文章来源：《智能矿山》2024年第5期“学术园地”专栏

作者简介：郭瑞，高级工程师，现任中煤陕西能源化工集团有限公司生产服务中心总经理、党委副书记，国家能源局首批煤矿智能化专家

作者单位：中煤陕西能源化工集团有限公司

引用格式：郭瑞，郭刚，丁猛，等.大海则煤矿煤流智能控制技术研发与应用[J].智能矿山，2024，5（5）：73-77.

点击文末左下角“阅读原文”，免费下载阅读pdf全文

关注微信公众号，了解更多矿山智能化建设进展

带式输送机是煤矿生产中非常重要的运输设备，其能否安全高效地运行，是煤矿安全生产的关键，带式输送机的安全可靠性直接影响矿井生产的效率和安全。随着计算机控制技术、传感器技术的飞速发展，各种带式输送机保护传感器功能不断完善，针对带式输送机的各种保护也日趋完善，目前的带式输送机运输系统大部分具备上下游设备闭锁、保护装置定型完备，机头机尾等重点环节也均设有监控摄像头，即便如此，煤矿实际生产应用的带式输送机系统仍存在诸多问题。

由于带式输送机控制环节复杂、监控点众多，集控人员难以做到“面面俱到”；同时由于人眼视觉疲劳，难以长时间保持警觉，集控人员难以做到24h实时盯着监控点，无法对输送带设备异常状态进行即时获取、无法做到系统即刻联动。因此需要一双智能的“眼睛”替代人眼，及时发现输送带问题，进行报警，同时抓拍照片和延时录像，并发出信号提醒现场人员和监管人员，第一时间发出控制指令，控制现场设备停车，避免事故发生。

（1）输送带集控系统

目前国内煤矿井下的运输系统基本可实现远程启停，已经较大程度地改善了工作条件、减轻了劳动强度，但大部分煤矿仍设机头操作人员，就地启停带式输送机。主要原因是集控系统功能不完善、可靠性不高、可操作性差、数据准确性不足、难以集中管理。而且同一煤矿不同带式输送机控制系统自动化程度参差不齐、传感器设置问题、采集数据准确性问题频发，各系统之间难以形成统一的信息资源，系统集成困难重重，导致各系统产生的数据无法互联互通，运行数据无法得到深度利用，无法实现煤流输送系统一键启停，无人值守。

（2）智能调速

煤炭开采过程中出煤量存在较大的不确定性，设计方要考虑确保在极端条件下带式输送机输送系统安全运行，所以带式输送机设计冗余较大，从而造成带式输送机长期处于“低负荷”状态运行，效率低、耗能大。多条输送带组成的带式输送机组普遍采用“逆煤流”的方式依次启动，整条设备综合空载时间过长，使带式输送机组整体用电效率更加低下。带式输送机开启后一直处于高转速运行，与运送物料质量没有形成一种匹配关系，导致运行过程中轻载能耗较大。当前国内煤矿井下常规带式输送机运输系统主要由变频器/软启动器、电控系统、综保系统组成。基本实现了带式输送机的重载启动以及对带式输送机的必要保护，其缺点是未与物料检测对接，变频器只起到软启动作用，并未真正地实现节能调速。

（3）运行监控

伴随着煤矿生产系统的延伸，带式输送机组总运行长度越来越长，系统环节不断增加，导致带式输送机系统发生故障的次数和频率逐步增加，为保证系统稳定运行，巡检和维护工作亦不断增加，但有些故障仍难以避免，较为常见的故障有输送带跑偏、堆煤、异物、撕裂等。同时还需避免作业人员违章作业行为，如无故靠近带式输送机行为，极易导致安全事故发生，影响正常生产，甚至威胁工人生命安全。

中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿针对以上问题，在输送带集控、智能调速、视频AI分析等方面入手，将各系统有机地融合在一起，形成大海则煤矿独有的主运输煤流智能控制系统。

主运输煤流集控系统人机交互界面UI采用模块化、多场景设计模式。通过固定视角的场景界面，对带式输送机进行动态跟踪和展示，并可通过键盘交互、鼠标交互等方式，实现全景展示、自由视角漫游展示和单机设备自由视角展示控制。采用数据与三维模型融合技术，通过弹窗方式实现带式输送机设备关键工况数据动态显示。

煤流智能控制系统平台（图1）展示主运输系统的主要工艺设备，利用三维可视化建模技术实现设备在线仿真，系统通过参考设备动作方式，利用标准的数据接口进行模型与实时数据的交互，配置三维对象的大小变化、位置移动、旋转、隐藏/显示等动作，由实时数据驱动的仿真动画或多种动画组合方式实现设备运行的实时再现。

图1　煤流智能控制系统平台主界面

通过三维可视化可以更加直观形象地展示整体煤流搭接情况，利用各条输送带的空间地理位置，结合矿井实际煤流运输场景实现三维煤流运输可视化。通过三维可视化能更大限度地提高调度人员对煤流运输的整体调度，尤其是与智能调速相结合，可以形象地体现煤流运输过程中不同级别速度运转情况。煤流智能控制系统平台单输送带系统画面如图2所示。

图2　煤流智能控制系统平台单输送带系统画面

煤流智能控制系统具备整体煤流系统的矢量化360°设计，可随意缩放、旋转三维智能主运输系统，实现生产监控、场景漫游、故障定位、设备巡检等功能。通过实时数据驱动的三维动态效果，实现所见即所得的可视化展示，可更加直观形象地反映各煤流输送带的生产状态以及运行情况。

煤流智能控制系统平台显示整个系统所有设备的运行工况，以及主要保护设备的有关参数信息。输送带及相关设备进行工况显示，可对井下设备进行远程操作，对模拟量设定限值，对开关量进行屏蔽操作；利用安装的视频监视器可对输送带沿线重要场所进行视频监视；具有多窗口的PID图、报警画面、趋势图、指导画面、控制画面、参数修改画面、动态画面等各种监视画面，任何画面均能在0.5s内完全显示出来；实时显示输送带、破碎机启/停状态和煤仓煤位高度等相关信息，如输送带启停状态、检修状态及运行速度，驱动电机及变频器电压、电流、开机时间、停机时间，移动变电站及组合开关的保护运行状态、通信状态、电压、电流、有功功率、无功功率、用电量、频率、相位、功率因数、零序电压、零序电流、高压电容电流和高次谐波、开关变位动作、继电保护动作信号、报警信号等参数；同时实时显示输送带和各种保护传感器的工作状态、输送带故障类型、分站之间通信是否异常等。

煤流智能控制系统平台还可提供输送带启停记录、破碎系统、煤水分离系统、电机电流、电机温度、带速、产量和瞬时流量历史趋势图查看、相关数据报表显示和历史数据查询。并可显示设备运行时间、状态数据、保存故障报警信息、系统用电量统计、记录设备电流、电压数据曲线及异常数据保存、产量统计。以上信息都可生成班组报表、周报表、月报表及年报表，其中设备运行时间状态数据、设备电流电压数据定期储存，故障报警信息、电量统计、产量统计等数据可永久保存。各组数据生成实时曲线和历史曲线，以备生产、管理需求使用。

针对大海则煤矿一井两面的生产现状，煤流智能调速系统建设了南北翼2套调速主控系统，分别采集对应区域工作面巷道输送带以及2条掘进巷道输送带煤量信息，对3条输送带煤量信息进行融合计算后给出大巷输送带运行速度控制指令。

煤流智能调速系统面向井下完整的原煤运输系统（图3），工艺对象为原煤煤流，控制对象为煤流经过各设备的运行状态，即各设备的执行机构。在工艺对象和控制对象之间，需要通过完善、精确的煤流负荷检测及计算数学模型建立起对应关系，该数学模型的准确性、时效性及可靠性，是直接决定煤流智能调速系统成功与否的核心环节。

图3　煤流智能调速系统调速时间统计界面

基于机器视觉的全矿井煤流智能控制技术及智能调速系统能解决针对煤矿生产特点，将视频分析、工业控制等系统集成，利用智能视频分析设备、PLC控制设备，通过输送带变频器形成一个智能化、多功能、全天候的动态安全智能闭环节电系统，做到智能视频与工业控制相结合，实现对输送带自动调速的智能控制。以输送带运输系统视频智能分析系统研究和关键设备研制开发为核心，综合运用通信工程、信息科学、控制工程等多种学科，采用理论分析、计算机仿真、物理模拟和现场测试等多种方法，开展系统的理论和方法研究，通过整合实验基地和矿井现场实验与应用的研究成果，建立可靠、有效和经济的输送带运输系统图像识别与保护技术，从而实现矿井主运输系统的安全、高效运转。

大海则煤矿煤流智能调速系统投入后，根据煤量实时调整输送机运行速度，实现“煤多快转，煤少慢转”，此前无论煤流量多少带式输送机始终长时间保持固定高速运转，无法根据煤流量实时调节运行速度，既浪费了大量电能，也加速了机械传动磨损，缩短了设备、材料、配件使用寿命，无形中增加了设备维护量和员工劳动强度。经过测算和试用比较，采用煤流智能调速系统后，节能降耗效果显著，有效延长了带式输送机的整机使用寿命；充分发挥变频器的效能，实现了设备的最优工况、最低耗能，最主要的是提高了矿井自动化、信息化、智能化水平，为矿井的安全生产、减员提效、提升管理效率提供了有力的技术支撑。经过几个月的运行、测试和分析，该系统性能稳定，运行安全可靠，节能降耗效果显著，为集团公司、行业和国家推广应用奠定了坚实基础。

煤矿井下环境复杂，隐患种类繁多。煤矿常见的安全生产事故隐患，可分为人的不安全行为、物（设备）的不安全状态及环境的不安全因素三大类。

本着急用先行的原则，优先对事件频发、后果严重的隐患实现智能检测，后续可通过对各种隐患样本收集、整理，逐步增加隐患识别的种类和识别率。煤流智能控制系统将带式输送机关键运行数据、视频识别分析、工业联动控制等集成，通用AI智能摄像仪、控制主机等组成一个智能化、多功能、全天候的动态AI识别系统，做到了视频机器视觉识别与工业控制相结合，既能实现对人员行为的识别，也能实现对矿井环境及物品（设备）状态等的识别。

结合大海则煤矿安全生产业务，利用AI智能识别控制平台，实现井下人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全因素等隐患的智能分析、报警，根据设置的隐患处理规则，实现隐患报警处理与分析，形成业务闭环，辅助监管人员，提升监管效率，减少煤矿井下事故的发生。基于AI的智能识别算法采用结构化视频分析处理技术，涉及视频采集、目标检测、目标跟踪、属性分类、目标轨迹分析、图像叠加、编码、RTSP推流。采用高速抓拍摄像单元，抓拍速度达到240fps，能够有效抓拍到高速运转输送带上的大体积煤块（或煤矸石，图4）、锚杆（图5）、托辊（图6）等各类异物的清晰图像。

图4　大块煤识别分析

图5　锚杆识别分析

图6　输送带跑偏识别分析

核心目标识别算法采用人工智能领域中卷积神经网络与全连接层构建技术、通过采用一体化卷积网络检测算法，直接将整张图像作为网络的输入信息，并仅通过一次前向传播直接得到目标包围框的位置和目标的类别，采用RPN中的多参考窗口技术，并进一步提出在多个分辨率的特征图上进行检测。在提高识别准确率的同时可保持极快的检测速度。采用高级的跟踪算法，通过预训练的神经网络模型提取目标物理特性、通过该模型计算每个目标的外观特征值，然后计算前后两帧中目标计算特征值之间的“余弦距离”来比较2个目标的相似度。这种方式可以有效地解决目标被遮挡、目标过于密集等问题，能够持续有效地跟踪目标物体，达到了对输送带运行健康状态分析、减人增效的效果。

利用图像识别技术实现对输送带运输系统的保护和控制，即通过视频分析的结果实现视频分析系统和输送带运输系统的联动控制。考虑到输送带运输系统的应用需求，并结合传统输送带运输系统的控制策略，输送带运输系统和视频分析系统的联动控制技术路线主要是定义报警和控制规则设定。

首先通过视频分析检测大体积煤块（或煤矸石）、锚杆、托辊等物体和输送带上是否有人等情况（图7），以实现对输送带运输系统的保护。之后根据视频分析结果定义如下规则：检测到输送带上含有大体积煤块（或煤矸石）、锚杆、托辊等，给出相关报警信号，提示报警；检测到输送带运行时的人员越界、周界违章，以及识别到锚杆、铁器等情况，给出相关故障信号，通过以太网通信输出到集中控制箱PLC直接控制输送带停车。

图7　人员周界违章入侵检测识别分析

经过算法的反复优化和完善，实现了煤炭运输智能调速启动方式，而且通过PLC和变频器等执行机构实现了带式输送机转速根据煤流量变化的“动态”调节；既节约了空载电耗，又实现了动态节能。通过降速运行、减少托辊等辅材消耗，延长了设备的使用寿命；应用煤流智能控制系统后节能率>15%，通过集中监控设备的运行状态，提高了对设备的实时管控能力；取消了原有带式输送机司机等岗位，减员20人，集中对设备进行运行操作，合理调度设备的运行时间，减少了设备空转，降低了能耗，提高了设备的运行效率。

主运输煤流智能控制系统能够实时采集并分析煤炭运输过程中的各种信息，如输送带状态、保护装置信号、煤位信号以及给煤机信息等，并通过智能分析这些数据，实现联动控制功能。这种智能联动功能可以根据不同的运输需求和工艺要求，智能调整输送带的运行状态，从而确保煤炭运输的高效与安全；同时通过实时数据监控和分析，可以及时发现并解决煤炭运输过程中的安全隐患，确保生产安全。此外，系统还可以对设备进行智能保护，减少设备故障的发生，降低事故风险。经过几个月的运行、测试和分析，该系统性能稳定，运行安全可靠，节能降耗效果显著。