马宏伟教授：煤矿智能单轨吊研究进展与关键技术

煤矿单轨吊辅助技术研究现状

       目前，矿用单轨吊主要包括防爆柴油机单轨吊、防爆蓄电池单轨吊、气动单轨吊、绳牵引单轨吊和电缆拖挂单轨吊5种。其中，防爆柴油机单轨吊和防爆蓄电池单轨吊以其运输能力强的优势，现已广泛应用于煤矿井下设备及物料的运输，随着煤矿智能化建设的推进和国家对煤矿井下单轨吊排放标准的提高，防爆蓄电池单轨吊以其绿色清洁等特点逐渐成为煤矿井下辅助运输的重点研发装备。

       煤矿单轨吊动力电池主要包括铅酸电池和磷酸铁锂电池2种。根据铅酸电池和磷酸铁锂电池的优缺点，许多学者从煤矿锂电池的隔爆和管理2个方面开展了研究。在煤矿锂电池隔爆方面，现有隔爆腔常采用经验法进行设计，造成隔爆腔壁面应力储备过多、结构笨重、质量较大，间接影响了单轨吊的续航能力，因此需要对隔爆腔进行轻量化设计，在满足强度要求下，通过使用高强度材料、增加肋板的方式减小壁厚。在煤矿锂电池管理方面，均衡管理和热管理成为影响电池续航能力和安全性能的关键技术问题。电池均衡管理主要针对磷酸铁锂电池，旨在避免电池组内单体电池出现内阻和容量等不一致现象，防止产生过充过放，影响电池续航和寿命。现有研究尽管在电池防爆设计和电池管理方面取得了一定进展，但仍存在防爆设计冗余、续航能力不足等问题。

       煤矿单轨吊在井下作业过程中，需要实时确定其位置信息，从而对单轨吊进行调度和控制。在煤矿井下复杂环境中，单一传感器定位技术存在局限性，多传感器信息融合的单轨吊定位技术研究较少，难以满足智能单轨吊精确定位要求。

       煤矿单轨吊测控技术是实现单轨吊自动化、智能化的关键技术。在单轨吊运行状态监测方面，现有单轨吊基本通过人工驾驶，依靠人眼判断障碍、轨道坡度等，采用机载传感器检测单轨吊的相关参数（如速度、电量、电压、温度、油压等）。在单轨吊运行控制方面，许多学者针对蓄电池单轨吊驱动电动机本身特性和控制系统响应慢、稳定性差等问题进行了研究。单轨吊辅助运输系统测控技术尽管在单轨吊检测和控制方面取得了一定研究成果，但在检测系统的完整性、实时性、准确性和在控制系统鲁棒性、适应性、稳定性等方面仍存在不足。

       通信技术是煤矿单轨吊安全可靠运行的重要保障。为了提高煤矿井下信息传输的速率和质量，学者们从通信方式和数据处理 2 个方面进行了一系列研究。现有单轨吊系统的通信主要是针对一维数据的传输，但随着煤矿智能化快速发展，智能单轨吊的运行需要对大量数据进行处理及传输。

       智能单轨吊关键技术主要包括电池驱动、精确定位、智能测控和信息传输等，其各部分之间的逻辑关系如下图所示。

智能单轨吊关键技术逻辑关系

       煤矿单轨吊采用电池驱动形式，面临着容量有限、过充放、能效比低等关键难题，为了使电池驱动能满足大容量、防爆、高寿命、高可靠性与高稳定性的要求，亟待破解电池驱动防爆设计、多级组合方式及电池管理等关键技术问题。

       精确定位技术是确保煤矿智能单轨吊系统安全高效运行的重要保障，是实现煤矿智能单轨吊复杂环境下精准控制的重要依据。因此，如何实时获取煤矿智能单轨吊全局位姿信息和局部位置信息等成为关键。

       煤矿智能单轨吊测控技术煤矿智能单轨吊工作状况复杂、工作环境受限，构建智能单轨吊运行状态与环境信息智能检测系统及适应多种工况的智能化控制系统，亟待破解智能单轨吊安全稳定运行和全生命周期维护的关键技术

       智能单轨吊通信与信息系统具有数据量大、多源化、高冗余等特点，研究受限空间高速单轨吊通信系统构建和多源数据高效计算、保真传输，已成为智能单轨吊多源信息实时、可靠传输的关键技术。

       针对煤矿智能单轨吊电池驱动、精确定位、智能测控和信息传输等关键技术问题，提出煤矿智能单轨吊锂电池防爆及电池管理、全局与局部融合精确定位、多传感器信息融合智能测控、边缘计算信息传输等解决方案。

       ① 建立满足煤矿智能单轨吊长续航、大负载要求的大容量模块化锂电池组合拓扑结构，构建基于空间、容量、续航与安全等多因素约束下的防爆锂电池系统结构设计模型，提出基于变密度法的防爆外壳结构拓扑优化方法，解决紧凑结构下电池容量与续航性能匹配问题。② 建立充放电特征和电池均衡状态之间的映射关系，提出电池均衡状态预测及控制方法，构建基于改进麻雀搜索算法的煤矿智能单轨吊大容量锂电池均衡管理模型。

       ① 建立煤矿智能单轨吊初始位置坐标，解算基于惯导信息的初始姿态转换矩阵；构建里程计速度信息与惯导姿态转换矩阵的煤矿智能单轨吊航位信息解算模型；提出基于全站仪+激光标靶信息的煤矿单轨吊终点目标位置惯导坐标信息修正方法；构建基于改进自适应卡尔曼滤波的惯性导航定位误差补偿模型，建立最优自适应因子的测量系统迭代方程，实现初始与目标位置的惯导初始对准与累计误差消除，构建基于惯导与里程计融合的煤矿智能单轨吊全局定位模型，解决煤矿智能单轨吊高效精准的全局定位问题。② 构建目标位置与单轨吊之间的双边双向UWB测距模型，以及巷道多UWB基站与单轨吊UWB设备之间的三边定位模型，获取单轨吊与巷道间的距离与位置信息；融合煤矿智能单轨吊视觉定位标靶信息，提出基于改进卡尔曼滤波的视觉+UWB 融合局部定位方法，建立机器视觉+UWB 多传感器融合的煤矿智能单轨吊起始与终止目标位置感知系统，解决煤矿智能单轨吊在目标位置的局部定位问题。

       ① 提出基于参数递推最小二乘法的智能单轨吊运行状态信息在线识别方法、提出基于二阶近似扩展卡尔曼滤波的降噪方法，构建面向智能单轨吊机械特性与电气特性的多传感器融合的多层级智能检测系统，实现智能单轨吊运行状态的实时感知与全生命周期的智能管理。② 提出基于运行参数、人员分布等信息的电子围栏动态区域划分方法、基于环境信息、运行状态及位姿信息驱动的电子围栏区域更新方法，以适应智能单轨吊不同运行状态下的有效预警。③ 构建融合路况信息、运行状态信息及电子围栏预警信息的单轨吊全局速度规划模型，建立基于路况与载荷融合的局部速度控制方法；建立路况信息数据库，提出单轨吊路况分类方法及不同路况的模糊矢量速度控制方法，引入能效约束，构建单轨吊智能控制模型，实现智能单轨吊安全高效自适应控制。

       ① 建立“本地−近程”短距离通信的数据传输模型，提出无线/有线混合的“本地−近程”信息传输方法；建立基于井下工业环网的“近程−地面”远程信息传输模型，提出多跳有线/无线“近程−地面”远程信息传输方法，构建智能单轨吊“本地−近程−地面”三级传输通信系统架构，实现智能单轨吊信息实时有效传输。② 提出无迹卡尔曼滤波与小波变换的一维数据压缩模型和 GAN 网络与稀疏字典的图像压缩方法、基于逆小波变换的一维数据重构方法和基于稀疏贝叶斯的多维数据重构方法，实现智能单轨吊数据实时保真传输。