采矿自动化能力的遥感技术研究综述

摘要

本文重点介绍了自动化技术的作用，提高了安全性，生产力和环境可持续性的地下煤炭开采。通过对自动化技术的引入，通过长壁采煤机自动化研究项目指导委员会的影响来完成的。这一结果是通过感知、处理与控制技术紧密结合，在长壁开采过程发挥重要作用。关键的是自动化解决方案已经成功了，新产品开发准确测量综采设备的位置和煤层地质空间配置的方法。关联系统的互操作性和开放的通信标准有效的的融合了自动化能力。所获得的见解通过综采自动化发展进程正在导致新的技术转移到活动受益的其他地下开采过程。

1介绍

1.1 动机和目的

联邦科学与工业研究组织CSIRO是澳大利亚的国家科学组织，提供创新的解决方案在世界各地的工业领域。CSIRO还重点任务定向挖掘研究促进变换在采矿和资源生态系统变迁。研究活动的一个主要的重点是在远程和自动化的采矿技术的发展，以支持更安全，更清洁，更生产和可持续开采。关键的交付这项任务是不断发展新的传感系统技术。

1.2行业需求

澳大利亚煤矿业不断需要提高采矿效率驱动，提高人员的安全，实现环境可持续性发展。煤矿井下出现了许多危害，包括人员接近机械，高能量液压和电力系统，屋顶瀑布和暴露于爆炸性的矿井气体和灰尘。上的人员都被要求在这个危险的环境和手动控制在近距离设备保证了挖掘过程的高效运行工作。复杂度手动这种规模的操作设备导致了长壁系统没有实现充分的生产力和恶劣和危险的工作环境具有潜在的健康和安全的概念。手动控制在近距离设备保证了挖掘过程的高效运行工作。复杂的手动这种规模的操作设备导致了长壁系统没有实现充分的生产力和恶劣和危险的工作环境具有潜在的健康和安全隐患。

1.3 采矿自动化系统

从系统架构的角度来看，有效的挖掘自动化需要三个关键组件集成：感知、处理、控制。这些基本组件必须在一个连续循环为基础的资源是动态检测、修改和通过挖掘过程。这种采矿自动化循环图1显示三的“意义，决定和行为”决定。这三个元素分别代表提供情境的基本机制意识，决策支持，过程管理功能，实现一个闭环的采矿自动化循环。

矿山自动化系统技术的基础支撑技术是推动提高人员安全，提高运行效率的基础。这主要是通过集成实现新的传感、处理信息，并辅助控制技术在长壁开采过程。新功能的引入，也为清洁煤的回收提供了新的选择粗煤层遥感能力与提高矿山工艺认识。

1.4 矿山自动化水平

一个连续的自动化能力的存在，从本地的手动控制，通过全面自动化。下面的离散水平已经确定，以提供所需的自动识别的上下文运动水平：

1. 本地手动控制：操作人员通过一个硬连线、直接连接机控制接口，在采矿过程中有直接的视线。
2. 远程手动控制：操作者在采矿过程中有直接的视线，但通过一个可移动的控制台接口实现直接驱动控制。
3. 远程操作：操作员有一行的视线，但直接控制开采过程中，通过传感器，提供采矿态势感知。
4. 远程监控：操作员没有视线，但启动和监视的采矿过程中，在一个较高的水平，促进了辅助自动化技术。
5. 全自动化：经营者没有视线或直接控制机器，和大多数或所有组件的挖掘流程运作自主。

具体的自动化水平是由任何给定的组件在整个自动化周期的最小自动化水平。还有一个广泛的采矿方案，它仍然是需要挖掘人员手动进行传感、处理和执行功能。这具有重要的安全和效率的影响，相应的生产力和可持续性对整个采矿过程的影响。

1.5长壁开采背景

长壁采煤法是一种高效的地下采矿方法，涉及去除煤中大块或泛埃尔斯用机械化采煤机。煤盘通常为200米，350米宽IDE可以在长度达五公里。采煤机是安装在采煤机盘和导轨引导采煤机它来回交叉工作面。从煤切割面对由采煤机采用刮板输送机拆除（AFC）运送煤到相邻的采区巷道洪洞运送到地面。

有了这种方法的采矿，屋顶是由液压屏蔽，个别先进的开采进展。随着顶板支护系统的进煤盘，矿井顶板为铝降低陷入在盾牌的空隙。一个长壁采煤机操作和一小部分如图2所示。

如图2所示，采矿的方向是在图像左边的煤层，煤层是由底层和上覆岩层之间的孵化层表示的。

1.6需要操作改进

地下开采的环境会产生很多危害的人员操作。这些措施包括接近强大的机械，液压和电力，屋顶瀑布和暴露于灰尘潜在爆炸性矿井气体。在没有先进的自动化，矿工已经几十年来一直需要在这一危险的环境中工作，以手动控制设备在近距离确保采矿过程的有效运作。业界公认，这是越来越不可接受的和不可持续的长期，并寻求这些问题的答案。

自上世纪70年代以来，已经有一些尝试，世界发展综采自动化系统。这些都是指成功LAR因为尚未能够准确和可靠布莱测量中由于缺乏成熟的传感能力开采的主要元素的空间位置。

1.7长壁综采自动化程序指导委员会

针对这些问题，澳大利亚煤炭协会研究项目（ACARP）提供 CSIRO进行雄心勃勃的研发计划开发一个先进的综采自动化系统。该研究项目于2001开始，由一个长壁工作面自动化指导委员会监督，现在给合成技术解决方案的名称。通过本文的研究，使技术开发，设计不仅将人员从危险的环境和提高生产力也提供开放的标准未来设备互操作性。

研究项目开始进行了长壁工作面开采过程中哪些方面详细分析可能是真的有自动化，以及调查什么可以借鉴的在技术开发和部署在这一应用程序的以前的尝试。从这个分析中，三个优先自动化任务的确定：

人脸对齐：这涉及到最简单的术语，实现了一个直接和垂直于门路的长壁面轮廓线。如果面对的是直的，机械应力对AFC顶板支护的岩土工程问题最小化。

地平线：这涉及到控制实现了长壁采煤机垂直定位，屋顶和地板切割的视野是完全在煤层或所需提取轮廓。一个最佳的控制策略将最大限度地提取产品和废物最小化的提取。

蠕变控制：这牵涉到一个最佳的横向位置相对于门的道路维护工作设备。在细致，这可能需要的面线进行调整来补偿倾斜煤层的开采撤退。

为了实现这三个目标基本是自动化精确测量绝对三维位置采煤机的整个挖掘过程的需要，也是提高关于采煤机附近煤层地质构造的认识。如果长壁采煤机的位置，可以连续测量的三维，路径的剪切在采矿过程中，将使所有的个人支持的立场，而且，在开采的屋顶和地板的轨道，以计算。此信息提供允许开采过程中要控制应对大型煤层地质信息和精细的增量调整之间的连续剪切循环的关键技术。

这俩个主要的传感任务，即实时设备定位和煤层地质空间的测量，是必不可少的实现优先级的自动化任务。第三方面，蠕变控制，被认为是在其他地方。

1.8对长壁采煤机定位传感

在上世纪90年代，CSIRO对地下设备大量的边坡开采方案指导惯性导航技术的应用。在露天采矿技术，运动啊在很大程度上限制了采矿设备的定位性能，使用常规的惯性导航技术和标准的处理算法，可以实现所需的设备定位性能。

然而，在长壁采煤，采煤机的运动限制较少比为高情景等额外的感知技术的需要，以减少固有的位置漂移。而惯性导航技术应用于许多每天应用范围从消费电子产品到汽车导航系统，也有实现精度的主要障碍地下开采环境中的碲导航解决方案。环境也非常严厉的电气设备，甚至是工业质量控制的硬件，和电子产品的不同没有额外的磁场硬化的生存。

一种定位方法是基于惯性导航技术准确地测量三维采煤机位置了。通过利用能力，这种方法几乎是可行的军用和航空航天应用最初开发的高质量和高质量的惯性测量单元。利用这一原理使位置是使用一个强大的传感器测量功能在采煤机体内进行保护而不需要其他传感器，研制了一种三维采煤机位置测量的可靠方法。图3显示了所得到的惯性导航单元实时采煤机定位的发展。本单元是安装在采煤机的机构提供准确实时的采煤机位置和方向测量。

为了验证本地化解决方案的性能，三维位置的AFC轨道沿采煤机是手动调查与患者来源的位置在一个生产周期完成比较。结果在水平和垂直轴的实验都显示在图4和5。

考虑到固有的位置平滑为6米长的采煤机沿轨道，存在着密切的协议之间的惯性解和两横向手动测量和垂直轴。下了一个详细的报道，限制和技术与应用对系统通信的要求相关的挑战。

1.9煤层空间几何传感

实现自动化的工作运行不仅依赖于准确的采煤机位置信息也对空间信息有关的煤层的位置。此资源位置信息企业为了保持采煤机在最优位置提取煤层内是关键。操作采煤机在煤层中的损坏也很重要，在最大限度地减少损坏对设备，减少粉尘的产生，缓解人员从硬岩碎屑等潜在的危害，提出了从煤层开采。

所使用的运营商在业务识别煤层长壁边界的一种常见方法依赖于工作面各种指标监测。这些指标包括视觉线索了在地质条件变化时，灰尘定位煤岩分界，或检查所提取的资源。特别是，人员定期监测水平灰打薄，称为标记或分带，它提供与主机煤岩层对比可见因其浅灰色或白色。这些标记带是特别的最重要的是他们往往只提供了直观的指标来推断相对于整体的地质煤层采煤机的相对垂直位置的趋势。然而，现在有极少数（如果有的话）可靠的实时解决方案这存在定位和跟踪长壁采煤机操作煤层剖面。

缺少的是一个传感器，可以准确地提供信息的垂直位置的采煤机相对于实时煤层。继最初的惯性导航计算技术的发展，进一步增强发展的地平线控制自动化性能（跟踪煤层顶底板）进行了探讨。

最初的研究主要集中在复制人类视觉能力使用可见光相机。可见光相机的方法表示一个直观的方法来标记带跟踪的收益率教育积极结果。然而，标记带的性质和存在地质相关的，所以它是不会给出这样的功能会明显观察到在每个矿区。另一种利用红外热成像技术考虑传感方法。热红外成像技术比传统的基于视觉的成像提供了优势，可以克服的局限性，使用基于视觉传感的：

1. 热红外相机可以在完全的黑暗中，没有任何损失的图像质量，即，相机输出是独立的环境（可见光）的光的水平。
2. 热波长比可见光相机长，因此可以有效地穿透大的尘埃和水的颗粒，使成像在一个更广泛的操作条件。
3. 感知的“热标记带”产生新的功能，与煤层的趋势但其他明智的人类的眼睛看不到。

热红外相机安装在采煤机滚筒体提供可视角度和周围地层。初步的数据处理对热红外图像进行评价评估潜在的基于行的层位数据生成焊缝自动跟踪算法。这涉及到确定一个区域内的主要利益，在每个图像帧。一种自适应算法THM的检测和跟踪线的特点是采用基于阈值的确定在试验和校准阶段。然后依次为每个图像帧的应用AME的热红外摄像机采集。此初始特征检测阶段的结果显示在图6中，该图显示自动提取的线段。

一个强大的，实时标记带跟踪执行发展到模型误差和观测噪声相关的特征检测和定位使用卡尔曼滤波过程。通过一个简单的校准过程，跟踪的热特征映射到采煤机的坐标系统。图7显示了该焊缝跟踪系统的结果。利用高ACC采煤机的精确位置和方向。

应该指出的是，传感技术精确煤层传感必要尚未作为惯性导航定位成熟。然而，示威的可见和第基于热红外跟踪已使用基于长壁采煤。地平线控制煤层界面的可靠的测量仍然是一个电流区研究和开发，是当前ACARP项目课题（c22014）由CSIRO进行。

2长壁工作面自动化技术的影响

2.1行业应用

法援局技术已经被所有主要的工作原设备制造商（OEM）和澳大利亚联邦科学与工业研究组织在技术许可协议。每个OEM集成供应链的开放离子标准纳入其专有的控制系统架构和采煤机制造商已经安装了硬件部分的惯性导航系统，进入他们的设备。这个设备我要么由OEM或由专业第三方技术供应商也许可CSIRO在内部。这些系统现在已经在一个24 / 7个完全商业的基础上运作我自2008和长壁开采的矿山项目，这与原来的开发项目的现场试验。

自2008年开始，第一商业供应链系统的安装，比澳大利亚长壁开采矿山50%已成立或指定法援局技术作为其工作的一部分操作。这项技术的吸收导致RELO阳离子采矿人员远离危险接近的邻近地区取得了引用的生产率的提高超过5%。这是前我在澳大利亚长壁系统吸收的患者将至少增加85%（约25煤矿）。国际市场的潜力生长，预计国际市场规模为法援局系统是在下面的表1所示。

美国市场定制技术提供了合乎逻辑的下一个增长领域，美国第一次安装定于2013年底。随着成功部署这一美国第一系统，它是预期其他美国矿业将很快跟进。

2.2系统互操作的开放通信标准

任何现代工业自动化过程中的一个关键方面是开放的通信协议，以确保无缝的互操作使用设备。采矿设备的互操作性标准有被完全接受和拥护的供应链行业协会。供应链的互操作性标准已经被各大整车厂迅速采用，供应商和矿山项目，现在已成功地部署了十多年采矿生产。

该开放标准实施的主要好处包括阶跃变化改进设备的互操作性和互通，厂商中立性，对于技术的新机遇利用供应商和客户，以及在远程和自主开采能力增强的选项。此外，供应链的互操作性规范是开放和免费使用。它也是恒定的随着新的传感器，装备和工艺的发展。作为一个例子，新的发展阶段的患者提供了高水平的控制下一代增强系统，也有增加操作员反馈。这确保了自动化系统能可靠地工作在所有主要的开采设备制造商提供的产品。

长壁互操作规范是指随时报告系统运行条件存在的工作。这已经引起了先进的可视化，所以的时候，生产高质量的地下开采系统的状态表示在远程位置的操作员。一个典型的工作显示在图8中提供了开采过程中的现实表现证明。

2.3供应链体系的符合性验证

任何OEM或供应商可以开发定制自动化的新技术，它是确保使器件性能的一致性和互操作性可以验证重要。供应链软件验证工具已被开发为工业CSIRO的持续支持的一部分。

这些公开的、免费的工具让工作主机厂和矿山独立核实他们的设备完全符合患者的互操作性标准。使用这些验证工具，原始设备制造商能够生产一个患者的合格证书，他们能提供给他们的客户。这些证书可能也在法援局网站公布协助矿业设备的选择。

2.4自动化技术在道路发展中的转移：CM2010

经验，通过自动化技术的使用，目

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