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（1）提出以矿井物联网和先进传感等通信方式为支撑环境，构建“感知、传输、决策、执行、运维、监管”六维度智能开采控制系统，基于此系统架构，形成无人化智能开采控制技术路线和系统方案。
（2）提出机器视觉测量设备姿态的原理、场景建模、智能算法、双光谱热红外摄像及图像增强技术，助力井下设备、围岩、环境全面感知，有效解决复杂煤矿井下感知难题。
（3）针对无人化智能开采技术短板，构建精准三维地质模型、规划采煤机割煤路线、融合新一代信息技术、突破远距离液压保障技术，推动工作面设备自适应控制发展。
作者：王国法1，2，张 良1，李首滨1，李 森1，冯银辉1，孟令宇1，南柄飞1，杜 明3，付 振1，李 然1，王 峰1，刘 清1，王丹丹1
单位：1.北京天玛智控科技股份有限公司;2.中国煤炭科工集团有限公司;3.天地科技股份有限公司
无人化智能开采是煤矿智能化建设的中心目标。智能开采是基于现代煤矿智能化理念，将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人化装备等与现代煤炭开采技术深度融合，形成开采过程全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制;无人化智能开采是采煤工作面采用了具有完全自动化、智能化控制功能，高可靠性的液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机等机电一体化成套装备，实现了工作面无人操作的高效安全 开采。
近10a来，围绕煤矿无人化智能开采系统理论与技术开展了大量研发实践，2014 年在陕煤黄陵一号煤矿建成首个“工作面有人巡视、无人操作、远程干预控制” 的第1个智能化采煤工作面。2020年以来，全面加快煤矿智能化发展，并启动首批 70 处智能化煤矿示范建设，目前已有40多个煤矿建成中级智能化煤矿，全国已有不同等级的智能化采煤工作面600个以上。
2019—2021年底，文献阐述了我国智能化煤矿建设最新情况，并建立煤矿智能化基础理论体系、提出分类分级智能化煤矿建设路径，为推动我国煤矿智能化发展给出思路和技术指导。 通过构建煤矿数字逻辑模型、多源异构数据处理理论方法和复杂系统智能控制基础理论等，为煤矿无人化智能感知、 决策、控制和智能开采系统的可靠性奠定了理论基础。5G、大数据、区块链、人工智能等新一代信息技术助力煤矿智能化发展，在煤炭产业链的生产、消费和监管方面，及解决工作面生产工况条件下视觉监控透尘问题、监控设备在自主割煤情况下自动跟踪采煤机滚筒的感知问题、全工作面设备状态感知及其他广场景感知问题等方面起到重要作用。
笔者团队聚焦无人化智能开采控制技术、机器视觉应用场景与算法、工作面采支运自适应协同控制等方向开展了深入研究，且研发人员长期驻黄陵一矿和神东榆家梁煤矿现场，结合实际场景开展无人化智能开采探索和实践，在智能开采系统理论与技术创新和实践中取得新进展。
本文提出以矿井物联网和先进传感等通信方式为支撑环境，构建“ 感知、传输、决策、执行、 运维、监管”六维度智能开采控制系统;基于此系统架构，提出无人化智能开采控制技术路线和系统方案;最后，对煤矿无人化智能开采系统的理论和技术研发最新进展进行了详细论述。利用双光谱热红外摄像及图像增强技术，解决综采工作面生产工况条件下的视觉监控透尘问题;提出多目视 频帧图像融合和全景视频拼接技术，解决工作面大视角覆盖以及实时无死角视频监控问题;利用三维颜色查找法，解决增强算法在质量和实时性难以满足井下视觉测量任务的问题。
工作面设备自适应控制进一步发展:构建精准三维地质模型，进行开采预测和模型动态修正，为智能开采提供精准地质保障;结合采煤机截割模板修正技术、工作面多源信息融合智能控制技术，规划采煤机割煤路线;利用新一代信息技术，实现高质量的视频传输，满足智能控制及感知设备的无线接入;利用远距离液压保障技术，在有限开采空间内减轻检修强度、增加安全性。
在行业当前普遍采用的“工作面内自动控制+远程干预模式” 的智能化开采技术基础上，提出了新一代无人化智能采煤控制技术方法，设计了“ 井上智能决策、井下自动执行、面内无人作业” 的智能无人开采模式;提出聚焦“ 一网 到底” 的网络型控制系统、基于透明地质的采煤机自主规划割煤技术、云台摄像机自动跟机视频技术以及基于一体化操作座椅的地面远控平台等关键技术的研发，并应用于黄陵一矿627智能化工作面，实现工作面1人巡视，采煤机自主规划截割，地面2人远程辅助控制的常态化生产。
图 1 智能开采控制系统基本架构
图 2 无人化智能开采控制系统方案
图 3 无人化智能开采控制技术路线
图4 可见光与热红外图像视觉特征对比分析
图 5 矿用本安型双光谱热成像仪及工作面应用效果
图 6 二目视频拼接效果
图 7 四目全景摄像仪工作面应用
图 8 工作面图像退化现象
图 9 三维颜色查找法原理
图 10 关键点检测网络结构
图 11 二维图形平面中关键点的运动轨迹
图 12 三维地质模型构建
图 13 工作面初始三维地质模型构建功能模块结构
图 14 全工作面协同工艺点
图 15 机架协同控制系统
图 16 自主截割系统控制流程
图 17 自主截割模板软件界面
图 18 自主割煤实时控制
图 19 基于 CAN 总线链路的电液控制系统
图 20 基于以太网链路的网络型电液控制系统
图 21 基于 5G 的智能型控制系统架构
图 22 MPC 模型预测控制
图 23 截割煤曲线界面
图 24 地面主控中心
图 25 云台摄像机摇杆控制
图 26 采煤机自主规划截割界面
图 27 一体化远程操作座椅式远控平台
王国法，男，1960年8月出生，研究员、中国工程院院士，煤炭开发技术装备与智慧矿山专家。现任中国煤炭科工集团科技委副主任、煤矿智能化工作委员会主任、首席科学家，北京天玛智控科技股份有限公司科技委主任，煤矿智能化创新联盟理事长兼技术委员会主任，中国自动化学会智慧矿山专业委员会主任。全国劳动模范、杰出工程师。
研究方向
煤机智能装备/煤矿智能化开采
主要成果
创新提出了液压支架与围岩强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合的“三耦合”原理和设计方法，创立了综采配套、液压支架和煤矿智能化系统的理论设计方法和技术标准体系，主持设计研发了薄煤层智能化综采、中厚煤层智能化综采、厚煤层大采高综采、大倾角综采、特厚煤层综放等系列首台(套)综采成套技术与装备。率先提出了煤矿智能化是煤炭工业高质量发展核心技术支撑的科学思想，系统地提出了煤矿智能化及分类、分级发展理念、发展目标、技术路径和标准体系，主持研发了四种模式的煤矿智能化开采成套技术与装备，首创了5G+智能化煤矿巨系统顶层架构与应用系统关键技术，研究成果在煤矿进行了广泛推广应用，为我国煤炭工业发展和科技创新做出了杰出贡献。
来源：
王国法，张良，李首滨，等.煤矿无人化智能开采系统理论与技术研发进展[J].煤炭学报，2023，48(1):34-53.
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