无人采煤工作面系统

如图1所示。整个系统包括以下十个子系统。

1) 地面调度中心综采作业面数据监控与三维展示子系统

2) 井下顺槽设备列车的集控平台与软件子系统

3) 有线通讯网络及无线覆盖子系统

4) 综采工作面视频监控子系统

5) 具有远程测控和姿态检测的智能化采煤机

6) 支架姿态检测及支架电液控制子系统

7) 刮板、转载、破碎、皮带运输连锁控制与工况检测子系统

8) 供电设备及数据监控子系统

9) 泵站控制与数据监测子系统

10) 刮板机俯仰倾角及曲直变化检测传感器子系统

通过建立工作面实时工业以太网与无线覆盖网络，将各个相关设备联系在一起，实现与各个装置的数据通讯。在顺槽集控中心实现对工作面设备的远程控制，设备包括：采煤机、支架、刮板输送机、转载机、破碎机、负荷中心、泵站。对每个设备的工况数据采集、存储、显示、报警，远控。以采煤机位置为坐标，实现对采煤机与支架的视频跟踪切换，完成对整个工作面设备的可视化管理。

通过构建由井下顺槽控制中心、综采工作面有线/无线全覆盖网络、设备远程控制与语音通讯系统、工作面视频监控系统、数据分析与诊断预警、工作面设备姿态检测系统、转载机、破碎机、泵站以及胶带输送机的连锁控制等组成的自动控制平台，实现工作面液压支架、大型采煤机、刮板输送机的协调控制，完成综采工作面生产过程自动化控制功能，提高生产效率；并对主要生产设备工况的实时在线监测、及时发现故障隐患，提高设备开机率；将采集到的数据通过煤矿的高速信息网络传输到地面的调度中心，在地面调度中心设置存储服务器，对相关数据进行存储、显示和分析，实现数据共享与远程管理。

无人采煤工作面系统主要研制内容

智能化综采工作面集控平台主要包括：井下顺槽控制中心与地面操作平台；采煤机、支架、刮板输送机联动控制装置及工艺控制软件 ；综采工作面的通讯网络系统；工作面视频图像监控系统；相关设备的数据通讯规约及数据采集分析软件，乳化液泵站。

智能化综采工作面集控平台，包括采煤机、支架、泵站、刮板输送机、破碎机、转载机、皮带输送机等设备的工作状态的监测与生产运行自动化集中控制，通过与视频监控技术的结合，实现上述设备的远程遥控操作。顺槽控制中心采用高性能的防爆计算机和实时数据库采集软件，组成井下数据采集与监控系统，采用综采工作面专用控制装置，实现相关设备的控制。设计视频监控平台，实现对整个工作面的可视化图像监控。最终实现在顺槽控制中心对整个工作面生产情况与设备工况的实时监测，完成对采煤机实现远程启停/换向/加减速/调高/喷雾等操作控制，每个支架动作的远程控制与成组远程操作控制，根据工艺要求实现采煤机与支架电液控制系统的调协控制、根据运输系统自动调控采煤机运行、运输程序闭锁、保护与报警。分析软件对历史数据和实时数据进行分析与记录，还有权限管理功能。实现整个工作面设备的视频化远程集中控制，并结合高速通信技术实现工作与生产信息的网络化远程传输与人员视频对话功能；

地面操作平台与顺槽控制中心实现1000兆宽带数据通讯网络，可对工作面设备运行工况与生产情况进行实时观测，并可在紧急情况下对采煤机、支架、三机、泵站与皮带进行急停的网络化远程干预控制。地面集控中心的计算机对无人综采工作面的二维或三维模拟仿真，并实现与工作面可视系统的视频信号结合，实现模拟场景与现实场景一体化与随意切换； 如图2所示：

无人采煤工作面系统通讯网路平台

采用有线网路与无线网路相结合的通讯技术，采用无线网络为工作面移动设备数据传输提供了通道，为工作面自动化的实现起到了关键作用。通过该网络实现采煤机的工作状态监视与控制和视频图像的实时跟踪。

在煤矿的综采自动化控制系统中要想实现操作人员离开工作面，实现综采设备的远程控制，必须通过有线或无线的通讯方式实现对采煤机的数据采集与监控，采煤机作为一个移动的设备，采用有线通讯的方式。这种通讯方式，由于电缆的折叠与移动，经常发生断线，维护困难。再加上与动力电缆同缆传输，信号干扰严重。更好的通讯方式为无线通讯。在本项目中，实现整个工作面的无线覆盖，实现与采煤机的数据通讯、视频传输，不仅满足通讯带宽的要求，而且避免拖缆中来回折叠产生的光线或电缆折断的问题，属于关键的技术。

无人采煤工作面系统综采可视化

综采工作面可视化无线监控系统是专业为煤矿综采工作面量身打造的集视频监控、网络传输、无线手机通讯为一体的井下无线网络平台。针对工作面大粉尘、照明差、区域狭长、设备动作复杂不宜敷设固定线路等特点，为可视化综采工作面提供最佳解决方案。实现对整个工作面的可视化远程控制，是整个系统的重要组成部分。

通过视频监控系统传送的工作面图像，操作人员才能根据煤层变化情况、滚筒截割情况、支架状态等信息，必要时对采煤机进行远程干预，干预操作功能与操作人员跟机作业时相同，可实现采煤机所有动作的干预。通过远程干预可以避免在地质条件变化或煤层变化时采煤机切割到岩石等情况的发生。自动跟踪实时视频监控系统，对工作面设备安全运行提供了有效的保证。

工作面视频图像监控系统是实现工作面可视化的重要组成部分，将视频数据通过无线网络和有线网络相结合的通讯方式传输到工作面集控平台，实现图像自动跟着采煤机移动功能，采煤机运行到什么地方，对应位置的视频图像实现切换。实现对采煤机的随机监控。针对工作面煤尘大，采用气体保护技术实现对镜面的专利保护技术。使操作司机通过视频画面随时了解现场情况。通过智能化综采工作面集控平台实现对现场设备的远程干预。

无人采煤工作面系统实时控制系统

1) 采煤机与支架电液控制系统的整体协调控制技术

该技术将采煤机的自动记忆截割和支架根据采煤机位置自动追机拉架和实时视频跟踪看成一个整体的控制工艺，实现整体协调、安全保护与可视化控制。

智能化综采工作面集控平台可以根据采煤工艺的要求，设定不同的工作模式，实现支架、采煤机与刮板输送机等设备的协调联动控制。通过仿真还原采煤机的工作姿态和支架的工作姿态，计算各设备时间的相对位置关系，预测各个设备之间的运行轨迹，实现不同设备间联动闭锁；实现采煤机的记忆截割功能，结合采煤工艺，完成支架与采煤机的跟机作业，斜切进刀、调斜等功能要求，将整个工作面联系成一个有机的整体。

按照定位与导航技术控制采煤机自动割煤，控制支架根据采煤机位置实现自动追机拉架。实现工艺要求的斜切进刀、端头扫底煤等各种工艺的远程协调控制，对于综采工作面采煤机的自动截割技术以及支架电液控制技术，均是独立的控制系统，还未实现工作面整套综采装置的整体协调控制。将工作面整套装置作为一个控制的整体，对采煤机自动记忆截割和电液控制系统的拉架、推溜、打护帮板、收护帮板以及间架喷雾等随机联动控制。采用嵌入式防爆计算机与采煤机和电液控制系统通讯，通过程序智能化控制软件进行综采设备整体与整个作业流程的自动控制、适应、保护、调整和修复。同时，采用视频实时跟踪技术，实现工作面设备可视化远程自动操控。

2) 根据运输系统的负荷大小，自动调控采煤机的生产能力

主要通过采煤工艺智能化控制系统来实现，采煤机采煤速度与刮板机运输系统存在负荷匹配关系，采煤机与支架移架速度也存在相互协调配合的问题。通过采煤工艺智能化的协调控制，使工作面整体系统工作在最佳状态，实现工作面协调、安全、可靠的生产。以运输系统的负荷参数控制采煤速度，实现设备之间的均衡作业；通过调节采煤机截割高度和运行速度。

工作面运输系统与采煤机仅有起停上的逻辑连锁，没有负荷上的调节配合，经常出现设备过载停机，采煤速度的调控靠人员进行调节。本项目中，我们将设备负荷的自动调节，纳入整个采煤工艺智能化控制系统中。当刮板输送机承载状态发生变化时或刮板输送机过载时，采煤机将自动改变割煤速度、深度来调整生产能力。即根据运输系统的负荷变化，自动调控采煤机的牵引速度，调整生产能力。

3) 远程人工干预与记忆截割相结合的采煤机控制技术

由于综采工作面地质条件和环境极为复杂，因此采煤机在不同的位置采高控制不是固定的，需要根据顶板岩层的变化而变化。其牵引速度也是根据负荷而变化。因此，采煤机需要通过人为操作一个循环割煤周期自学习一遍。在远程遥控时，采煤机将根据学习时的记忆数据进行割煤。但是如果工作面情况与学习记忆数据极端不一致时，需要人为手动干预，这时，需要清晰的视频图像作为干预控制的基础。综采工作面工况复杂，靠传感器不能检测到所有的现场情况，采用摄像机观察工作面的情况是不可缺少的监控手段，与传感器相互配合，是操作司机能够远程操作的重要依据，是人目视范围的延伸，因此，可视化与记忆截割相结合，才能实现真正的远程遥控。但由于工作面煤尘较大，影响摄像机视频图像的清晰度，对此，我们专门对前端摄像机采取了气体防尘的专利技术研究。对网络通讯采用无线传输技术。通过软件实现采煤机远程可视化控制。

无人采煤工作面系统系统实现目标

1) 通过视频监控系统，对安装传感器无法完成的设备状态进行可视化监视，实现工作面的可视化管理。

2) 通过建立有线、无线通讯网络，实现与各相关设备数据的采集与远程控制。

3) 通过采集刮板机的倾角和顺槽的标高，建立数据库存储相关数据，反应整个工作面的地形情况和煤层走向。控制采煤机的卧底量，避免刮板机垂直弯曲度大于3度，实现刮板机与顺槽的平滑过渡。

4) 通过采集两节刮板机的夹角，反应刮板机是否在一条直线及弯曲段的位置，将此数据发给支架电液控制系统，调节推移油缸步距，最终实现工作面的调直。

5) 通过采集采煤机的位置信号，作为整个记忆切割和追机拉架的坐标，实现端头的精确定位，免避采煤机超出行程割断电缆，并实现视频图像的跟机切换。

6) 采集采煤机机身和摇臂倾角，计算出采煤机的采高和卧底量，控制采煤机的运行。

7) 通过采集采煤机的振动、声音和负荷，给操作司机提供采煤机是否割到岩石的判断信息。

8) 通过采集采煤机的电流和速度，实现采煤机速度的闭环控制，调节不同位置的牵引速度，并结合运输系统的负荷大小，控制采煤量。

9) 通过采集电液控制系统前护邦、伸缩梁是否收回的判断信号，与采煤机控制相配合，避免出现与支架的干涉与碰撞。

10) 通过采集电液控制系统支架顶板的倾角，调节顶板支护情况，使顶板尽量平直接顶，避免出现支架的“翘架”，并与左右领架比较，对出现异常情况进行报警。

11) 通过采集支架间人员定位，给操作司机远程控制提供信息，避免出现安全隐患。

12) 通过采集支架的立柱和前护邦的压力，判断支架是否支护到位，当压力小于初撑力时，系统进行自动补压预紧。并将相关压力数据上传调度中心，实现综采工作面矿压监测。

13) 采集支架推移油缸的行程，通过行程判断支架是否拉架到位，与采煤机的位置和速度相比较，如果拉架滞后超过设定范围，调节采煤机的速度，使采煤机位置和拉架在设定范围之内。

14) 根据采煤工艺，建立控制流程，控制采煤机、支架和刮板机按设定的流程和步骤进行运行。

15) 采集刮板机、破碎机、转载机的温度信号，当温度到达设置的预警值时提前报警。当温度超过了停机设定值，急停设备。

16) 采集采煤机、刮板机、破碎机和转载机的水流量和压力值，实现提前预警，当超过设置的停机值时，急停设备。

17) 采集采煤机、刮板机、破碎机、转载机、自移机尾和皮带的开停机信号，实现设备的联锁启停。

18) 采集设备的开关量报警信号，显示报警。当收到报警停机信号时，联锁停机。

19) 采集设备的电流、电压和功率，判断设备的运行负荷，过载保护停机。

20) 采集采煤机、刮板机、破碎机、转载机、自移机尾和泵站的油温和油位信号，显示报警，当收到报警停机信号时，联锁停机。

21) 采集采煤机轴承振动传感器报警信号，显示报警。当收到报警停机信号时，联锁停机。

22) 将工作面的相关数据传输到地面，实现在地面进行数据的存储并通过计算机网络实现共享，达到生产管理信息化。

无人采煤工作面系统结束语

无人值守的煤矿综采工作面自动化控制，是21世纪采矿工业的研究热点,能够提高我国煤炭生产设备的研究设计与生产制造能力。2100433B

综采工作面是现代化煤矿生产的主要环节，是煤矿生产中设备最多、环境最恶劣、工作最复杂的系统，至今一直是各国大力研究的课题。智能化综采工作面控制系统，实现采煤作业的自动化控制以及远程遥控；通过采煤机记忆截割调节控制，采煤机、支架电液控制、运输系统的整体协调控制技术，实现设备的就地/集中/远程三级网络管理，系统能够根据运输系统负荷的大小，自动调控采煤机的生产能力；通过无线网络覆盖，实现移动设备采煤机在工作面环境下的可靠通讯，视频、语音、数据三网合一，解决整个作业面的通讯瓶颈，割煤过程视频自动跟踪监控；根据设备之间传感器的物联网技术，实现相关设备的姿态识别，故障提前预警，实现工作面协调、安全、可靠的生产。整个项目技术达到国际先进水平。

采用先进的数字化控制技术，实现工作面综采自动化是21世纪采矿工业的研究热点,能够提高我国煤炭生产设备的研究设计与生产制造能力。

采煤工作面采煤工作面整体长度设计

对工作面走向长度的探讨 在当前技术条件下，我国煤矿井下采煤工作面的走向长度是值得探讨的问题。合理的工作面走向长度应能够在最大限度地养活搬家次数的同时，提高煤炭资源回收率。当然，也不是越长越好，而应在摸清工作面具体地质条件的基础下，以具体地质条件和生产接续、配套设备条件等多方面因素为依据，对工作面走向长度予以合理设定，当前我国大型煤矿综放工作面走向长度大多介于 1100～1400m 间。

采煤工作面采煤工作面顺槽布置

轨道顺槽布置问题 对于轨道顺槽的布置问题，应在考虑到巷道服务时间、变形等因素的同时，以矿井具体生产实际和地质条件为依据，在布置临近采空区采场时，将轨道顺槽沿空侧通长布置，并留置与老空区 3.5m的保护煤柱。

运输顺槽布置问题 为便于顺槽电机与皮带的安装，运输顺槽宜沿坡度设置机头段。并保证与联络巷连接位置处留有 20m 的平段，见煤层后再沿煤层底板掘进。同时，运输顺槽内的皮带应内错布置，皮带应与运输顺槽巷道和轨道顺槽巷道保持合理的距离。

运输顺槽联络巷布置问题 运顺联络巷布置是采煤工作面施工的重要环节之一。运顺联络巷布置在运顺东侧或西侧，应以具体的井下地质条件为主要依据，并避免应力集中，以避免给顶板管理构成安全威胁，同时，应尽量减少巷道工程量，只有这样，运顺联络巷的布置才能够保证顺利通过立交，且不需要增加运输环节。

采煤工作面采煤工作面支架保护

采煤工作面合理支护的原则分析 当采煤工作面支护面积较大时，可以单根支柱支护，结合特殊顶板的特殊支护方式来进行，这样能通过良好的顶板控制对支护面进行完整支护，从而构建一个相对最优的采煤作业空间。与其它区域比较，顶板集中点承受的压力相对较大，如果失控就可能发生冒落，对比其他地区的承受压力，顶板集中点的压力将大大增加，失控的顶板或许发生冒落。因此，应合理选择排数和排距的相关数据，有效防止过小或过大排距现象的形成，以避免顶板提前脱离煤层而发生冒落。

端头支护管理工作优化 煤矿井工作面的安全开采直接受到工作面端头支护，以及高强度支护和大面积支护的影响。因此，选择更加合理的采放工作面端头方式方式，并在支护效果良好的基础上，进行经济成效更显著的施工作业无疑是可行的。过渡支架要选择最佳位置，输送机前后机头或机尾位置是最好的选择，当然，应当在支架的一侧设置相应的输送机减速器和前后驱动电机，这是确保采煤工作面全程保持与输送机中心距离长度一致性的有效措施。同时，特殊架构支架，也就是过渡支架必须设置于输送机过渡段。这个过程中，考虑如下过渡支架的如下问题：①要减小纵向基本架长度、输送机前后中心距，应最大限度地减小底座箱上部结构过渡支架的纵向尺寸。②后尾梁的掩护设置范围应尽可能适中，高度也要进行适当调整，这样能够保证相对宽裕的动作、移动空间和过煤空间。③与过渡架相应的基本架，应当具备放煤的功能，如采取单摆杆机制，使其在加大两排四柱架构后部空间的同时，避免底座与摆杆间千斤顶的失衡。同时，还应通过后尾梁与销轴合理连接的顶梁，进一步平衡千斤顶，从而调整尾梁达到适度的高度与状态，进而确保和控制纵向架的稳定性，实现合理控制放煤的目的。

第1章绪论1

1.1无人系统的基本概念和内涵1

1.2无人系统的意义及作战使命分析1

1.2.1无人系统的意义1

1.2.2无人系统的任务使命2

1.3无人系统的作战运用准则6

1.3.1无人系统的军事需求与作战伦理之间的平衡7

1.3.2无人系统的运用准则8

1.4无人系统的发展现状及趋势分析9

1.4.1无人系统的发展现状9

1.4.2无人系统的发展趋势10

第2章军用无人系统的总体设计14

2.1用户需求分析15

2.2技术需求转化16

2.2.1功能需求18

2.2.2性能需求18

2.2.3接口需求18

2.2.4环境需求18

2.2.5可靠性需求18

2.2.6安全性需求19

2.2.7需求分解、分配和确认19

2.2.8技术标准 19

2.3总体设计技术21

2.3.1逻辑分解21

2.3.2设计方案21

2.4多学科优化设计方法25

2.4.1多学科优化设计的知识体系25

2.4.2分析建模中的关键技术25

2.4.3多学科优化设计方法28

第3章无人系统的控制与导航制导技术31

3.1自动控制系统31

3.1.1控制系统总体31

3.1.2先进的控制技术34

3.1.3自动驾驶仪的实现35

3.2自主导航与制导技术37

3.2.1惯性导航技术37

3.2.2卫星导航技术38

3.2.3组合导航40

3.2.4导航技术发展趋势41

3.2.5自主制导技术41

3.2.6寻的制导技术43

3.3导航与控制系统47

3.3.1概述47

3.3.2导航系统与避障技术48

3.3.3基于图像的辅助导航技术52

第4章三维在线路径规划技术58

4.1在线路径规划及空间表示方法概述58

4.1.1在线路径规划方法58

4.1.2规划空间表示方法58

4.2Dubins路径59

4.2.1基本知识59

4.2.2Dubins路径的基本概念60

4.2.3微分几何法计算Dubins路径长度61

4.2.4两点间Dubins路径生成64

4.2.5仿真分析65

4.3三维路径生成方法67

4.3.1三维Dubins路径最优解分析67

4.3.2螺线模型三维Dubins路径生成方法68

4.3.3二平面模型三维Dubins路径生成72

4.3.4仿真分析79〖HJ〗

第5章图像智能信息处理技术81

5.1图像配准技术81

5.1.1图像配准技术的发展现状81

5.1.2图像配准的方法综述81

5.2图像获取的系统模型84

5.2.1相机透视投影成像模型84

5.2.2相机运动与成像关系86

5.3图像特征提取方法92

5.3.1基于仿射不变量的特征区域提取92

5.3.2基于尺度空间的特征点提取97

5.4图像特征配准方法105

5.4.1相位相关法105

5.4.2特征点匹配法106

5.4.3最邻近的NN算法107

5.4.4k-d树算法108

5.4.5BBF算法109

5.4.6去除错误配准特征点算法110

5.4.7仿真分析112

5.5图像的拼接方法114

5.5.1图像变换与配准误差计算114

5.5.2图像变换插值115

5.5.3图像的融合研究117

5.5.4图像拼接方式119

5.5.5仿真分析122

5.6基于光流场的动目标信息提取技术126

5.6.1光流场126

5.6.2球面光流场128

5.6.3光流场分布129

5.6.4球面光流场景深信息提取132

5.6.5基于时空梯度的球面光流算法135

5.6.6景深探测机制与计算方法136

5.6.7球面光流场景深探测仿真实验138

第6章无人系统任务载荷与数据链路142

6.1任务载荷142

6.1.1不同任务使命下的有效载荷及设计142

6.1.2任务载荷的应用概况及发展趋势150

6.2数据链路153

6.2.1概述153

6.2.2数据链路的机构与原理153

6.2.3对数据链路的特别要求154

6.2.4数据链路的抗干扰分析155

6.2.5数据链路的发展趋势156

6.3无人系统的互操作技术157

6.3.1概述157

6.3.2互操作技术标准158

6.3.3人与无人系统之间的互操作技术161

6.3.4无人系统与有人武器系统的互操作技术163

6.3.5我国发展军用无人系统的互操作技术建议165

第7章炮射巡飞弹总体设计实例167

7.1炮射巡飞弹系统的系统分析167

7.1.1任务设想167

7.1.2系统需求分析167

7.1.3系统质量功能开发168

7.1.4系统功能流图169

7.1.5系统的顶层系统结构169

7.1.6技术指标分析171

7.1.7作战运用方式171

7.2炮射巡飞弹系统的概念设计与评估173

7.2.1概念设计173

7.2.2概念设计评估与向下选择175

7.3炮射巡飞弹系统的总体方案设计178

7.3.1总体技术方案178

7.3.2炮射巡飞弹系统工作过程分析178

7.4炮射巡飞弹系统的结构设计184

7.4.1母弹设计方案184

7.4.2套筒设计方案187

7.4.3巡飞弹设计方案190

参考文献195"

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采煤工作面监控，是指对采煤工作面上的采煤机、输送机和液压支架等机械进行的集中监控。

中文名称

采煤工作面监控

英文名称

coal face supervision

定　　义

对采煤工作面上的采煤机、输送机和液压支架等机械进行的集中监控。

应用学科

煤炭科技（一级学科），矿山电气工程（二级学科），煤矿监测与控制（三级学科）