CN106089201B - 一种用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法，属于采煤自动化技术领域，该方法在预知煤岩体三维精确模型的前提下进行全局截割路径规划，根据工作面当前位置及采煤机截割深度，将煤层切分为片状，对于每一片煤壁，以采煤机的运动方式和几何参数为约束条件，分别按照不同的进刀方式和截割方向给出各种可能的截割方案，综合考虑所有煤壁片的可能方案，以采煤机总行程和滚筒截割轨迹总长度最短为目标，生成最优的连续截割路径，解决了传统记忆截割的煤岩识别、多次学习、频繁交互等难题，提高了生产效率。

Description

一种用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法

技术领域

本发明属于采煤自动化技术领域，具体涉及一种用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法。

背景技术

无人化采煤工作面是指在工作面安全专家系统的保护下，通过有线或无线方式远程控制关键生产设备，监测其工况。利用采煤机的自主定位与自动导航技术、煤岩自动识别技术、液压支架电液控制技术、刮板输送机自动推移技术、工作面自动监控监测技术、井下高速双向通讯技术和计算机集中控制技术等自动完成割煤、移架、移刮板输送机和顶板支护等生产流程，动态优化作业程序，实现工作面生产过程自动化、采煤工艺智能化、工作面管理信息化以及操作的无人化，仅当设备出现故障时，维修人员才会到达工作面，从而确保高产、高效和安全生产。

目前，实现无人化采煤工作面的主要技术途径有两种：刨煤机综采机组和滚筒式采煤机综采机组。其中，刨煤机综采机组由刨煤机、刮板输送机和液压支架组成，适用于薄煤层或中厚偏薄煤层开采，对煤的硬度要求较低，而且只能用于地质条件变化不大的煤层。滚筒式采煤机综采机组由滚筒式采煤机、刮板输送机和液压支架组成，适用于厚煤层开采，对煤层硬度、厚度、地质条件的适应能力强。德国、法国、俄罗斯、比利时等国广泛采用刨煤机综采机组，而我国主要采用滚筒式采煤机综采机组，所以本发明主要针对后者。

截割路径规划是无人化采煤工作面的核心技术，目前的截割路径控制方式有2种：

(1)采煤机机尾滚筒随机截割

工作面需设置1名操作人员，负责完成顶滚筒的割煤，尾滚筒根据控制器的设定自动完成割煤。

该工艺必须有操作人员跟机作业。在采煤较高、采煤机速度较快时，人员跟机操作困难、安全隐患多、劳动强度大，采煤机的割煤能力不能充分发挥。

(2)采煤机记忆截割

首先由采煤机司机人工控制滚筒高度完成整个工作面的首次循环截割，同时记录下在工作面上采样点相应的摇臂倾角，然后采煤机转入记忆截割状态，采煤机自动跟踪相应点记录的摇臂倾角，从而实现滚筒的自动调高。如果在截割的过程中，发现滚筒高度无法跟踪实际的顶底板煤岩界面，则需要人工控制滚筒高度，同时进行轨迹记忆，然后跟踪新的轨迹，作为下一次截割时滚筒调高的工作程序。这种方法是一种同时可以人工干预的自动化操纵方式，司机可任意调整摇臂的位置而不受记忆数据限制。

与本发明最近似的实现方案是其中的“采煤机记忆截割”，即，通过操作人员手动进行示范性割煤，在此过程中，采煤机自动记忆截割路径。在后续割煤过程中，采煤机根据该路径自动完成截割。

“采煤机记忆截割”存在以下缺点：

1.煤岩识别问题

尽管记忆截割方法回避了煤岩界面识别难题，利用顶底板的几何形状的连续性和简单的外推的推理方法，来预测采煤机前方的顶底板形状。但是记忆截割法适合于地质条件好、煤层比较平整的矿井，对于地质条件不好的采煤工作面，该方法受到了严重的限制。而且，示范性截割的准确性依赖于操作人员的工作经验，需要操作人员根据经验判断煤岩界面和矸石并调整截割路径，存在滞后性，且受到工作面恶劣环境的限制。

2.多次学习、频繁交互

在记忆截割的过程中，如果发现滚筒高度与实际的顶底板煤岩界面不符，则需要人工调整滚筒高度，同时进行轨迹记忆，然后跟踪新的轨迹，作为下一次截割时滚筒调高的工作程序。在整个截割过程中，需要多次学习、频繁交互。

3.生产效率低

传统记忆截割未考虑采煤机行程和截割轨迹优化问题，因而影响生产效率。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法，提高了生产效率，为采煤工作面的真正无人化奠定了基础。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法，按照如下步骤进行：

步骤1：计算采煤机的两个滚筒的截割范围

根据采煤机的机身长度、摇臂长度、两个滚筒的有效截割直径以及摇臂倾角的变化范围计算出采煤机的两个滚筒的截割范围；

步骤2：基于煤层精准三维模型切分煤层

根据采煤机的截割深度把煤层精准三维模型从切眼开始到停采线为止切分成若干片煤壁；

步骤3：将每片煤壁划分为若干刀

根据每片煤壁的顶底板曲线以及通过步骤1计算出的两个滚筒截割范围，将每片煤壁划分为若干刀；

步骤4：对于每一片煤壁，对每个可能的截割方案采用仿真技术进行模拟截割，通过计算得到每个可能的截割方案的截割代价即采煤机的总行程和两个滚筒的运动轨迹长度以及采煤机从开机位置到关机位置的空行程之和；

步骤5：创建截割方案图

根据所有煤壁的所有可能的截割方案创建一个截割方案图；

步骤6：在截割方案图中求最优截割路径

在步骤5所创建的截割方案图中，从起点到终点的最短路径所经过节点的截割方案所形成的截割路径即为最优截割路径；通过下列递归式来求最优截割路径：

其中，v表示截割方案图中的任一节点，δ(v)表示与v相邻的节点的集合，w(v,u)表示从v到u的距离，u表示集合δ(v)中的任一节点，MinDistance(u)表示从u到终点的最短距离。

优选地，在步骤4中，所述所有可能的截割方案包括分别按照由右向左、由左向右、从上到下、从下到上以及不同的进刀方式所形成的各种截割方案。

优选地，在步骤5中，所述截割方案图是一个带权有向图，其中，起点表示起始状态，终点表示到达停采线的状态，其余的每个节点代表某片煤壁的一种可能的截割方案，分别由每个除终点以外的节点向相邻下一个煤壁的所有节点各引一条有向边，有向边表示相邻两片煤壁的两个截割方案的切换，每条边上的权值表示采用该边所指向节点对应的截割方案的截割代价。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法，与现有技术相比，本发明在预知煤岩体三维精确模型的前提下进行全局截割路径规划，根据工作面当前位置及采煤机截割深度，将煤层切分为片状，对于每一片煤壁，以采煤机的运动方式和几何参数为约束条件，分别按照不同的进刀方式和截割方向给出各种可能的截割方案，综合考虑所有煤壁片的可能方案，以采煤机总行程和两个滚筒截割轨迹总长度最短为目标，生成最优的连续截割路径，解决了传统记忆截割的煤岩识别、多次学习、频繁交互等难题。

本发明利用空间分析、网络分析技术，以及仿真技术和动态优化技术，从而保证了采煤机行程和两个滚筒截割轨迹最短，提高了生产效率，为采煤工作面的真正无人化奠定了基础。

附图说明

图1为本发明一种用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法的流程图。

图2为相邻的两片煤壁示意图。

图3为截割方案图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

一种用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法(如图1所示)，按照如下步骤进行：

步骤1：计算两个滚筒的截割范围

根据采煤机的机身长度、摇臂长度、两个滚筒的有效截割直径以及摇臂倾角的变化范围计算出截割两个滚筒的截割范围。

假设双两个滚筒采煤机的机身长度为L(m)，摇臂长度为C(m)，两个滚筒的有效截割直径为D(m),摇臂倾角α的变化范围为[α₁,α₂](度)。为方便起见，以下均假设采煤机位置是指采煤机的机身底部(摇臂旋转轴的高度)的中间位置。这样，只要知道了采煤机位置和两个摇臂倾角，就很容易计算出左右两个滚筒的截割范围。

步骤2：基于煤层精准三维模型切分煤层

根据采煤机的截割深度把煤层精准三维模型从切眼开始到停采线为止切分成N片，即分为S_j(j＝1,2…,N)。假设沿工作面与切眼平行向右的方向坐标为X，向上的坐标为Y。

步骤3：将每片煤壁划分为若干刀

对于每一片煤壁，根据其顶底板曲线以及步骤1计算出的两个滚筒截割范围，把它划分为若干刀。

如图2所示，对于煤壁S_j，根据S_j的顶底板曲线T(x)和B(x)，以及两个滚筒的有效截割直径D，把S_j从上到下分为M刀，每刀的路线为：

P_ji(x)，u_ji≤x≤U_ji，(i＝1,2,…,M)

其中，u_ji和U_ji为第i刀线路的起点(左边界点)和终点(右边界点)。

步骤4：对每一片煤壁可能的截割方案进行模拟截割

对于每一片煤壁，对每个可能的截割方案用仿真技术进行模拟截割，通过计算得到该方案的截割代价(采煤机的总行程和两个滚筒的运动轨迹长度以及采煤机从开机位置到关机位置的空行程之和)。

对于煤壁S_j，从采煤机的初始位置开始截割，以两个滚筒把所有路线P_ji(x)走一遍为目标，分别按照由右向左、由左向右、从上到下、从下到上以及不同的进刀方式形成K个截割方案；并对每个方案用仿真技术进行模拟截割，通过计算得到该方案的截割代价。

步骤5：创建截割方案图

根据所有煤壁的可能截割方案创建一个截割方案图。

如图3所示，所述截割方案图是一个带权有向图。图中B点表示起始状态，E点表示到达停采线的状态，节点S_ij表示切割第i片煤壁的第j种方案(节点数据包括：该方案采煤机开机、停机时的位置、摇臂倾角等等)，有向边表示相邻两片煤壁的两个截割方案的切换，边上的权值表示采用相应方案的截割代价：采煤机行程+两个滚筒轨迹长度+两方案切换时采煤机的空行程(如图2所示)。

步骤6：在截割方案图中求最优截割路径

在步骤5所创建的截割方案图中，求从起点到终点的最短路径。

根据最短路径所经过节点的截割方案所形成的截割路径即为最优截割路径。

如图3所示，所述最短路径即截割方案图中点B到点E的最短路径，可以用深度优先搜索算法来解决此问题，该问题的递归式为:

其中，v表示截割方案图中的任一节点，δ(v)表示与v相邻的节点的集合，w(v,u)表示从v到u的距离长度(权值)，u表示集合δ(v)中的任一节点，MinDistance(u)表示从u到终点的最短距离。

在求解的过程中，同时将每次求出的从v到E的最短距离记录下来，在算法中递归地求MinDistance(v)时先检查以前是否已经求过了MinDistance(v)，如果求过了则不用重新求一遍，只要查找以前的记录即可。

在具体实现时，如果试图更换最优的准则，只需重新定义截割代价。

本发明在预知煤岩体三维精确模型的前提下进行全局截割路径规划，解决了传统记忆截割的煤岩识别、多次学习、频繁交互等难题；本发明利用了空间分析、网络分析技术，以及仿真技术和动态优化技术，从而保证了采煤机行程和两个滚筒截割轨迹最短，提高了生产效率。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法，其特征在于：按照如下步骤进行：

步骤1：计算采煤机的两个滚筒的截割范围

根据采煤机的机身长度、摇臂长度、两个滚筒的有效截割直径以及摇臂倾角的变化范围计算出采煤机的两个滚筒的截割范围；

步骤2：基于煤层精准三维模型切分煤层

根据采煤机的截割深度把煤层精准三维模型从切眼开始到停采线为止切分成若干片煤壁；

步骤3：将每片煤壁划分为若干刀

根据每片煤壁的顶底板曲线以及通过步骤1计算出的两个滚筒的截割范围，将每片煤壁划分为若干刀；

步骤4：对于每一片煤壁，对每个可能的截割方案采用仿真技术进行模拟截割，通过计算得到每个可能的截割方案的截割代价即采煤机的总行程和两个滚筒的运动轨迹长度以及采煤机从开机位置到关机位置的空行程之和；

步骤5：创建截割方案图

根据所有煤壁的所有可能的截割方案创建一个截割方案图；

步骤6：在截割方案图中求最优截割路径

在步骤5所创建的截割方案图中，从起点到终点的最短路径所经过节点的截割方案所形成的截割路径即为最优截割路径；通过下列递归式来求最优截割路径：

$MinDis\tan ce\left(v\right)=\underset{u\∈\mathrm{\δ}\left(v\right)}{\min }\{w(v,u)+MinDis\tan ce\left(u\right)\};$

其中，v表示截割方案图中的任一节点，δ(v)表示与v相邻的节点的集合，w(v,u)表示从v到u的距离，u表示集合δ(v)中的任一节点，MinDistance(u)表示从u到终点的最短距离。

2.根据权利要求1所述的用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法，其特征在于：在步骤4中，所述所有可能的截割方案包括分别按照由右向左、由左向右、从上到下、从下到上以及不同的进刀方式所形成的各种截割方案。

3.根据权利要求1所述的用于无人化采煤工作面的截割路径规划方法，其特征在于：在步骤5中，所述截割方案图是一个带权有向图，其中，起点表示起始状态，终点表示到达停采线的状态，其余的每个节点代表某片煤壁的一种可能的截割方案，分别由每个除终点以外的节点向相邻下一个煤壁的所有节点各引一条有向边，有向边表示相邻两片煤壁的两个截割方案的切换，每条边上的权值表示采用该边所指向节点对应的截割方案的截割代价。