文章来源：《智能矿山》2024年第8期 “太阳石科普”专栏

作者简介：原钢，助理研究员，主要从事为煤机智能控制工作

作者单位：中国煤炭科工集团太原研究院有限公司

引用格式：原钢.煤矿掘进工作面的“智慧舱” ——井下集控中心[J].智能矿山，2024，5（8）：25-29.

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掘进工作面集控中心的外在主要包括外形结构和内部结构的设计。制约掘进工作面外形结构设计的因素包括掘进巷道尺寸、安装位置、运行工况、运行环境。制约掘进工作面内部结构设计因素则包括外部结构尺寸、功能要求、操作舒适度。掘进工作面结构设计导图如图2所示。

图2　掘进工作面结构设计导图

针对以上制约因素，典型的井下集控中心进行了如下设计。

为了有效过滤煤矿井下粉尘，优化作业人员工作环境，井下集控中心设计了适用于煤矿井下的新风系统，通过煤矿井下内外进行空气交换，能够快速地排出室内浑浊污染的空气，同时风口处配备滤网；为了有效防止与煤矿井下顶部安装的风筒干涉，能适应煤矿井下巷道多种复杂工况，井下集控中心操作室后侧设置了凹形空间；为了适用于薄煤层、中厚煤层和厚煤层煤矿，并满足可架设在井下自移机尾刚性架上的需求，底部设有安装架，可实现跟机行走。

操作室操作台面基于人体工程学，根据井下操作人员穿戴劳保用品后的静态尺寸为依据，调整座椅高度，优化操作台面的高度，并根据操作人员日常作业时的习惯，对急停按钮、方向盘、操作面板及本安型无线键盘和鼠标的位置进行了人性化的摆放，使得操作区域不超过两手臂间自然放松时的距离，从而提高了操作人员的工作舒适度和工作效率。

设备工况状态界面依据操作人员作业时的视线高度，分为上下2层结构，水平方向最大显示距离在双眼左右40°以内的区域，垂直方向最大显示距离在标准视线以下30°，可以消除因视线遮挡而存在的观测盲区，同时可以减少工作中操作人员频繁扭转头部的情况，降低了工作的疲劳度，提高了操作人员的舒适度；为了满足无人操作时的抗震性，防止座椅滑动碰撞造成操作室的损坏，操作室底板设有滑轨，座椅通过自锁装置连接到滑轨处。典型井下集控中心的外观效果如图3所示。

图3　集控中心外观效果

典型井下集控中心内部集成4台以上控制主机、并配备有宽屏显示箱、嵌入式操作面板、键鼠一体式不锈钢键盘、音箱、麦克风、照明灯、360°球形摄像仪和急停按钮等。将操作台、防爆显示器等设备合理布局后置于其中，大屏独立显示，给操作人员提供安静、优良的工作环境。依据掘进工作面多样性装备分别对各显示内容进行合理布局，以集中−联动思想为基础，设计不同指令下的高集成操作面板，借助于网络通信信号实现工作面所有设备的远程集中控制。典型井下的集控中心内部组成示意如图4所示。

图4　集控中心内部组成示意

经过不同条件的矿井巷道的部署应用，掘进工作面井下集控中心验证了其不一般的外在，井下集控中心在掘进工作面受限空间内，复杂的运行工况和恶劣的环境条件下实现了安装固定的牢固可靠，操作人员的舒适安全和硬件布局的合理全面。某复杂条件下井下集控中心在自移机尾布置现场如图5所示。

图5　井下集控中心现场布置

井下集控中心在诞生之初便被人们亲切的称为“大脑”，这也生动体现了其“控制”的核心功能。以当前煤矿广泛应用的掘锚一体机为龙头的快速掘进成套装备为例，井下集控中心要将4类以上设备的20多道工序集成在一起实现控制，并且要实现不同装备间的协同控制与自动控制。这对其控制与通信都提出了严格的要求。典型井下集控中心的控制结构如图6所示。

图6　井下集控中心控制结构

由图6可知，井下集控中心首先通过融合通信网络将掘进装备、锚护装备、转载装备和运输装备的位移、压力、温度、电流等传感器信息进行采集，依据掘进工作面的环境条件，在中央控制器实现多传感器信息的融合，中央控制器将融合后的感知信息与各设备的运行状态通过数字孪生技术在人机交互界面实现实时再现；并依据融合感知信息与掘进工艺，进行关键工序的自动化集成，将集成后的控制指令按照规划时序发送给各单机设备控制器。典型的自动控制功能包含自动截割、辅助锚护等。

此外，井下集控中心利用多设备信息的集成优势，可实现对不同装备，不同工序的统一调度规划，实现了掘进工作面人−机−环的安全闭锁运行，典型的协同控制算法如一键启停功能，即结合实际作业时的工艺，将割煤作业时设备的启停按照煤流顺序进行集合，通过井下集控中心控制器算法进行集中控制，通过操作面板实现一键操作。操作人员在井下集控中心或地面操作后。此时可直接进行割煤作业。设备启动时按照逆煤流逻辑启动防止积煤，算法中包含严格闭锁机制，若设备遭遇故障，前级自动停机闭锁。设备启动后，操作人员可进行自动截割开始割煤，割煤作业完成后可一键操作停机，设备按照逆煤流顺序停机，并对此次流程数据进行分析记录。该技术直接实现了割煤作业的自动化工艺流程，形成一套闭环的远程一键割煤作业系统。典型的掘锚一体机快速掘进成套装备启停顺序如图7所示。

图7　典型的一键启停流程示意

有了地面集控中心后，井下集控中心是否可以取消？这是智能掘进建设过程中常遇到的问题。我们可以设想取消井下集控中心，直接采用地面监控方式，依然可以实现远程监控功能。但随着云−边−端智慧矿山架构的提出和物联网、人工智能、大数据及AI技术与煤矿智能化技术的深度融合，笔者认为井下集控中心作为信息的中转站和边缘端，有着不可替代的地位。高速稳定的网络通道是实现智能控制的前提和基础。典型的智能掘锚成套装备通信网络为集群设备的多信息融合网络结构，由三级结构组成，分别为工作面设备端，井下集控中心以及地面调度室，如图8所示。控制优先级为工作面设备端Ⅰ级，井下集控中心Ⅱ级，地面调度室Ⅲ级。井下集控中心作为网络中转与控制第二级结构担任着掘进远程控制的重要角色。

图8　掘进工作面井下集控中心通信结构

与地面集控中心相比，在空间位置方面，井下集控中心通常位于掘进工作面后方100m左右，既实现了远离工作面的安全性需求，又可对井下装备运行工况进行现场及时纠正与优化；在数据处理方面，井下集控中心可将掘进工作面成套装备信息进行预处理，与地面云服务器进行配合从而达到高效的数据处理流程；在网络结构方面，井下集控中心可作为网络中转，连接设备网络与矿方环网，井下集控中心作为掘进工作面信息的集散地，智能控制的第1道关，毫无疑问的是智能掘进控制的核心基础，是云−边−端架构中边缘端的具体实现方式，是煤矿井下工人高效操作的可靠操作平台。

随着AI等新兴技术的进一步发展，在地面我们逐步看到了汽车无人驾驶等先进功能的实现，但是在煤矿井下，在掘进工作面，实现无人化操作还相距甚远。井下集控中心当前基本实现了掘进工作面成套装备的实时监控、远程控制、协同控制等功能，但在现场的实际应用过程中，其弊端和不足也逐步显现，主要包括以下4个方面。

（1）在操作方式方面，一是未全部实现一键式简单操作，存在复杂的操作步骤，二是操作时工人需要时刻关注画面，无法实现快速直观的反馈。

（2）在实时监控方面，现有监控界面虽然实现了部分动作的实时映射展示，但是多数存在不直观的问题，多数信息不具备参考性，未对复杂反馈信息进行筛选与合理规划。

（3）在空间设计方面，仍然存在着较大的空间可进行压缩利用，受限空间内集控中心内部检修困难，控制箱、显示箱、操作面板布局还需进一步优化。

（4）在智能控制方面，缺乏以数据驱动的深度学习算法和智能决策功能的实现。

未来，随着煤矿智能掘进现场使用经验的增加与数据积累，井下集控中心的技术革新将日趋增加，作为掘进工作面的“智慧舱”，全新的交互体验方式与自主决策控制算法将成为井下集控中心的发展主流方向。当前，AI技术突飞猛进，大数据处理逐步彰显价值，AR、VR等操作方式正走进千家万户，这也让我们对掘进工作面井下集控中心充满遐想，针对当前井下集控中心各方面功能的欠缺，与各项技术融合后的开发构想，如图9所示。

图9　掘进工作面井下集控中心优化

试想，未来工人能否坐在这个“智慧舱”，通过语句指令，井下集控中心便会自己判断做出动作。设备出现故障，能否由“智慧舱”立即给出合理答案？相信随着这些高新技术与井下集控中心的逐步融合，未来，井下集控中心也必将成为真正的“智慧舱”，为煤矿掘进装上“大脑”。