文章来源：《智能矿山》2023年第12期“专题报道：煤炭行业两化深度融合优秀项目”专栏

第一作者：刘清，硕士，副研究员，中国煤炭科工集团三级首席科学家，主要从事自动化及无人化开采技术方面的研究工作

通讯作者：李天越，研究实习员，从事煤矿数字孪生研究工作，现任北京天玛智控科技股份有限公司软件工程师

作者单位：北京天玛智控科技股份有限公司

引用格式：刘清，李天越，王伟涛，等.基于国产软件的煤矿智能管控平台[J].智能矿山，2023，4（12）：35-42.

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近年来，我国煤矿安全生产形势逐年好转，事故起数、死亡人数、百万吨死亡率均有大幅下降，但与世界其他主要产煤国相比，仍有一定差距。随着煤矿井下开采条件日趋复杂，安全隐患众多，矿井事故仍时有发生，严重威胁了煤矿井下工人的生命安全。因此，必须针对煤矿井下设备围岩环境状况视觉全方位监测感知技术加大科研投入力度，突破煤矿井下设备围岩环境的视频感知技术壁垒。在井下设备围岩环境实时无缝监测的基础上，通过智能开采技术提升煤矿安全生产科技水平，减少人员伤亡，保障煤矿安全、高效、绿色开采，促进煤矿安全生产，实现减人提效的发展需求。在煤矿井下智能化开采推进过程中，存在以下难点痛点：

（1）设备位姿监测不完备、异常状态识别缺失

综采工作面设备位姿监测不完备和异常状态识别缺失，导致设备控制不准确，从而降低开采效率和质量；操作过程中出现异常会增加安全风险，故障率增加随之影响持续开采能力。为确保综采工作面的安全高效开采，需要对设备位姿监测进行完备的设计，以满足设备控制准确、安全可靠、故障率低等要求。

（2）开采工程质量不可控

为了保证综采工作面开采工程质量可控，需要通过提高设备的可靠性，加强对地质条件的研究和探测等措施来实现。同时，需要建立完善的质量管理体系，从源头上控制和管理综采工作面开采工程质量，确保生产安全和经济效益。

（3）控制策略自动化程度不高

综采工作面控制策略自动化程度不高，可能会导致：①人工控制难以优化，影响工作面的开采效率和质量；②控制精度低，影响设备的操作和控制；③设备在操作过程中出现异常，增加工作面的安全风险；④人工控制的成本高，且容易出现操作失误，增加工作面生产成本。

（4）作业辅助规划缺失

缺乏作业辅助规划，可能导致工作面布置不合理，作业过程中出现冲突，如液压支架间距调控不当可能导致倒架、挤架，工作面设备上窜下滑等问题，从而影响工作面生产的安全和效率。为解决上述问题，笔者通过研制SAM2.0综采工作面集控系统（简称SAM2.0集控系统），针对图像智能识别技术，综采工作面两巷定位技术，自主割煤及协同控制技术，虚拟仿真测试技术进行研究，达到提升各设备复杂作业条件下动作顺序优化度、准确性、响应速度，各设备协同工作自动化程度的目标，满足煤矿智能化建设的需要，增强综采工作面集控系统软硬件产品竞争力。

笔者围绕SAM2.0集控系统关键技术研究与应用开展产品、技术、测试平台、示范工程等方面研究与实践，围绕研究问题、内容、目标、应用4个维度制定技术路线（图1）。研究问题主要集中在设备位姿监测不完备，设备异常状态识别缺失，开采工程质量不可控，控制策略自动化程度不足，作业辅助规划缺失等方面。

图1　技术路线

为了解决上述问题，研究从以下方面展开：

①利用图像智能识别技术实现设备异常状态的检测与识别；②通过数字孪生技术实现设备位姿的实时模拟与监测；③利用地质模型、两巷坐标定位、自主割煤技术实现采煤机的路径规划和机架协同控制；④通过虚拟仿真技术提升系统的稳定性和可靠性。研究目标与应用具体包括：设备关键部件图像识别技术、两巷坐标连续定位技术、综采工作面实时孪生技术、三维地质模型与自主规划截割技术、虚拟仿真测试平台搭建，以及示范工程建设。通过该研究成果，能够提高设备工作效率、保证工程质量、提升工作安全性，为矿山企业的可持续发展提供技术支持和保障。

液压支架自动跟机过程中，笔者通过构建基于机器视觉的自动检测算法模型，实现采煤机滚筒和液压支架护帮板状态的自动识别（图2）。

图2　护帮板、采煤机滚筒识别与预警

同时，通过煤壁视觉装置，能够实时监测采煤机前后液压支架的状态，并在护帮板未收起或伸出时进行及时报警，以确保采煤机运行安全；在井下人员智能感知方面，SAM2.0集控系统将深度学习技术与超宽带定位信息融合，成功实现井下人员目标的自动检测和准确定位；通过可视化监控视频感知工作面人员目标对象（图3），结合定位信息，能够智能识别工作面液压支架附近的人员目标对象，并采取联动闭锁操作，确保井下人员的人身安全；对于刮板输送机上煤流智能监测的难题，基于深度学习技术构建了自动检测模型，能够智能检测煤流输出方向的运行状况，准确判断煤流状态，如空煤流、正常煤流和超常煤流，从而实现煤流负荷平衡控制。图像智能识别技术对采煤机滚筒和护帮板状态平均检测准确率不低于95%，刮板输送机上无煤、有煤、堆煤3种状况的平均检测准确率不低于90%，视频图像帧处理速度不低于25帧/s。

图3　人员识别

为解决工作面推进过程中两巷坐标定位问题，SAM2.0集控系统研发了基于光学测量、图像识别等技术手段的两巷定位方法，根据两巷连续绝对定位研究成果中对定位设备原型硬件的定义研发了目标机型，包括电器原理验证、结构设计、硬件集成调试。对激光雷达与工业相机配准对齐以实现适用于煤矿井下的RGB-D传感器；辅以边缘计算模块以支撑软件定义相机；集成电池、散热等相关配件以支撑算法与软件系统，据此生成工作面两端位置连续报告自身的绝对坐标。两巷绝对坐标连续定位结果如图4所示。上述定位结果显示：在有（标靶）源定位阶段，自定位精度误差≤5cm，无（标靶）源定位阶段，目标定位精度误差≤7cm。

图4　两巷绝对坐标连续定位结果

SAM2.0集控系统通过对综采设备进行等比例高精度三维建模，构建设备模型库，通过配置实现薄、中厚、大采高、放顶煤4种类型工作面的虚拟场景自动生成（图5），对接集控系统接入真实数据，经过数字孪生模型进行降噪、排序、加权平均、冲突解决等数据融合方法实现三维动画展示；SAM2.0集控系统基于钻孔、三维微震、GIS系统数据等地质勘测数据，构建工作面煤层顶底板及地质模型；随着开采推进揭露新切面信息，通过巡检机构扫描得到新切面的煤层顶底板线数据，修正更新地质模型。该模型可用于割煤仿真预演和同步生产验证，并为SAM2.0集控系统对综采设备的自主割煤控制提供辅助决策。

图5　综采工作面数字孪生场景

SAM2.0集控系统具备自主规划割煤功能（图6），接入综采工作面高精度三维动态地质模型数据后，可根据采煤机前滚筒和后滚筒的调整限制量，采煤机滚筒截割深度，截割断面最大最小采高限制，采煤机上一刀割煤实际截割线及地质模型等，优化计算出未来N刀的采煤机滚筒截割调整量，实现自适应规划截割线的可视化编辑及常态化应用。自主规划割煤功能可实现地质模型10d/10刀不过期；数据成功下发采煤机或超时时间<10s；采煤机控制精度≤150mm。

图6　自主规划截割功能

围绕SAM2.0集控系统搭建了通信测试平台，完成了平台软件和硬件设计，实现了工业现场总线及其通信协议的带宽、速率、延时、丢包率的研究测试；实现了各种工业以太网技术标准及其通信协议的通信带宽、速率、网络延迟、时间抖动等研究测试等；形成了完整的综采工作面智能化控制系统通信问题的解决方案。虚拟仿真测试系统如图7所示。

图7　虚拟仿真测试系统

SAM2.0集控系统（图8），以系统平台架构为基础，全面升级了自动化产品及系统功能。

图8 SAM2. 0集控系统

主要创新点如下：

（1）创新提出了井下复杂工况场景感知与规划截割控制基点自动测量方法；利用异构模态数据协同推理方法开发采场端部基点绝对坐标，并引入技术验证；开发了基于视觉非接触方式的多设备空间预警、关键区域人员检测、煤流负载平衡智能协同的多场景监控系统。

（2）率先提出了综采工作面精准截割规划方法，研发了基于N刀采煤机历史截割曲线的先验概率模型融合地质勘探剖切模型的混合建模方法，通过统计匹配实际截割与规划截割曲线似然概率，提升了规划截割曲线模型准确度；开发了基于设备拟态孪生体的数字仿真预演割煤系统。

（3）创新研发了基于开采设备多源数据挖掘的控制决策技术；提出了采煤机控制关键参数的多元数据融合挖掘算法；构建了采煤机预处理控制模型；开发了基于迭代误差消除控制策略的数字化开采控制系统。

（4）创新提出了基于规划截割的精准无人自主开采模式；构建了基于数字孪生技术的集控测试平台，实现了开采工艺、集控设备功能全自动化测试、仿真；形成了采前精准规划、采中智能控制、采后预测推演的智能开采方法；开展了不同地质条件综采工作面精准规划截割式无人开采工程示范。

SAM2.0集控系统已在陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号、二号煤矿，国能神东煤炭集团有限责任公司榆家梁煤矿等矿井推广应用，实现了开采过程地面远程精准规划、自动跟机、自主截割，自动化率达到95%以上。提出了工作面安全实时管控，基于规划截割的精准无人自主开采新模式，提升了综采工作面成套装备的总体技术水平，获得了煤炭企业的高度认可，现已逐步推广至神东、榆北等矿区的10个综采工作面，应用效果良好。在黄陵一号煤矿较薄煤层综采自动化项目中，SAM2.0集控系统的应用，提出了基于地质模型“CT”切片技术的精准控制方法，根据地质模型规划截割，形成工作面内无人干预截割的生产模式（图9）。

图9　黄陵一号煤矿地面远程精准规划开采

在榆家梁煤矿薄煤层综采自动化项目中，实现了薄煤层工作面“无人巡视”和圆班常态化生产13刀70架的目标，工作面无人化生产效率超过人工割煤效率（图10）。

图10　榆家梁煤矿地面远程精准规划开采控制系统

SAM2.0集控系统实现多设备智能协同运行、综采工作面全方位智能感知、自主智能决策。该系统研发的一体化太空舱、多模态信息融合的工作面场景空间数字化构建、无人化开采工艺等关键技术，达到国际领先水平。SAM2.0集控系统的应用，有效减少了煤矿井下开采人员数量，工作面支架覆盖区域由原先的5人减少至1人，生产效能从5%提升至20%，现已在多个国家首批智能化示范矿井投入使用。