CN115016336A - 一种综采工作面智能控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综采工作面智能控制系统及方法，包括：手持式语音遥控装置，用于实现操作人员控制语音指令的采集、预处理与无线传输等功能；多个声音信号无线收发装置，分布安装在液压支架顶梁下方、采煤机机身内部以及综采工作面端头，将采集到的信号传输至信号分析与处理系统，同时将相应的控制指令传输至综采工作面的采煤机、液压支架、刮板输送机上的各控制器；安装在综采工作面端头的信号分析与处理系统，实现对声音信号的识别与解析，并将相应的控制指令传输至综采工作面的各控制器。本发明可通过语音遥控装置发出的声音信号指令，实现在综采工作面任一位置对整个综采工作面的智能控制，其控制方式灵活、安全高效。

Description

一种综采工作面智能控制系统及方法

技术领域

本发明属于煤矿机电装备智能控制技术领域，涉及一种综采工作面智能控制系统及方法。

背景技术

采煤机、液压支架、刮板输送机是综合机械化采煤工作面的三大主要设备，其高效、智能、协同控制，是决定综采工作面智能化程度的关键。目前综采三机设备的控制，主要是通过其自身的机载控制器在设备旁进行按键控制，或是通过远程监控的手段在监控中心实现远程监控，无法实现现场操作人员在综采工作面的任何一个位置，根据设备或生产情况发送控制指令，对综采设备进行实时有效的控制。

中国专利CN201010613421.3公开了一种综采工作面生产自动化的方法，建立了综采工作面无线通讯网络、视频监控系统、语音通话系统、中央调度中心以及自动化生产系统等。该发明将综采工作面主要设备状态参数，采集后通过无线通讯网络传输至中央调度中心，中央调度中心结合事先建立的自动化生产系统对各个设备进行自动控制。中国专利CN201510527484.X是一种煤矿综采工作面大型装备集中控制平台的实现方法，该方法是基于煤矿综采工作面大型装备各子系统，并通过控制层高速工控机及其高速数据采集卡、前端开发平台、数据库、通讯网络，在集中控制平台的集中协调控制下，实现煤矿井下综采工作面大型装备各子系统按采煤工艺自动进行无人值守的采煤方法。如上所述，现有的综采工作面自动化控制系统研究，主要集中在对单机设备控制智能化程度的提高，以及综采工作面数据传输系统的构建，而非从整个综采工作面控制系统的层面对综采装备智能化水平进行提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种综采工作面智能控制系统及方法，结构简单、操作便捷、安全性高，可在综采工作面的任一位置通过手持式语音遥控装置对综采设备进行远程遥控，从而实现煤矿的无人化或少人化开采。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种综采工作面智能控制系统，包括：

手持式语音遥控装置，用于实现操作人员控制语音指令的采集、预处理与无线传输；包括封装在本安型外壳中的核心处理器、数据存储器、人机交互模块、无线信号传输模块、声学传感器；

多个声音信号无线收发装置，分别安装在液压支架顶梁下方、采煤机机身内部和综采工作面端头，将采集于语音遥控装置的信号传输至信号分析处理系统，同时将相应的控制指令通过声音信号无线收发装置所构建的无线传感网络传输至综采工作面的采煤机、液压支架和刮板输送机的控制器；

声学传感器，接收综采工作面声音信号，并对该信号进行初步处理，核心处理器在对语音指令进行识别后，将该信号指令通过无线信号传输模块发出；

液压支架控制器、采煤机控制器和刮板输送机控制器，同时将自身运行过程中的关键参数通过综采工作面无线传感网络，传输至语音遥控装置，并在语音遥控装置上进行显示和存储；

信号分析处理系统，安装在综采工作面端头，用于实现对声音信号的识别与解析，同时将相应的控制指令传输至综采工作面的采煤机、液压支架、刮板输送机的控制器；该系统根据操作人员的发出的声音信号指令，实现可在无线网络覆盖区域内任一位置发起对综采工作面三个设备的智能控制，包括各设备的状态监测与管理、后台数据存储与智能分析、历史数据归档与深度挖掘。

其安装在液压支架上的声音信号无线收发装置，可根据需要确定其安装间隔。

所述的手持式语音遥控装置，通过可充电电池供电，其人机交互界面上可显示电池实时电量状态，其按钮包括：开始语音控制、结束语音控制、急停闭锁。

本发明的一种综采工作面智能控制方法，采用上述的综采工作面智能控制系统，其方法包括以下步骤：

步骤1.操作人员在无线传感网络覆盖区域持语音遥控装置，按下开始语音控制按钮；语音遥控装置开始接收操作人员语音控制指令；语音控制指令发送完毕后，按下停止语音控制按钮；

步骤2.语音遥控装置对录入的语音信号进行分析处理，包括背景声音信号去噪、目标人声增强、声纹特征对比、语音指令识别，将语音信号与语音指令表中指令进行一一对应，再将识别结果通过无线传感网络传输至信号分析系统；

步骤3.信号分析系统根据指令内容，形成控制器可执行的指令语言，可以是C语言、C++语言、VB语言、汇编语言、PLC语言中的任一种，并相应发送至采煤机机载控制器或液压支架机载控制器或刮板输送机机载控制器；

步骤4.采煤机、液压支架、刮板输送机各自的机载控制器将对应的指令执行情况，通过无线传感网络反馈至语音遥控装置，并在其人机界面上进行实时显示，为下一步控制提供依据；

步骤5.所有的指令交互过程、命令类型和动作执行情况和设备运行情况，均存储在信号分析系统的数据库中，用于进行深度的数据学习与挖掘。

进一步地，步骤2中，所述的语音遥控装置对录入的语音信号进行分析处理，其过程包括：

步骤2.1.首先在无环境背景噪声条件下，对操作人员进行声音特征识别，获取不同操作人员的声音特征，再按照语音指令表进行语音识别训练，直到识别精度达到设定的要求；

步骤2.2.在实际环境中，对于声音信号遥控装置接收到的混合声音信号，首先进行归一化编码，随后进行信号分解，获取语音信号的梅尔倒谱系数，再利用信号处理算法对信号中的背景噪声进行去噪，以及人声信号的增强，得到语音信号；

步骤2.3.将语音信号与声音库中保存的声音特征进行对比，当声音特征达到一定的相似度时，认为该声音信号可用，否则不进行下一步操作；

步骤2.4.对语音中的内容进行识别，当语音内容与指令库中的语音指令一致，并且该操作人员具有该段语音信号所对应的指令权限，认为该段语音信号可执行，否则不进行下一步操作，并提示故障代码；

步骤2.5.将识别的语音信号控制指令通过无线传感网络传输至信号分析处理系统，随后生成指令传输至综采面各设备的控制器中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明使用了手持式语音遥控装置，使得现场操作人员可以根据现场设备和实际情况对综采设备进行实时有效的控制。

2.本发明加强了采煤机、液压支架和刮板输送机之间的协同和高效的控制而不是对其中的某一个设备加强智能化效果，使得综采设备整体的智能化提高，提高了综采设备的工作效率。

3.本发明主要是根据声音信号对综采设备进行智能控制，具有控制方式灵活、安全高效，实现少人化开采。

附图说明

图1是本发明的一种实施例的系统架构示意图。

图2是本发明的一种实施例的声音信号无线收发装置在液压支架上的安装位置示意图。

图3是本发明的一种实施例的语音遥控装置的模块示意图。

图4是本发明的一种实施例的本安型手持式语音遥控装置的操作流程图。

图5是本发明的一种实施例的方法流程图。

具体实施方式

本发明的一种综采工作面智能控制系统及方法，其智能控制系统包括：本安型手持式语音遥控装置，用于实现操作人员控制语音指令的采集、预处理与无线传输等功能；多个声音信号无线收发装置，分布安装在液压支架顶梁下方、采煤机机身内部以及综采工作面端头，将采集到的信号传输至信号分析与处理系统，同时将相应的控制指令传输至综采工作面“三机”(采煤机、液压支架、刮板输送机)设备控制器；安装在综采工作面端头的信号分析与处理系统，用于实现对声音信号的识别与解析，同时将相应的控制指令传输至综采工作面“三机”设备控制器。该系统根据操作人员的发出的声音信号指令，实现在综采工作面任一位置对“三机”设备的智能控制，具有结构简单、控制方式灵活、安全高效的优点。

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种综采工作面智能控制系统，包括手持式语音遥控装置、分布安装在液压支架顶梁下方和采煤机机身的声音信号无线收发装置、位于综采工作面端头的信号分析与处理系统、以及采煤机和液压支架机载控制器等。

手持式语音遥控装置主要用于实现操作人员控制语音指令的采集、预处理与无线传输等功能；声音信号无线收发装置，将采集到的信号传输至信号分析与处理系统，同时将相应的控制指令传输至综采工作面“三机”(采煤机、液压支架、刮板输送机)设备控制器；安装在综采工作面端头的信号分析与处理系统，用于实现对声音信号的识别与解析，同时将相应的控制指令传输至综采工作面“三机”设备控制器。该系统根据操作人员的发出的声音信号指令，实现可在无线网络覆盖区域内任一位置发起对综采工作面“三机”设备的智能控制，具有结构简单、控制方式灵活、安全高效的优点。

手持式语音遥控装置采用煤矿本安型结构设计，主要由核心处理器(采用ARM+DSP的处理器架构)、数据存储器、人机交互模块(包括按键和显示屏)、无线信号传输模块、声学传感器等组成，所有模块封装在本安型外壳中。其声学传感器接收综采工作面声音信号，并对该信号进行初步处理，核心处理器在对语音指令进行识别后，将该信号指令通过无线信号传输模块发出。手持式语音遥控装置通过可充电电池供电，人机交互界面上可显示电池实时电量状态。语音遥控装置上的按钮包括“开始语音控制”、“结束语音控制”、“急停闭锁”等。其操作流程如图4所示。

多个声音信号无线收发装置，分布安装在液压支架顶梁下方、采煤机机身以及位于综采工作面端头的信号分析与处理系统旁。安装在液压支架上的声音信号无线收发装置可根据需要确定其安装间隔，可采用每台液压支架上都安装，或者间隔一台或多台液压支架上安装。图2所示是声音信号无线收发装置在液压支架上的安装位置示意图。

声音信号无线收发装置可以接受来自语音遥控装置发出的控制指令，同时将该指令通过声音信号无线收发装置所构建的无线传感网络，传递至液压支架控制器、采煤机控制器以及刮板输送机控制器。

液压支架控制器、采煤机控制器及刮板输送机控制器，同时将自身运行过程中的关键参数通过综采工作面无线传感网络，传输至语音遥控装置，并在语音遥控装置上进行显示和存储。

所述信号分析系统是整个综采工作面智能控制系统的核心，实现系统中所有设备的状态监测与管理，后台数据存储与智能分析，历史数据归档与深度挖掘等功能。

所述声音信号无线收发装置所构建的无线传感网络可以是WiFi网络、4G网络、5G网络、ZigBee网络、MESH网络等无线网络形式。本发明智能控制系统的各部分通过无线传感网络进行通讯与信息传输。

本发明的一种基于声音的综采工作面智能控制方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤1.操作人员在无线传感网络覆盖区域持语音遥控装置，并按下“开始语音控制”按钮，语音遥控装置开始接收操作人员语音控制指令(指令按照事先设定好的语音指令表执行，既可以是实际动作指令的中文简短表示，也可以是英文字母或数字的指示)，语音控制指令发送完毕后，按下“停止语音控制”按钮。

步骤2.语音遥控装置对录入的语音信号进行分析处理，主要包括背景声音信号去噪、目标人声增强、声纹特征对比、语音指令识别等，将语音信号与语音指令表中指令进行一一对应，并将识别结果通过无线传感网络传输至信号分析系统。

步骤3.信号分析系统根据指令内容，形成控制器可执行的指令语言(可以是C语言、C++语言、VB语言、汇编语言、PLC语言等)，并对应的发送至采煤机机载控制器或液压支架机载控制器或刮板输送机机载控制器。

步骤4.采煤机、液压支架、刮板输送机各自的机载控制器将对应的指令执行情况，通过无线传感网络反馈至语音遥控装置，并在其人机界面上进行实时显示，为下一步控制提供依据。

步骤5.所有的指令交互过程，命令类型和动作执行情况，以及设备运行情况，都存储在信号分析系统的数据库中，用于进行深度的数据学习与挖掘。

所述语音控制指令可以是单条指令，也可以是组合式指令，目标设备可以是多个设备。

所述步骤2中，对于接收到的语音信号进行处理的详细过程和方法如下：

所述步骤2.1.首先在无环境背景噪声条件下，对操作人员进行声音特征识别，获取不同操作人员的声音特征，在此基础上按照语音指令表进行语音识别训练，直到识别精度达到设定的要求。

所述步骤2.2.在实际环境中，对于声音信号遥控装置接收到的混合声音信号，首先进行归一化编码，随后进行信号分解，获取语音信号的梅尔倒谱系数(MFCC)，再利用信号处理算法对信号中的背景噪声进行去噪，以及人声信号的增强，得到语音信号。

所述步骤2.3.随后，将语音信号与声音库中保存的声音特征进行对比，当声音特征达到一定的相似度时，认为该声音信号可用，否则不进行下一步操作。

所述步骤2.4.对语音中的内容进行识别，当语音内容与指令库中的语音指令一致，并且该操作人员具有该段语音信号所对应的指令权限，认为该段语音信号可执行，否则不进行下一步操作，并提示故障代码；(无该指令或不具备权限)。

所述步骤2.5.将识别的语音信号控制指令通过无线传感网络传输至信号分析与处理系统，随后生成指令传输至综采面各设备的控制器中。

本发明的手持式语音遥控装置的语音指令如下表所示。

表1.语音指令表

Claims (5)

1.一种综采工作面智能控制系统，其特征在于，包括：

手持式语音遥控装置，用于实现操作人员控制语音指令的采集、预处理与无线传输；包括封装在本安型外壳中的核心处理器、数据存储器、人机交互模块、无线信号传输模块、声学传感器；

多个声音信号无线收发装置，分别安装在液压支架顶梁下方、采煤机机身内部和综采工作面端头，将采集于语音遥控装置的信号传输至信号分析处理系统，同时将相应的控制指令通过声音信号无线收发装置所构建的无线传感网络传输至综采工作面的采煤机、液压支架和刮板输送机的控制器；

声学传感器，接收综采工作面声音信号，并对该信号进行初步处理，核心处理器在对语音指令进行识别后，将该信号指令通过无线信号传输模块发出；

液压支架控制器、采煤机控制器和刮板输送机控制器，同时将自身运行过程中的关键参数通过综采工作面无线传感网络，传输至语音遥控装置，并在语音遥控装置上进行显示和存储；

信号分析处理系统，安装在综采工作面端头，用于实现对声音信号的识别与解析，同时将相应的控制指令传输至综采工作面的采煤机、液压支架、刮板输送机的控制器；该系统根据操作人员的发出的声音信号指令，实现可在无线网络覆盖区域内任一位置发起对综采工作面三个设备的智能控制，包括各设备的状态监测与管理、后台数据存储与智能分析、历史数据归档与深度挖掘。

2.根据权利要求1所述的一种综采工作面智能控制系统，其特征在于，安装在液压支架上的声音信号无线收发装置，可根据需要确定其安装间隔。

3.根据权利要求1所述的一种综采工作面智能控制系统，其特征在于，所述的手持式语音遥控装置，通过可充电电池供电，其人机交互界面上可显示电池实时电量状态，其按钮包括：开始语音控制、结束语音控制、急停闭锁。

4.一种综采工作面智能控制方法，其特征在于，采用如权利要求1至3任一项所述的综采工作面智能控制系统，所述方法包括以下步骤：

步骤1.操作人员在无线传感网络覆盖区域持语音遥控装置，按下开始语音控制按钮；语音遥控装置开始接收操作人员语音控制指令；语音控制指令发送完毕后，按下停止语音控制按钮；

步骤2.语音遥控装置对录入的语音信号进行分析处理，包括背景声音信号去噪、目标人声增强、声纹特征对比、语音指令识别，将语音信号与语音指令表中指令进行一一对应，再将识别结果通过无线传感网络传输至信号分析系统；

步骤3.信号分析系统根据指令内容，形成控制器可执行的指令语言，可以是C语言、C++语言、VB语言、汇编语言、PLC语言中的任一种，并相应发送至采煤机机载控制器或液压支架机载控制器或刮板输送机机载控制器；

步骤4.采煤机、液压支架、刮板输送机各自的机载控制器将对应的指令执行情况，通过无线传感网络反馈至语音遥控装置，并在其人机界面上进行实时显示，为下一步控制提供依据；

步骤5.所有的指令交互过程、命令类型和动作执行情况和设备运行情况，均存储在信号分析系统的数据库中，用于进行深度的数据学习与挖掘。

5.根据权利要求4所述的一种基于声音的综采工作面智能控制方法，其特征在于，所述步骤2中，所述的语音遥控装置对录入的语音信号进行分析处理，其过程包括：

步骤2.1.首先在无环境背景噪声条件下，对操作人员进行声音特征识别，获取不同操作人员的声音特征，再按照语音指令表进行语音识别训练，直到识别精度达到设定的要求；

步骤2.2.在实际环境中，对于声音信号遥控装置接收到的混合声音信号，首先进行归一化编码，随后进行信号分解，获取语音信号的梅尔倒谱系数，再利用信号处理算法对信号中的背景噪声进行去噪，以及人声信号的增强，得到语音信号；

步骤2.3.将语音信号与声音库中保存的声音特征进行对比，当声音特征达到一定的相似度时，认为该声音信号可用，否则不进行下一步操作；

步骤2.4.对语音中的内容进行识别，当语音内容与指令库中的语音指令一致，并且该操作人员具有该段语音信号所对应的指令权限，认为该段语音信号可执行，否则不进行下一步操作，并提示故障代码；

步骤2.5.将识别的语音信号控制指令通过无线传感网络传输至信号分析处理系统，随后生成指令传输至综采面各设备的控制器中。

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