液壓支架智能姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究

吳力超

（山西省能源職業(yè)學(xué)校， 山西 太原 030006）

引言

液壓支架是煤礦井下支護(hù)作業(yè)的核心，其應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業(yè)的安全性。隨著井下綜采作業(yè)智能化和信息化程度的不斷提升，液壓支架跟機(jī)自動控制系統(tǒng)逐步得到了應(yīng)用，極大地提升了支架調(diào)整的效率和安全性。但是由于井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此液壓支架在實際跟機(jī)運(yùn)行的過程中經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)整不到位的情況，需要人工進(jìn)行輔助調(diào)整，極大地影響了井下支架跟機(jī)自動運(yùn)行控制技術(shù)的應(yīng)用，也在一定程度上影響了井下綜采作業(yè)效率和安全性的提升。

液壓支架是否調(diào)整到位以及調(diào)整的及時性主要取決于對液壓支架運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，傳統(tǒng)支架位姿監(jiān)測主要是對工作壓力的監(jiān)測，單一的判斷模式無法滿足復(fù)雜地形條件下的監(jiān)測準(zhǔn)確性的需求，因此提出了一種新的液壓支架智能姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以多傳感器監(jiān)測為核心，通過綜合監(jiān)測和判斷的模式，對支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控。根據(jù)實際應(yīng)用表明，新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒅Ъ苓\(yùn)行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測精度提升88.4%，實現(xiàn)了液壓支架位姿的連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測和報警、調(diào)整，具有極大的應(yīng)用推廣價值。

1 多傳感器信息融合智能監(jiān)測原理

多傳感器信息融合主要是指將不同傳感器的監(jiān)測信息進(jìn)行統(tǒng)一匯總、分析的過程，在分析時能夠根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)的數(shù)據(jù)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)層融合、特征層融合及決策層融合三個部分，采用多傳感器信息融合的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面[1]：

1）多信息融合技術(shù)能夠?qū)Ａ康男畔⑦M(jìn)行智能歸類分析，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)重合時，系統(tǒng)自動對重合的部分進(jìn)行篩分，避免重復(fù)性分析，提高數(shù)據(jù)分析效率和準(zhǔn)確性；

2）由于多傳感器數(shù)據(jù)信息量大，不同傳感器的監(jiān)測信息具有較大的局限性，單一的數(shù)據(jù)無法對液壓支架整體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的判斷，通過數(shù)據(jù)融合分析能夠?qū)σ簤褐Ъ艿恼w運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，提升數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和可靠性；

3）系統(tǒng)穩(wěn)定性高，由于井下工作環(huán)境較為惡劣，因此在監(jiān)測過程中會出現(xiàn)大量的干擾源，導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性差，利用信息融合技術(shù)能夠提升對干擾信號的識別效果，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

多傳感器信息融合系統(tǒng)采用了多數(shù)據(jù)模塊組合模式，每個模塊承擔(dān)不同的功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好，能夠根據(jù)實際情況進(jìn)行拓展，極大提升了系的使用靈活性。該多傳感器信息融合智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 多傳感器信息融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為了提高對數(shù)據(jù)信息分析的準(zhǔn)確性，在該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層內(nèi)，所使用的傳感器一般為同類型傳感器，能夠提升對數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，也便于對數(shù)據(jù)的偏差量進(jìn)行修正，但同時在該層級的數(shù)據(jù)運(yùn)算量較大。為了解決數(shù)據(jù)運(yùn)算量大的不足，系統(tǒng)采用了特征級數(shù)據(jù)信息融合結(jié)構(gòu)，能夠?qū)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)監(jiān)測信息進(jìn)行提前分類、合并，從而有效地降低了數(shù)據(jù)的運(yùn)算量，但該層級運(yùn)算結(jié)構(gòu)的缺陷在于無法對不同類型傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速融合，因此在系統(tǒng)內(nèi)增加了決策及信息融合技術(shù)，首先將不同類型傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、關(guān)聯(lián)分析，然后再提交運(yùn)算，從而保證了整個系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，該運(yùn)算決策結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示[3]。

圖2 運(yùn)算決策結(jié)構(gòu)示意圖

2 液壓支架硬件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

為了保證液壓支架工作的可靠性，首先對液壓支架工作時的核心運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行提取，最終確定數(shù)據(jù)監(jiān)測參數(shù)為液壓支架的工作壓力、液壓支架的傾斜度及位移等信息，監(jiān)測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口將所采集到的數(shù)據(jù)信息都傳遞到測控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合處理，提高數(shù)據(jù)信息的安全性，該液壓支架硬件監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示[4]。

圖3 液壓支架硬件監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3 可知，該支架運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括傾角單元模塊、慣性測量模塊及位置監(jiān)測模塊[5]，傾角單元模塊主要是采用固體搖擺式傳感器。液壓支架在井下的常用工作傾角范圍為20°~40°，因此所選擇的傾角傳感器能滿足以上范圍的監(jiān)測使用需求即可，無須更大的測量范圍，從而有效地降低成本。為了確保監(jiān)測的準(zhǔn)確性，各個傳感器需設(shè)置到液壓支架上位置穩(wěn)定性好的地方，避免長期工作過程中因位置變化而引起的監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

在系統(tǒng)監(jiān)測的過程中各個傳感器對液壓支架的運(yùn)行位置狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，然后將監(jiān)測數(shù)據(jù)信息傳遞到多傳感器信息融合系統(tǒng)內(nèi)，由系統(tǒng)對所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，當(dāng)確定異常信息后系統(tǒng)自動進(jìn)行報警并進(jìn)行數(shù)據(jù)異常的分析，確定初步的故障位置及故障原因，為快速解決故障提供數(shù)據(jù)支撐，確保故障的快速定位和快速解決。

3 系統(tǒng)仿真分析

為了對該液壓支架智能監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，利用MATLAB 仿真分析軟件[6]對該支架控制系統(tǒng)的位置監(jiān)測精度進(jìn)行研究，以ZY9200 型液壓支架為例，其在井下巷道內(nèi)采煤機(jī)的前端，需要根據(jù)采煤機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行自動移架任務(wù)，利用仿真分析和實物測量的方式對該系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性進(jìn)行分析。在進(jìn)行仿真分析時，設(shè)置液壓支架進(jìn)行6 次移架，第一次的位移值為0.64 m，第二次位移值為0.7 m，第三次位移值為0.63 m，第四次位移值為0.45 m，第五次位移值為0.65 m，第六次位移值為0.65 m，在運(yùn)行過程中設(shè)置液壓支架的活塞桿作用力為1149 kN，液壓油的工作壓力為9 MPa，對比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 液壓支架仿真分析與實測結(jié)果對比圖

由圖4 可知，在6 個測量點處，實際測量值和仿真分析結(jié)果表現(xiàn)出了高度的吻合性，最大偏差量僅0.01 m，井下對液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測精度可達(dá)±0.006 m，比傳統(tǒng)監(jiān)測方式提升了88.4%，實現(xiàn)了對液壓支架運(yùn)行狀態(tài)的智能監(jiān)測，顯著地提升了支架在井下的運(yùn)行精度和穩(wěn)定性，為進(jìn)一步推進(jìn)井下液壓支架的跟機(jī)自動運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

針對液壓支架姿態(tài)監(jiān)測效率低、精確性差的不足，提出了一種新的液壓支架智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過采用多傳感器信息融合系統(tǒng)，實現(xiàn)了對液壓支架多傳感器可靠監(jiān)測，根據(jù)仿真分析和實際對比驗證表明：

1）多傳感器信息融合的優(yōu)勢在于，系統(tǒng)自動對重合的部分進(jìn)行篩分，避免重復(fù)性分析，提高數(shù)據(jù)分析效率和準(zhǔn)確性；

2）支架運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括傾角單元模塊、慣性測量模塊及位置監(jiān)測模塊，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，靈活性高；

3）新的控制系統(tǒng)的監(jiān)測精度可達(dá)±0.006 m，比傳統(tǒng)監(jiān)測方式提升了88.4%，對提升井下液壓支架監(jiān)測精確性和可靠性具有十分重要的意義。