CN101175894A - 开采方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供开采方法和装置。本发明提供了一种用于开采操作中的层位控制的方法和装置。从矿层(1)切割新产品(3)。切割露出了新切产品面(25)。在紧邻刀具(11)的位置处观察新切产品面(25)。根据IR观察来记录在观察上限与观察下限之间的任何温度反差区域。确定温度反差区域(33)的至少一个高度坐标位置，并且提供所确定的高度坐标位置的输出信号，从而该输出信号可用作层位控制的层位基准。

Description

开采方法和装置
技术领域
本发明涉及开采方法和装置，具体但不排他地涉及适用于长壁开采应用的方法和装置。本发明可应用于其他开采应用中，并不排他地限于长壁开采。
背景技术
至今为止，已知提供了开采方法和装置以控制从矿区中的产品矿层开采产品。一种已知的长壁开采方法包括在切割的垂直壁与切割的上壁或下壁相交的区域处紧邻刀具的位置观察来自新切产品面的红外线(IR)辐射。该方法通过记录在垂直切割壁与水平切割底部或水平切割顶部的相交处是否出现IR温度升高而确定矿区中的产品矿层的上限或下限。当刀具在紧接产品矿层的上方或下方的顶部或底部中切入地层时出现IR温度升高。这是因为地层通常比矿层中的产品硬，因此地层在切割过程中比产品发热更多。从而，通过记录该区域处的IR温度升高，人们可确定矿区中产品矿层的上限和/或下限。可生成限定矿层上限或下限的信号，从而可控制开采机使刀具不要切入上面或下面的地层。
这种方法和装置是有用的，然而，该方法和装置存在缺点，并且不时地有可能开采和切割具有产品的上面或下面的地层。这样在开采设备上施加了过度的载荷，使产品含量变低并且引起了其他生产问题，包括矿区中灰尘的增加，而这又影响了矿区中的人员安全。
发明内容
需要一种改进的方法和装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种开采操作中的层位控制方法，其中从产品矿层的开采面切割开采产品，所述方法包括以下步骤：
利用使新切产品面露出的刀具从矿层切割产品；
在紧邻刀具的位置视觉观察来自所述新切产品面的IR辐射；
根据所述IR观察来记录在观察上限与观察下限之间的任何温度反差区域；
确定至少一个温度反差区域的至少一个高度坐标位置；以及
生成所确定的高度坐标位置的输出信号，从而使所生成的输出信号可用作层位控制所用的层位基准。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于与开采机层位控制装置一起操作的感测装置，
所述感测装置具有：图像获取部，该图像获取部用于接收紧邻开采机刀具的新切开采产品面的观察位置的IR图像信号；
信号处理部件，该信号处理部件处理获取的IR图像信号，以记录在图像上部与图像下部之间的至少一个温度反差区域；
高度位置部件，该高度位置部件接收由所述信号处理部件处理的任何记录的温度反差区域，并计算记录的所述至少一个温度反差区域的高度位置；以及
信号输出部件，该信号输出部件向所述开采机层位控制装置提供所计算出的高度位置的输出信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种识别从矿区中开采面开采的产品中的可热识别结构的方法，其中刀具切割产品并露出新切产品面，
所述方法包括以下步骤：紧邻刀具地视觉观察来自所述新切产品面的IR辐射；
根据所述IR观察记录至少一个温度反差区域，并通过(1)所述至少一个温度反差区域的尺寸大小或者(2)在温度阈值之上的反差区域来确定开采产品中的可热识别结构。
根据本发明的另一方面，提供了一种在从矿区中开采产品时识别开采产品中的可热识别结构的装置，
所述装置具有：图像获取部，该图像获取部用于接收紧邻从矿区切割产品的开采机刀具的新露出切割产品面的观察位置的IR图像信号；
信号处理部件，该信号处理部件处理获取的IR图像信号，以记录至少一个温度反差区域；
图像处理部件，该图像处理部件通过(1)记录所述至少一个温度反差区域的尺寸大小或者(2)记录所述至少一个温度反差区域在温度阈值之上的大小来识别开采产品中的可热识别结构；以及
输出部件，该输出部件提供指示所述开采产品中的可热识别结构的输出。
附图说明
为了更加清楚地确定本发明，下面将参照附图基于长壁开采应用描述本发明的实施方式的实施例。如上所述，本发明不限于长壁开采应用并且以下描述仅作为示例。对于其他开采应用，可以以类似的方式利用这里所概述的原理。
附图中：
图1是地深处的长壁开采过程的图解立体图，
图2是与图1类似的示意图，表示在新切产品面处展示呈夹层(band)形式的IR反差区域的开采产品矿层，
图3是示意图，表示在刀具区域中矿层上限与矿层下限之间的位置处观察新切产品面的IR摄像机的视野，
图4是表示如图3所示的IR摄像机的视野的图，但示出了用于记录温度反差区域的基准位置，
图5是表示沿着图4所示的基准线测得的像素的图像像素灰度级浓度水平的曲线图，
图6是表示热反差区域相对于开采机位置的高度的曲线图，
图7是功能框电路示意图，表示用于处理IR反差区域照片图像信号的装置，所述IR反差区域照片图像信号是从视觉观察来自新切产品面IR辐射的IR摄像机获得的，
图8是与图7示意性示出的装置一起使用的处理算法，
图9是类似于图3的图，但表示对新切产品面的用于确定矿层上限或下限的第二IR观察，
图10是类似于图7的示意性框图，但表示添加了用于处理产品矿层上限和/或下限的部件，
图11是与图10所示的装置一起用于确定矿层的上限和/或下限的算法，
图12是表示用于开采机的层位控制的输出的算法，并且
图13是表示开采机的自动层位控制的功能图。
具体实施方式
在以下描述中，讨论长壁开采应用。如上所述，本发明的概念不限于长壁开采。本发明的概念可在其他开采应用/技术中实践并且本发明应认为也延及到那些其他的开采应用/技术。
图1是表示矿区中产品3的矿层1的图解立体图。通常，产品3是煤，但其也可以是其他物质。煤通常成层沉积在矿层1中。矿层1由上地层5和下地层7定界。煤可以按不同地质物质(例如煤本身、粘土或灰或其他厚度和硬度不同的物质)的层沉积。这种分层可能表现为煤的矿层1中的薄层位线状夹层。这些线状夹层牢固地连到矿层1的轮廓。因为这些线状夹层牢固连接到矿层3的轮廓，所以我们已经意识到通过记录这些线状夹层的一个或更多个，我们可以提供一种用于设置开采机层位控制所用的基准线的手段。通常，夹层不总是可用裸眼清楚看见的，需要一些自动处理来检测一个或更多个夹层并且提供可供开采机传统层位控制电路用于控制开采机并由此控制所承载刀具的层位位置的输出信号。
图1表示局部开采的矿区，其中开采机9承载有旋转的刀辊(cutterdrum)11。刀辊11承载在可相对于开采机9上下摆动的臂13上。开采机9承载在越过矿层1的宽度(或者至少越过矿层1的预期开采区域的宽度)延伸的轨道装置15上。开采机9沿着轨道装置15运动并且臂13升高或降低从而使旋转的刀辊11从矿层1切割产品3。在一些情况下，开采机9可具有位于开采机9的另一端的第二臂13和刀辊11。在这种情况下，一个刀辊11从矿层1向上朝向矿区的顶部17切割产品3，另一个刀辊11向下朝向矿区的底部19切割。通常，顶部17被确定在矿层1与上地层5之间的界面处。类似地，底部19被确定在矿层1与下地层7之间的界面处。悬伸的顶部17由多个止挡件(chock)21支撑。只有两个止挡件21示出，但实际上，沿着轨道装置15的长度具有许多彼此相邻隔开的止挡件21。止挡件21在它们的下基部区域处与轨道装置15连接，并且可在开采机9经过之后被操作而将轨道装置15向前朝向矿层推动。止挡件21可被进一步操作，随即将它们自身作为整体朝向轨道装置15拉动，从而使上支撑臂23移近矿层1的新切产品面25。用于使开采机9移动并使刀辊11和止挡件21的运动摆动的技术认为在长壁开采技术中自身已知，这里不再进一步详述。
图2是表示如图1所示的产品3的矿层1的分解立体图，其中没有上地层5、下地层7、开采机9和止挡件21。这里，清楚地示出开采机刀辊11已经切割出新切产品面25，该新切产品面25包括越过矿层1从一侧到另一侧延伸的直立壁27。其还包括在矿层中的深度等于刀辊11的深度的直立端壁29。图2还示出了平行于新切产品面25延伸的在先切割的产品面31。图2还示出了贯穿矿层1延伸的单个夹层或地形(feature)33。实际上，可存在一个或更多个全部大致在彼此平行的平面中延伸的夹层或地形33。夹层或地形33一般是平的，但是由于矿层1的分层特性而存在一些下降和其他轮廓。通常，夹层或地形33由硬度比产品3本身的硬度大的物质沉积而成。在一些情况下，夹层或地形33可用裸眼进行视觉辨别，但是也可能不能用裸眼看见。
我们已经发现，如果观察从邻近刀具11的新切产品面25发射的IR辐射，那么夹层或地形33表现出的IR辐射级别比周围产品3的级别高。这可假定是因为刀具3在切割/开采过程中加热夹层或地形33的物质的程度比加热产品3的程度大。因此，通过在紧邻刀具11的位置观察来自新切产品面25的IR辐射，可以根据IR观察来记录在观察上限与观察下限之间的任何温度反差区域。这样，如果上限理想地正好在矿层1与上地层5和/或下地层7之间的界面下方，那么任何记录到的反差区域将指示夹层或地形33的存在。然后可使用夹层或地形33的位置来进行对开采机9的层位控制。由于夹层或地形33一般平行于矿层1的相对于顶部17或底部19的上限或下限，所以基于至少一个反差区域提供基准线可以为开采机9的控制提供理想的层位基准线设置机制。
在优选实施方式的实施例中，使用25fps的PAL长波长(8至14微米)热IR视频摄像机来提供新切产品面25的数字照片图像。还可以使用对短波长(1至3微米)热IR辐射敏感的CCD视频摄像机来对新切产品面25进行视觉观察。可适当选择图像捕获装置以适合被开采的具体产品和开采环境。在使用视频摄像机时，可以对每个帧或者对所选帧(比如每个第25帧)来分析得到的数字照片图像。另选的是，可利用热IR静止摄像机并且在开采操作期间由于开采机9越过矿层1的表面的运动速度而按预定时间间隔生成图像。在本实施例中，图像形成装置是数字热IR视频摄像机，其观察沿着越过矿层1的开采宽度方向延伸的新切产品面25并且分析每个帧，因为这样与对例如每个第25帧进行分析相比，增加了系统对低热IR值的灵敏度。在可选结构中，新切产品面可以是代表刀辊11的切割深度的直立端壁29。应认为该可选方案在本发明的范围内。理想的是，摄像机观察在刀辊11的紧邻区域的新切产品面25中的关注区域。这样，残留IR辐射被预期为接近峰值水平，在该水平下刀辊11经过之后温度不会由于时间经过而消耗。
热红外摄像机的红外灵敏度在开采操作中相对于标准的可见波长摄像机具有特别的优点。具体地说，长波长热红外摄像机对灰尘引起的堵塞非常不灵敏。热IR摄像机还可在完全黑暗的环境中工作，这进一步使这种类型的IR摄像机适用于实际实现。包围摄像机的关注区域35的视野34有可能示出在热区域中显现的所关注的重要地形，该重要地形可能不会在可见区域中显现。安装摄像机的通常位置位于开采机9的主体上，并且定向成使得摄像机在刀辊11以及任何周围矿层1或地层5、7的关注区域处具有可观察的方位，并且保护其不受恶劣的开采工作条件的影响。
图3表示包围数字摄像机的关注区域35的视野34。在该情况下，关注区域35的形状略呈梯形。这是由于摄像机相对于新切产品面25的倾斜角造成的。通过选择特定像素以限定关注区域的范围来在照片图像34内选择关注区域35。图3表示单个夹层或地形33，但可存在其他夹层或地形33。
图4表示在水平轴线“X”上距零位置距离“a”处的观察基准线37的设置。基准位置37沿IR辐射的视野35的高度上下的垂直轴线方向“Y”延伸。图4表示基准位置37在沿“Y”(垂直)方向的高度“b”处具有与夹层或地形33相交的点。从而，通过确定与基准位置37和夹层或地形33交点相关的坐标，人们可记录夹层或地形33的位置并使用该坐标位置来对开采机9进行层位控制。
应理解，在开采机9越过矿层1运动时，视野34也会运动，并且会跟踪一个或更多个夹层或地形33的位置。从而，当矿层1上下运动时，预期夹层或地形33一致地运动，并且可通过记录基准位置37与夹层或地形33的相交位置的高度来实现对开采机9的连续控制。因此，如果夹层或地形33的高度位置改变，那么可用于提供控制开采机9所用的信号的交点的坐标位置会有对应改变。
下面参照图5，图5示出了在视野34中的关注区域35内从摄像机确定的IR像素浓度值水平相对于背景的曲线图。在这里的实施例中，基准位置37由从数字视频摄像机获得的数字照片图像中的特定像素位置限定。图5表示沿着在观察高度的上下方向上延伸的基准位置9的像素的灰度级像素浓度值水平。曲线图示出了在图4中的高度距离“b”处的像素灰度级浓度值的峰值。在图5中，高度距离“b”沿着水平轴线示出。这里，像素灰度级浓度值的局部峰值39出现在高度“b”处。局部峰值39的大小由坐标“d”示出。图5还示出了可设置具有坐标“dmin”的阈值。从而，如果局部峰值39超过dmin的阈值，那么这就代表相对于周围背景的温度反差区域。这又代表夹层或地形33的高度定位。通常，对于诸如煤的已知成分的产品3，dmin设置成正好在从新切产品面25发射的IR辐射的背景阈值水平的上方。由dmin代表的阈值对于满足例如夹层或地形33不存在或者难以从背景辨别的情况是必需的。如果垂直线灰度级像素浓度数据的最大值“d”等于或大于给定的最小夹层检测阈值dmin，那么将与最大值“d”相关联的指标“b”(沿着水平轴线)取为图像中温度反差区域(以及夹层或地形)的有效位置。如果值“d”小于阈值dmin，那么不计算高度确定。
对夹层或地形33的任何跟踪需要考虑与检测和/或定位处理相关联的误差和观察噪声。这在夹层或地形33在IR图像中看上去相对较暗的情况下特别重要。在一些情况下，浓度值可能相对于背景很高，使得可能不需要特殊的处理。在可能存在相对较暗的IR局部峰值39的情况下，就可以执行跟踪地形的鲁棒滤波器。“Kalman”滤波器代表特别有用的鲁棒滤波器并且是众所周知的用于信号处理的滤波器。
Kalman滤波器使用状态向量、系统模型和观察模型递归生成参数估计。对于该1D位置一速度跟踪情况，状态向量由如下的(2×1)向量给出：
x(t)＝[h(t)]
[v(t)]
该向量包含夹层或地形33在时刻t的真正高度h(t)和速度v(t)。系统模型由x(t+1)＝Fx(t)+w(t)给出，其中，
Figure S2005800497403D00081
[0  T]
其为描述系统演变的(2×2)模型矩阵，
Figure S2005800497403D00082
代表相邻图像帧之间的时间，并且其中w(t)是代表系统扰动以允许跟踪标志夹层地形的(2×1)矩阵。矩阵w(t)假设分布为具有(2×2)协方差矩阵Q的零均值Gaussian噪声过程。观察方程由b(t)＝Hx(t)+u(t)给出，其中b(t)是在时刻t由夹层或地形33检测和定位处理生成的高度估计，H＝[1  0]是(1×2)向量，x(t)是上述的状态向量，u(t)代表与标志夹层位置算法相关联的不确定性。值u(t)假设分布为具有方差R的零均值Gaussian过程。
在跟踪过程的初始化期间，向状态向量的相应元素赋予当前夹层或地形33的高度和零速度，向系统模型协方差矩阵Q的对角元素赋予0.01，代表对于通常动态演变较慢的夹层或地形33的良好模型，并且将与观察方程相关联的方差R设置为遵照当前实践的相对较大的值10.0以确保收敛。Kalman滤波器使用标准的预测及更新步骤执行，其细节普遍可在公开文献中得到。
Kalman滤波器导出的估计为观察的夹层或地形33动态提供了优良的表述，并且对未滤波估计展现高度的噪声免疫性。Kalman滤波步骤虽然不是必需的，但被证明在夹层或地形33的浓度相对较暗(即，低SNR)的情况中特别有用，因为其代表了用于处理噪声和测量不确定性的鲁棒确定性方法。
应理解，沿着基准线可以有许多灰度级像素浓度水平峰值，每个峰值代表不同的夹层或地形33。另外，这些峰值可具有不同的峰值像素浓度值。可以对这些峰值全部进行处理以确定它们是否超过阈值，并且这些峰值的全部或者这些峰值中的所选峰值可以用于层位控制。
图6表示夹层或地形33相对于开采机9位置的曲线图。夹层或地形33的高度坐标的实际记录本质上是空间量。在开采机操作中，在位置而不是时间方面参照夹层或地形33的高度坐标比较方便。这可以通过记录夹层或地形33相对于开采机9位置的高度值而容易做到。图6示出了来自跟踪算法(以下描述)的典型输出，表示作为开采机9越过矿层1的宽度的水平面位置的函数的夹层或地形33的高度。
图7是示意性框图，表示用于提供开采机层位控制所用的信号输出的装置的部件。这里，该装置利用了之前所述的概念。热IR数字视频摄像机41观察新切产品面25并具有包围关注区域35的视野34。数字输出信号43供应给用于接收紧邻开采机刀辊11的新切开采产品面25的IR图像信号的图像获取部件45。信号47从图像获取部件45输出并供应至信号处理部件49，在信号处理部件49处针对图像上部和图像下部之间以及矿层上限和矿层下限之间的至少一个温度反差区域记录关注区域35中的IR图像信号。如果确定了至少一个温度反差区域，那么向高度位置部件53提供信号51，在高度位置部件53处计算记录的所述至少一个温度反差区域的高度位置的坐标。然后向信号输出部件57提供高度位置坐标信号55，以提供所述至少一个温度反差区域的所计算高度位置的输出信号59，使得输出信号59可用于开采机层位控制电路61中。参照图7的各个部件可以是分立的部件或者可以是计算机装置内的部件。通常，使用专用于构成计算机的软件将这些部件构成在计算机装置中以执行所需功能。虽然已将高度位置坐标描述为1D，但通过适当输入矿区内的开采机9的绝对位置的数据信号，该坐标可以是2D或3D。这些信号可从与开采机9相关联的惯性导航部件获得。
图8表示所涉及的处理的算法。这里，步骤1确定开采机位置。通常在诸如长壁刨煤机或连续刨煤机的多数大型采煤装置上设置适当的位置测量装置。因此，可在步骤1导出代表开采机9的位置的信号。在需要时可利用单独的已知刨煤机定位装置来提供开采机位置信号。在步骤2，使用直接数字接口接收热红外线图像，或者在图像是模拟图像的情况下通过采用标准的模拟到数字转化技术而接收热红外线图像。这里，典型的热图像是图4所示的热图像。应指出，从数据获取的角度，将来自热IR射频摄像机的输出模拟成标准静止图像摄像机，即，一系列数字或模拟形式的静止图像。图8所示的算法顺序地处理各个图像帧，名义上不考虑获取速度。该帧选择是任意选择并且不意味着构成限制。
在步骤3，确定机器位置改变感测。这是因为除非开采机9越过矿层3的表面地前进，否则就不需要对摄像机41获取的现有图像进行再处理。从而，将来自机器定位的信号进行比较以记录机器9是否已经移动从而可在步骤4处理图像信号。在步骤4，如果存在夹层或地形33，那么它指示相对于局部背景的区域地形。从而，通过跟踪基准位置37处的图像像素值而形成数据组。这导致生成与图5所示的数据组类似的数据组。在步骤5，通过在基准位置37处沿着垂直基准线(视野34的观察高度向上和向下)的灰度级像素值的浓度水平来确定局部峰值39。像素浓度值的最亮点代表局部峰值39。步骤6确定峰值39是否超过由dmin代表的设置阈值(图5)。在步骤7，应用诸如前述Kalman滤波器的鲁棒跟踪滤波器。在步骤8，确定局部峰值39的高度(图4中的高度“b”)。可能理想的是，将该高度值表述在诸如开采机坐标位置的其他坐标系统中。知道摄像机在开采机9上的位置，这可以通过直接应用摄像机校准技术而实现。
这里应指出，以上描述涉及检测视野34的关注区域35中的单个夹层或地形33。可检测多个夹层或地形33，并可以适当地处理算法从而能够对两个或更多个记录的夹层或地形33进行相对跟踪。从而，可使用一个或更多个记录的夹层或地形33来控制开采机的层位控制。这在其中一个或更多个夹层或地形33可能在关注区域35中消失而其他夹层或地形可以保留的情况下特别有用。
在步骤9，将步骤8确定的高度坐标变换为这里的图6所示的机器位置的函数。从而，可向开采机9提供输出信号63以用于层位控制。
下面参照图9，图9示出了类似于图3的图，但还示出了IR图像第二关注区域67。这里，第二关注区域67设置成包围垂直新切面25与顶部17或底部19的交点。第二关注区域的面积和位置由视野34的图像中的像素位置限定。从而，第二关注区域67进一步供应IR图像信号以记录在垂直切面25(见图2)与顶部17或底部19的水平切面中的任一个或全部两个的交点处的任何温度反差区域。这里，任何记录的IR温度反差区域限定了矿层1与上地层5和/或下地层7的交点。从而，可生成来自新切产品面的那些进一步IR图像信号的高度位置信号，以与前述夹层或地形33的信号一起用于层位控制。从而，在这种情况下，可处理进一步的IR图像信号以提供垂直切面25与顶部17或底部19的交点的高度位置，从而限制臂13的向上和/或向下运动的程度，这又控制了矿层开采的上限和矿层开采的下限。在这种情况下，提供指示在交点处温度反差区域的所确定高度坐标位置的第二输出信号。
图10表示具有前述夹层或地形33感测装置以及用于记录垂直切面与顶部17或底部19的交点的装置的结构的示意性框图。在该实施例中，一个IR视频摄像机41用于关注区域35，另一IR视频摄像机69用于第二关注区域67。在前述讨论中，利用单个IR视频摄像机41包围两个关注区域35和67。在该实施例中，利用了第二IR视频摄像机69来表示此处的设计不必限于单个IR摄像机的实施方式。这里，图10的左手侧的部件重复了图7所示的部件并且不再进一步描述。在图10的右手侧上，示出了具有视野67的第二热IR视频摄像机69。将数字输出信号71馈送至图像获取部件73。从图像获取部件73输出信号75并将其提供给信号处理部件49。这里，将信号馈送至高度位置部件53，在该高度位置部件53处计算限定矿层的垂直切面25与顶部17和/或底部19的交点的温度反差区域的高度坐标位置。这里，将信号输出至信号输出部件以限定供应至用于控制开采机的开采机控制电路61的坐标位置信号。
图11表示用于检测新切产品面25与顶部17或底部19的交点的处理算法。该算法需要在初始校准期间设立两个参数。第一参数对应于煤层与顶部17或底部19的界面已到达其上的阈值。检测阈值设置在最大浓度值的70％并代表适当的初始选择。第二参数是可以使用已知处理容易地从开采机9本身确定的矿层提取高度。
在步骤1，根据与关于图8中的步骤1所述的相同处理，确定机器位置。在步骤2，进行图像获取，这再次与图8所示的步骤2相同，但是从不同的摄像机或者单个摄像机的图像内的不同关注区域来进行。在步骤3，确定在视野图像中所有像素的平均浓度值。如果平均浓度值改变，如来自第二摄像机69的图像中的像素的所有浓度值水平的平均处理所记录的那样，那么可以确定刀辊11已经与顶部17或底部19相交。在步骤4，存储最大的平均像素浓度值。当刀辊11运动通过较硬物质(例如岩石)区段时，该值可显著改变并提供对任何热强度值的鲁棒测量。对于当前机器9的位置存储最大平均值。
在步骤5，调用处理来确定机器水平位置是否已经改变。这与图8中的步骤4等同。在步骤6，将在步骤6计算的平均强度值的大小与预定界面检测阈值进行比较。如果平均值在煤界面检测阈值之上，那么认为突破了煤层界面。相反，如果平均值在煤界面之下，那么认为开采机在矿层1内切割。在步骤8，提供与顶部17或底部19的界面的矿层界面位置的输出。这提供了用于机器开采的最大高度或者用于开采矿层的较低高度。在步骤9，如果确定了没有煤界面相交，那么提供中间点输出信号。这提供了适当的标记信号(例如提取矿层高度的一半)以提供适用于层位控制系统的输出。另选的是，可设立适当的标记信号以在开环模式下运行采矿机控制系统。
这里描述的夹层或地形33跟踪系统、以及用于检测垂直新切产品面25与顶部17或底部19的界面的煤界面检测器提供了对矿层1性状的两种互补现场测量。虽然系统的输出可单独应用，但它们也可有用地结合以提供用于对开采机9的实时层位控制的鲁棒预测一反应感测能力。
图12表示夹层或地形33跟踪以及界面检测系统的输出可如何结合以提供对层位控制的鲁棒基准。从而，如果使用夹层或地形33的操作的主要和优选模式不可用，那么可操作输出选择器以使用反应(和较粗略)的煤层边界界面信号来进行层位控制。如果提供了夹层或地形33跟踪信号并且没有提供界面相交信号，那么系统可根据矿区地点的特定层位控制方针输出最后的夹层或地形33输出信号、半矿层提取高度信号或零信号。这里，在步骤1，进行标记夹层评估以确定是否存在夹层或地形33。如果存在，就在步骤2提供输出高度信号。如果确定没有夹层或地形33，就在步骤3评估是否检测到底部煤界面。如果检测到，就确定输出信号以指示底部的高度。如果没有检测到底部界面，就在步骤5评估是否检测到顶部相交。如果检测到，就提供输出信号以指示顶部17的高度。如果没有检测到界面，那么步骤7就提供最后知道的夹层高度输出信号。
为了实现诸如长壁开采刨煤机的开采机的层位控制，将夹层或地形33跟踪系统的输出馈送至现有的开采机的刨煤臂13的控制系统中。臂13在其提取诸如煤的产品3时是调节长壁刨煤机9的层位(层位的)位置的主要方法。对于开采层位的校正通常沿着轨道装置15在开采机9的各个向后和向前横向循环上应用。可通过控制系统以瞬时方式使用观察高度来作用夹层或地形33高度信号。这是因为将高度的任何变化都预期为非常小的。在需要时，可以将沿着矿区面的不同位置的高度位置存储在存储器中并随后在开采机9的下一向后或向前横向循环上对其进行检索，在这种情况下可以将它们检索出来并与任何新测量的夹层或地形33的高度位置进行比较。
可以考虑记录刀辊11的特定机械限制以及任何理想水平轮廓改变速度的开采机9的控制系统的动态，从而提供安全实际的控制。
图13是表示用于开采机9的自动层位控制的一般结构的示意性框图。在矿层1内的理想垂直位置通常从夹层或地形33高度位置的固定偏移。这里，在步骤1，设立理想的层位设置点。在步骤2，向步骤3的臂位置控制系统提供命令(位置误差)信号。在步骤4，确定开采机9在矿层内的实际垂直位置。在步骤5，结合的夹层和地形33系统以及界面检测系统提供垂直位置感测能力以提供控制环。
以上类型的系统可用于在长壁开采中采煤的自动控制系统，并且使设备损坏最小化，同时增加了生产率并改善了人员安全性。使用这里的方法，操作不再需要诸如指向标的外部基准基础设施、标记、条纹。从而，利用这里的概念增加了开采机的实用性和鲁棒性。这里的原理可以实时操作或脱机操作。这里公开的技术代表用于层位控制的顶部或底部检测以及夹层或地形33检测的自动、联机、自管理方法。另外，夹层或地形33或者顶部17或底部19的界面位置的坐标位置输出信号可用于开采勘查过程以大大改进开采操作。
应理解，这里所述的夹层或地形33系统可用于在从矿区开采所开采的产品时识别该产品中的可热识别结构。从而，通过记录紧邻开采机刀具的新露出切割产品面的观察位置的IR图像信号，人们可获得可用于识别所开采产品中的可热识别结构的信号。可热识别结构可通过记录至少一个温度反差区域的尺寸大小(即，高浓度像素的数量)或者记录在温度阈值之上的至少一个温度反差区域的大小来识别。可从输出部件提供输出信号以指示开采产品中的可热识别结构。在该实施例中，图7示出了必需的信号处理部件，其中输出信号59提供对可热识别产品的指示。图1 4中示出了具体的电路图。这里，数字视频摄像机41向图像获取部件45提供输出信号43。图像获取部件45按照关于图7所述的相同方式处理信号43。输出信号47将提供给信号处理部件49，信号处理部件49可感测IR温度像素浓度值是否超过特定阈值，并且向信号输出部件57提供输出信号，信号输出部件57又提供输出信号59，输出信号59指示在开采产品中是否存在可热识别结构。从而，在该实施方式中，信号处理部件49可记录至少一个温度反差区域的尺寸大小，或者温度反差区域是否具有在温度阈值之上的大小。
对开采机控制领域的技术人员而言明显的是，可对本发明进行修改。这些和其他修改可在不脱离本发明的范围内进行，应从前述描述中确定本发明的本质。

Claims (30)

1.一种开采操作中的层位控制的方法，在开采操作中从产品矿层的开采面切割开采产品，所述方法包括以下步骤：
利用使新切产品面露出的刀具从矿层切割产品；
在紧邻刀具的位置观察来自所述新切产品面的红外线辐射；
根据红外线观察来记录在观察上限与观察下限之间的任何温度反差区域；
确定至少一个温度反差区域的至少一个高度坐标位置；以及
生成所确定的高度坐标位置的输出信号，从而使所生成的输出信号可用作层位控制的层位基准。
2.如权利要求1所述的方法，该方法包括以下步骤：向所记录的温度反差区域应用阈值滤波器，并且仅在所述温度反差区域的温度超过所述阈值时才生成所确定的高度坐标位置的输出信号。
3.如权利要求1所述的方法，其中，对所述红外线辐射的观察视野在水平轴线方向设有基准位置，该基准位置沿在所述红外线辐射的关注区域的高度上向上和向下的垂直轴线方向延伸，并且其中，在该基准位置确定来自所述红外线观察的所述至少一个温度反差区域。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述观察通过数字摄像机来进行，并且其中，所述基准位置由从所述数字摄像机获得的数字照片图像中的特定像素位置来限定。
5.如权利要求4所述的方法，其中，通过记录所述数字图像中的在所述关注区域的高度的向上和向下的方向延伸的基准位置处的许多像素中的像素灰度级浓度值的峰值，来确定所述温度反差区域。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述高度坐标位置输出信号是包含在2D坐标中限定至少一个温度反差区域的位置的坐标分量的信号。
7.如权利要求1所述的方法，该方法包括以下步骤：向开采机使用的开采机刀具位置控制电路提供所述高度坐标位置输出信号，并且利用所述位置输出信号对所述开采机刀具的位置进行层位控制。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述红外线辐射的关注区域在水平轴线方向设有基准位置，该基准位置沿在所述关注区域的高度上向上和向下的垂直轴线方向延伸，并且其中，在该基准位置确定来自所述红外线观察的所述至少一个温度反差区域，
并且其中，所述观察生成数字照片图像，所述基准位置由所述数字照片图像中的特定像素位置来限定，并且其中
通过记录所述数字图像中的所述基准位置处的许多像素中的像素灰度级浓度值的峰值来确定所述至少一个温度反差区域。
9.如权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：视觉地观察来自所述新切产品面的所述红外线辐射，通常在产品矿层的垂直切割壁与产品矿层的顶部和/或底部的水平切面的相交处记录第二温度反差区域；
确定所述第二温度区域的高度坐标位置，以限定产品矿层的顶部和/或底部坐标；以及
生成所确定的所述第二温度反差区域的高度坐标位置的第二输出信号，从而可以将所述第二输出信号与所述输出信号一起用于层位控制。
10.如权利要求9所述的方法，其中，对所述第二温度反差区域的观察生成第二关注区域的数字照片图像，并且其中，对所述第二关注区域的数字图像中的所有像素的灰度级像素浓度值进行平均，并且，如果平均的像素浓度值改变为比当从矿层仅切割产品时的平均像素浓度值高，则记录对于开采产品矿层的下限和/或上限。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述红外线辐射的关注区域在水平轴线方向设有基准位置，该基准位置沿在所述关注区域的高度上向上和向下的垂直轴线方向延伸，并且其中，在该基准位置确定来自所述红外线观察的所述至少一个温度反差区域，
并且其中，所述观察通过热红外摄像机来进行，所述基准位置由从该热红外摄像机获得的数字照片图像中的特定像素位置来限定，并且其中，通过记录所述数字图像中的沿观察高度向上和向下的方向延伸的基准位置处的许多像素中的像素灰度级浓度值的峰值来确定所述至少一个温度反差区域。
12.如权利要求6所述的方法，其中，在刀具跨开采面运动时，在所述新切产品面中的多个间隔开的位置处进行对所述红外线辐射的位置的观察，并且其中，从所述多个位置确定多个温度反差区域，并且其中，向所述多个温度反差区域应用“鲁棒跟踪”滤波器以使得否则由于温度反差的低水平而可能引起的误差最小化。
13.一种用于与开采机层位控制装置一起操作的感测装置，
所述感测装置具有：图像获取部，该图像获取部用于接收紧邻开采机刀具的新切开采产品面的观察位置的红外线图像信号；
信号处理部件，该信号处理部件处理获取的红外线图像信号，以记录在图像上部与图像下部之间的至少一个温度反差区域；
高度位置部件，该高度位置部件接收由所述信号处理部件处理的任何记录的温度反差区域，并计算至少一个所记录的温度反差区域的高度位置；以及
信号输出部件，该信号输出部件向所述开采机层位控制装置提供所计算出的高度位置的输出信号。
14.如权利要求13所述的感测装置，其中，所述信号处理部件包括用于所记录的温度反差区域的阈值滤波器，并且其中，所述信号输出部件仅在所述温度反差区域的温度超过所述阈值时才生成所确定的高度坐标位置的输出信号。
15.如权利要求13所述的感测装置，其中，所述信号处理部件构成为向所述红外线辐射提供关注区域，所述关注区域在水平轴线方向具有基准位置，该基准位置沿在所述关注区域的高度上向上和向下的垂直轴线方向延伸，并且其中，在该基准位置确定由所述高度位置部件处理的所述至少一个温度反差区域。
16.如权利要求15所述的感测装置，其中，所述观察生成数字照片图像，并且其中，在所述信号处理部件中由所述数字照片图像中的特定像素位置来限定所述基准位置。
17.如权利要求16所述的感测装置，其中，所述信号处理部件构成为通过记录所述数字照片图像中的沿所述关注区域的高度向上和向下的方向延伸的所述基准位置处的许多像素中的像素灰度级浓度值的峰值来确定所述温度反差区域。
18.如权利要求13所述的感测装置，其中，来自所述输出信号部件的所述高度坐标位置输出信号是在2D坐标中限定温度反差区域的位置的信号。
19.如权利要求13所述的感测装置，其中，所述高度坐标位置输出信号可提供给开采机使用的开采机刀具位置控制装置，从而可利用所述位置输出信号对所述开采机刀具的位置进行层位控制。
20.如权利要求19所述的感测装置，其中，所述信号处理部件构成为向所述红外线辐射的观察提供关注区域，该关注区域在水平轴线方向上具有基准位置，该基准位置沿在所述红外线辐射的视野的高度上向上和向下的垂直轴线方向延伸，并且在该基准位置确定所述至少一个温度反差区域，
并且其中，所述观察通过热红外摄像机进行，所述基准位置由从该热红外摄像机获得的数字照片图像中的特定像素位置限定，并且
其中，通过记录所述数字图像中的沿所述关注区域的高度向上和向下的方向延伸的所述基准位置处的许多像素中的像素灰度级浓度值的峰值，来确定所述温度反差区域。
21.如权利要求13所述的感测装置，其中，所述感测装置的图像获取部还接收通常在矿层的垂直切割壁与矿层的顶部和/或底部的水平切面的相交处的新切产品面的另一红外线图像信号，并且
其中，所述信号处理部件可处理该另一红外线图像信号，以记录在所述垂直切面与所述顶部的水平切面或所述底部的水平切面中的任一个或全部两个的相交处的任何温度反差区域，并且其中，所述高度确定部件可确定所述温度反差区域的高度坐标位置以限定产品矿层的顶部和/或底部坐标，并且其中，所述信号输出部件可生成指示在所述相交处的所述温度反差区域的所确定高度坐标位置的第二输出信号，从而该第二输出信号可与所述输出信号一起用于层位控制。
22.如权利要求21所述的感测装置，其中，对所述第二温度反差区域的观察由热红外摄像机来进行，并且其中，所述高度位置部件可对其数字图像中的所有像素的灰度级像素浓度值进行平均，如果平均的浓度值改变为比当从矿层仅切割产品时的平均像素浓度值高，则记录对于开采产品矿层的下限和/或上限。
23.如权利要求22所述的感测装置，其中，所述信号处理部件在水平轴线方向上提供基准位置，该基准位置沿在所述红外线辐射的关注区域的高度上向上和向下的垂直轴线方向延伸，并且其中，所述信号处理部件在该基准位置确定所述温度反差区域，
所述基准位置由从所述热红外摄像机获得的数字照片图像中的特定像素位置限定，并且
通过记录所述数字图像中的沿所述关注区域的高度向上和向下的方向延伸的基准位置处的许多像素中的像素灰度级浓度值的峰值来确定所述至少一个温度反差区域。
24.如权利要求18所述的感测装置，其中，在刀具跨采矿工作面运动时，在所述新切产品面中的多个位置处进行对所述红外线辐射的位置的观察，并且其中，从所述多个位置确定多个温度反差区域，并且，所述信号处理部件向所述多个温度反差区域应用“鲁棒跟踪”滤波器以使得否则由于温度反差的低水平而可能引起的误差最小化。
25.如权利要求13所述的并且与开采机层位控制装置互连的装置。
26.一种识别从矿区中的开采面开采的产品中的可热识别结构的方法，其中刀具切割产品并露出新切产品面，
所述方法包括以下步骤：紧邻刀具地观察来自所述新切产品面的红外线辐射；
根据所述红外线观察记录至少一个温度反差区域，并通过(1)所述至少一个温度反差区域的尺寸大小或者(2)在温度阈值之上的反差区域的温度来确定所开采产品中的可热识别结构。
27.如权利要求26所述的方法，其中，所述红外线辐射的关注区域在水平轴线方向设有基准位置，该基准位置沿在所述关注区域的高度上向上和向下的垂直轴线方向延伸，并且其中，在该基准位置确定所述温度反差区域的尺寸大小。
28.如权利要求26所述的方法，其中，所述红外线辐射的关注区域在水平轴线方向设有基准位置，该基准位置沿在所述关注区域的高度上向上和向下的垂直轴线方向延伸，并且其中，在该基准位置确定所述至少一个温度反差区域，
并且其中，所述观察通过热红外摄像机进行，所述基准位置由所述关注区域中的数字照片图像中的特定像素位置限定，并且，通过记录所述数字图像中的沿所述关注区域的高度向上和向下的方向延伸的所述基准位置处的许多像素中的浓度值的像素灰度级峰值来确定所述至少一个温度反差区域。
29.如权利要求26所述的方法，其中，所述红外线辐射的关注区域在水平轴线方向设有基准位置，该基准位置沿在所述关注区域的高度上向上和向下的垂直轴线方向延伸，并且其中，在该基准位置确定所述至少一个温度反差区域，
并且其中，所述观察通过热红外摄像机进行，所述基准位置由从该热红外摄像机获得的数字照片图像中的特定像素位置限定，
并且其中，通过记录所述数字图像中的沿所述关注区域的高度向上和向下的方向延伸的所述基准位置处的许多像素中的像素灰度级浓度值的峰值来确定所述至少一个温度反差区域。
30.一种在从矿区中开采产品时识别开采产品中的可热识别结构的装置，
所述装置具有：图像获取部，该图像获取部用于接收紧邻从矿区切割产品的开采机刀具的新露出切割产品面的观察位置的红外线图像信号；
信号处理部件，该信号处理部件处理获取的红外线图像信号，以记录至少一个温度反差区域；
图像处理部件，该图像处理部件通过(1)记录所述至少一个温度反差区域的尺寸大小或者(2)记录所述至少一个温度反差区域在温度阈值之上的温度大小来识别开采产品中的可热识别结构；以及
输出部件，该输出部件提供指示所述开采产品中的可热识别结构的输出。
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