淺談智能化技術(shù)在掘進機中的應用及發(fā)展趨勢

湯現(xiàn)寶

（江蘇省礦業(yè)工程集團公司，江蘇 徐州 221002）

我國煤炭開采工作大多在井下進行，露天開采相對較少。通過提高井下作業(yè)效率，能夠增加煤炭開采總體產(chǎn)量，這不僅是煤炭企業(yè)提高自身核心競爭力的有效措施，也是煤炭市場未來發(fā)展的必然需求。然而，由于我國煤炭資源所處條件復雜多樣，導致井下作業(yè)在質(zhì)量和效率方面均受到一定影響。在這一現(xiàn)實情況下，想要提高煤炭開采效率，就要充分利用現(xiàn)代化技術(shù)優(yōu)化和改進掘進設(shè)備[1]。尤其近年來，科學技術(shù)更新?lián)Q代速度越來越快，已經(jīng)有大量技術(shù)應用到煤礦開采設(shè)備中，促進掘進設(shè)備向智能化、無人化趨勢發(fā)展，這些設(shè)備不僅減輕了勞動強度，還有效提高了煤礦開采效率和產(chǎn)量。然而，煤礦企業(yè)不能只滿足于現(xiàn)狀，還要進一步提高掘進設(shè)備研發(fā)積極性和熱情。以下本文將對智能化技術(shù)在掘進機中的應用進行分析，并對其未來發(fā)展做出初步展望，旨在為提高煤礦企業(yè)工作效率和經(jīng)濟效益提供保障。

1 智能化掘進機技術(shù)構(gòu)架

掘進機是煤礦開采作業(yè)中必不可缺的設(shè)備之一，在作業(yè)過程中涉及到前行、糾偏、掃底、定位、收煤等多個環(huán)節(jié)。將智能化技術(shù)應用到掘進機中，主要目的在于提高掘進機運行過程中的感知能力和適應能力，使其在作業(yè)過程中能夠保持精準度[2]。其技術(shù)構(gòu)架包括三個方面，分別為掘進機位姿檢測和糾偏技術(shù)、斷面自動成形與自適應截割技術(shù)、安全運行保障技術(shù)。智能感知和自適應作業(yè)是智能化掘進機的兩大優(yōu)勢，其中智能感知又可以分為位置姿勢感知、狀態(tài)感知以及成形感知。自適應分為自適應截割、自適應診斷以及自適應糾偏。

位姿感知作為智能化掘進機中的關(guān)鍵內(nèi)容，不僅能夠感知機體位姿全參數(shù)，還能夠在機體運動過程中結(jié)合位姿規(guī)律進行糾偏。具體來說，在掘進機位姿全參數(shù)感知過程中，主要是利用組合定位計算方式，算出機體位姿誤差和測量誤差，并結(jié)合標準值進行調(diào)整和補償，從而準確感知掘進機位姿參數(shù)。在掘進機運行過程感知方面，則是通過建立模型，對掘進機擺臂、荷載以及巷道實際情況進行分析，從而對掘進機位姿進行糾偏和控制。

成形感知是智能化掘進機中的核心部分，能夠分析和修正巷道截面成形存在的誤差，跟蹤控制截割頭軌跡以及自適應截割。具體來說，在分析和修正巷道截面成形誤差方面，主要利用智能化測距技術(shù)和側(cè)角技術(shù)，對巷道截面特征點位置進行定位，構(gòu)建巷道截面真實模型和標準模型，從而對巷道截面進行科學檢測。從自適應截割方面進行分析，主要是通過構(gòu)建模型，結(jié)合實際情況制定相應的控制策略，并調(diào)整截割運動數(shù)據(jù)[3]。從跟蹤控制截割頭軌跡方面進行分析，主要是通過識別煤巖，確定軟煤巖和硬煤巖，并確定煤巖切割路徑，調(diào)整掘進機運行軌跡和控制策略，保證巷道截面自動成形。

狀態(tài)感知在智能化掘進機中發(fā)揮的作用是保證設(shè)備安全運行。通過狀態(tài)感知能夠?qū)崟r檢測掘進機運行狀態(tài)，同時全過程檢測和診斷掘進機故障情況。具體來說，是通過收集信息建立模型，實現(xiàn)掘進機各系統(tǒng)監(jiān)測目標，為保證掘進機穩(wěn)定運行奠定良好基礎(chǔ)。

2 智能化技術(shù)在掘進機中的具體應用

當前，我國已經(jīng)研發(fā)出效率高、智能化、全遙控的掘進機設(shè)備，結(jié)合其實際應用效果來看，不僅有效改善了傳統(tǒng)掘進作業(yè)的方式和方法，還提高了掘進作業(yè)質(zhì)量和效率。結(jié)合智能化掘進機構(gòu)造情況來看，具有強度高、配置好、緊湊性強等多種優(yōu)勢。并且實現(xiàn)了無人化操作需求，工作人員只需在30m 范圍內(nèi)進行遙控即可[4]。與此同時，該智能化掘進機還具備較強的自動化檢測系統(tǒng)，能夠?qū)蜻M機運行狀態(tài)和故障情況進行及時檢測。具體可以從以下幾個方面進行分析。

2.1 智能化控制技術(shù)在掘進機中的應用

智能化控制技術(shù)應用到掘進機中，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，掘進機遙控操作系統(tǒng)，該技術(shù)的使用實現(xiàn)了掘進機遠程操控需求，工作人員在30m 范圍內(nèi)能夠有序展開相關(guān)作業(yè)。并且該遙控系統(tǒng)具有抗干擾、信號強、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)操作方式而言，不僅能夠拓展操作視野，還能夠提高操作靈活性，并且掘進機在運行過程中可以適當調(diào)整速度。

第二，掘進機數(shù)控截割系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠真實記錄掘進機動作過程中的油缸行程，并收集截割壁運動過程中產(chǎn)生的所有參數(shù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)和信息傳送到工控機后，能夠自動形成截割軌跡圖，有利于工作人員通過顯示器了解掘進機工作狀況，并結(jié)合實際情況控制和管理截割作業(yè)。

第三，掘進機人機交互系統(tǒng)。在掘進機中應用智能化技術(shù)，需要配備相應的硬件設(shè)施，包括工控機、顯示器等。通過硬件設(shè)施，能夠?qū)崟r掌握掘進機運行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)。同時，將數(shù)據(jù)庫技術(shù)融合使用，還能夠?qū)⒕蜻M機運行中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)和參數(shù)進行儲存，有利于為數(shù)據(jù)查詢提供保障。當掘進設(shè)備發(fā)生故障時，工作人員只需查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，即可判斷故障類型、故障位置以及故障范圍，有利于及時采取針對性措施解決故障，有效降低掘進機維修時間，提高其工作效率。

第四，掘進機紅外線安全檢測系統(tǒng)。將紅外線技術(shù)應用到掘進機中，能夠在一定范圍內(nèi)檢測到人體，使掘進機在運行過程中，始終與工作人員保持安全距離。也就是掘進機在作業(yè)狀態(tài)下，如果有工作人員靠近，會及時發(fā)出聲音信號或光源信號，并自動停止作業(yè)，避免掘進機與工作人員碰撞引發(fā)安全事故，從而為工作人員人身安全提供保障[5]。

第五，掘進機安全運行保障系統(tǒng)。掘進機安全運行保障系統(tǒng)包括兩個方面，分別為遠程監(jiān)測和故障診斷。從遠程檢測系統(tǒng)方面進行分析，智能化掘進機系統(tǒng)實現(xiàn)了掘進機定向、定位、頂形的可視化控制目標，工作人員能夠通過顯示器實時監(jiān)測掘進機運行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，并且該系統(tǒng)具備自動報警功能，能夠在出現(xiàn)異常情況時發(fā)出報警信號。而這系統(tǒng)故障診斷方面，也融合了神經(jīng)網(wǎng)絡分析法、故障樹法等多種針對方式，能夠通過多元化故障診斷方法對掘進機單一部件故障進行科學診斷，有利于能夠確定故障對象、故障原因和故障范圍。使維修人員及時采取措施解決故障，但該系統(tǒng)也存在一定弊端，即無法有效針對掘進機復雜結(jié)構(gòu)，如果在運行過程中，掘進機部件與部件之間因互相影響產(chǎn)生故障，則無法用精確模型對故障類型、故障范圍進行科學描述，從而增加了故障診斷難度和維修時間。

2.2 智能化掘進機實際使用效果

隨著社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，人們在生活和生產(chǎn)中對煤炭資源需求量逐漸上升，在為煤礦企業(yè)帶來廣闊發(fā)展機遇的同時，也增加了煤礦市場的競爭壓力。為了提高自身核心競爭力，越來越多的企業(yè)使用智能化掘進機。山西某煤礦企業(yè)在煤礦開采作業(yè)中應用智能化掘進機效果進行分析。該工程在前期試驗過程中，9 月～10 月期間，智能化掘進機共運行25 天，掘進尺寸為180m，井下作業(yè)條件為半煤巖，即上部為煤，下部為巖石。11 月28 日～11 月30 日之間，智能化掘進機共運行2 天，掘進尺寸為30m，井下作業(yè)條件變?yōu)槿合锏?。該煤礦企業(yè)結(jié)合試驗結(jié)果進行分析和調(diào)整，并將智能化掘進機應用到實際工程中，共掘進巷道3500m，平均每月達到了500m。結(jié)合該企業(yè)運用智能化掘進機效果反饋進行分析，總結(jié)出以下優(yōu)勢：

第一，智能化掘進機操作簡便，遙控技術(shù)靈活，視野開闊，有效降低了人力勞動工作量，減少了企業(yè)人力成本支出，有效提高了企業(yè)經(jīng)濟效益。

第二，掘進機智能化水平高，巷道斷面成形具有及時性和準確性，不僅能夠提高工作效率和工作質(zhì)量，還能夠充分保證工作人員人身安全[6]。

3 智能化技術(shù)在掘進機應用方面的發(fā)展方向

3.1 提高檢測精度和抗干擾能力

由上文分析可以看出，當前，將智能化技術(shù)應用到掘進機中，已經(jīng)基本實現(xiàn)了機體位姿參數(shù)感知和自動策略需求。但是結(jié)合應用效果來看，由于井下作業(yè)情況復雜，部分掘進機在導航定位、激光標靶以及視野范圍等方面，受粉塵、環(huán)境等影響，容易導致精度降低，無法充分發(fā)揮智能化掘進機的作用和功能。因此，在未來發(fā)展過程中，專家和學者需要重點對智能化掘進機檢測精度以及抗干擾能力進行研究，有效提高智能化掘進機的環(huán)境適應能力，這也是其智能化發(fā)展的重要研究方向。

3.2 重點對掘進機截割過程糾偏進行研究

現(xiàn)階段，智能化掘進機自身具備的導航定位系統(tǒng)，能夠準確對機體位姿進行定位和糾偏。但糾偏工作大多體現(xiàn)在掘進機初始狀態(tài)。針對截割過程中位姿誤差情況仍然需要進一步研究和分析。因此，在未來發(fā)展過程中，專家和學者需要給予這一內(nèi)容高度重視，通過截割機構(gòu)對智能化掘進機運行過程中產(chǎn)生的位姿偏差進行自動化檢測和補償。

3.3 重點研究掘進機作業(yè)過程感知系統(tǒng)

當前，智能化掘進機在截割以及斷面成形在理論研究方面，已經(jīng)基本實現(xiàn)了截割臂擺動速度調(diào)整、截割頭轉(zhuǎn)速調(diào)整以及截割路徑合理規(guī)劃等目標，但是在理論轉(zhuǎn)換成實踐過程中受到一定阻礙。其原因是煤巖性質(zhì)存在較大差異性，導致煤巖與截割參數(shù)之間在建立關(guān)系過程中存在一定難度。并且在智能化掘進機運行過程中，還沒能完全實現(xiàn)煤巖特性智能感知需求。因此，在未來發(fā)展過程中，專家和學者需要重點研究掘進機掘進作業(yè)感知能力，構(gòu)建準確、完善的煤巖特性和最佳截割參數(shù)模型。

3.4 及時切換智能化系統(tǒng)冗余軟硬件

在煤礦開采過程中，掘進機截割過程涉及到的數(shù)據(jù)信息相對較多，軟件設(shè)施和硬件設(shè)備作為智能化掘進機的重要支撐，一旦出現(xiàn)故障，將會導致掘進機智能化系統(tǒng)無法發(fā)揮感知功能和自適應功能，獲取的信息也將失去準確性和科學性，不僅降低了掘進作業(yè)效率和質(zhì)量，甚至會為工作人員帶來安全隱患[7]。因此，在未來發(fā)展過程中，煤礦企業(yè)需要及時切花智能化系統(tǒng)冗余軟硬件，全過程監(jiān)督和控制智能化掘進機運行狀態(tài)，從而為其安全、穩(wěn)定運行奠定良好基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，人們生活和工作中對煤炭的需求量日益提升，在為煤礦企業(yè)帶來發(fā)展機遇的同時，也增加了煤礦市場的競爭壓力。為了提高自身核心競爭力，煤礦企業(yè)需要提高工作效率和工作質(zhì)量，增加煤礦開采量。掘進機作為煤礦開采的必要設(shè)備，在這一背景下面臨升級和改造需求。因此，本文對智能化技術(shù)在掘進機中的應用進行深入研究，并對未來發(fā)展趨勢做出展望，旨在為突破煤礦企業(yè)開采作業(yè)中存在的困難奠定基礎(chǔ)。