摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)智能化發(fā)展的現(xiàn)狀：采煤機(jī)目前正朝著智能機(jī)器人化的方向發(fā)展，處于智能化初級(jí)階段。闡述了采煤機(jī)智能化發(fā)展歷程及趨勢(shì)：英國(guó)遠(yuǎn)程操作長(zhǎng)壁工作面（ROLF）計(jì)劃、采煤工作面自動(dòng)化系統(tǒng)（MINOS）、美國(guó)航空航天局（NASA）長(zhǎng)壁自動(dòng)化合作項(xiàng)目、澳大利亞煤炭工業(yè)研究計(jì)劃（ACARP）、澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）項(xiàng)目、歐盟長(zhǎng)壁鉆井設(shè)備新型機(jī)械化與自動(dòng)化（NEMAEQ）等6 項(xiàng)科研項(xiàng)目在采煤機(jī)智能化發(fā)展中扮演了重要角色；采煤機(jī)發(fā)展趨勢(shì)在于利用不斷發(fā)展的監(jiān)測(cè)傳感及遠(yuǎn)程控制技術(shù)代替人工干預(yù)及操作，不斷提高工作面設(shè)備的生產(chǎn)效率及可靠性，朝信息化、一體化、無(wú)人化、智能化的方向發(fā)展。從采煤機(jī)智能感知、智能控制和智能通信3 個(gè)方面介紹了采煤機(jī)智能化關(guān)鍵技術(shù)，指出基于煤巖識(shí)別的智能截割技術(shù)、智能滾筒調(diào)速技術(shù)、采煤機(jī)精確定位技術(shù)和基于三維地質(zhì)模型的采煤機(jī)規(guī)劃開(kāi)采技術(shù)是亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)。從采煤機(jī)降塵和降噪2 個(gè)方面對(duì)采煤機(jī)智能化發(fā)展過(guò)程中不可忽視的人機(jī)關(guān)系進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī)智能化；智能感知；智能控制；智能通信；智能截割；智能滾筒調(diào)速；精確定位；規(guī)劃開(kāi)采

中圖分類(lèi)號(hào)：TD632.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)核心地位，這與我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的資源分布特征密不可分[1]。盡管核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源的快速發(fā)展促進(jìn)了我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的多樣化，但煤炭由于其可靠性和成本效益，預(yù)計(jì)在長(zhǎng)期內(nèi)將繼續(xù)作為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主要和基礎(chǔ)能源。根據(jù)中國(guó)工程院的預(yù)測(cè)， 到2030 年煤炭的市場(chǎng)份額將占到50%，而到2050 年，這一比例預(yù)計(jì)仍將高達(dá)40%[2]。此外，煤變油、煤制氫等新技術(shù)的應(yīng)用使煤炭在能源行業(yè)的清潔利用成為可能，并且，煤炭作為在冶金、化工等領(lǐng)域的重要原料仍將發(fā)揮重要作用[3]。

煤炭行業(yè)作為保障我國(guó)能源安全的重要基石，在改革開(kāi)放四十余年的歷程中，已經(jīng)完成了從人工和半機(jī)械化向自動(dòng)化的跨越，正在向智能化轉(zhuǎn)型。2020 年3 月，國(guó)家能源局聯(lián)合科技部等8 個(gè)部門(mén)發(fā)布了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確了煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)方針、基本原則和階段性目標(biāo)[4]，并制定了相應(yīng)的保障措施。針對(duì)該指導(dǎo)意見(jiàn)，王國(guó)法院士及其團(tuán)隊(duì)在《智能化煤礦分類(lèi)、分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》中具體制定了煤礦智能化的分類(lèi)、分級(jí)技術(shù)條件及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并給出了評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表，為智能化煤礦的規(guī)劃、建設(shè)、評(píng)估和管理提供了明確的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。由評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表可知，包含割煤、支護(hù)、運(yùn)輸和綜合保障系統(tǒng)的智能綜采系統(tǒng)是對(duì)煤礦智能化等級(jí)評(píng)定影響最大的一項(xiàng)，占比為0.258 2， 其中以采煤機(jī)為主的割煤系統(tǒng)占比為0.138 8[5]。智能采煤機(jī)在綜采工作面中扮演著核心角色，其智能化水平是判定煤礦智能化等級(jí)的重要標(biāo)準(zhǔn)[6]。

智能化采煤機(jī)利用多種傳感技術(shù)融合、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、事件預(yù)測(cè)和遠(yuǎn)程控制等手段，完成井下工作面的環(huán)境感知和智能控制[7]。采煤機(jī)智能化發(fā)展減少了井下采煤過(guò)程中的人為干預(yù)，減輕了煤礦工人工作強(qiáng)度，降低了井下工人安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于煤礦井下安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 采煤機(jī)智能化發(fā)展現(xiàn)狀

采煤機(jī)作為煤炭開(kāi)采三大機(jī)之首，其發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)械工具采煤、全機(jī)械化采煤和采煤機(jī)組自動(dòng)控制3 次采煤技術(shù)革命，目前正朝著智能機(jī)器人化的方向發(fā)展[8]，處于智能化初級(jí)階段。

1.1 國(guó)外采煤機(jī)智能化發(fā)展情況

采煤機(jī)發(fā)源于歐洲，作為工業(yè)革命的先驅(qū)者，1868 年英國(guó)制造了世界上第1 臺(tái)商用采煤機(jī)，使煤炭產(chǎn)量迅速提高，拉開(kāi)了煤礦機(jī)械化開(kāi)采的大幕。20 世紀(jì)50 年代，英國(guó)安德森采煤機(jī)問(wèn)世，形成了采煤機(jī)、液壓支護(hù)、刮板輸送機(jī)組成的機(jī)械化采煤工作面[8]，機(jī)械化技術(shù)快速發(fā)展，極大提高了煤炭行業(yè)產(chǎn)能，德國(guó)、波蘭、前蘇聯(lián)、美國(guó)等也相繼完成機(jī)械化采煤階段。1976 年英國(guó)成功研發(fā)采煤機(jī)數(shù)字化顯示和自動(dòng)控制系統(tǒng)[9]，之后美國(guó)原久益公司（美國(guó)久益公司后期經(jīng)歷多次并購(gòu)與重組更名）在此基礎(chǔ)上推出自動(dòng)化工作面控制系統(tǒng)。結(jié)合多傳感器、現(xiàn)場(chǎng)總線、微機(jī)控制系統(tǒng)等技術(shù)，采煤機(jī)由初級(jí)自動(dòng)化的恒功率控制逐步向高級(jí)自動(dòng)化的采掘運(yùn)多機(jī)協(xié)作自動(dòng)控制發(fā)展。隨著采煤機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的日漸成熟，20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始，美國(guó)、澳大利亞及德國(guó)等先后提出了各自的煤機(jī)智能化方案，其中以艾柯夫、久益為代表的煤機(jī)制造商采用的智能化技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先，研究較為系統(tǒng)和完備[10]。

德國(guó)艾柯夫公司的采煤機(jī)智能化技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了4 個(gè)階段：第1 階段（1996 年）開(kāi)發(fā)了具有記憶截割功能的自動(dòng)化采煤機(jī)；第2 階段通過(guò)位置傳感器、機(jī)載視頻、遠(yuǎn)程通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)防碰撞和基于紅外相機(jī)的煤巖識(shí)別；第3 階段通過(guò)軟件工具和控制系統(tǒng)的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)控和控制參數(shù)的編輯與模擬；第4 階段新增實(shí)時(shí)采集搖臂滾筒截割狀態(tài)、頂?shù)装迕簬r分界識(shí)別和頂梁碰撞預(yù)防等功能。這些技術(shù)在2009 年左右完成研發(fā)，標(biāo)志著智能化采煤技術(shù)進(jìn)入更高級(jí)階段，并在工業(yè)中得到應(yīng)用。采煤機(jī)機(jī)身部分傳感裝置如圖1 所示。

美國(guó)久益公司采煤機(jī)智能化技術(shù)的核心在于其創(chuàng)新的軟件控制系統(tǒng)，通過(guò)多次迭代升級(jí)，其采煤機(jī)控制軟件已集成了一系列先進(jìn)軟件工具，包括人員輔助、自動(dòng)化操作序列、高級(jí)故障診斷、設(shè)備性能監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析等，支持多種通信協(xié)議，具有可擴(kuò)展I/O 端口、人性化用戶界面和可配置軟件。其采煤機(jī)控制軟件如圖2 所示。其高級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)ASA 可自主規(guī)劃自動(dòng)割煤，實(shí)現(xiàn)水平控制、離線路徑編輯、三角煤割煤、牽引控制和長(zhǎng)壁工作面自動(dòng)化等20 余種程序，極少需人工干預(yù)。硬件方面，通過(guò)添加先進(jìn)傳感器和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)智能控制，如利用傾角傳感器和搖臂編碼器測(cè)量搖臂角度，通過(guò)軸編碼器或D 齒輪傳感器確定位置，通過(guò)俯仰和搖擺角度計(jì)、陀螺儀和傾角傳感器測(cè)量機(jī)身角度。久益還與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial ResearchOrganisation， CSIRO）合作，采用長(zhǎng)壁自動(dòng)化指導(dǎo)委員會(huì)（Longwall Automation Steering Committee，LASC）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維空間定位、滾筒自動(dòng)高度調(diào)節(jié)、工作面自動(dòng)校直和3D 可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控[11]。

1.2 國(guó)內(nèi)采煤機(jī)智能化發(fā)展情況

我國(guó)采煤機(jī)智能化技術(shù)的研究起步較晚，但發(fā)展迅猛，受益于國(guó)家對(duì)煤礦智能化建設(shè)的重視和支持，各類(lèi)國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)、高校和科研院所的研究取得了豐碩進(jìn)展。

1956 年，我國(guó)便組建了自動(dòng)化與遠(yuǎn)距離操作研究所，盡管成立時(shí)間較早，我國(guó)對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的探索直到20 世紀(jì)70 年代初期才正式啟動(dòng)[8]。1970 年，我國(guó)在大同煤峪口煤礦首次實(shí)施了綜合機(jī)械化開(kāi)采模式的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，由此，我國(guó)煤炭行業(yè)進(jìn)入機(jī)械化開(kāi)采時(shí)代；1978 年MD?150 型采煤機(jī)通過(guò)FYK 型遙控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)近距無(wú)線遙控技術(shù)；1988 年，我國(guó)原煤炭工業(yè)部啟動(dòng)了作為綜采工作面自動(dòng)化基礎(chǔ)條件的液壓支架電液控制技術(shù)的研究立項(xiàng)，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始進(jìn)入工作面自動(dòng)化開(kāi)采的研究階段；1991 年，中煤科工集團(tuán)上海有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)上海煤科）研發(fā)的MG344?PWD 電牽引采煤機(jī)采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了恒功率調(diào)速；1996 年，我國(guó)完成首套工作面電液控制系統(tǒng)的井下工業(yè)性試驗(yàn)，并建立了由井下主控計(jì)算機(jī)、地面控制主機(jī)、液壓支架控制器和傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此后，電液控制系統(tǒng)成為自動(dòng)化綜采工作面的標(biāo)準(zhǔn)配置，在多個(gè)大型煤礦推廣，推動(dòng)了從綜合機(jī)械化開(kāi)采到自動(dòng)化開(kāi)采的發(fā)展；2004 年，天地科技股份有限公司上海分公司研發(fā)了我國(guó)第一代基于數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）技術(shù)的采煤機(jī)機(jī)載電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)，使采煤機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)入更高階段[12]。

隨著我國(guó)智能制造2025 規(guī)劃、煤炭供給側(cè)改革和工業(yè)4.0 時(shí)代政策的推進(jìn)，煤炭工業(yè)在智能化生產(chǎn)建設(shè)方面取得了顯著成就。上海煤科通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、合作研發(fā)和自主設(shè)計(jì)，研發(fā)了一系列智能化煤機(jī)設(shè)備，市場(chǎng)占有率居行業(yè)首位[13]。2010 年，上海煤科在山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司古書(shū)院分公司首次利用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了工作面自動(dòng)化開(kāi)采，利用記憶采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化重復(fù)截割，并通過(guò)以太網(wǎng)和頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）調(diào)制通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作。2015 年，上海煤科引入LASC技術(shù)，并于2017 年在鄂爾多斯市轉(zhuǎn)龍灣煤炭有限公司完成首個(gè)LASC 自動(dòng)化工作面項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)全工藝循環(huán)的記憶截割自動(dòng)化，LASC 技術(shù)框架如圖3 所示。LASC 系統(tǒng)通過(guò)不同方式傳輸數(shù)據(jù)，由集控中心統(tǒng)一處理并反饋控制，形成閉環(huán)系統(tǒng)。2021 年，上海煤科與華為技術(shù)有限公司、中國(guó)移動(dòng)合作，在內(nèi)蒙古智能煤炭有限責(zé)任公司麻地梁煤礦井下實(shí)現(xiàn)了5G+光纖冗余網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，提升了采煤機(jī)遠(yuǎn)程操控的可靠性和智能化無(wú)人開(kāi)采的安全性，標(biāo)志著煤炭行業(yè)進(jìn)入依托5G 通信技術(shù)的工業(yè)控制新時(shí)代[14]。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)煤炭行業(yè)智能化開(kāi)采研究和建設(shè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，截止2023 年11 月，全國(guó)首批智能化示范煤礦已有58 處完成驗(yàn)收，累計(jì)建成602 個(gè)智能化采掘工作面[15]，自動(dòng)化技術(shù)已成為采煤機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，并且初步形成了以智能感知、智能控制、智能通信為核心的智能化系統(tǒng)。

2 采煤機(jī)智能化發(fā)展歷程及趨勢(shì)

自20 世紀(jì)60 年代起，全球范圍內(nèi)陸續(xù)進(jìn)行了多項(xiàng)長(zhǎng)壁自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)嘗試。其中許多探索受到當(dāng)時(shí)技術(shù)限制的影響，大多傳感方法無(wú)法可靠地測(cè)量和獲取參數(shù)，未能完全實(shí)現(xiàn)其整體目標(biāo)，但總體來(lái)說(shuō)，這些嘗試對(duì)采礦技術(shù)的自動(dòng)化產(chǎn)生了積極影響，并為后續(xù)采煤機(jī)智能化技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。按照歷史進(jìn)程來(lái)說(shuō)， 英國(guó)遠(yuǎn)程操作長(zhǎng)壁工作面（Remotely Operated Longwall Face，ROLF）計(jì)劃、采煤工作面自動(dòng)化系統(tǒng)（Mine Operating System，MINOS）、美國(guó)航空航天局（NASA）長(zhǎng)壁自動(dòng)化合作項(xiàng)目、澳大利亞煤炭工業(yè)研究計(jì)劃（Australian Coal Industry’sResearch Program，ACARP） 、澳大利亞CSIRO 項(xiàng)目、歐盟長(zhǎng)壁鉆井設(shè)備新型機(jī)械化與自動(dòng)化（NewMechanisation and Automation of Longwall and DrivageEquipment，NEMAEQ）等6 項(xiàng)科研項(xiàng)目在采煤機(jī)智能化發(fā)展中扮演了重要角色。

2.1 英國(guó)ROLF 計(jì)劃

起初，西方國(guó)家推動(dòng)采煤機(jī)自動(dòng)化的動(dòng)力并非出于煤礦工人安全或生產(chǎn)效率的考量，而是源于煤炭行業(yè)工人薪資結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。1950 年左右，隨著多種采煤機(jī)械的引入和發(fā)展，煤炭行業(yè)正經(jīng)歷著快速的機(jī)械化進(jìn)程，這導(dǎo)致礦工之間任務(wù)分配公平性和薪酬水平存在顯著差異。為解決這一問(wèn)題，英國(guó)政府、工會(huì)及國(guó)家煤炭委員會(huì)于1955 年達(dá)成了一項(xiàng)基于ROLF 的協(xié)議，產(chǎn)生了“無(wú)人長(zhǎng)壁工作面”的概念，并進(jìn)行了許多開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，首次實(shí)現(xiàn)了非視距狀態(tài)下的長(zhǎng)壁采煤機(jī)控制。1963 年英國(guó)貝弗科特斯煤礦的ROLF 系統(tǒng)采煤機(jī)控制臺(tái)如圖4 所示。由于缺乏合適的傳感器、計(jì)算及遠(yuǎn)程控制技術(shù)，ROLF 并未達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)所需的成熟度和可靠性，實(shí)質(zhì)上的采煤機(jī)開(kāi)環(huán)控制亦使其生產(chǎn)能力難以穩(wěn)定，最終導(dǎo)致ROLF 系統(tǒng)退出實(shí)際應(yīng)用，此階段的采煤機(jī)在有限的技術(shù)條件下朝著減輕煤礦工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率的方向發(fā)展，其自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制已初具雛形。

2.2 煤礦工作面自動(dòng)化系統(tǒng)MINOS

在ROLF 計(jì)劃實(shí)施后，英國(guó)國(guó)家煤炭局繼續(xù)進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化采煤，于20 世紀(jì)70 年代初期提出了MINOS 設(shè)計(jì)方案和實(shí)施推進(jìn)的框架。該方案中采用了分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，除采煤機(jī)外，還包含液壓支架和采區(qū)及地面監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)[8]，將所有采礦作業(yè)如生產(chǎn)、運(yùn)輸、環(huán)境和輔助設(shè)備等均納入單一的模塊化配置中，目標(biāo)是降低采煤系統(tǒng)維護(hù)成本，提高生產(chǎn)質(zhì)量，改善監(jiān)控和信息顯示，消除人為失誤，并提高人員安全水平[16]。MINOS 與ROLF 同樣受限于時(shí)代條件，缺乏閉環(huán)控制采礦流程所需的關(guān)鍵傳感裝置及數(shù)字處理能力，最終于20 世紀(jì)80 年代被淘汰，此階段采煤機(jī)設(shè)計(jì)制造所包含的分布式、協(xié)作型、數(shù)字化的概念已與現(xiàn)今常見(jiàn)的煤礦建設(shè)數(shù)字化云服務(wù)理念非常相似，并向數(shù)字化、信息化、一體化的方向進(jìn)行發(fā)展。

2.3 美國(guó)NASA 長(zhǎng)壁自動(dòng)化合作項(xiàng)目

1975—1982 年，NASA 受美國(guó)能源部委托，開(kāi)始研究長(zhǎng)壁采礦過(guò)程的自動(dòng)化。基于太空計(jì)劃開(kāi)發(fā)的方法，NASA 探索并制定了幾種技術(shù)方案，于1982 年形成了一篇技術(shù)報(bào)告，提出了長(zhǎng)壁自動(dòng)化開(kāi)采的6 個(gè)優(yōu)先發(fā)展事項(xiàng)：① 使工人遠(yuǎn)離環(huán)境中的粉塵和甲烷危害。② 保持工作面對(duì)齊以提高生產(chǎn)率，并減少設(shè)備壓力。③ 安裝診斷及故障隔離，以便更好地維護(hù)設(shè)備。④ 簡(jiǎn)化重型裝備在工作面間的移動(dòng)。⑤ 開(kāi)發(fā)煤巖界面探測(cè)技術(shù)。⑥ 研究遠(yuǎn)程煤層測(cè)繪技術(shù)[17]。

在20 世紀(jì)80 年代，NASA 的長(zhǎng)壁開(kāi)采自動(dòng)化研究中列出的優(yōu)先事項(xiàng)已涵蓋現(xiàn)今煤礦自動(dòng)化、無(wú)人化、智能化建設(shè)的需求，但由于欠缺相應(yīng)的技術(shù)手段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)，此時(shí)的采煤機(jī)發(fā)展朝著更高等級(jí)的信息化、自動(dòng)化方向發(fā)展。除此之外，值得一提的是，NASA 的研究方向雖然異常先進(jìn)，卻非常受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的局限，例如在其結(jié)論中否定了利用慣性導(dǎo)航進(jìn)行采煤機(jī)精確位置控制的方案，然而，在后續(xù)CSIRO 采礦自動(dòng)化的研究中，使用高性能慣性制導(dǎo)技術(shù)的軍用設(shè)備卻實(shí)現(xiàn)了精確位姿控制目標(biāo)。由此可見(jiàn)，持續(xù)的技術(shù)發(fā)展及其在煤炭智能化開(kāi)采建設(shè)中的應(yīng)用非常必要。

2.4 澳大利亞ACARP

自1992 年提出以來(lái)，ACARP 一直是澳大利亞煤炭開(kāi)采業(yè)的重要科研協(xié)作計(jì)劃。ACARP 通過(guò)產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，利用行業(yè)技術(shù)能力和科學(xué)研究，幫助煤炭生產(chǎn)商進(jìn)行技術(shù)和工藝創(chuàng)新，大幅提高運(yùn)營(yíng)效率和安全性，人均原煤年產(chǎn)量從0.73 萬(wàn)t/（人·a）提高到1.95 萬(wàn)t/（人·a） ，年均增長(zhǎng)10.32%。ACARP 的知名技術(shù)包括LASC 和Exscan 等。LASC 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)校準(zhǔn)調(diào)直、采煤機(jī)自動(dòng)定位，70% 的澳大利亞長(zhǎng)壁工作面采用了該技術(shù)[18]。LASC 是ACARP的核心項(xiàng)目之一，其他研究如激光測(cè)距、熱紅外成像、毫米波雷達(dá)、防碰撞技術(shù)等也逐步應(yīng)用于采煤機(jī)智能控制。得益于技術(shù)手段的提高，此時(shí)采煤機(jī)自動(dòng)化、信息化、智能化程度不斷提高，正逐步實(shí)現(xiàn)早期NASA 所提出的使工人遠(yuǎn)離危險(xiǎn)環(huán)境的無(wú)人化目標(biāo)。

2.5 澳大利亞CSIRO 項(xiàng)目

1994 年，主要由美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)及南非等國(guó)家政府研究機(jī)構(gòu)參與的澳大利亞CSIRO 開(kāi)展了關(guān)于自動(dòng)化和長(zhǎng)壁采礦設(shè)備控制的全球技術(shù)研究，雖然此項(xiàng)目在當(dāng)時(shí)并未取得太多實(shí)用性成果，但其后續(xù)在ACARP 計(jì)劃資金的支持下，使用傳統(tǒng)高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)處理算法實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)位置3D 測(cè)量，首次完成了煤炭開(kāi)采行業(yè)低風(fēng)險(xiǎn)的長(zhǎng)壁自動(dòng)化遠(yuǎn)程采礦可行性展示[19]。慣性導(dǎo)航傳感裝置的優(yōu)勢(shì)在于不需要搭建外部基礎(chǔ)設(shè)施，能夠適應(yīng)惡劣的采礦環(huán)境，在沒(méi)有基站信號(hào)指引的情況下自行判別方向。此后CSIRO 又收購(gòu)了成立于2001 年的澳大利亞煤炭協(xié)會(huì)子機(jī)構(gòu)LASC，在不斷的深入研究后，于2013 年成功開(kāi)發(fā)了用于工作面對(duì)齊、采煤機(jī)水平控制、刮板運(yùn)輸機(jī)蠕變控制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

慣性導(dǎo)航裝置水平及垂直控制準(zhǔn)確率如圖5 所示?？煽闯鰺o(wú)人操控的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)具有較高精度，與人工收集的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)相差較小，但仍然存在部分誤差。

2.6 歐盟NEMAEQ

NEMAEQ 是歐盟委員會(huì)煤炭與鋼鐵研究基金支持的創(chuàng)新項(xiàng)目，周期為2006—2009 年，參與者包括德國(guó)、波蘭和西班牙等歐盟國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)。NEMAEQ利用熱成像紅外攝像機(jī)和截割機(jī)械的振動(dòng)特性，通過(guò)數(shù)據(jù)分析技術(shù)識(shí)別煤巖邊界，顯示出高度準(zhǔn)確性。采用可靠的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和多種無(wú)線傳感器，對(duì)設(shè)備振動(dòng)、溫度、油液泄漏及機(jī)械磨損進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[20]，并提出自動(dòng)化截割規(guī)劃方案。盡管取得了一些成果，但在設(shè)備可靠性、全流程自動(dòng)化、自主運(yùn)行和智能網(wǎng)絡(luò)傳感等方面仍有不足，距離完全自動(dòng)化及智能化仍有較大差距。

2.7 工作面煤機(jī)設(shè)備自動(dòng)化發(fā)展概況

以美國(guó)長(zhǎng)壁工作面自動(dòng)化為例，其發(fā)展過(guò)程概況見(jiàn)表1。采煤機(jī)相關(guān)方面的研究自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)經(jīng)歷了約10 a 的瓶頸期，原因包括自動(dòng)化系統(tǒng)只適用于理想環(huán)境，傳感技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下精度和可靠性不足，無(wú)法應(yīng)對(duì)采礦過(guò)程中的突發(fā)事件如頂板冒落等，反而降低整體產(chǎn)量。隨著各國(guó)研究組織的投入和傳感器技術(shù)的發(fā)展，工作面煤機(jī)設(shè)備的可靠性和安全性不斷提高，傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)環(huán)境及采礦條件下的實(shí)時(shí)測(cè)量，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)姿態(tài)及位置的實(shí)時(shí)控制，預(yù)防性設(shè)備維護(hù)得以實(shí)現(xiàn)。單臺(tái)設(shè)備可靠性達(dá)到98.5% 以上，全礦系統(tǒng)可靠性超過(guò)80%[16]。

在自動(dòng)化采礦技術(shù)研究起步較早的西方，從初期英國(guó)的ROLF 到歐盟NEMAEQ，其共同趨勢(shì)在于利用不斷發(fā)展的監(jiān)測(cè)傳感及遠(yuǎn)程控制技術(shù)代替人工干預(yù)及操作，不斷提高工作面設(shè)備的生產(chǎn)效率及可靠性，朝信息化、一體化、無(wú)人化、智能化方向發(fā)展。

3 采煤機(jī)智能化關(guān)鍵技術(shù)

采煤機(jī)作為煤炭開(kāi)采的核心裝備，其智能化研究探索和工業(yè)實(shí)踐主要圍繞自身行走機(jī)構(gòu)和截割機(jī)構(gòu)2 個(gè)執(zhí)行部分的智能控制展開(kāi)。采煤機(jī)的牽引方式主要分為2 種：一種是內(nèi)牽引方式，即在采煤機(jī)本體上安裝行走機(jī)構(gòu)；另一種是外牽引方式，行走機(jī)構(gòu)安裝在工作面的兩端，行走機(jī)構(gòu)的智能控制決定了采煤機(jī)的位置、行走方向和速度，從而對(duì)采煤機(jī)截割工藝的實(shí)施產(chǎn)生影響。采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)是通過(guò)機(jī)械動(dòng)力削割煤層的關(guān)鍵部件，其能耗約占整個(gè)采煤機(jī)裝機(jī)功率的80%，且故障率也占采煤機(jī)總故障率的一半以上[21]。截割機(jī)構(gòu)對(duì)切割路徑和采煤高度、截割功率的控制直接影響采煤機(jī)的機(jī)身姿態(tài)、穩(wěn)定性和開(kāi)采質(zhì)量。因此采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)和截割機(jī)構(gòu)的智能控制是其智能化發(fā)展的核心。

3.1 智能感知技術(shù)

采煤機(jī)的智能感知技術(shù)可主要分為位姿感知、內(nèi)部狀態(tài)感知、外部環(huán)境感知和直線度感知等。

1） 位姿感知技術(shù)。采煤機(jī)位姿感知信息主要包含截割機(jī)構(gòu)滾筒截割高度、煤機(jī)位置和速度方向、機(jī)身姿態(tài)（指分別沿工作面前進(jìn)方向和沿采煤機(jī)行進(jìn)方向的傾角）等[22]。位姿感知獲取的相關(guān)信息是采煤機(jī)截割作業(yè)割煤工序設(shè)置及參數(shù)設(shè)定的重要決定因素，例如：采煤機(jī)的航向角決定了截割工序中斜切進(jìn)刀的深度，俯仰角則關(guān)系到搖臂高度。以上海煤科采煤機(jī)為例，通過(guò)在采煤機(jī)機(jī)身安裝的搖臂角度傳感器獲取截割高度，通過(guò)二維傾斜傳感器獲取機(jī)身傾角，通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器獲取位置及牽引速度，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位姿感知[23]，如圖6 所示。

2） 內(nèi)部環(huán)境感知。采煤機(jī)內(nèi)部環(huán)境感知是指對(duì)采煤機(jī)自身各零部件和功能結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立在機(jī)身內(nèi)部各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上。例如：電控箱內(nèi)部的氣體狀態(tài)信息、機(jī)身冷卻管道中的冷卻水路溫度及水位信息、搖臂潤(rùn)滑油狀態(tài)信息、油路管道中液壓系統(tǒng)壓力、采煤機(jī)電壓/電流傳感器信息等[24]。此外，采煤機(jī)機(jī)身的振動(dòng)及噪聲傳感器在線分析等也屬于內(nèi)部環(huán)境感知，對(duì)于采煤機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)和診斷有重要意義。通過(guò)以上信息的收集和綜合分析，對(duì)采煤機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)判斷，對(duì)于降低故障率、提高采煤機(jī)工作穩(wěn)定性和生命周期管理有重要作用。

3） 外部環(huán)境感知。采煤機(jī)外部環(huán)境感知信息包括采煤機(jī)工作區(qū)域的瓦斯?jié)舛?、粉塵狀況及通風(fēng)情況等，主要通過(guò)安裝在機(jī)身上的環(huán)境傳感裝置完成采煤機(jī)運(yùn)行環(huán)境相關(guān)信息的收集。采煤機(jī)通過(guò)收集到的外部環(huán)境信息自主判斷所處生產(chǎn)環(huán)境是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)性停機(jī)，保證采煤機(jī)設(shè)備和工作面的安全[25]。

采煤機(jī)外部環(huán)境感知技術(shù)包括視頻監(jiān)控、熱紅外成像和多維立體視覺(jué)測(cè)量等。這些技術(shù)通過(guò)機(jī)載視頻和圖像信息獲取，能夠準(zhǔn)確測(cè)量滾筒、支架和頂板之間的相對(duì)位置，為滾筒的智能防碰撞提供決策依據(jù)，同時(shí)有效減少采煤機(jī)與支架之間的碰撞故障，縮小采煤機(jī)與支護(hù)間的空頂距離，并提高支架跟機(jī)速度，進(jìn)而提升生產(chǎn)效率。此外，基于雷達(dá)信息與射頻識(shí)別的人員臨近識(shí)別系統(tǒng)確保了井下人員的工作安全，通過(guò)建立安全區(qū)域，避免了自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中可能發(fā)生的人員安全隱患[26]。在澳大利亞ACARP項(xiàng)目C24034 的接近檢測(cè)設(shè)備互操作性研究中，提出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)放式架構(gòu)協(xié)議，為礦場(chǎng)設(shè)備間的通信建立了通用協(xié)議框架。LASC 項(xiàng)目組提出的設(shè)備間防碰撞互操作協(xié)議架構(gòu)如圖7 所示，該框架利用射頻標(biāo)簽、高清監(jiān)視器和雷達(dá)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)接近檢測(cè)和碰撞警告，包含附近物體檢測(cè)、防碰撞決策、防碰撞控制3 個(gè)部分。

此外，煤巖識(shí)別也屬于采煤機(jī)外部環(huán)境感知技術(shù)。煤巖識(shí)別對(duì)于采煤機(jī)智能控制中的自動(dòng)調(diào)高有重要意義，無(wú)差別的直接截割煤矸會(huì)對(duì)采煤機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p害，并影響出煤質(zhì)量[27]。煤巖識(shí)別較早的自動(dòng)化工程應(yīng)用可以追溯到1978 年美國(guó)內(nèi)政部礦業(yè)局與NASA 合作的自動(dòng)化長(zhǎng)壁采煤機(jī)項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用沖擊波在煤巖2 種材質(zhì)中不同傳播速率特性研發(fā)了煤巖識(shí)別裝置，如圖8 所示。目前煤巖識(shí)別探測(cè)方法主要包含雷達(dá)，γ 射線，紅外探測(cè)，采煤機(jī)滾筒振動(dòng)參數(shù)、負(fù)載電流等多參數(shù)綜合感知等，但在實(shí)際應(yīng)用中，受測(cè)試環(huán)境和測(cè)量方式的影響，上述方法效果均不理想。因此煤巖識(shí)別方向的外部環(huán)境感知將作為長(zhǎng)期科研重點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)[28]。

4） 工作面直線度感知。直線度是采煤機(jī)在綜采工作面行走軌跡平直度的體現(xiàn)。在工作面采掘作業(yè)中，液壓支護(hù)系統(tǒng)持續(xù)地推動(dòng)刮板輸送機(jī)移動(dòng)，由于地質(zhì)條件的不同及液壓支架間的間隙，導(dǎo)致在相同推移操作下各個(gè)支架實(shí)際發(fā)生的推移距離有所差異，從而影響采煤機(jī)行進(jìn)的平直度，若不進(jìn)行糾直操作，則長(zhǎng)時(shí)間的彎曲容易導(dǎo)致刮板鏈條斷裂，并且液壓支護(hù)不到位會(huì)產(chǎn)生工作面安全隱患[29]。

目前采煤機(jī)直線度感知主要利用慣性導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)測(cè)量采煤機(jī)的角速度、加速度，得到采煤機(jī)在坐標(biāo)系中的位置和偏航角，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到采煤機(jī)在工作面的準(zhǔn)確運(yùn)行軌跡，并最終實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)調(diào)直功能[30]。另外，在綜采工作面中，采煤機(jī)通常以刮板輸送機(jī)為運(yùn)行軌道，因此采煤機(jī)的直線度感知也是對(duì)刮板輸送機(jī)的直線度感知。

3.2 智能控制技術(shù)

采煤機(jī)的智能控制技術(shù)包括電氣控制系統(tǒng)及面向工作面的智能控制擴(kuò)展系統(tǒng)。采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要包括設(shè)備的基本控制功能，如載荷（電流）、壓力、溫度、流量等的閾值監(jiān)測(cè)及相應(yīng)的保護(hù)控制邏輯等，執(zhí)行機(jī)構(gòu)各組件的接口和控制邏輯，操作人員的人際交互、遙控器和操作按鈕等。面向工作面的智能控制擴(kuò)展系統(tǒng)則主要包含基于智能感知技術(shù)的采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高、牽引機(jī)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)速、工作面聯(lián)動(dòng)控制（例如工作面瓦斯綜合調(diào)控和煤流負(fù)載均衡控制等）。

1） 電氣控制系統(tǒng)。采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)是智能控制的基礎(chǔ)，作為采煤機(jī)的大腦，是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能化的核心。相比于傳統(tǒng)的PLC 控制系統(tǒng)，天地科技股份有限公司上海分公司的分布式電氣控制系統(tǒng)有更好的擴(kuò)展性、穩(wěn)定性及運(yùn)算能力，其基于CAN 總線及分布式工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)的第二代DSP 電控系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行10 余年，累計(jì)裝機(jī)數(shù)量超過(guò)600 臺(tái)，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐應(yīng)用證明了其在控制性能、穩(wěn)定性和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)[14]。

基于CAN 總線及工業(yè)以太網(wǎng)的分布式電氣控制系統(tǒng)如圖9 所示。各個(gè)功能模塊通過(guò)CAN 總線或單對(duì)線以太網(wǎng)（Single Pair Ethernet，SPE）互聯(lián)，使采煤機(jī)在通信策略的交互上更有優(yōu)勢(shì)。CAN 總線協(xié)議規(guī)范帶來(lái)的高可靠性、自動(dòng)屏蔽錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀、空閑總線搶占和高擴(kuò)展性，使該控制系統(tǒng)能夠快速精確定位失效模塊并進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，減少排障檢修時(shí)間，提高檢修效率；工業(yè)以太網(wǎng)的擴(kuò)展接口技術(shù)使該系統(tǒng)能夠便捷可靠地與外部智能設(shè)備進(jìn)行交互訪問(wèn)，傳遞多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，接收光信號(hào)和FSK 調(diào)制信號(hào)等，使數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定、靈活[31]。

2） 滾筒智能調(diào)高控制。采煤機(jī)滾筒智能調(diào)高系統(tǒng)已成為近年來(lái)煤機(jī)裝備領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，相較于人工手動(dòng)調(diào)高，根據(jù)采煤機(jī)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整截割參數(shù)的智能調(diào)高系統(tǒng)在生產(chǎn)安全性和效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)廣泛采用的記憶截割系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)滾筒智能調(diào)高的核心。該系統(tǒng)由傳感器裝置、數(shù)據(jù)采集模塊、自動(dòng)化截割算法軟件及控制執(zhí)行模塊等組成。操作流程開(kāi)始于人工示教和數(shù)據(jù)處理，隨后進(jìn)入自適應(yīng)調(diào)高階段，最后是人工修正。在示教階段，操作員通過(guò)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行1 次或2 次操作示范，使得采煤機(jī)能夠記錄并學(xué)習(xí)機(jī)身的位姿信息。在自動(dòng)截割模式下，系統(tǒng)將依據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)表或預(yù)先建立的模型為采煤機(jī)提供動(dòng)態(tài)的控制參數(shù)，確保截割過(guò)程的精確性和連貫性[32]。

上海煤科研發(fā)的智能記憶截割系統(tǒng)具備先進(jìn)的自動(dòng)化功能，能夠記憶并執(zhí)行多達(dá)31 個(gè)截割工藝段的截割任務(wù)，同時(shí)適用于各種復(fù)雜的綜采工作面端頭截割工藝，如圖10 所示。該系統(tǒng)不僅支持全流程的自動(dòng)化操作，還能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制下的記憶截割學(xué)習(xí)，極大地提高了采煤機(jī)智能化水平。在實(shí)際應(yīng)用中，自動(dòng)運(yùn)行的采煤機(jī)在長(zhǎng)達(dá)300 m 的綜采工作面上，能夠?qū)崿F(xiàn)不超過(guò)±5 cm 的行走位置控制精度，且滾筒截割高度的穩(wěn)態(tài)重復(fù)誤差控制在±4 cm 以內(nèi)，展現(xiàn)了系統(tǒng)的高精度和可靠性。

3） 自適應(yīng)調(diào)速控制。作為采煤機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，牽引系統(tǒng)的智能控制對(duì)采煤機(jī)的生產(chǎn)效率有直接影響，提高采煤機(jī)的截割功率、牽引速度和牽引力是提高整體生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。在煤炭開(kāi)采的實(shí)際過(guò)程中，由于地質(zhì)構(gòu)造的原因，軟硬煤層分布的隨機(jī)性和煤層自然成藏邊界的不規(guī)則，都對(duì)采煤機(jī)的截割阻力和牽引阻力造成了不同程度的影響[33]。傳統(tǒng)采煤過(guò)程中，依靠采煤機(jī)司機(jī)的工作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)觀察煤層變化對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行調(diào)速調(diào)高，具有很大的盲目性，難以實(shí)現(xiàn)高效率的割煤生產(chǎn)[34]。

在采煤機(jī)智能化發(fā)展過(guò)程中，通過(guò)傳感信號(hào)特征提取等方法，研究不同截割狀態(tài)下采煤機(jī)振動(dòng)、截割機(jī)構(gòu)聲源信息、滾筒截齒溫度場(chǎng)及電動(dòng)機(jī)電壓/電流等參數(shù)的變化，可為采煤機(jī)自適應(yīng)調(diào)速控制提供決策依據(jù)。目前基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)算法的智能調(diào)速控制策略已得到應(yīng)用，推動(dòng)了采煤機(jī)智能控制技術(shù)的發(fā)展。

4） 工作面聯(lián)動(dòng)控制。在綜采工作面生產(chǎn)過(guò)程中，采煤機(jī)控制除自身影響因素外，還受到生產(chǎn)環(huán)境及支護(hù)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的影響，需要依據(jù)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的情況進(jìn)行綜合調(diào)度，包含工作面瓦斯綜合調(diào)控、煤流平衡控制等，從而提高工作效率，降低生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)[35]。

在綜合機(jī)械化采煤工作面開(kāi)采過(guò)程中，采煤和放煤活動(dòng)是瓦斯生成的主要途徑。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的全面控制，關(guān)鍵在于對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行速度和液壓支架放煤動(dòng)作的精確控制。在高瓦斯礦井中，為了確保作業(yè)安全，通常將采煤機(jī)的牽引速度控制在3 m/min 以內(nèi)，這雖然有助于安全，但也顯著影響了開(kāi)采效率[36]。在當(dāng)前的智能開(kāi)采技術(shù)中，工作面的瓦斯?jié)舛韧ǔ?huì)設(shè)定一個(gè)報(bào)警閾值，且瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)傳輸?shù)讲擅簷C(jī)控制系統(tǒng)。根據(jù)預(yù)設(shè)的瓦斯?jié)舛乳撝担到y(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整采煤機(jī)的運(yùn)行速度，從而提高生產(chǎn)效率。

井下生產(chǎn)中采、掘、運(yùn)三機(jī)煤流負(fù)載需要綜合調(diào)度，任何一環(huán)的負(fù)荷超限均會(huì)對(duì)生產(chǎn)連續(xù)性和生產(chǎn)安全造成影響。因此，采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)中也需要實(shí)時(shí)采集并分析其他生產(chǎn)模塊的運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)合理的閾值對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行速度和截割功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，確保生產(chǎn)系統(tǒng)整體的效率[37]。

3.3 智能通信技術(shù)

煤礦井下綜采工作面設(shè)備種類(lèi)繁多，巷道內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，機(jī)械設(shè)備自身子系統(tǒng)和各設(shè)備與集控系統(tǒng)的信息交互、環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)整合等需求都對(duì)井下通信系統(tǒng)的傳輸帶寬、穩(wěn)定性、時(shí)延等性能提出了較高要求[38]。單獨(dú)針對(duì)采煤機(jī)的智能通信而言，可按照通信方式分為有線和無(wú)線2 種，如圖11所示。

在有線通信領(lǐng)域，采煤機(jī)與巷道之間通常采用FSK 作為載波通信的標(biāo)準(zhǔn)方式。這種通信方式通過(guò)采煤機(jī)供電主電纜內(nèi)的控制線實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用，確保了超過(guò)500 m 的穩(wěn)定傳輸距離，具有約10 ms 的傳輸延遲和小于1 ms 的延遲波動(dòng)。此外，還支持EIP，CAN，RS485 及工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP 等多種通信協(xié)議，實(shí)際應(yīng)用中也可通過(guò)采煤機(jī)集控箱供電電纜內(nèi)的刮板輸送機(jī)閉鎖線芯實(shí)現(xiàn)調(diào)制載波通信，在800 m 范圍內(nèi)最大帶寬傳輸能力可達(dá)10 Mbit/s。另外，由于采煤機(jī)通常采用具有礦用阻燃特性的金屬屏蔽線纜作為動(dòng)力電纜，其強(qiáng)抗干擾性能確保了通信的高穩(wěn)定性。采煤機(jī)通信信號(hào)到達(dá)工作面巷道后的對(duì)外通信一般使用巷道光纖進(jìn)行傳輸，光纖通信具有本質(zhì)安全、電氣絕緣性能良好、無(wú)電磁干擾、傳輸帶寬高的特性，穩(wěn)定傳輸距離可達(dá)25 km 以上。

無(wú)線通信方面， 采煤機(jī)可選用4G， 5G， WiFi，Mesh 等通信方式。根據(jù)4G 網(wǎng)絡(luò)特性，采煤機(jī)控制系統(tǒng)支持寬帶碼分多址（Wideband Code DivisionMultiple Access，W?CDMA）、時(shí)分同步碼分多址（TimeDivision-Synchronous Code Division Multiple Access，TD?SCDMA） 、時(shí)分雙工長(zhǎng)期演進(jìn)（Time DivisionDuplexing-Long Term Evolution， TDD?LTE） 、頻分雙工長(zhǎng)期演進(jìn)（Frequency Division Duplexing-Long TermEvolution，F(xiàn)DD?LTE）等多種調(diào)制方式，傳輸速率達(dá)300 Mbit/s。近年來(lái)5G 作為最新一代的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，具有低延時(shí)、高可靠性、支持高并發(fā)數(shù)量、大帶寬等技術(shù)特性，在井下多傳感器、復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用場(chǎng)景下，能夠與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)可靠的智能協(xié)同作業(yè)，對(duì)綜采煤工作面智能化發(fā)展起到了關(guān)鍵的促進(jìn)作用[39]。

4 采煤機(jī)智能化展望

采煤機(jī)對(duì)煤層的切割作業(yè)、信息感知和控制決策具有機(jī)器人的特征，廣泛采用的記憶截割技術(shù)同樣借鑒于機(jī)器人的“示教跟蹤”，可以算作特種環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人[40]。

4.1 基于煤巖識(shí)別的智能截割技術(shù)

盡管目前已有20 多種煤巖識(shí)別方法被提出，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境因素和技術(shù)特性的限制，這些方法的識(shí)別效果并不好，缺乏足夠的通用性和魯棒性，難以滿足智能截割的自適應(yīng)性需求。采煤機(jī)截割煤層的過(guò)程中，過(guò)截割會(huì)導(dǎo)致出煤質(zhì)量下降，損害滾筒截齒，甚至可能產(chǎn)生火花，引發(fā)瓦斯爆炸；欠截割則會(huì)造成采煤不全，資源浪費(fèi)，降低煤礦生產(chǎn)效率，增加礦井建設(shè)成本。目前激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy， LIBS） 技術(shù)因具有無(wú)需制樣及可原位、快速、多元素同時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，為以物質(zhì)成分為依據(jù)的新一代煤巖識(shí)別技術(shù)提供了理論支撐，具有一定應(yīng)用潛力[41]。

作為采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高的技術(shù)基礎(chǔ)，也是智能化采煤的核心技術(shù)之一，更加精確、高效、實(shí)時(shí)的煤巖識(shí)別方法是提高采煤機(jī)生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)采煤機(jī)使用壽命、提高煤礦生產(chǎn)安全和質(zhì)量的重要保障。

4.2 智能滾筒調(diào)速技術(shù)

采煤機(jī)滾筒調(diào)速是控制采煤機(jī)功耗、開(kāi)采效率和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素之一。在截割煤層時(shí)，塊煤率的高低與采煤機(jī)滾筒構(gòu)型（例如截齒數(shù)量與布局等）、牽引速度、煤質(zhì)條件及滾筒轉(zhuǎn)速均相關(guān)。在出煤量相同的情況下，高塊煤率不僅能夠提高煤炭?jī)r(jià)格，擴(kuò)大原煤的應(yīng)用范圍及使用價(jià)值，還可以降低采煤過(guò)程的截割比能耗及粉塵污染，提高經(jīng)濟(jì)效益，也符合當(dāng)前節(jié)能和綠色開(kāi)采的要求[42]。目前，受限于采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)，采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速在正常工作狀態(tài)下無(wú)法調(diào)速，現(xiàn)有的調(diào)速技術(shù)在實(shí)際開(kāi)采應(yīng)用中也存在障礙。除此之外，采煤機(jī)滾筒調(diào)速策略還需綜合考慮截割塊煤率、滾筒截割比能耗、采煤生產(chǎn)率等重要因素[43]，應(yīng)結(jié)合滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)截割運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使采煤機(jī)綜合截割性能最優(yōu)。

4.3 采煤機(jī)精確定位技術(shù)

精確定位技術(shù)是采煤機(jī)信息感知中“方位覺(jué)”智能仿生的技術(shù)難題，也是智能感知的重點(diǎn)。采煤機(jī)精確定位不僅能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)采煤，提高生產(chǎn)效率和安全，還能為工作面調(diào)直、糾偏等其他工藝提供重要信息。采煤機(jī)精確定位通常涉及到紅外傳感器、編碼器和慣性導(dǎo)航裝置。但是，這些裝置都有其內(nèi)在的問(wèn)題和缺陷，制約了采煤機(jī)位姿信息的準(zhǔn)確獲取[44]。目前廣泛使用的采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)主要依賴(lài)慣性導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行定位，慣性導(dǎo)航是一種效果較好的半智能化方法。采煤機(jī)進(jìn)行記憶割煤時(shí)，即使在頂?shù)装宓刭|(zhì)條件較好的煤礦，也面臨著定位精度不高、位姿信息與實(shí)際地質(zhì)狀態(tài)不匹配的問(wèn)題，導(dǎo)致連續(xù)多刀割煤后必須通過(guò)人工干預(yù)進(jìn)行校正，以消除累計(jì)誤差[45]。

4.4 基于三維地質(zhì)模型的采煤機(jī)規(guī)劃開(kāi)采技術(shù)

基于三維地質(zhì)模型的采煤機(jī)規(guī)劃開(kāi)采以煤層探測(cè)技術(shù)為核心，依據(jù)采掘工作面地質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維坐標(biāo)系統(tǒng)模型，基于地質(zhì)模型分析獲得煤層確切分布及特點(diǎn)，制定待采煤層頂?shù)装遘壽E、采煤機(jī)調(diào)高/調(diào)速控制策略，結(jié)合精確定位等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)沿頂?shù)装遘壽E參數(shù)規(guī)劃和割煤控制[46]。

規(guī)劃開(kāi)采的實(shí)施，除了依靠定向鉆孔雷達(dá)探測(cè)和槽波地震勘探等方法獲取煤層及地質(zhì)的精細(xì)化信息外，還依賴(lài)于煤機(jī)裝備數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用。利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字化模型，并通過(guò)虛實(shí)交互、數(shù)據(jù)分析融合、決策優(yōu)化迭代等手段提升開(kāi)采的智能化水平[47]，將能夠最大限度地優(yōu)化開(kāi)采效率，提高生產(chǎn)質(zhì)量和安全。

5 采煤機(jī)智能化發(fā)展中的人機(jī)關(guān)系

采煤機(jī)智能化發(fā)展中的人機(jī)關(guān)系不斷變化，操作工人是最大的受益者，最終目的是提高人員安全。在西方國(guó)家的探索中，以人為本的理念逐漸滲透， NASA 提出了遠(yuǎn)離危險(xiǎn)環(huán)境的目標(biāo)， ACARP 和NEMAEQ 項(xiàng)目也體現(xiàn)了人機(jī)協(xié)同的觀念。我國(guó)采煤機(jī)智能化水平雖然不斷提高，但仍需人工干預(yù)。復(fù)雜的地質(zhì)條件限制了智能設(shè)備的使用，現(xiàn)有的探測(cè)和傳感技術(shù)也無(wú)法完全規(guī)避突發(fā)事件，機(jī)械維修和故障排除仍依賴(lài)人工操作。2018 年美國(guó)國(guó)家煤炭委員會(huì)會(huì)議提到，遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化開(kāi)采工作面仍需8 名工人， 而我國(guó)智能化開(kāi)采工作面人員配置在14 人左右，包含巡查工、驗(yàn)收員等。未來(lái)高端采煤機(jī)的發(fā)展將更加重視用戶體驗(yàn)和技術(shù)發(fā)展中的人機(jī)關(guān)系。

5.1 采煤機(jī)降塵技術(shù)

在綜采工作面中，采煤機(jī)截割煤層的操作是產(chǎn)生粉塵的主要源頭。特別地，在井下逆風(fēng)條件下截割頂煤時(shí)，采煤機(jī)司機(jī)所在位置的原始呼吸性粉塵質(zhì)量濃度可能高達(dá)1 000 mg/m3，危害極為嚴(yán)重。采煤機(jī)的智能化遠(yuǎn)程控制雖然避免了采煤機(jī)司機(jī)受到粉塵污染的直接侵害，但是大量粉塵擴(kuò)散依然對(duì)支護(hù)及運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備有嚴(yán)重?fù)p害，此外，煤塵濃度過(guò)高也是井下火災(zāi)和爆炸事故的主要根源。

目前主流的工作面割煤粉塵治理主要方法有機(jī)載電動(dòng)/液動(dòng)除塵器、機(jī)載干式除塵器、機(jī)載噴霧引射除塵等。2014 年美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全與衛(wèi)生研究所專(zhuān)門(mén)展開(kāi)了對(duì)連采作業(yè)粉塵控制的研究，對(duì)降塵噴頭噴射流量、噴射壓強(qiáng)、除塵潤(rùn)濕劑成分、濕頭噴涂、抑塵噴霧位置（圖12）等進(jìn)行了多方面的研究，為采煤機(jī)后續(xù)抑塵、除塵技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了豐富的數(shù)據(jù)支持和建議[48]。

5.2 采煤機(jī)降噪技術(shù)

在采煤作業(yè)中，噪聲是一個(gè)普遍存在且嚴(yán)重影響工作環(huán)境和操作人員健康的嚴(yán)重問(wèn)題。由于采煤機(jī)噪聲的存在，操作人員長(zhǎng)時(shí)間處于高噪聲環(huán)境下工作，易引發(fā)聽(tīng)力損傷、耳鳴、頭痛等健康問(wèn)題，甚至影響工作效率和安全。因此，降低采煤機(jī)噪聲對(duì)于改善工作環(huán)境質(zhì)量、保護(hù)操作人員健康至關(guān)重要。2004?2008 年美國(guó)勞工部礦山安全與健康管理局報(bào)告的病例中，聽(tīng)力損失占整體病例的23%，而我國(guó)在大型煤機(jī)設(shè)備噪聲控制方面的研究和報(bào)告還相對(duì)較少。因此，采煤機(jī)噪聲控制亟待加強(qiáng)。

采煤機(jī)噪聲主要來(lái)自于機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，截割機(jī)構(gòu)、輸送裝置、液壓搖臂等部件運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)和空氣流動(dòng)均會(huì)引起噪聲。但噪聲聲源的準(zhǔn)確定位存在一定難度，例如噪聲聲源可能位于機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，從多個(gè)位置發(fā)出，此外由于機(jī)械尺寸、結(jié)構(gòu)和工作特性的原因，在消聲室中測(cè)試并定位聲源也會(huì)存在困難[49]。

ACARP 大型機(jī)械噪聲控制項(xiàng)目的測(cè)試及優(yōu)化過(guò)程如圖13 所示。通過(guò)仿真建模及數(shù)據(jù)導(dǎo)入，在測(cè)試軟件中優(yōu)化滾筒設(shè)計(jì)，進(jìn)行采煤機(jī)噪聲抑制測(cè)試，通過(guò)在每個(gè)截齒基座添加角撐板、增厚滾筒葉片板、為滾筒環(huán)添加肋骨的方式，在高頻狀態(tài)下有效抑制了截割滾筒的噪聲產(chǎn)生。

6 結(jié)語(yǔ)

介紹了國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)智能化發(fā)展的現(xiàn)狀，以艾柯夫、久益、上海煤科為主梳理了智能化技術(shù)的成果。分析了采煤機(jī)智能化關(guān)鍵技術(shù)，提出以智能感知、智能控制和智能通信等內(nèi)容作為采煤機(jī)智能化核心。我國(guó)在采煤機(jī)智能化應(yīng)用中雖然已經(jīng)取得了一定突破，提高了煤炭行業(yè)的生產(chǎn)效率和煤礦工人安全，但仍處在智能化發(fā)展的初級(jí)階段，在煤巖識(shí)別、精確定位、規(guī)劃開(kāi)采等技術(shù)上仍有待提升。隨著煤炭資源的開(kāi)采，今后將面臨超大采高、薄及超薄煤層等各類(lèi)難采煤層及復(fù)雜地質(zhì)條件，只有不斷提升采煤機(jī)智能化水平，才能應(yīng)對(duì)更好地應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，為智能化采煤機(jī)器人研究奠定基礎(chǔ)，真正意義上實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、智能化采礦。

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