智能集控系统架构设计
要实现工作面少人，首先考虑的就是把井下集控中心的人员升至地面，而要实现地面远程智能控制，首要解决井上、井下安全控制问题。以往行业智能化控制均采用以太网方式，不仅存在网络延迟，而且严重受网络环境影响，尤其无法实现工作面设备的急停控制。
为解决安全控制问题，结合现场实际需要和工业生产安全控制经验，设计并研发了基于地面操控为主的智能综采远程控制生产模式（图1）。
图1 大海则煤矿智能综采远控中心
大海则煤矿智能综采首次采用分布式工业控制系统结构，采用井上、井下专网、专线设计；同时为确保生产安全，采用毫秒级响应的井上、井下安全控制机制，解决了以往井上、井下通信存在的数据延时高、安全管控能力差、地面操控响应周期长等行业技术难题，并将井下集控室2名操控人员转移至地面生产指挥中心对生产进行全面监控，既改善了集控操作工人的作业环境，又可通过智能监控平台丰富的功能配置，提高对工作面智能综采的总体掌控，实现了地面常态化远程智能操控的新模式。
为实现综采工作面的精准开采和透明开采，大海则煤矿对综采工作面进行了高密度三维地震探测、槽波探测和两巷数据写实，建立了高精度地质模型，智能集控系统将采动数据与高精地质模型进行在线数据交互，实现模型数据的动态更新。智能集控系统可与采煤机进行数据在线交互，将最新的规划截割数据在地面生产指挥中心下发至采煤机存储空间，采煤机可依据最新规划的截割数据进行全自动规划截割。为更好地实现工作面在推采方向上的定位，智能集控系统还将集控系统与矿井定位系统融合，实现设备在空间位置的自动定位，提高地质模型采动的精准性。经现场实测比对，规划截割与采动数据比对误差不超5%，地质模型与实际生产的误差基本在15～30 cm内。
智能集控系统与采煤机监控系统进行深度融合开发，实现了地面远程对采煤机的全面监控，实现的功能包括：远程修改采煤机端头的进刀距离、采高与挖底量、煤机工艺象限、煤机限速等各项关键生产数据（图2），为地面远程监控提供了便利，大幅提升了远程控制的效率。
智能集控系统为了确保能够更好地控制采煤机适应工作面煤层变化和满足生产管控需求，研发了煤机割煤轨迹自适应调整控制功能和丰富的人机交互功能，这些功能的实现使生产指挥中心综采队值守人员可以更方便快捷地根据现场实际需要对采煤机规划截割曲线进行设计调整，以实现对工作面顶底板的管控。
图2 CME-IMS智能开采系统
基于高精动态地质模型的自适应规划截割开采方式与采煤机记忆截割方式相比，截割数据更新更及时，操作更灵活方便，对顶底板适应性更强，智能开采使用率提升50%。大海则煤矿20101工作面三维地质可视化系统如图3所示。
图3 大海则煤矿20101工作面三维地质可视化系统
结合惯性导航系统的工作特性和工作面生产工艺特点，自主研发了一套工作面直线度监测系统（图4）。该系统的特点是仅凭借惯导3个方向的角度值和采煤机自身位置定位便可对工作面直线度进行准确监测，无需额外辅助定位装置。直线度监测内容包括：工作面推进进尺形态、刮板输送机直线度及偏差量、工作面任意支架下一刀自动调直的拉架量，以及绘制相应的图形曲线，可记录全部数据曲线，并展示最近连续10刀的工作面直线度曲线，以友好界面展现形式指导生产。工作面直线度监测系统通过网络将数据下发给支架电液控制系统，并由支架电液控制系统完成工作面调直控制。经井下实测，300m工作面测量偏差不大于3cm，优于行业常规要求的5 cm。
图4 CME-IMS工作面直线度监测系统
大海则煤矿采用基于高密度、小型化的人员定位基站布置方式，开发了人员精确定位及主动防护系统（图5），实现了工作面人员动态定位精度小于30cm，解决了工作面人员动态行走过程中的精准定位及设备联动防护问题。当人员站在支架中部时，电液控只闭锁当前支架；当人员站在支架边缘时，则闭锁当前支架和相邻支架，突破了常规定位系统以3架范围作为人员安全保护区域的做法，同时该人员定位系统检测到人员经过正在执行动作的支架时，支架将自动暂停动作，人员离开后自动恢复智能化开采动作，解决了人员巡视对工作面智能开采连续性的影响。该套基于电液控制系统的人员精确定位系统，以实现人员精确定位及主动防护为初衷，在确保人员安全的前提下，既能够确保智能开采长时间连续运行，又能间接提高智能开采效率。
图5 人员精确定位及主动防护系统
大海则煤矿智能综采采用基于设备机械结构尺寸和各类传感器反馈数据的防碰撞控制系统。该系统可根据煤机机身、摇臂、滚筒和行星头结构尺寸，以及传感器反馈的位置、采高和速度数据，实现采煤机在工作面精准的位姿检测。根据支架顶梁、伸缩梁、护帮板的结构尺寸和支架采高、倾角、伸缩梁行程和护帮板角度，结合支架的编号准确判定支架空间姿态。防碰撞控制系统结合采煤机、支架的姿态和开采工艺进行工作面设备的防碰撞监测、预警和控制（图6），为工作面智能开采设备安全生产提供技术保障。
图6 煤机与支架碰撞风险报警系统
大海则煤矿敷设了视频监控专网，对视频传输及跳转做了精细规划，实现综采全工作面 50 余台1080P视频图像同时传输至地面无肉眼可见的延迟现象，视频传输质量稳定可靠。大海则煤矿综采视频监控系统采用有线与5G并发传输结构，当有线系统通信中断时可采用5G进行传输，确保生产过程画面传输的连续性，降低系统在生产班组的维护量，间接提高了智能生产效率。视频系统可实现摄像仪自动追随采煤机滚筒旋转，并可用视频控制键盘在地面随时对摄像仪进行控制。生产工况在地面清晰可见（图7），同时对工作面全部摄像仪视频图像进行存储，存储时间不少于3个月。
图7 视频自动跟机监控画面
视频AI识别功能包括液压支架护帮板状态、人员越界入侵、安全帽佩戴、防冲服穿戴、煤壁片帮、大块煤和堵煤等多场景的精准识别 （图8）。视频系统可通过控制算法实现监控场景的自动轮询查看，并可自动将报警信息转发至集控系统，由集控系统进行联动控制。视频自动轮询监控报警功能省去了工人重复性手动切换视频监测画面的操作，提高了工作面查看的效率，优化了工作面的生产管理。
图8 视频AI多场景精准识别
大海则煤矿根据智能综采系统规划，研发了全新的大数据分析系统 （图9），可自动统计工作面设备的开机率、智能化率、割煤刀数、产量和矿压分布等信息，解决了人工每天机械式计算的难题，降低了工人劳动强度。大数据分析系统可对工作面生产效率进行分析，对矿压进行预警分析，用生产数据辅助指导生产。震动监测可对不同设备的健康状态进行预判，并根据设备震动情况进行不同层级的预警，辅助设备健康管理，有效预防了设备重大故障的发生，间接带来了经济效益。
图9 大数据分析监测系统
大海则煤矿工作面数字孪生系统（图10），依据综采工作面成套设备机械尺寸结构实现1∶1数字建模，同时融合工作面高精三维地质模型数据，实现对设备在综采工作面生产场景的三维数字孪生展示。操作人员能够便捷直观地观察设备动作、状态以及相互间位置关系，对安全、高效、智能生产具有良好的生产指导及辅助作用。
图10 数字孪生展示系统
大海则煤矿综采工作面智能控制系统通过上述技术的有机融合，采用井上、井下 2 级安全架构，实现了在生产调度指挥中心完成综采工作面的常态化和智能化生产任务，很大程度上提高了智能化开采效率和安全性。目前，大海则煤矿已建成20101和20201智能综采工作面，2个工作面在调试期间均采用中班、全班进行智能化生产，随着采队人员对智能开采系统的全面掌握，智能开采现已全天候、常态化应用。随着智能开采经验的不断积累，智能开采效率逐步提高，智能开采效果已初步显现，同时培养了一批优秀的智能化开采技术人员。
