新一代无人化开采系统是面向煤矿综采工作面自动化控制与智能化开采的软硬件结合的成套系统。该系统以透明开采平台为感知基础，基于井下环网、工作面WiFi及5G专网构成的高速网络通道，利用网络型液压支架控制器对支架群组实现自动化跟机； 通过打造包含井下监控中心、三岗合一分控中心、运维巡检系统及地面太空舱为一体的开采中心，构建了涵盖工作面级、煤矿级和集团级的多维度数据中心，实现了开采的智能规划和综采装备的协同控制，集成了工况监测、远程控制、视频识别、基于透明地质的自主规划截割、数字孪生等功能，并拓展了APP移动客户端的应用，实现了工作面“自动跟机、远程干预、无人巡视、自主割煤”的新一代无人化开采模式。SAM2.0新一代无人化开采系统结构如图1所示。
SAM2.0新一代无人化开采系统核心技术
透明开采平台
透明开采平台（图2）是无人化开采系统的空间感知依据和数据建模基础。该平台利用地质勘探、地理信息、三维仿真等技术手段，探测煤层结构，构建煤岩关系，将真实的回采煤层转换为一个基于绝对三维坐标的数字化煤层，实现地质透明化。透明开采平台通过对综采装备的位姿信息及推进过程中的运动状态感知与测量，建立综采装备集群的空间状态模型及综采装备与煤层之间的坐标定位转换机制和数据交互模型，将装备集群与数字化煤层在三维空间场的多维度强耦合关联，实现综采装备的透明化，提升综采装备对开采条件的全面适应性，建立可自适应开采的透明工作面。
图1 SAM2.0新一代无人化开采系统结构
图2 透明开采平台
图3 地面太空舱
（a）本安型巡检机器人
（b）巡检机器人井下巡视
图4 巡检机器人
远程集控
由井下监控中心、三岗合一分控中心和地面太空舱（图3）3个位置独立且数据互通的集控室，实现对综采装备的远程集中控制。井下监控中心和三岗合一分控中心作为井下的远程集控单元，在巷道实现了对综采装备的远程集中控制。为了保证上下级系统之间通信的可靠性，采用矿井环网和无线网络冗余配置的网络拓扑方案。地面一体化太空舱集成了多种终端设备可操控的井下装备，并与井下监控中心和三岗合一分控中心互联互通。
巡检机器人
巡检机器人（图4）是适用于综采工作面的自主运行、多传感器融合、高精度探测和实时响应的巡检装备。巡检轨道采用沿刮板输送机电缆槽帮布置，机器人采用轮式行走机构，配置了无刷直流电机，搭载有摄像机、惯性导航、传感监测装置，可沿综采工作面跟随采煤机往复移动并进行全方位的监控，具备自主定位、数据无线上传、避障急停等功能。 巡检机器人与集控系统的集成，实现了自动运行和远程控制，替代了人工进行工作面巡检。
智能视频系统
智能视频系统利用图像识别技术，基于煤矿井下远程可视化监控视频系统，实现了视频的智能识别功能。智能视频在综采过程中可对工作面环境状态进行实时感知，对煤机滚筒、护帮板状态、井下人员、大块煤等目标进行自动检测识别，以及异常状况智能监测与报警。在视频跟机过程中自动识别出采煤机滚筒和附近支架护帮板的状态，联动控制采煤机和支架，防止滚筒与护帮发生碰撞干涉。
自动识别及准确定位工作面液压支架附近的人员目标，基于人员安全保护策略针对人员目标所在的液压支架进行联动闭锁操作，保障井下人员的人身安全。视频识别效果如图5所示。
（a）识别采煤机滚筒
（b）识别大块煤
图5 视频识别效果
（a）工艺规划界面
（b）规划执行监测界面
图6 自主规划截割应用界面
自主规划截割
基于透明开采平台建立的数字化煤层，利用动态切片技术，对工作面煤层实施分层切片，每层切片对应一刀截割，依据切片模型、滚筒调整量、截割深度、截割断面，精准规划出截割模板。按照截割模板对采煤机路径、滚筒高度等进行智能规划，采用平滑阶梯多级调整控制技术对采煤机滚筒高度、速度、方向等进行自动化控制，以达到智能自主规划截割的目的。自主规划截割应用界面如图6所示。
数字孪生
根据综采工作面各个设备之间的机械物理运动学关系，对各个装备之间的协同运作关系进行程序建模，通过三维物理引擎，结合自主开发的装备运动学仿真算法，对综采工作面装备进行三维物理运动学仿真。 通过工作面设备的传感器数据结合物理规则，约束、重现工作面设备动作与状态，以数据驱动仿真三维工作面场景。数据孪生界面如图7所示。
（a）数字孪生系统生产视角
（b）数字孪生系统全局视角
图7 数据孪生界面
（a）支架监测界面 （b）泵站监测界面 （c）采煤机监测界面
图8 APP移动客户端界面
APP 移动客户端
为方便用户实时监测生产工况，以数据中心作为后端服务平台，拓展了APP移动客户端。APP作为展示层的应用，用户可通过APP界面（图8）实时查看生产数据和分析结果，该客户端支持鸿蒙、安卓、IOS主流移动操作系统。
实践应用及效果
新一代无人化开采系统在国能神东煤炭集团榆家梁煤矿43102工作面成功应用。该工作面设计长度340 m, 推进长度2 199 m，煤层厚度1.2～1.7 m，平均厚度1.43 m，设计采高1.5 m, 可采储量131.7万t。通过透明开采平台构建了三维数字煤层，工作面配备了巡检机器人，在刮板输送机电缆槽轨道上运行，最大巡检速度60 m/min，10min内可完成全工作面巡检，并通过自主规划截割技术实现自主智能割煤。 SAM2.0新一代无人化开采系统在神东煤炭集团榆家梁煤矿43102工作面的应用，达到了无人巡视、自主割煤的预期目标。
