一种采煤机记忆截割与记忆定位联合学习方法

摘要

本发明公开了一种采煤机记忆截割与记忆定位联合学习方法，该方法包括如下步骤：采用包含示教‑跟踪策略的记忆截割对采煤机滚筒进行自适应调高，在示教截割阶段建立采煤机滚筒高度与无线位置间对偶映射，在跟踪截割阶段相似位置下进行采煤机记忆定位，基于新示教截割循环阶段相邻煤层对采煤机滚筒高度进行更新。本发明采煤机记忆截割与记忆定位，将无线位置数据和截割高度数据间相关性进行联合学习，在跟踪截割阶段利用无线信号匹配实现采煤机记忆定位，在新示教截割阶段降低采煤司机手动调节采煤机滚筒截割高度的频率，增加了采煤机记忆截割策略的实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采煤机记忆截割与记忆定位联合学习方法，属于采煤机滚筒自适应调高技术领域。

背景技术

综采工作面是煤矿生产核心区域之一，而采煤机、刮板输送机和液压支架作为工作面采矿机群，其承担着破煤、装煤以及支护等任务，因此采矿机群的自主运行一直为众多国内外学者所研究。采煤机作为采矿机群的核心设备，其智能化水平直接影响到采矿机群的自动运行。尽管采煤机在截割功率、牵引方式和主控系统等方面有了较大改进，但采煤机滚筒的自适应调高一直没有效解决，成为制约采矿机群自动化和工作面无人化的瓶颈。

采煤机滚筒自适应调高核心为采煤机依据工作面煤层和岩层分界情况，自动调节滚筒的升降高度，达到最佳的割煤效果。目前，基于传感器直接测量的煤岩界面识别，学者们做了很多有意义的研究，如射线法、雷达探测法、截齿应力法、光电传感法、振动法和多传感器融合法等。但是由于煤层地质结构、采煤机工作环境恶劣、煤岩性质和采煤路线时变、综采机械化对顶底板的要求以及传感器稳定性差等方面的问题，上述直接识别煤岩界面的方法一直未得到广泛的应用，需要采煤司机根据煤岩分界手动调节采煤机滚筒截割高度。

借鉴机器人学中的示教跟踪技术，采用记忆截割技术的采煤机自动调高系统，避免了煤岩界面识别技术难题，形成以记忆截割为主的采煤机滚筒自动调高系统。由采煤司机首先根据煤层高度完成滚筒调高参数的记忆，在4～5个截割循环内采煤机按照记忆参数进行自动截割。但是，记忆截割为半自动调高技术，当煤层地质赋存比较复杂时，在记忆截割过程中会发生实际煤层参数与记忆煤层参数的不匹配，当煤层高度发生变化需要对截割参数进行调整时，不仅增加操作司机的工作量，同时削弱了记忆截割的效果。

当前的记忆截割技术均是从全局的角度研究采煤机记忆截割循环信息间的特征。采煤机记忆截割为示教-跟踪截割两个阶段，在示教截割阶段输出了无线传感网下采煤机精确位置，即确定了采煤机上移动节点与液压支架上锚节点之间信号域与空间域的对偶映射关系，从而在跟踪截割阶段根据无线信号间数据匹配来实现采煤机记忆定位；同时由于煤层厚度信息间具有局部相似性，因此如何分析相邻截割高度信息在沿工作面截割方向和采煤机推进方向上数据关系，即相邻截割循环信息在时空中数据关联性，对于减少截割误差，减少采煤机滚筒调高次数具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种采煤机记忆截割与记忆定位联合学习方法，能够解决跟踪截割时无线复杂解算以及示教截割时滚筒截割高度重新记忆的问题，通过对示教截割间滚筒高度数据与跟踪截割无线位置数据进行联合学习，增强了采煤机记忆截割的可用性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种采煤机记忆截割与记忆定位联合学习方法，沿工作面牵引方向间隔相等距离记录采煤机当前位置下滚筒截割高度，基于示教截割采集的滚筒截割高度和采矿机群间设备约束对无线锚节点坐标进行标定，示教截割阶段建立位置与高度映射实现采煤机滚筒调高；跟踪截割阶段在沿工作面推进方向，采煤机上移动节点能够接收到相似的无线信号，与示教截割阶段无线信号集进行关联，通过相关无线信号间匹配得到采煤机记忆定位输出；在跟踪截割后实施新示教截割阶段，根据相邻示教截割滚筒轨迹相似性预测渐变煤层高度，并利用新示教截割高度对无线锚节点高度坐标进行修正，实现新示教截割阶段采煤机滚筒自适应调高，包括以下步骤：

步骤1)利用示教截割采集的滚筒截割高度和采矿机群间约束关系来对无线锚节点三维坐标进行标定；

步骤2)基于示教截割和无线传感器网络建立采煤机滚筒截割高度与无线位置间对偶映射关系；

步骤3)跟踪截割阶段在与示教截割阶段相似位置能得到相似的无线信号，实现采煤机跟踪截割阶段记忆定位；

步骤4)利用相邻示教滚筒截割轨迹相似性，对渐变煤层高度进行预测，基于新示教滚筒高度修正误差锚节点高度坐标；

在步骤1)，所述的利用示教截割采集的滚筒截割高度和采矿机群间约束关系来对无线锚节点三维坐标进行标定，具体为：

1)采矿机群沿工作面往复迁移运动，使得部署在液压支架下的无线锚节点初始坐标发生漂移，给采煤机沿工作面截割、推进以及高度方向的无线位置解算带来误差；

2)采用液压支架中心间距及液压支架推移千斤顶的位移来对无线锚节点的横坐标和纵坐标进行标定，同时利用示教截割阶段采集的滚筒截割高度来对无线锚节点的高度坐标进行标定；

在步骤2)，所述的基于示教截割和无线传感器网络建立采煤机滚筒截割高度与无线位置间对偶映射，具体为：

1)综采工作面无线信号在密集多径环境下传输使得无线信号容易受到干扰，采用多维尺度定标技术对测距误差进行修正，经无线信号解算能够实时输出无累计误差的采煤机位置；

2)采煤机牵引速度时变使得沿工作面牵引方向进行相等位置间隔采样，即每隔相等的距离记录采煤机当前位置下滚筒截割高度，在示教截割阶段建立采煤机滚筒高度与无线位置间对偶映射；

在步骤3)，所述的跟踪截割阶段在与示教截割阶段相似位置能得到相似的无线信号，实现采煤机跟踪截割阶段记忆定位，具体为：

1)跟踪截割阶段沿工作面推进方向采煤机移动节点能够接收到相同传感器的相似无线信号集，无线信号受到干扰以及网络拓扑结构变化使得跟踪截割与示教截割间无线信号非线性相关；

2)确定关联无线信号间置信度，在跟踪截割阶段无需进行无线信号鉴别、滤波及解算，基于示教截割与跟踪截割阶段关联无线信号集间匹配来实现采煤机记忆定位；

在步骤4)，所述的利用相邻示教滚筒截割轨迹相似性，对渐变煤层高度进行预测，基于新示教滚筒高度修正误差锚节点高度坐标，具体为：

1)跟踪截割循环后煤层高度变化需要进行新的示教截割，由于煤层厚度渐变特性使得相邻示教截割轨迹具有相似性，在确定平滑邻接空间基础上通过主动式判断确定渐变节点区间，对新示教滚筒截割高度进行预测；

2)煤层高度变化使得液压支架支护高度和锚节点高度坐标发生变化，建立新示教截割阶段滚筒截割高度与锚节点高度坐标间的映射关系，对误差锚节点高度坐标进行修正，提高示教截割阶段无线定位的精度。

本发明的一种采煤机记忆截割与记忆定位联合学习方法，包括以下几个步骤：(1)采用液压支架中心间距及液压支架推移千斤顶的位移来对无线锚节点的横坐标和纵坐标进行标定(标定就是将中心间距和位置的值赋给无线锚节点的横坐标和纵坐标然后采煤机滚筒截割高度幅值给无线锚节点的高度坐标)，同时利用示教截割阶段采集的滚筒截割高度来对无线锚节点的高度坐标进行标定；(2)每隔相等的距离(沿工作面牵引方向进行相等位置间隔采样)记录采煤机当前位置下滚筒截割高度，在示教截割阶段建立(就是一个采煤机位置有一个滚筒截割高度)采煤机滚筒滚筒截割高度与无线位置间对偶映射关系；(3)在跟踪截割阶段与示教截割阶段同一位置移动无线锚节点能接收到对应的无线信号，通过分析(就是没有通过对无线信号进行测距-定位的解算，而是直接通过比对来着同一组无线传感器的信号幅值进行定位，称之为记忆定位)无线信号的相关性，实现跟踪截割阶段采煤机记忆定位；(4)在采煤机示教跟踪截割时，当新示教截割高度误差大于阈值时，对旧示教截割阶段记忆的滚筒截割高度进行更新(更新就是赋值，跟标定属于同一个意思)，同时布置在液压支架下锚节点高度坐标也要进行更新；利用相邻示教截割循环高度轨迹具有相似性，在确定平滑邻接空间基础上，通过主动判断渐变节点的预测误差来确定其包含的区间(这个预测有很多常规的方法，比如说HMM等，为现有的方法，此处不再赘述)，对新示教滚筒截割高度进行预测(为现有的方法，此处不再赘述)，并建立新示教截割阶段滚筒截割高度与无线锚节点高度坐标间的映射关系(就是通过对变化的无线锚节点的高度用变化的截割高度值来进行更新或者说重新赋值)，从而对无线锚节点高度坐标进行误差修正。

本发明采用包含示教-跟踪策略的记忆截割对采煤机滚筒进行自适应调高，在示教截割阶段建立采煤机滚筒高度与无线位置间对偶映射，在跟踪截割阶段相似位置下进行采煤机记忆定位，基于新示教截割循环阶段相邻煤层对采煤机滚筒高度进行更新。本发明采煤机记忆截割与记忆定位，将无线位置数据和截割高度数据间相关性进行联合学习，在跟踪截割阶段利用无线信号匹配实现采煤机记忆定位，在新示教截割阶段降低采煤司机手动调节采煤机滚筒截割高度的频率，增加了采煤机记忆截割策略的实用性。

附图说明

图1为采煤机记忆截割与记忆定位联合学习示意图；

图2为采煤机、刮板输送机、液压支架“三机”联动图；

图3为采煤机跟踪截割阶段记忆定位图；

图4为采煤机新示教截割阶段滚筒截割高度更新图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本实施例用于采煤机自适应调高技术，主要由采煤机记忆截割技术、跟踪截割记忆定位以及新示教滚筒截割高度更新技术组成。

本发明方法的具体步骤如下：

一种采煤机记忆截割与记忆定位联合学习方法，沿工作面牵引方向间隔相等距离记录采煤机当前位置下滚筒截割高度，基于示教截割采集的滚筒截割高度和采矿机群间设备约束对无线锚节点坐标进行标定，示教截割阶段建立位置与高度映射实现采煤机滚筒调高；跟踪截割阶段在沿工作面推进方向采煤机上移动节点能够接收到相似的无线信号，与示教截割阶段无线信号集进行关联，通过相关无线信号间匹配得到采煤机记忆定位输出；在跟踪截割后实施新示教截割阶段，根据相邻示教截割滚筒轨迹相似性预测渐变煤层高度，并利用新示教截割高度对无线锚节点高度坐标进行修正，实现新示教截割阶段采煤机滚筒自适应调高，具体包括以下步骤：

(1)利用示教截割采集的滚筒截割高度和采矿机群间约束关系来对无线锚节点三维坐标进行标定；

(2)基于示教截割和无线传感器网络建立采煤机滚筒截割高度与无线位置间对偶映射关系；

(3)跟踪截割阶段在与示教截割阶段相似位置能得到相似的无线信号，实现采煤机跟踪截割阶段记忆定位；

(4)利用相邻示教滚筒截割轨迹相似性，对渐变煤层高度进行预测，基于新示教滚筒高度修正误差锚节点高度坐标。

在(1)中，利用示教截割采集的滚筒截割高度和采矿机群间约束关系来对无线锚节点三维坐标进行标定，具体为：

1)采矿机群沿工作面往复迁移运动，使得部署在液压支架下的无线锚节点初始坐标发生漂移，给采煤机沿工作面截割、推进以及高度方向的无线位置解算带来误差；

2)采用液压支架中心间距及液压支架推移千斤顶的位移来对无线锚节点的横坐标和纵坐标进行标定，同时利用示教截割阶段采集的滚筒截割高度来对无线锚节点的高度坐标进行标定；

在(2)中，基于示教截割和无线传感器网络建立采煤机滚筒截割高度与无线位置间对偶映射，具体为：

1)综采工作面无线信号在密集多径环境下传输使得无线信号容易受到干扰，采用多维尺度定标技术对测距误差进行修正，经无线信号解算能够实时输出无累计误差的采煤机位置；

2)采煤机牵引速度时变使得沿工作面牵引方向进行相等位置间隔采样，即每隔相等的距离记录采煤机当前位置下滚筒截割高度，在示教截割阶段建立采煤机滚筒高度与无线位置间对偶映射；

在(3)中，跟踪截割阶段在与示教截割阶段相似位置能得到相似的无线信号，实现采煤机跟踪截割阶段记忆定位，具体为：

1)跟踪截割阶段沿工作面推进方向采煤机移动节点能够接收到相同传感器的相似无线信号集，无线信号受到干扰以及网络拓扑结构变化使得跟踪截割与示教截割间无线信号非线性相关；

2)确定关联无线信号间置信度，在跟踪截割阶段无需进行无线信号鉴别、滤波及解算，基于示教截割与跟踪截割阶段关联无线信号集间匹配来实现采煤机记忆定位；

在(4)中，利用相邻示教滚筒截割轨迹相似性，对渐变煤层高度进行预测，基于新示教滚筒高度修正误差锚节点高度坐标，具体为：

1)跟踪截割循环后煤层高度变化需要进行新的示教截割，由于煤层厚度渐变特性使得相邻示教截割轨迹具有相似性，在确定平滑邻接空间基础上通过主动式判断确定渐变节点区间，对新示教滚筒截割高度进行预测；

2)煤层高度变化使得液压支架支护高度和锚节点高度坐标发生变化，建立新示教截割阶段滚筒截割高度与锚节点高度坐标间的映射关系，对误差锚节点高度坐标进行修正，提高示教截割阶段无线定位的精度。

本发明通过对记忆截割与记忆定位联合学习，进行采煤机滚筒自适应调高。当煤层厚度发生变化需要对截割高度进行调整时，更新所有的示教截割信息，不仅增加操作司机的工作量，同时削弱了记忆截割的效果。但是对于煤层空间分布特性来说，除了断层外煤层赋存高度会存在连续变化，如何对其蕴含的大量相关信息进行有效分析，寻找记忆参数信息间的相关特征，减少新示教截割操作需要手动操作的刀数，从而跟踪新示教截割煤层的高度。同时，在示教截割阶段进行采煤机的高精度位置求解，并挖掘跟踪截割阶段无线信号与示教截割阶段无线信号间数据相关性，实现跟踪截割阶段采煤机记忆定位。本发明采煤机记忆截割与记忆定位，将无线位置数据和截割高度数据间相关性进行联合学习，使在跟踪截割阶段不依赖于无线信号复杂解算进行采煤机记忆定位，在新示教截割阶段降低采煤司机手动调节采煤机滚筒截割高度的频率，增加了采煤机记忆截割策略的实用性。

在图1中，采用记忆截割技术进行采煤机滚筒截割高度自适应调节，在示教截割阶段基于等空间间隔采样建立无线位置与截割高度对应关系，采煤司机进行采煤机滚筒高度调节。在跟踪截割阶段，由于采煤机是沿工作面狭长空间进行往复截割运动，在跟踪截割阶段与示教截割阶段相似位置移动节点能接收到相似的无线信号，通过分析无线信号相关性进行跟踪截割阶段采煤机记忆定位。当采煤司机经过多次跟踪截割，示教截割阶段存储的滚筒截割高度不能很好地反映煤层厚度，需要重新对采煤机截割高度进行记忆。在新示教截割阶段，当煤层厚度发生变化需要对截割高度进行调整时，更新所有的示教截割点信息，不仅增加采煤司机的工作量，而且削弱了采煤机记忆截割的效果。对于煤层空间分布特性来说，不考虑断层煤层厚度渐变，分析相邻截割高度信息在沿工作面截割方向和采煤机推进方向上数据关系，即相邻示教截割高度信息在时空中数据关联性，减少采煤机滚筒调高次数。

在图2中，综采工作面进刀方式多采用割三角煤端头斜切进刀，采煤机沿刮板输送机弯曲段斜切进刀截割煤壁，当斜切一个截深液压支架和刮板输送机弯曲段推直，采煤机调整左右截割滚筒返回回割三角煤直到左端头，采煤机再次调整滚筒高度加速返回切口处后截割煤壁。在正常截割煤壁，液压支架跟机自动化是采煤自动开采的基础，要实现液压支架自动移架，采煤机运行方向和位置是关键参数，液压支架升架、降架、推溜以及移架等工作规则都是基于采煤机方向和位置进行制定的。当采煤机双向截割煤壁运动到某一位置，以其中心位置所对应的液压支架为基准，相邻液压支架的动作以该液压支架为参照，按照跟机自动化模型中预先设定的程序进行有序动作，采煤机实时位置和牵引速度决定了支架执行的程式动作和具体动作能否按时完成。基于采煤机运行方向和位置，液控系统获得采煤机机身中心位置处液压支架的编号，来对其相邻的多台液压支架发出对应的控制指令。

在图3中，采煤机记忆截割原理分为示教和跟踪截割，采煤司机在示教截割煤壁过程中，记录采煤机在沿工作面牵引方向不同位置下采煤机滚筒截割高度，采煤机位置与滚筒高度存储在计算机中，由于综采工作面长度、牵引功率和输送功率使得采煤机牵引速度时变，采用等时间间隔采样会造成示教点与记忆点不对应，因此进行等空间间隔采样即每隔相等的距离记录采煤机滚筒截割高度；在采煤机跟踪截割过程中，根据在示教截割时沿综采工作面方向上不同位置下采煤机滚筒截割高度，由程序控制自动调整采煤机滚筒高度，一旦煤层赋存条件发生变化时，采煤司机根据实际煤层厚度手动调节滚筒截割高度；在经过多个跟踪截割循环后，由于煤层厚度发生变化需要重新进行示教截割。

在无线传感器网络定位中，分析综采工作面采矿机群运行特性是无线传感网构建的基础，将锚节点和移动节点分别安装在液压支架梁下和采煤机上，确定综采工作面几何结构为窄长的拓扑结构；同时，由于采煤机沿工作面截割煤壁时使得部署在液压支架上的锚节点初始坐标发生漂移，从而给无线定位解算带来误差，利用示教截割阶段获得的滚筒截割高度对无线锚节点高度坐标进行标定，结合采矿机群间约束关系即液压支架中心间距和推移千斤顶位移对无线锚节点横坐标和纵坐标进行标定。

综采工作面密集多径环境使得无线信号容易受到干扰而降低定位精度，同时由于采矿机群运动以及工作面的推进使无线信号在视距与非视距环境中不断转化，需要对液压支架上锚节点和采煤机上移动节点间无线信号进行非视距环境鉴别，并采用多维尺度定标技术对测距误差进行修正，实现在示教截割阶段采煤机无线定位；由于采煤机具有往复截割的特性，在采煤机跟踪截割阶段可以对接收到的无线信号与示教截割阶段无线信号的数据进行关联，从而在示教截割阶段无需对无线信号进行复杂解算，利用无线信号间数据匹配来实现采煤机记忆定位，减少采煤机无线定位解算量。

在图4中，在采煤机示教跟踪截割时，当新示教截割高度误差大于阈值需要对旧示教截割阶段记忆的截割高度进行更新，同时布置在液压支架下锚节点高度坐标也要进行更新。由于相邻示教截割循环高度轨迹具有相似性，根据旧示教截割高度信息来描述邻接空间渐变煤层变化规律，基于旧示教截割高度确定新示教截割轨迹的平滑邻接空间，通过主动判断渐变节点的预测误差来确定其包含的区间。同时，在新示教截割阶段煤层高度变化使得采煤机截割高度发生变化，截割高度变化使得液压支架支护高度发生变化，从而改变无线锚节点高度坐标，利用新示教截割阶段预测获得的滚筒截割高度对误差锚节点高度坐标进行更新，提高新示教截割阶段无线定位的精度。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。