煤礦開采光纖光柵智能感知與安全決策關(guān)鍵技術(shù)研究

方新秋，馮豪天，梁敏富，陳寧寧，蘆楠楠，吳 剛，李 爽，宋 揚(yáng)

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)智能化開采研究中心，江蘇省徐州市，221116；3.中國礦業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；4.中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

0 引言

近年來，我國煤礦智能化建設(shè)不斷推進(jìn)，2020年3月2日，國家發(fā)展改革委、國家能源局等八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》明確指出[1]，到2035年各類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，構(gòu)建多產(chǎn)業(yè)鏈、多系統(tǒng)集成的煤礦智能化系統(tǒng)，建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的煤礦智能化體系。雖然，煤礦智能化取得了豐碩的技術(shù)成果[2-4]，然而煤礦智能化開采尚有關(guān)鍵技術(shù)未能突破，仍處于初級階段[5]。

煤礦的智能化開采是指依靠現(xiàn)有技術(shù)手段獨(dú)立完成整個回采過程的自適應(yīng)開采，包括智能感知礦井環(huán)境、智能調(diào)控作業(yè)設(shè)備、作業(yè)過程自主巡視[6]。在智能化開采的核心環(huán)節(jié)中，智能感知旨在獲取煤礦回采過程中的基礎(chǔ)信息，包括開采環(huán)境和機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)信息；智能決策旨在對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與挖掘，輔助決策平臺做出決策[7]。傳感監(jiān)測技術(shù)能否克服井下復(fù)雜環(huán)境，決定著智能感知效果的好壞，在煤礦開采監(jiān)測技術(shù)發(fā)展過程中已有的監(jiān)測技術(shù)[8-12]，雖也能起到積極作用，但從煤礦智能化開采角度考慮，仍存在諸多不足，易受作業(yè)環(huán)境中復(fù)雜的強(qiáng)磁、頻變、溫度、水、汽等環(huán)境因素以及機(jī)械作業(yè)時產(chǎn)生的強(qiáng)振、碰撞、移動等因素影響，監(jiān)測儀器在長期工作中的穩(wěn)定性、抗干擾性難以保障，數(shù)據(jù)可靠性與精確度和參與構(gòu)成分布式感知網(wǎng)絡(luò)的能力難以滿足綜采工作面智能開采的要求[13]，因此需要以煤礦開采智能化為目標(biāo)，進(jìn)行新的開采環(huán)境與設(shè)備狀態(tài)感知技術(shù)革新，并配以更先進(jìn)、更開放的安全決策平臺。

筆者及團(tuán)隊以智能化開采發(fā)展為背景，通過多年對光纖光柵智能感知技術(shù)與安全決策平臺進(jìn)行理論研究與現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用，研發(fā)了用于多源信息感知的光纖光柵傳感技術(shù)與成套設(shè)備，構(gòu)建了基于煤礦開采多參量信息融合的安全決策平臺，形成了以煤礦開采“智能感知-動態(tài)響應(yīng)-前兆預(yù)警-安全決策”為關(guān)鍵技術(shù)體系的光纖傳感設(shè)備與決策系統(tǒng)平臺。

1 光纖光柵理論關(guān)鍵技術(shù)

1.1 光纖光柵基本原理

光纖傳感技術(shù)隨著光纖通信技術(shù)的普及而得到快速發(fā)展，其核心元件是光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)。光纖是一種由光纖纖芯、包層、保護(hù)層、增強(qiáng)纖維和光纖保護(hù)套組合而成的新型光纖無源器件，具有光波選擇效應(yīng)，其纖芯的折射率沿光纖軸向延伸表現(xiàn)出周期性的變化性質(zhì)?；诠饫w耦合理論和傳輸矩陣?yán)碚揫14-17]，筆者及團(tuán)隊對光纖光柵長度、光纖折射率變化等不同參數(shù)下反射光譜特性以及光柵波長與3 dB帶寬、均勻/非均勻應(yīng)變場的關(guān)系進(jìn)行了研究。光纖光柵的基本原理如圖1所示。分析發(fā)現(xiàn)，在均勻應(yīng)變場條件下，光纖光柵中心波長線性變化且3 dB帶寬保持不變，非均勻應(yīng)變場條件下，光纖光柵中心波長畸變；等遞增非均勻應(yīng)變場與3 dB帶寬呈現(xiàn)線性關(guān)系，非等遞增應(yīng)變場與3 dB帶寬呈無明顯的單調(diào)性變化規(guī)律。該規(guī)律可為煤礦井下中均勻與非均勻應(yīng)變場影響下的光纖光柵傳感監(jiān)測與可靠礦用光纖光柵傳感設(shè)備的研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

圖1 光纖光柵的基本原理

1.2 基體-光纖光柵感知傳遞原理

光纖光柵具有優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用范圍，關(guān)鍵在于光纖光柵的溫度傳感特性、應(yīng)變-溫度交叉敏感特性、應(yīng)變傳感特性及準(zhǔn)分布式傳感特性，但是光纖光柵本身纖細(xì)質(zhì)脆、抗剪性能差[18-20]，因此需要研究可靠的保護(hù)措施，在保證精度的前提下使其能夠在復(fù)雜的環(huán)境中工作。

首先針對煤礦井下光纖傳感器的應(yīng)用場景與使用需求進(jìn)行分析，進(jìn)而開展基體應(yīng)變和光纖光柵應(yīng)變之間的應(yīng)變傳遞機(jī)理的研究，分析基體的材料、黏結(jié)層的長度、黏結(jié)厚度等對應(yīng)變傳遞效率的影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展光纖光柵感知元件多種粘貼方式及封裝技術(shù)的研究[21-22]，搭建不同粘貼方式光纖光柵-基體應(yīng)變感知傳遞試驗(yàn)測試系統(tǒng)，用來進(jìn)行光纖光柵-基體應(yīng)變感知傳遞規(guī)律的驗(yàn)證。不同封裝方式下光纖光柵感知傳遞模型如圖2所示。

圖2 不同封裝方式下光纖光柵感知傳遞模型

1.3 光纖光柵的光譜重構(gòu)

考慮到煤礦開采作業(yè)所處的環(huán)境具有復(fù)雜性、不穩(wěn)定性、強(qiáng)干擾性，如強(qiáng)磁、強(qiáng)振、溫度、濕度等因素，傳感精度在長期工作過程中穩(wěn)定性與抗腐蝕性會受到影響，感知數(shù)據(jù)的可靠性和精度難以得到保障。為此，采用模擬退火算法建立應(yīng)變場分布的光纖光柵的光譜重構(gòu)模型，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對均勻應(yīng)變函數(shù)、一次函數(shù)應(yīng)變和二次函數(shù)應(yīng)變條件下光纖光柵光譜重構(gòu)效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示重構(gòu)光譜形態(tài)幾乎與目標(biāo)光譜重合，重構(gòu)效果良好。

將多特征參量的動態(tài)應(yīng)變函數(shù)分解為3個簡單的應(yīng)變分布函數(shù)(均勻、一次函數(shù)、二次函數(shù))，進(jìn)行多特征參量動態(tài)應(yīng)變函數(shù)分布的光纖光柵光譜重構(gòu)，相對誤差最大不超過0.1；針對煤礦開采光纖光柵感知數(shù)據(jù)的部分缺失，建立基于支持向量機(jī)的光纖光柵感知缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)償模型[23]，將感知數(shù)據(jù)的有效性和精度提高2倍以上。動態(tài)應(yīng)變函數(shù)光纖光柵目標(biāo)光譜重構(gòu)如圖3所示。

圖3 動態(tài)應(yīng)變函數(shù)光纖光柵目標(biāo)光譜重構(gòu)

2 多維感知的光纖光柵傳感關(guān)鍵技術(shù)

隨著煤炭開采智能化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，也對感知水平提出了更高要求。煤礦井下開采的環(huán)境信息與綜采工作面機(jī)械姿態(tài)信息呈現(xiàn)多源多參量的特征，感知信息也由單點(diǎn)少參數(shù)向多源多參量協(xié)同感知過渡，如巷道溫度、圍巖應(yīng)力、錨桿桿體應(yīng)力、錨桿載荷、頂板離層以及綜采工作面“三機(jī)”裝備的工作狀態(tài)信息等，這些信息能夠全面反映煤礦生產(chǎn)中綜采工作面的推進(jìn)狀態(tài)。因此要求傳感設(shè)備具有更精確、更穩(wěn)定、更可靠的基本特點(diǎn)，同時具有實(shí)現(xiàn)信息融合、組網(wǎng)的功能，以便解決煤礦開采環(huán)境與裝備姿態(tài)感知不全面、傳感設(shè)備不易組網(wǎng)、構(gòu)建智能感知系統(tǒng)困難等問題。

2.1 光纖光柵高精度傳感器的開發(fā)

煤礦開采環(huán)境和機(jī)械設(shè)備作業(yè)狀態(tài)的感知是實(shí)現(xiàn)智能決策、控制的關(guān)鍵條件。由于開采環(huán)境具有作業(yè)空間小、粉塵大、濕度高、電磁環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，因此嚴(yán)重阻礙著傳感監(jiān)測技術(shù)的運(yùn)用[24]。針對井下傳感設(shè)備在長期工作中出現(xiàn)的穩(wěn)定性差、抗干擾能力弱等問題，基于光纖光柵理論的研究成果，筆者及團(tuán)隊將光纖光柵與煤礦井下設(shè)備進(jìn)行集成開發(fā)，設(shè)計了煤礦開采多源信息感知的系列礦用光纖光柵傳感設(shè)備，具體包括光纖光柵支架測高傳感器、光纖光柵曲率傳感器、光纖光柵錨桿測力傳感器、光纖光柵支架傾角傳感器、光纖光柵錨桿應(yīng)力傳感器、光纖光柵支架壓力表、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵鉆孔應(yīng)力傳感器、光纖光柵頂板離層傳感器等。與此同時，筆者及團(tuán)隊自主研發(fā)了礦用光纖光柵傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置，包括內(nèi)置液壓系統(tǒng)的液壓站、高精度壓力表、功能控制箱和數(shù)據(jù)擬合器，可實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器標(biāo)定過程的手動控制、電磁控制和傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)的自適應(yīng)擬合。通過實(shí)驗(yàn)室測試與礦山實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果顯示傳感器靈敏度可提升2倍以上，感知精度小于0.2%FS、分辨率小于0.1%FS、誤差小于0.3%FS[25]。光纖光柵設(shè)備具備光纖本質(zhì)安全及損耗低的特點(diǎn)，能夠長期穩(wěn)定工作并具有抗外界干擾的能力。煤礦開采多源信息感知的礦用光纖光柵傳感器及應(yīng)用如圖4所示，光纖光柵傳感器標(biāo)定裝置如圖5所示。

圖4 煤礦開采多源信息感知的礦用光纖光柵傳感器及應(yīng)用

圖5 光纖光柵傳感器標(biāo)定裝置

2.2 光纖光柵傳感器實(shí)時感知技術(shù)

受井下多場演化規(guī)律的不確定性及復(fù)雜性影響，綜采工作面采動應(yīng)力分布特征及覆巖結(jié)構(gòu)破斷規(guī)律也尚未完全揭開，尤其是采動多場響應(yīng)、覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)移、采動圍巖變形與煤壁片幫、裝備群狀態(tài)等，需研究開采多參量、多尺度信息的高精度協(xié)同感知與多源感知參數(shù)的表征方法，結(jié)合高精度傳感器的實(shí)時監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)，但目前監(jiān)測信息的可靠性、有效性還有待提高，多種參數(shù)的識別、提取、感知尚不全面。為了保障煤炭開采環(huán)境與裝備群安全信息準(zhǔn)確獲取，筆者及團(tuán)隊提出了基于煤礦開采環(huán)境與“三機(jī)”裝備姿態(tài)光纖光柵傳感方法與實(shí)時感知技術(shù)的煤礦開采多參量光纖光柵智能感知體系如圖6所示。

圖6 煤礦開采多參量光纖智能感知體系

2.2.1 煤礦開采環(huán)境信息智能感知

煤礦開采活動會引起作業(yè)空間環(huán)境不同程度的惡化，巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，利用自主研制的新型靈敏度高、可靠性好的光纖光柵溫度傳感器，以及光纖光柵頂板離層傳感器、光纖光柵鉆孔應(yīng)力傳感器、光纖光柵錨桿測力傳感器、光纖光柵錨桿應(yīng)力傳感器等[26-29]對煤礦開采環(huán)境及機(jī)械作業(yè)過程中的安全狀態(tài)信息進(jìn)行全面感知，分析空間環(huán)境溫度、巷道頂板與圍巖穩(wěn)定性、錨桿桿體應(yīng)力分布、錨桿荷載程度，可以為采煤巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性、合理性提供科學(xué)依據(jù)，創(chuàng)造安全穩(wěn)定的煤礦開采環(huán)境。

2.2.2 綜采工作面采煤機(jī)姿態(tài)智能感知

采煤機(jī)精確定位是記憶割煤、液壓支架動作、開采工藝決策的基礎(chǔ)，液壓支架的支護(hù)與活動空間取決于滾筒的頂板截割軌跡，行走軌跡間接反映了刮板輸送機(jī)的直線推移程度。而刮板輸送機(jī)的姿態(tài)取決于底板截割軌跡，同時可結(jié)合采煤機(jī)結(jié)構(gòu)特征與實(shí)時感知采煤機(jī)運(yùn)行時的橫滾角、俯仰角、航向角、姿態(tài)解析獲得。已有的齒輪計數(shù)法、紅外輻射法、超聲波反射法等精度不能滿足綜采工作面的智能化要求，而相對先進(jìn)的地面定位方法在復(fù)雜的井下也無法滿足要求。

基于光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航定位與多傳感器技術(shù)的采煤機(jī)運(yùn)動模型及姿態(tài)誤差補(bǔ)償模型，可以精準(zhǔn)感知采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)，利用具有精度高、可靠性高、重量輕、體積小、抗干擾和獨(dú)立自主優(yōu)勢的光纖慣性測量組件，可將光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的光纖慣性測量器件集成在采煤機(jī)機(jī)身的特定位置上，結(jié)合高精度陀螺儀與加速度計能實(shí)時感知采煤機(jī)姿態(tài)角與加速度信息，解析采煤機(jī)運(yùn)動狀態(tài)，實(shí)時更新采煤機(jī)的位置與運(yùn)行姿態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)多源信息融合的采煤機(jī)狀態(tài)感知。

針對綜采工作面的作業(yè)特點(diǎn)與不斷變化的井下復(fù)雜環(huán)境，構(gòu)建采煤機(jī)機(jī)身部分與截割部位的力學(xué)模型，分析誤差產(chǎn)生的源頭與安裝在機(jī)身上的光纖慣性測量傳感裝置在變溫和強(qiáng)振動條件下誤差產(chǎn)生的特點(diǎn)[30]，建立加速度傳感器、光纖陀螺、軸編碼器等測量組件動態(tài)-靜態(tài)感知數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償模型進(jìn)行誤差校正，分別從組件感知、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航與感知系統(tǒng)分析3個方面來降低誤差，提高井下采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)的感知精度。基于光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)的采煤機(jī)姿態(tài)誤差補(bǔ)償及實(shí)時感知流程如圖7所示。

圖7 基于光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)的采煤機(jī)姿態(tài)誤差補(bǔ)償及實(shí)時感知流程

2.2.3 綜采工作面液壓支架姿態(tài)智能感知

液壓支架是煤礦智能開采工作面核心裝備之一，通過完成頂板支護(hù)、煤壁護(hù)幫、刮板輸送機(jī)推移等工序保障智能綜采工作面安全順利地生產(chǎn)。智能綜采工作面順利推進(jìn)的基礎(chǔ)是液壓支架的姿態(tài)正常，若支架姿態(tài)出現(xiàn)異常將會導(dǎo)致支架失衡，在姿態(tài)調(diào)整過程中出現(xiàn)單架傾斜、鄰架碰撞、頂梁低頭或仰頭等危險狀況，導(dǎo)致后續(xù)機(jī)械設(shè)備不能推進(jìn)，影響工作面向前推進(jìn)甚至威脅作業(yè)空間的安全，因此液壓支架的姿態(tài)感知是煤礦開采智能化中重要的一環(huán)。

利用自主研制的光纖光柵支架測高傳感器、光纖光柵支架壓力表、光纖光柵支架傾角傳感器等構(gòu)建了液壓支架運(yùn)動學(xué)模型和液壓支架姿態(tài)感知指標(biāo)體系，對工作狀態(tài)中液壓支架的底座和連桿姿態(tài)、工作阻力、頂梁姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時感知。經(jīng)過解析能夠?qū)崟r感知液壓支架的工作狀態(tài)[31]，能夠?qū)φ麄€綜采工作面設(shè)備感知系統(tǒng)中液壓支架姿態(tài)監(jiān)測進(jìn)行完善，有利于工作面設(shè)備感知系統(tǒng)實(shí)時解析支架姿態(tài)，幫助安全決策系統(tǒng)進(jìn)行分析，為智能綜采工作面礦壓與頂板管理、支架適應(yīng)性研究、液壓支架-采場圍巖耦合狀態(tài)等提供技術(shù)支撐?；谶\(yùn)動學(xué)模型的支架姿態(tài)實(shí)時感知如圖8所示。

圖8 基于運(yùn)動學(xué)模型的支架姿態(tài)實(shí)時感知

2.2.4 綜采工作面刮板輸送機(jī)直線度智能感知

隨著綜采工作面回采的不斷進(jìn)行，刮板輸送機(jī)在支架推移下沿著回采方向前進(jìn)，受到底板地質(zhì)條件和刮板輸送機(jī)與支架動作配合誤差積累的影響，支架在重復(fù)循環(huán)推移動作達(dá)到一定次數(shù)后，將出現(xiàn)移架不到位的情況，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)的直線度較差，不得不采取人工干預(yù)措施，影響割煤效率。因此在“三機(jī)”設(shè)備作業(yè)過程中，需要對刮板輸送機(jī)的直線度狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時感知，輔助控制系統(tǒng)及時進(jìn)行調(diào)直。

已有的刮板輸送機(jī)直線度感知技術(shù)，如以液壓支架調(diào)直的直線度感知技術(shù)和基于采煤機(jī)自主定位的刮板輸送機(jī)直線度感知技術(shù)，雖已取得不錯的應(yīng)用效果，但仍然存在不足[32]，如以液壓支架調(diào)直的直線度感知技術(shù)要求大量的傳感器同時工作，這在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中存在故障點(diǎn)多、可靠性難以持續(xù)保障等問題；基于采煤機(jī)自主定位的直線度感知技術(shù)在實(shí)際使用中，由于強(qiáng)電磁、強(qiáng)振的影響導(dǎo)致安裝在采煤機(jī)上的慣導(dǎo)系統(tǒng)對滯后推移的刮板輸送機(jī)直線度檢測存在間接性、非實(shí)時、累積誤差大等問題，長時間工作在多變的環(huán)境中直線度感知效果將會變差。

針對光纖光柵的三維曲率傳感原理進(jìn)行大量研究與試驗(yàn)工作[33]，研究了基于光纖光柵的三維曲率傳感器，采用擬合遞推的方法在三維空間進(jìn)行正交方向曲率信息曲線的重建，基于光纖光柵技術(shù)，提出了能夠?qū)崿F(xiàn)刮板輸送機(jī)三維彎曲形態(tài)擬合與毫米級實(shí)時在線感知刮板輸送機(jī)直線度感知的方法?？刂婆_設(shè)置在回采巷道中并配備光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀，旨在實(shí)時解調(diào)傳感器的感知信息，使用多芯光纜將FC/APC接頭與光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的聯(lián)通，保障感知數(shù)據(jù)能穩(wěn)定傳輸至控制臺的解調(diào)儀，基層的光纖光柵三維曲率傳感器通過可靠方式固定在刮板輸送機(jī)電纜槽中，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)直線度三維彎曲信息的獲取。刮板輸送機(jī)直線度光纖實(shí)時感知方法如圖9所示。

圖9 刮板輸送機(jī)直線度光纖實(shí)時感知方法

2.3 多參量準(zhǔn)分布式光纖光柵智能感知系統(tǒng)

智能綜采工作面是具有一定規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)信息。針對煤礦開采作業(yè)中感知數(shù)據(jù)多源、多參量、數(shù)據(jù)量大的監(jiān)測需求及應(yīng)用特點(diǎn)，筆者及團(tuán)隊提出了煤礦開采光纖光柵智能感知系統(tǒng)架構(gòu)，并結(jié)合光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解調(diào)、空分復(fù)用、波分復(fù)用、時分復(fù)用等關(guān)鍵技術(shù)，采用復(fù)用系統(tǒng)布置方法，設(shè)計了可靠的光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)光纖光柵準(zhǔn)分布式傳感特性與感知模型，優(yōu)化了光纖光柵傳感器帶寬分布；通過研究煤礦開采光纖光柵傳感器大容量感知網(wǎng)絡(luò)的組建方式，構(gòu)建了煤礦開采多參量準(zhǔn)分布式光纖光柵智能感知復(fù)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)主機(jī)單通道可復(fù)用光纖傳感器數(shù)量不多于20個，系統(tǒng)組網(wǎng)傳感器數(shù)量高達(dá)幾百個，實(shí)現(xiàn)了煤礦開采環(huán)境與裝備姿態(tài)的大容量、多參量感知，可以解決傳統(tǒng)傳感設(shè)備不易復(fù)用、難組網(wǎng)的難題。煤礦開采多參量準(zhǔn)分布式光纖光柵感知復(fù)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 煤礦開采多參量準(zhǔn)分布式光纖光柵感知復(fù)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

3 開采環(huán)境與裝備姿態(tài)信息融合的安全決策平臺關(guān)鍵技術(shù)

目前，煤礦開采過程中產(chǎn)生的海量感知數(shù)據(jù)相對分散與獨(dú)立，未能將煤礦開采環(huán)境多維度感知數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)與深度融合；實(shí)時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的深層次挖掘程度不夠，傳感器感知的海量數(shù)據(jù)并未發(fā)揮最大效用；多源多參量信息的融合有待加強(qiáng)，如復(fù)雜條件下煤礦智能化開采過程中“三機(jī)”裝備的多參量數(shù)據(jù)融合決策技術(shù)仍是一大難點(diǎn)；此外，集成海量感知數(shù)據(jù)融合分析、開采環(huán)境安全預(yù)警、安全評價技術(shù)、機(jī)械裝備狀態(tài)信息融合的安全決策平臺的建設(shè)也尚未成熟。

3.1 多維度感知數(shù)據(jù)的特征關(guān)聯(lián)與深度融合

為了提高煤礦開采環(huán)境多維感知參量關(guān)聯(lián)性的分析效率，基于快速進(jìn)化遺傳網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法挖掘開采環(huán)境感知屬性信息，進(jìn)行煤礦開采多維感知參量間隱含關(guān)聯(lián)規(guī)則的分析，獲取了煤礦開采覆巖運(yùn)動、圍巖變形破壞、裝備姿態(tài)等多因素間的潛在關(guān)聯(lián)性與安全開采的因果性，提升數(shù)據(jù)利用率達(dá)到90%以上。多維度感知數(shù)據(jù)融合與自學(xué)習(xí)的煤礦開采環(huán)境安全識別輕量級模型可以有效監(jiān)測開采環(huán)境狀態(tài)，并進(jìn)行煤礦開采環(huán)境穩(wěn)定性評估、安全性評價與災(zāi)變風(fēng)險預(yù)警。

3.2 煤礦開采“三機(jī)”裝備空間約束模型

針對“三機(jī)”裝備姿態(tài)融合決策關(guān)鍵技術(shù)難題，基于統(tǒng)計特征領(lǐng)域，進(jìn)行了自適應(yīng)“三機(jī)”裝備姿態(tài)識別方法與姿態(tài)多參量融合決策技術(shù)的研究，旨在提高煤礦開采“三機(jī)”裝備姿態(tài)的狀態(tài)估計與準(zhǔn)確識別的可靠性。融合光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)，建立多參量感知數(shù)據(jù)聯(lián)合分布自適應(yīng)調(diào)整的深度特征遷移決策機(jī)制，用于構(gòu)建“三機(jī)”裝備姿態(tài)識別的無監(jiān)督深度學(xué)習(xí)模型和零樣本條件的知識遷移方法，可以有效進(jìn)行無標(biāo)記樣本條件下“三機(jī)”裝備的姿態(tài)識別。

3.3 安全決策平臺

為了解決煤礦智能化開采安全預(yù)警與融合決策的關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)煤礦開采“智能感知-動態(tài)響應(yīng)-前兆預(yù)警-安全決策”，針對綜采工作面復(fù)雜多變環(huán)境與綜采裝備數(shù)據(jù)多模態(tài)、多變量耦合及分布式數(shù)據(jù)的特性，分析了深部工作面采動環(huán)境參數(shù)，研究了開采環(huán)境、裝備姿態(tài)等多系統(tǒng)感知數(shù)據(jù)的抽取與融合技術(shù)，開展了煤礦開采環(huán)境與裝備姿態(tài)感知大數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建，基于極速學(xué)習(xí)機(jī)和模糊優(yōu)化，建立了煤礦開采安全評價與決策模型，基于預(yù)警邏輯數(shù)據(jù)庫和知識演化提出了煤礦開采安全預(yù)警技術(shù)，開發(fā)了煤礦開采環(huán)境安全預(yù)警與裝備姿態(tài)決策系統(tǒng)軟件，最終搭建集成了煤礦開采環(huán)境多維度感知與裝備姿態(tài)多參量融合的安全決策平臺。通過實(shí)際應(yīng)用效果顯示，該平臺數(shù)據(jù)更新交互時間不大于1 s，預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)95%以上。煤礦開采環(huán)境與裝備姿態(tài)信息融合安全決策平臺界面如圖11所示。

圖11 煤礦開采環(huán)境與裝備姿態(tài)信息融合安全決策平臺界面

4 結(jié)論

(1)煤礦開采環(huán)境與裝備姿態(tài)高精度光纖光柵感知理論能夠解決煤礦開采多參量感知不準(zhǔn)確、可靠性低等瓶頸問題，為高可靠礦用光纖光柵傳感設(shè)備的研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

(2)煤礦開采多維感知光纖光柵傳感技術(shù)與成套設(shè)備能夠解決煤礦開采環(huán)境與裝備姿態(tài)感知不全面、傳感設(shè)備難組網(wǎng)等難題，為煤礦開采多參量感知的實(shí)踐提供了設(shè)備支撐。

(3)煤礦開采環(huán)境與裝備姿態(tài)信息融合的安全決策平臺能夠解決煤礦智能化開采安全預(yù)警與融合決策的關(guān)鍵技術(shù)難題。