一道紅色的光柱，在幽暗的井下劃過(guò)。

掘進(jìn)機(jī)自如地?fù)]舞長(zhǎng)臂，將煤巖層層剝落。

這道看似普通的光柱引發(fā)了掘進(jìn)機(jī)智能控制自動(dòng)化技術(shù)的一次飛躍。

靈感來(lái)自綠光

“這道紅光，是從裝在巷道上的激光發(fā)射儀中發(fā)出的，發(fā)射到掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上裝有激光接收儀，這些是掘進(jìn)機(jī)位姿檢測(cè)技術(shù)的核心部分。”中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院教授吳淼說(shuō)。

吳淼進(jìn)一步解釋，在掘進(jìn)機(jī)位姿檢測(cè)上，以前以巷道為基準(zhǔn)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的位姿偏角和偏距進(jìn)行檢測(cè)，是相對(duì)檢測(cè)。相對(duì)檢測(cè)存在的問(wèn)題是，會(huì)產(chǎn)生誤差積累，誤差積累到一定程度，掘進(jìn)機(jī)就會(huì)發(fā)生偏向，影響掘進(jìn)效率，這個(gè)問(wèn)題一直困擾著煤炭企業(yè)。而新的位姿檢測(cè)技術(shù)是用絕對(duì)測(cè)量法進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的定向截割及自動(dòng)糾偏，促進(jìn)了掘進(jìn)工作面的安全高效生產(chǎn)。利用新的位姿檢測(cè)技術(shù)可以測(cè)出掘進(jìn)機(jī)的5個(gè)位姿參數(shù)，包括偏角、偏距、俯仰角、翻滾角和車前距，掘進(jìn)機(jī)水平偏角和偏距的有效檢測(cè)距離為30米到130米，水平偏角檢測(cè)誤差小于0.1度，俯仰角及流動(dòng)角檢測(cè)誤差小于0.05度，車前距測(cè)距誤差小于6毫米。

怎么想到用激光進(jìn)行定位呢？吳淼說(shuō)，掘進(jìn)機(jī)位姿檢測(cè)技術(shù)方面沒(méi)有相關(guān)資料可供參考。于是，他們找到包括挖地鐵巷道用的盾構(gòu)機(jī)在內(nèi)的大型機(jī)械的資料進(jìn)行比照研究，還啟用了智能型全站儀，但是因?yàn)闆](méi)有煤安標(biāo)志，而且通訊問(wèn)題也不好解決，所以不能應(yīng)用于井下。

就在研發(fā)人員一籌莫展時(shí)，一道綠色光柱給了他們創(chuàng)新的靈感。這道綠色光柱是地測(cè)部門在巷道里設(shè)的激光定向點(diǎn)。能不能以此為絕對(duì)坐標(biāo)，用激光定向的方法，來(lái)進(jìn)行位姿檢測(cè)呢？他們決定試一試。

首先是選擇用什么顏色的光。他們對(duì)各種光的衰減性、波長(zhǎng)和波段進(jìn)行比較，又考慮到光敏元件對(duì)紅光最敏感，最終選擇了紅光激光。其次是研制激光發(fā)射儀。再其次是研制激光接收儀。一開(kāi)始，他們把激光接收儀制作成了一塊大的電路板，上面有一排光敏元件。后來(lái)，他們又將這塊大的電路板分成8個(gè)小塊，把光敏元件分成3排。這樣，即使3排光敏元件中有2排發(fā)生故障，剩下的1排仍可正常工作，大大提高了激光接收儀的可靠性。而8個(gè)小塊電路板每塊都可單獨(dú)更換，維修起來(lái)更加方便。

2011年11月，他們?cè)诤颖奔街心茉春V集團(tuán)云駕嶺礦12113副巷進(jìn)行了第一次井下試驗(yàn)。成功了！

談起創(chuàng)新的靈感，吳淼深有體會(huì)：“這種靈感來(lái)自科研工作者對(duì)企業(yè)需求的準(zhǔn)確把握、對(duì)井下環(huán)境的熟悉和對(duì)相關(guān)學(xué)科知識(shí)的了解。有了這些，才有可能敏銳地捕捉到每一個(gè)有價(jià)值的信息。表面看上去是突發(fā)的靈感，實(shí)際上，每個(gè)卓越的創(chuàng)新思想都是長(zhǎng)期科研實(shí)踐的結(jié)晶。”

掘進(jìn)機(jī)位姿檢測(cè)技術(shù)是掘進(jìn)機(jī)近點(diǎn)控制系統(tǒng)中最大的創(chuàng)新點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)近點(diǎn)控制系統(tǒng)分為四部分，包括斷面自動(dòng)成形截割控制技術(shù)、擺速自適應(yīng)控制技術(shù)、位姿自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)定向掘進(jìn)技術(shù)，其中自動(dòng)定向掘進(jìn)技術(shù)是前三項(xiàng)技術(shù)的集成。

掘進(jìn)機(jī)近點(diǎn)控制、遠(yuǎn)程遙控、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以及故障診斷系統(tǒng)共同組成了掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該項(xiàng)目是“十一五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863計(jì)劃”）重點(diǎn)項(xiàng)目，于2008年立項(xiàng)，由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、河北冀中能源集團(tuán)、石家莊煤機(jī)公司、云駕嶺礦共同完成，于2011年12月通過(guò)了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的鑒定。前不久，該項(xiàng)目獲中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

掘進(jìn)效率提高20%

“掘進(jìn)單班職工減少3人，掘進(jìn)效率提高了20%，年節(jié)約人工成本120萬(wàn)元，年創(chuàng)效300萬(wàn)元。”云駕嶺礦礦長(zhǎng)李世波拿出掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用后的一組數(shù)字。

李世波告訴記者，以前，掘進(jìn)機(jī)截割1個(gè)斷面需要10分鐘，而且因?yàn)槭侨斯げ僮?，?jīng)常會(huì)出現(xiàn)超挖或欠挖現(xiàn)象，巷道兩幫坑坑洼洼的，還要進(jìn)行人工修正，浪費(fèi)的時(shí)間就更多了。另外，掘進(jìn)機(jī)在截割時(shí)需要十幾名工人在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度很大。“我們一直盼著能實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割。”現(xiàn)在，該技術(shù)在井下得到推廣應(yīng)用，掘進(jìn)機(jī)可以根據(jù)巷道的形狀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割，截割形狀非常精確。截割1個(gè)斷面只需要4分鐘，精度可達(dá)5厘米?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員也大大減少，只是在距掘進(jìn)機(jī)后方幾百米的地方有1個(gè)監(jiān)控站。

談到擺速自適應(yīng)控制技術(shù)，吳淼說(shuō)，掘進(jìn)機(jī)截割臂的擺速過(guò)快過(guò)慢都不好，遇到軟煤層時(shí)，擺速?zèng)]有必要太慢，太慢了掘進(jìn)效率就會(huì)降低；遇到夾矸時(shí)，擺速不能太快，如果太快，截割頭就會(huì)被損壞。研發(fā)人員通過(guò)對(duì)油缸閥口開(kāi)度進(jìn)行自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割臂擺速的智能控制。如今，掘進(jìn)機(jī)可根據(jù)煤層的軟硬來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)擺速，不僅避免了截割頭的截齒被損壞，延長(zhǎng)了截割機(jī)的壽命，而且截割效率和定向掘進(jìn)的精度也大大提高。

據(jù)了解，2011年，掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于EBZ200半煤巖掘進(jìn)機(jī)，在云駕嶺礦開(kāi)展試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面的智能化控制。

內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗官板烏素礦應(yīng)用自動(dòng)截割技術(shù)后，在巖石硬度接近F7、斷面20平方米的半煤巖巷道掘進(jìn)中，創(chuàng)造了月進(jìn)尺1003米、年進(jìn)尺上萬(wàn)米的記錄。

山東能源集團(tuán)新巨龍公司井下應(yīng)用該系統(tǒng)后，掘進(jìn)機(jī)在斷面為半圓拱、斷面面積為28平方米的巖石巷道安全穩(wěn)定運(yùn)行，解決了重型掘進(jìn)機(jī)手動(dòng)操作困難的問(wèn)題。

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化、智能化控制，為掘進(jìn)過(guò)程的少人化甚至無(wú)人化奠定了基礎(chǔ)。安裝了該系統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)截割、截割臂擺速自適應(yīng)控制和位姿自動(dòng)檢測(cè)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，并根據(jù)掘進(jìn)工作面的情況進(jìn)行遠(yuǎn)程智能化控制，就如同一個(gè)高智商的機(jī)器人，精準(zhǔn)地完成工作。

另外，掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還為我國(guó)煤機(jī)裝備制造業(yè)帶來(lái)了生機(jī)。石煤機(jī)公司的技術(shù)員楊陽(yáng)說(shuō)，該系統(tǒng)的試驗(yàn)是在EBZ200掘進(jìn)機(jī)上進(jìn)行的，但該系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)型、巷道的具體情況進(jìn)行調(diào)整。按單臺(tái)增收150萬(wàn)元計(jì)算，如果銷售的掘進(jìn)機(jī)有一半加裝該系統(tǒng)，則公司一年可增加銷售收入12.75億元。

目標(biāo)是探掘支錨協(xié)同作業(yè)

談到這個(gè)項(xiàng)目，吳淼說(shuō)他最深的體會(huì)是，一切科技創(chuàng)新都要以需求為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，要確保科技創(chuàng)新成果能應(yīng)用于井下這個(gè)特殊的環(huán)境，這樣，研發(fā)工作才有現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)在有些科技創(chuàng)新是從理論到理論，他不提倡這種遠(yuǎn)離實(shí)際的做法。他同時(shí)認(rèn)為，應(yīng)該密切關(guān)注尖端技術(shù)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，及時(shí)了解新成果、新技術(shù)，并將其應(yīng)用于煤炭行業(yè)。

他說(shuō)，自動(dòng)截割、快速支護(hù)、超前探測(cè)是關(guān)系到綜掘工作面安全和效率的3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。現(xiàn)在，自動(dòng)截割的難題已經(jīng)解決了。下一步，他們將重點(diǎn)解決超前探測(cè)問(wèn)題，進(jìn)一步提高掘進(jìn)工作面的安全保障系數(shù)。探掘支錨協(xié)同作業(yè)是一個(gè)大方向，現(xiàn)在支錨占用的時(shí)間最長(zhǎng)，縮短支錨時(shí)間是提高效率的關(guān)鍵，這也是他們今后科研攻關(guān)的方向。