確保采煤機(jī)能夠穩(wěn)定定位。按照工作面詳細(xì)工作狀況來(lái)對(duì)接收器的多少進(jìn)行調(diào)整，確保工作的接收器最少是1 個(gè)。

4 實(shí)際應(yīng)用

潞安礦業(yè)集團(tuán)某礦綜采工作面已經(jīng)對(duì)本文中所提出的以RFID 為基礎(chǔ)的采煤機(jī)精準(zhǔn)定位技術(shù)進(jìn)行了使用。當(dāng)采煤機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，就會(huì)對(duì)采煤機(jī)位置的有關(guān)信息進(jìn)行采集，無(wú)數(shù)據(jù)、跳架等問(wèn)題出現(xiàn)在采煤機(jī)位置的有關(guān)信息數(shù)據(jù)中，這就體現(xiàn)出該定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度比較好[4]。

在使用該技術(shù)之后，可以使采煤機(jī)定位的更加精準(zhǔn)，采煤機(jī)位置信息作為液壓支架的依據(jù)，能夠使采煤機(jī)牽引著液壓支架行走，且是全自動(dòng)化的，主要有自動(dòng)移架、自動(dòng)推溜等。

5 結(jié)束語(yǔ)

在本文中，就采煤機(jī)與液壓支架相對(duì)位置精確定位這一問(wèn)題，將一種以無(wú)線傳輸技術(shù)與RFID 為基礎(chǔ)的采煤機(jī)精準(zhǔn)定位的方法提出來(lái)了，將采煤機(jī)位置檢測(cè)裝置搭建出來(lái)，使采煤機(jī)和液壓支架相對(duì)位置精準(zhǔn)定位得以實(shí)現(xiàn)，還把定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄碌募仄脚_(tái)，以此為基礎(chǔ)來(lái)促進(jìn)采煤機(jī)與液壓支架的自動(dòng)跟機(jī)得以實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)已在潞安礦業(yè)集團(tuán)某智能化綜采工作面中進(jìn)行了使用，使采煤機(jī)可以精準(zhǔn)定位，非常值得推廣。