CN110847943B - 采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法，属于煤矿工作面液压系统领域，以解决目前方式难以保证液压支架群组精准跟机的问题。包括：确定工作面液压支架群组跟机过程的动作事件集；确定动作事件集中的任意两个动作事件之间的时间元关系，将其转换成工作面液压支架动作的点逻辑时间关系矩阵；对点逻辑时间关系矩阵进行时间规划计算，得到若干个R_时刻表；对各个R_时刻表进行验证，根据验证结果修正点逻辑时间关系矩阵；对新的点逻辑时间关系矩阵进行时间规划计算，并对时间规划结果进行验证，直至得到符合工作面液压支架跟机动作的时序集合；将符合工作面液压支架跟机动作的时序集合应用于采煤过程的液压支架跟机动作的时序规划中。

Description

采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法
技术领域
本发明涉及煤矿工作面液压系统技术领域，尤其涉及一种采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法。
背景技术
现代煤矿开采主要由综采工作面的采煤机、液压支架和刮板输送机等运动关联的“三机”采煤设备群来实现。其中，液压支架不仅是煤矿综采工作面的支护设备，也是推动“三机”协同推移的主要动力设备。工作面液压支架群组跟机运行是多个支架、多种动作依据工艺要求，按照逐步、同步、交叠等可能的时间逻辑执行的过程。各个支架动作执行之间的时间关系受到采煤机位置、采煤机速度、跟机工艺要求、采煤机与液压支架之间的安全距离等诸多因素的制约。因此，在工作面采煤机割煤过程中，各个液压支架跟机动作事件须满足一定的时间关系约束，因而需要对采煤过程的液压支架跟机动作的时序进行规划。
现有液压支架跟机动作的时序规划策略多为依据割煤方式、采煤机位置信息、跟机工艺逻辑等条件制定的液压支架群组的动作规则与逻辑，且多为满足采煤机与支架、支架个体之间空间约束的动作逻辑函数，设备各动作之间的时间约束仅考虑单一的前后时间关系。目前这种单一的固化流程和静态参数难以保证液压支架群组精准的跟机特性，无法适应多变的工作面推进速度。
发明内容
为解决目前采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法存在单一的固化流程和静态参数难以保证液压支架群组精准的跟机特性，无法适应多变的工作面推进速度的技术问题，本发明提供一种采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法，其包括如下步骤：
S1，确定工作面液压支架群组跟机过程的动作事件集N，N＝{1，2，…，n}共包括n个动作事件；
S2，根据时间世界模型确定动作事件集N中的任意两个动作事件之间的时间元关系，并将任意两个动作事件之间的时间元关系转换成工作面液压支架动作的点逻辑时间关系矩阵M；
S3，对点逻辑时间关系矩阵M进行时间规划计算，得到若干个满足动作事件集N的全部时间约束关系的R_时刻表；
S4，对各个R_时刻表进行验证，并根据验证结果对点逻辑时间关系矩阵M进行修正，得到新的点逻辑时间关系矩阵M’；
S5，对新的点逻辑时间关系矩阵M’继续进行时间规划计算，并对时间规划结果继续进行验证，直至得到符合工作面液压支架跟机动作的时序集合；
S6，将符合工作面液压支架跟机动作的时序集合应用于采煤过程的液压支架跟机动作的时序规划中。
可选地，所述动作事件集N中的动作事件的类型包括采煤机中心点从当前支架移动到下一台支架的动作、采煤机前方液压支架收护帮板的动作、采煤机后方的升柱动作、采煤机后方的降柱动作、采煤机后方的推溜动作、采煤机后方的移架动作和采煤机后方的伸帮动作。
可选地，所述S1在确定工作面液压支架群组跟机过程的动作事件集N时，是根据工作面液压支架群组的基础参数确定液压支架群组跟机过程的动作事件集N，所述基础参数至少包括工作面液压支架群组所包括的支架数量和支架型号。
可选地，所述S2在根据时间世界模型确定动作事件集N中的任意两个动作事件之间的时间元关系时，是根据工作面割煤工艺、液压支架时空位置和预定义约束中的至少一种动作约束条件，将动作事件集N中的任意两个动作事件之间的时间元关系通过时间世界模型中的时间元关系表示出来。
本发明的有益效果是：
通过建立工作面液压支架群组跟机过程的动作事件集N并基于其确定工作面液压支架动作的点逻辑时间关系矩阵M，以及对点逻辑时间关系矩阵M进行时间规划计算和验证等步骤，提供了一种基于工作面液压支架群组的动作过程来进行时间规划的方式，解决了液压支架群组跟机工艺的组合动作流程固化问题，科学地得到更多满足跟机工艺要求的支架动作时序集合，不仅为液压支架群组最优化协同控制提供了决策空间，而且根据采煤工作面工艺要求科学合理地规划出液压支架跟机过程的动作时序集，扩展了液压支架群组动作的可行逻辑，确保液压支架群组能够精准跟机，从而使液压支架群组更好地适应多变的工作面跟机推进速度。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图。
图2是本发明实施例中的时间世界模型中的时间元关系及其与基于点的时间逻辑的转换方法示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，本实施例中的采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法，其包括如下步骤：
S1，确定工作面液压支架群组跟机过程的动作事件集N，N＝{1，2，…，n}共包括n个动作事件。
其中，动作事件集N包含采煤过程所有的采煤机位置移动及支架全部动作等事件。具体地，动作事件集N中的动作事件的类型包括采煤机中心点从当前支架移动到下一台支架的动作、采煤机前方液压支架收护帮板的动作、采煤机后方的升柱动作、采煤机后方的降柱动作、采煤机后方的推溜动作、采煤机后方的移架动作和采煤机后方的伸帮动作。
具体地，所述S1在确定工作面液压支架群组跟机过程的动作事件集N时，是根据工作面液压支架群组的基础参数确定液压支架群组跟机过程的动作事件集N，所述基础参数至少包括工作面液压支架群组所包括的支架数量和支架型号。
S2，根据时间世界模型确定动作事件集N中的任意两个动作事件之间的时间元关系，并将任意两个动作事件之间的时间元关系转换成工作面液压支架动作的点逻辑时间关系矩阵M。
具体地，所述S2在根据时间世界模型确定动作事件集N中的任意两个动作事件之间的时间元关系时，是根据工作面割煤工艺、液压支架时空位置和预定义约束中的至少一种动作约束条件，将动作事件集N中的任意两个动作事件之间的时间元关系通过时间世界模型中(Temporal World Model)的时间元关系表示出来。预定义约束是根据工作面的需要预先定义的约束条件。时间世界模型中任意两个事件包括如图2所示的13种时间元关系，因此，动作事件集N中任意两个动作事件的时间元关系可以用时间世界模型中定义的13种时间元关系中的一种或多种表示。
例如，液压支架时空位置要求某一台液压支架的降柱动作与移架动作应该前后顺序动作，则这两个动作事件之间的时间元关系通过时间世界模型中的时间元关系表示可能为：before(＜)或meet(m)。又例如，工作面割煤工艺移架环节允许两台相邻液压支架既可以单台依次也可以成组同时动作，则其降柱动作之间的时间元关系通过时间世界模型中的时间元关系表示可能为：before(＜)或equal(＝)。再例如，工作面割煤工艺推溜环节要求相邻x台(根据刮板弯曲段长度确定x)支架同时动作，则某个支架的推溜动作与左右相邻的x-1台的时间元关系通过时间世界模型中的时间元关系表示只能为：equal(＝)。再例如，采煤机前方收护帮板动作与后方支架一系列动作的时间元关系可以取时间世界模型中全部的13种，但采煤机位置移动一个支架距离的动作与前方收护帮板动作的时间元关系只能取时间世界模型中的Finishied by(fi)、Contains(di)、equal(＝)和Startby(si)。以此类推，可根据具体的工作面液压支架的动作约束条件，确定动作事件集N中的任意两个动作事件之间的时间元关系。
进一步地，在将任意两个动作事件之间的时间元关系转换成工作面液压支架动作的点逻辑时间关系矩阵M时，通过如下步骤完成：
首先，将任意两个动作事件之间的时间元关系转换成3种基于点的时间逻辑关系(＜、＝、＞)，13种时间元关系的具体转换方法如图2所示。
接下来，将动作事件集N中的每个动作事件发生的时间区间用两个时间点(起始时间点和结束时间点)表示，并定义动作事件集N中第i个动作事件为I，则可用时间点表示动作事件I的时间区间，即I＝[ai，bi]，其中ai小于bi，ai为动作事件I发生的起始时间点，bi为动作事件I发生的结束时间点。
在此基础上，液压支架两两动作事件之间的基于点的时间逻辑关系的表示方法为：设A＝{-1，0，1}为起始时间点分出的区间，-1、0和1分别表示(-∞，a)，[a]，(a，∞)三个区间；B＝{-1，0，1}为结束时间点分出的区间，-1，0和1分别表示(-∞，b)，[b]，(b，∞)三个区间。则，可用集合之积表示液压支架群组任意两个动作事件I和J之间的时间关系约束，即R(I，J)＝(A1(i，j)×A2(i，j))×(B1(i，j)×B2(i，j))，动作事件I＝[ai，bi]，动作事件J＝[aj，bj]，A1(i，j)是ai与aj之间的约束，即aj落到ai的区间；A2(i，j)是ai与bj之间的约束，即bj落到ai的区间；B1(i，j)是bi与aj之间的约束，即aj落到bi的区间；B2(i，j)是bi与bj之间的约束，即bj落到bi的区间。
根据上述内容，动作事件集N中动作任意两个动作事件I和J的基于点的时间逻辑关系的可用一个如公式(1)所示的2×2阶的矩阵表示，即
Figure BDA0002304715530000061
举例说明，采煤机从K号支架移动到K+1号支架动作事件(设为动作事件1)发生时，支架跟机工艺要求K+a号支架要完成收护帮板动作(设为动作事件2)。则动作事件1与动作事件2之间的时间元关系可能为：fi，di，＝和si，其对应的基于点的时间逻辑关系为：a1＜a2＜b2＝b1，a1＜a2＜b2＜b1，a1＝a2且b2＝b1，a1＝a2＜b2＜b1，根据上述方法可得两个动作事件的时间关系矩阵为如下公式(2)：
Figure BDA0002304715530000062
综上，液压支架群组跟机动作的整个动作事件集N中的n个动作事件的基于点的时间逻辑关系可由n2个2×2阶矩阵嵌套而得2×2阶的矩阵表示，记为如下公式(3)：
Figure BDA0002304715530000063
公式(3)可表示动作事件集N中全部动作事件中的任意两个的基于点的时间逻辑关系，M可称为工作面液压支架动作的点逻辑时间关系矩阵。
S3，对点逻辑时间关系矩阵M进行时间规划计算，得到若干个满足动作事件集N的全部时间约束关系的R_时刻表。
具体地，对点逻辑时间关系矩阵M进行时间规划计算是用数学方法将点逻辑时间关系矩阵M进行处理，得到若干个满足动作事件集N全部时间关系约束的时间点集的有序划分，称为动作事件集N的R_时刻表。具体地，可定义动作事件集N的时间点集T＝{t1，t2，…，t2n}，共有2n个时间点，令E＝{e1，e2，…，em}是T的一个有序划分，则x＜y(E)表示x∈ei，y∈ej，
Figure BDA0002304715530000064
x～y(E)表示x，y∈ei，且满足
Figure BDA0002304715530000071
则称有序划分E是点逻辑时间关系矩阵M的基本划分，将T的元素按E的序安排在时间轴上，即将x～y(E)的x，y放在同一个点上，即可得到一个满足点逻辑时间关系矩阵M的动作事件集N的R_时刻表。
根据上述定义，求R_时刻表的算法，包括点逻辑时间关系矩阵M简化、非正行向量判断、求解相容子集等，可得满足动作事件集N的R_时刻表，即满足时间逻辑约束的若干组支架跟机动作事件的时间点序列。
S4，对各个R_时刻表进行验证，并根据验证结果对点逻辑时间关系矩阵M进行修正，得到新的点逻辑时间关系矩阵M’。
由于R_时刻表仅满足动作事件之间的时间关系约束，却未考虑动作事件本身的时间宽度约束，因此得到的R_时刻表中有些可能不具备可行性。例如，在上面提到的采煤机位置移动动作事件1和采煤机前方支架收护帮板动作事件2的基础上，设采煤机后方K-b号支架降柱动作为动作事件3，定义动作事件1与动作事件3之间的时间元关系可能为：fi、di、si，动作事件2与动作事件3之间的时间元关系可能为时间世界模型中的13种任意时间元关系，则可能得到某个R_时刻表制定三个动作事件的时间点序列为：(a1，a2)→b2→a3→b3→…→b1，即采煤机到达K号支架，同时前方支架收护帮板动作开始，收护帮动作结束后一段时间，后方支架降柱动作开始，支架动作结束后一段时间，采煤机到达K+1号支架，但该时间逻辑在实际动作时可能会出现采煤机动作已经完成，而降柱动作还没有结束或已结束但之后的支架一系列动作无法完成，不具备可行性。若出现该情况，需要将动作事件2与动作事件3之间的时间元关系进行删减，并以此修正点逻辑时间关系矩阵M，得到新的点逻辑时间关系矩阵M’。
在具体进行验证时，可以根据求得的R_时刻表，制定支架跟机动作时序，并在煤矿综采装备实验室对该根据动作时序实施试验验证。试验通过操作采煤机、液压支架群组和供液系统的时序动作，即可判断R_时刻表的可行性。进一步地，根据试验结果，结合工作面的实际情况，添加或删减工作面支架跟机动作事件的时间关系约束，对点逻辑时间关系矩阵M进行合理修正，得到新的点逻辑时间关系矩阵M’。
S5，对新的点逻辑时间关系矩阵M’继续进行时间规划计算，并对时间规划结果继续进行验证，直至得到符合工作面液压支架跟机动作的时序集合。
继续进行时间规划计算和对时间规划结果继续进行验证的方式同步骤S3和S4中的原理相似，此处对此不再进行赘述。符合工作面液压支架跟机动作的时序集合是指既满足时间关系约束，又满足时间宽度约束等约束条件的R_时刻表。
S6，将符合工作面液压支架跟机动作的时序集合应用于采煤过程的液压支架跟机动作的时序规划中。
符合工作面液压支架跟机动作的时序集合，可对液压支架群组跟机动作进行合理的时间规划，确保可以为液压支架跟机自动化建立科学的时间逻辑模型，进而科学推演出更多的符合工艺要求的支架跟机自动控制流程与逻辑。本发明属于煤矿开采时变多因素影响下的最优操作轨迹规划及协同控制方法研究方向，旨在解决大数据环境下复杂开采系统的最优化协同控制问题。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，确定工作面液压支架群组跟机过程的动作事件集N，N＝{1，2，…，n}共包括n个动作事件；
S2，根据时间世界模型确定动作事件集N中的任意两个动作事件之间的时间元关系，并将任意两个动作事件之间的时间元关系转换成工作面液压支架动作的点逻辑时间关系矩阵M；
S3，对点逻辑时间关系矩阵M进行时间规划计算，得到若干个满足动作事件集N的全部时间约束关系的R_时刻表；
S4，对各个R_时刻表进行验证，并根据验证结果对点逻辑时间关系矩阵M进行修正，得到新的点逻辑时间关系矩阵M’；
S5，对新的点逻辑时间关系矩阵M’继续进行时间规划计算，并对时间规划结果继续进行验证，直至得到符合工作面液压支架跟机动作的时序集合；
S6，将符合工作面液压支架跟机动作的时序集合应用于采煤过程的液压支架跟机动作的时序规划中。
2.根据权利要求1所述的采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法，其特征在于，所述动作事件集N中的动作事件的类型包括采煤机中心点从当前支架移动到下一台支架的动作、采煤机前方液压支架收护帮板的动作、采煤机后方的升柱动作、采煤机后方的降柱动作、采煤机后方的推溜动作、采煤机后方的移架动作和采煤机后方的伸帮动作。
3.根据权利要求1所述的采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法，其特征在于，所述S1在确定工作面液压支架群组跟机过程的动作事件集N时，是根据工作面液压支架群组的基础参数确定液压支架群组跟机过程的动作事件集N，所述基础参数至少包括工作面液压支架群组所包括的支架数量和支架型号。
4.根据权利要求1所述的采煤过程的液压支架跟机动作时序规划方法，其特征在于，所述S2在根据时间世界模型确定动作事件集N中的任意两个动作事件之间的时间元关系时，是根据工作面割煤工艺、液压支架时空位置和预定义约束中的至少一种动作约束条件，将动作事件集N中的任意两个动作事件之间的时间元关系通过时间世界模型中的时间元关系表示出来。
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