常州联力：采煤工作面生产系统的AI算法和机器视觉

中国煤炭工业协会

采煤工作面生产系统的AI算法和机器视觉

常州联力自动化科技有限公司

一、场景描述

近年来，随着我国煤炭工业的飞速发展，高产高效综采设备正在有效使用和推广，大幅提高了煤炭产量和劳动生产效率，降低了原煤生产成本，进一步改善了安全生产条件。为了稳定地发挥高产高效综采设备的效能，必须在设备运行过程中充分挖掘设备潜能，以适应当前工况条件，自动调节设备采掘、支护、运输各系统之间的均衡作业。

二、解决方案

综采工作面高产高效应用，在于借助信息处理技术提高生产效率，降低生产成本，提升各子系统的信息交互技术，基于以上要求开发工作面物联网技术，使得各子系统可以实现深度有机融合和协同控制。

1.煤机和支架信息交互控制技术

采煤机和液压支架是开采支护两个重要系统，目前大部分工作面只将两者信息采集在集控平台展示，没有做到采煤机和液压支架两个系统之间信息交互与融合，系统之间处于独立工作状态。煤机、支架系统在应用过程中彼此分别采集相同的工况信息(煤机位置、工作面采高、牵引方向、智能化工步等),没有建立统一的数据共享平台，没有实现数据交互、数据共享，制约综采工作面智能开采的高效推进。综采工作面采煤机和支架控制器直接接入工作面综合接入分站，实现煤机、支架、分站三者之间的互联互通，从而实现煤机支架信息交互共享，采煤机可获取就近支架的姿态、行程、压力、动作的信息，支架可获取到采煤机的运行状态、速度、位置等信息。

图1工作面物联网示意图

图2采煤机支架信息交互示意图

2.采煤机和运输机双闭环调速系统

在采煤机和运输机成套系统中，充分挖掘设备潜能，通过工作面集控系统信息交互与融合，保持采支运设备在不过载情况下以最大功率运行，以提高设备开采效率。

实现三机自动调速最直接的方法是安装煤流量传感器，根据煤流量的大小调节三机速度。目前煤流量传感器的种类很多，最常用的是连续称重式，新型的有视频识别、激光断面扫描等，都存在故障率较高、价格昂贵等缺点，许多单位经过多年探索实践，仍然无法克服其缺点，因此煤流量传感器没有得到推广应用。

联力科技根据多年积累的智能化割煤技术、综采工作面集控技术，探索了根据采煤机状态、利用人工智能算法做三机自动调速的新方法。该方法不需要使用煤流量传感器，不仅完全克服了煤流量传感器故障率高的缺点，还大大简化了系统，降低成本，提高了系统可靠性。

本方法不需要额外增加任何传感器及设备，仅根据采煤机的工作状态，即可实现三机自动调速。

通常情况下，采煤机距离机头越远、采煤机截割电流越大、牵引速度越快，刮板机上的煤越多，反之煤越少。根据这个原理，刮板机速度为采煤机位置、截割电流、牵引速度的函数，建立该函数，可以推算出煤流量。

算出三机的速度给定值后，将该数值发给变频器，由变频器控制电机实现三机调速。集控系统获得三机的速度、电流值后，可以根据三机的负载情况再控制采煤机的牵引速度，形成闭环，防止三机过载、防压死。

系统优点：无需使用煤流量传感器，可靠性高，设备成本低；采煤机、运输机一体化控制，双闭环调速；发挥变频器的真正作用，节能降耗；减少无效磨损，机电设备规范化管理。

3.基于机器视觉的多功能传感器应用

工业视频监控在综采工作面被广泛使用，目前煤矿应用的视频系统多数用于人员远程监视监护，没有参与集控控制，视频系统以独立子系统存在，和工作面其他系统之间无交互，需要配置岗位工值守。

机器视觉系统利用视频摄像仪结合服务器完成AI场景识别，核心竞争力是基于深度学习的图像识别技术，对视频图像进行采集、处理、分析、评测，接入工作面集控系统参与控制，同时便于人员远程监视，可有效规避现有煤流量传感器、支架姿态传感器、人员精确定位识别等性能不足的技术痛点。

基于人工智能的运输机堵塞识别报警技术

图3运输机报警大块煤识别报警

为便于变频调速控制准确性，结合视频监测效果实现对煤流量辅助检测，本改造方案配置视频摄像头及视频服务器，利用机器视觉技术实现对刮板运输机煤流量辅助监测，同时实现对机头堵大块煤检测报警、运输机堆煤报警，同时工作面沿线设备语音报警功能。

视频自动跟机技术

图4视频自动跟机监视

视频系统融合工作面集控系统具备实现视频自动跟机功能，综合提升综采工作面智能化程度。在智能化割煤过程中视频系统通过工作面集控系统获取采煤机位置、牵引方向、采高等信息，通过AI算法控制视频摄像机对左右滚筒运行跟踪监视，从而实现采煤机智能化割煤为主、远程干预为辅控制，将煤机司机从恶劣的工作环境解放到地面集控中心，极大降低工作劳动强度，提升智能化程度。

护帮板伸缩识别技术

目前智能化工作面采煤机和液压支架两个子系统之间还没有形成完全信息交互共享，在监护运行过程还是依赖岗位工识别支架护帮板伸缩情况，避免机械碰撞。在上述自动跟机过程中，摄像机同时监控采煤机运行方向护帮板伸缩状态，确保滚筒和护帮保持安全距离，避免煤机和支架碰撞，进一步提升煤机和支架联动性能，保证智能化工作面智能化效率提升。

液压支架下人员检测、定位及闭锁保护

工作面视频系统自动识别支架下的人员，并检测出人员位置。集控系统根据检测结果控制人员所在位置的支架闭锁，防止支架移动伤人。

图6支架下人员检测、定位及闭锁保护

三、应用效果

在神东锦界煤矿31302工作面实施基于AI算法和机器视觉的工作面生产系统以来，综采工作面人员不变，月割煤刀数增加24.8%,月产量增加26.27%,月过载次数下降98.15%,日均割煤刀数25-27刀，日产量2.24万吨，最高月产量可达70万吨。

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