基于數(shù)據(jù)融合的采煤機定位算法研究

李九州，王春喜，付營軍

（北京天瑪智控科技有限公司，北京 101399）

隨著我國煤礦智能化建設(shè)的穩(wěn)步推進，綜采工作面智能化的需求也在持續(xù)升級。采煤機智能化系統(tǒng)及液壓支架智能化系統(tǒng)作為其建設(shè)的兩大核心部分，在機架協(xié)同控制、支架跟機率方面不斷提出了新的要求。采煤機狀態(tài)信息包含采煤機的實時位置、運動方向與運行速度等，是決定跟機自動化、液壓支架系統(tǒng)、采煤機系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響液壓支架跟機動作的準(zhǔn)確性，因此，采煤機實時定位技術(shù)是實現(xiàn)工作面智能化的重要保障。

現(xiàn)有的集控系統(tǒng)只是將各設(shè)備的信息簡單匯集到一起，沒有進一步的數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用，也未實現(xiàn)真正的信息融合。文章在綜合之前研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種新方法，即采煤機上報的信息與紅外傳感器提供的位置信息經(jīng)過分析處理后，由集控系統(tǒng)采用卡爾曼濾波的方式融合，預(yù)估煤機狀態(tài)信息。提高了預(yù)測的精度，減小了數(shù)據(jù)的延遲，有效解決了工作面液壓支架系統(tǒng)定位不準(zhǔn)的問題。

1 融合系統(tǒng)定位原理

1.1 融合定位系統(tǒng)構(gòu)成

融合定位系統(tǒng)由采煤機定位系統(tǒng)、液壓支架定位系統(tǒng)與集控中心3部分構(gòu)成。采煤機定位系統(tǒng)包括里程計、慣導(dǎo)模塊等，可把計算得到的采煤機速度、采煤機牽引方向、位置等信息上傳到集控中心。液壓支架定位系統(tǒng)由安裝在采煤機上的紅外發(fā)射器、安裝在支架上的紅外接收器、支架控制器及信號處理模塊構(gòu)成，紅外發(fā)射器實時發(fā)送紅外信號，安裝在支架上的紅外接收器收到信號后，通過支架控制器把該支架號上傳到信號處理模塊中，經(jīng)過信號處理模塊濾波處理后，把最終確定的支架號上傳至集控中心。集控中心負(fù)責(zé)處理液壓支架定位系統(tǒng)、采煤機定位系統(tǒng)上傳的位置信息，把融合后的實時定位信息，發(fā)送到液壓支架定位系統(tǒng)中的支架控制器。

1.2 融合定位算法原理

融合算法將采煤機定位系統(tǒng)和液壓支架定位系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)進行整合處理，以提高定位的精度與可靠性。數(shù)據(jù)融合的步驟如圖1所示。

圖1 融合定位算法步驟

當(dāng)集控系統(tǒng)收到采煤機、液壓支架定位系統(tǒng)上報的初步融合數(shù)據(jù)后，通過時空對齊、數(shù)據(jù)校正等方法對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并采用卡爾曼濾波算法對收集到的觀測值和建立的數(shù)學(xué)狀態(tài)模型進行融合，從而得到對系統(tǒng)狀態(tài)的實時估計和預(yù)測，有效減小傳感器噪聲和不確定性對系統(tǒng)的影響。最后，將定位結(jié)果下發(fā)到支架控制器中，以此結(jié)果作為跟機動作的判斷依據(jù)。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是數(shù)據(jù)融合的重要前提，跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合需要保證數(shù)據(jù)的時間同步及空間配準(zhǔn)。

2.1.1 時間同步

時間同步是將兩個系統(tǒng)不同步的測量信息同步到同一時刻，需要滿足計算同步與采樣同步。采煤機定位系統(tǒng)及液壓支架定位系統(tǒng)實時上傳數(shù)據(jù)信息到集控中心后由集控中心在同一時刻計算，同時，為保證來源時間的同步，根據(jù)奈奎斯特采樣定理須滿足：

式中，fs為采煤機系統(tǒng)的采樣頻率，fl為液壓支架系統(tǒng)采樣頻率。

采煤機系統(tǒng)傳感器精度高，支架系統(tǒng)傳感器精度低，通過提高支架系統(tǒng)的采樣頻率，以補充液壓支架的狀態(tài)信息，在同一時間片內(nèi)，采用最鄰近采樣的方式，來保證這兩個系統(tǒng)的采樣時間上的同步。

2.1.2 空間配準(zhǔn)

液壓支架定位系統(tǒng)上傳的位置架號，采煤機定位系統(tǒng)上傳的煤機速度、位置等信息，采用的坐標(biāo)系是不同的，但是都可以用工作面作為相對基準(zhǔn)，所以在融合前可將兩者配準(zhǔn)到工作面同一測量坐標(biāo)系中。

為便于處理采用一維簡化模型，對液壓支架定位系統(tǒng)得到的架號，采用如下方法映射到坐標(biāo)系中：

式中，Nk為k時刻的架號，l為支架間的平均距離。

采煤機定位系統(tǒng)上傳的位置與實際工作面長度比例存在偏差，采用如下方法進行校準(zhǔn)：

式中，Vs，k為采煤機系統(tǒng)實際上傳的采煤機速度，L為一刀煤過程中采煤機經(jīng)過的最小架號至最大架號的距離，Δx為統(tǒng)計得到的采煤機上傳的位置上一刀的最大差值。

2.2 系統(tǒng)融合模型的建立

為建立圖1所示的融合定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，須做以下假設(shè)。

A1：采煤機在采樣時間內(nèi)速度不變。

A2：采煤機在采樣時間內(nèi)為直線運動。

A3：系統(tǒng)的測量誤差符合正態(tài)分布。

由此建立該系統(tǒng)的空間狀態(tài)方程（4），測量方程（5）：

式中，Sk為k時刻的真實位移，Vk為k時刻的真實速度，w1，k-1為k-1時刻位移的過程誤差，w2，k-1為k-1時刻速度的過程誤差，v1，k-1為k-1時刻的位移觀測噪聲，v2，k-1為k-1時刻速度的觀測噪聲，Z1，k為k時刻的位移測量值，Z2，k為k時刻的速度測量值，p（w）為過程誤差的正態(tài)分布，Q為p（w）的協(xié)方差矩陣，p（v）為觀測噪聲正態(tài)分布，R為p（v）的協(xié)方差矩陣。

設(shè)采樣周期為Δt，根據(jù)假設(shè)的A1與A2，可得狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣A為：

Z1，k由紅外傳感器計算得出，Z2，k由采煤機定位系統(tǒng)給出，兩者相互獨立，可得狀態(tài)觀測矩陣H為：

根據(jù)卡爾曼濾波的原理及式（4），可得預(yù)測模型：

式中，Pk-1為k-1時刻的真實值與后驗估計值間誤差的協(xié)方差矩陣，為真實值與先驗估計值誤差的協(xié)方差矩陣，A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Q為p（w）的協(xié)方差矩陣。

式中，Kk為卡爾曼增益，R為p（v）的協(xié)方差矩陣，H為狀態(tài)觀測矩陣，Pk為k時刻的真實值與后驗估計值間誤差的協(xié)方差矩陣，為真實值與先驗估計值誤差的協(xié)方差矩陣。

2.3 超參數(shù)設(shè)定

卡爾曼濾波的實質(zhì)是通過調(diào)節(jié)Q與R的比重，來權(quán)衡測量值與估測值哪個置信度更高。一般的卡爾曼濾波總是采用固定的Q與R值。對于液壓支架定位系統(tǒng)，紅外信號的標(biāo)準(zhǔn)差和紅外發(fā)射器與紅外接收器的距離，紅外發(fā)射器的發(fā)射角度等相關(guān)。對于采煤機定位系統(tǒng)一般精度會遠(yuǎn)大于液壓定位系統(tǒng)。文章采用如下初值：

但是紅外系統(tǒng)的協(xié)方差可由實際工作面安裝情況修正。假定通過安裝調(diào)節(jié)，使得采煤機真實位置落在3個架子之內(nèi)的概率為95%，即：

則由式（2）可對上述值進行如下修正：

3 實驗驗證

山東能源棗礦集團濱湖煤礦某工作面長度為152～182 m，共有支架125架（端頭架6架），架長1.45 m，架間間隙不超過100 mm。液壓支架系統(tǒng)采用北京天瑪智控網(wǎng)絡(luò)型控制器，并且每架配備一個紅外接收器。采用MG400/870-WD 型交流變頻電牽引采煤機，可提供牽引速度、位置、牽引狀態(tài)等信息，并安裝紅外發(fā)送裝置。通過集控中心部署的天瑪longwallmind4.0軟件集成系統(tǒng)將信息發(fā)送到上位機。使用的數(shù)據(jù)集從8月16日2點46分開始到次日2點，每隔1s 采樣一次采煤機上報的信息，液壓支架定位系統(tǒng)每隔0.3s 上報一次，由集控中心記錄收到上報時的時間，并采用時間間隔最近的原則，與采煤機以相同的頻率時刻采樣。根據(jù)系統(tǒng)融合模型，分別對采煤機位置進行靜態(tài)與動態(tài)分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)融合結(jié)果（動態(tài)實驗）

3.1 采煤機靜態(tài)定位分析

當(dāng)采煤機靜止時，采煤機定位系統(tǒng)由于累積誤差與液壓支架定位系統(tǒng)得到的位置信息有偏差，采煤機實際位置及預(yù)測位置基本一致。預(yù)測位置在上電35s內(nèi)收斂于液壓定位值上。

3.2 采煤機動態(tài)定位分析

位置預(yù)測值在收斂與液壓支架定位值附近，而變化趨勢則與煤機系統(tǒng)定位值變化情況保持一致。

3.3 系統(tǒng)異常分析

融合系統(tǒng)的異常情況包括采煤機定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)上報異常、液壓支架系統(tǒng)上傳的架號值跳變及液壓支架系統(tǒng)在采煤機改變方向時數(shù)據(jù)更新不及時等情況。

當(dāng)采煤機定位系統(tǒng)上傳的煤機狀態(tài)信息異常（未更新）時，位置停留在199.97 m，實時速度為0，而架號發(fā)生了變化，這時預(yù)測位置自動采用液壓定位系統(tǒng)上報的位置信息為參考，排除了采煤機定位系統(tǒng)的錯誤信息。當(dāng)液壓支架定位系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)發(fā)生架號跳變時，架號由104 跳變到106，但位置由197.94 m變化到198.01 m，并未跳變，預(yù)測位置保持了平滑的變化，由156.440 m 變?yōu)?56.894 m，未發(fā)生突變。當(dāng)采煤機運行返刀時，實時速度由0.038 m/s 降為0，之后反向變?yōu)?0.114 m/s，液壓定位系統(tǒng)上傳的架號未及時變化，仍然為47，而預(yù)測位置可及時追蹤速度的方向變化，延遲幾拍后反向。

4 結(jié)束語

以液壓支架定位系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，以采煤機定位系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)為趨勢判斷依據(jù)，采用時空對齊、卡爾曼濾波等方法，在融合兩者特征的基礎(chǔ)上，組合定位給出適合工作面液壓支架智能跟機的煤機位置信息。試驗結(jié)果表明，該融合算法克服了工作面實際跟機過程中遇到的跳架、煤機轉(zhuǎn)向誤動作等問題；克服了采煤機系統(tǒng)的積累誤差，在遇到煤機上傳的定位數(shù)據(jù)不準(zhǔn)的情況下，仍然可以正常使用，有效提高了跟機率，并為智能化工作面的建設(shè)提供了可靠保障。