專訪┃煤礦無人化開采的“探索者” ：北斗天地基于國產慣導實現(xiàn)采煤工作面自動找直應用技術研發(fā)團隊

2025年08月26日 15:03 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

團隊簡介

北斗天地股份有限公司基于國產慣導實現(xiàn)采煤工作面自動找直應用技術研發(fā)團隊（簡稱慣導研發(fā)團隊），由設計師和技術專家等20名組成，在礦山開采工藝、自動化控制、礦山信息化技術應用方面，擁有豐富的經(jīng)驗和深厚的專業(yè)知識，慣導研發(fā)團隊分別來自電氣工程、計算機科學、機械設計和礦業(yè)工程，學科多元化組合確保團隊從多角度審視問題，提出并成功研發(fā)的全面解決方案。

慣導研發(fā)團隊自成立以來，始終堅持以用戶需求為導向，將最新的科技成果轉化為實際應用。IMOSS 智能綜采作業(yè)自導向系統(tǒng)為煤礦行業(yè)帶來革命性的變化，提高煤礦生產效率，實現(xiàn)降本提效。

目前，慣導研發(fā)團隊已申請4項發(fā)明專利、1項實用新型、1項外觀專利，7項軟件著作權；先后獲得第七屆中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽軍轉民大賽三等獎、第三屆山東省智能制造（工業(yè) 4.0）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎、第三屆山東省科技工作者創(chuàng)新大賽二等獎、2024年度全國煤礦智能化卓越團隊等獎勵和榮譽。

文章來源：《智能礦山》2025年第8期“專訪”欄目

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煤礦綜采工作面智能化核心技術國產化

煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質量發(fā)展的核心技術支撐。目前，我國已經(jīng)取得了液壓支架電液控系統(tǒng)、采煤機記憶截割和可視化遠程干預控制、掘進機遠程集控等一系列技術創(chuàng)新，但煤礦綜采工作面智能化核心技術裝備與美國、澳大利亞等發(fā)達國家相比還存在一定的差距。

煤礦綜采作業(yè)生產過程的智能化運行，采煤機、液壓支架等主要生產設備具備自主定位、姿態(tài)監(jiān)測等高精度實時測量和數(shù)據(jù)采集功能，只有慣性導航技術能夠滿足相關功能和需求。

在煤礦智能化采煤作業(yè)過程中，采煤機記憶截割，液壓支架跟隨采煤機自動降、移、升均已實現(xiàn)。然而，實際生產過程中，工作面直線度卻難以保證，隨工作面推進誤差越來越大，影響工作面自動連續(xù)推進，直線度問題嚴重制約著綜采自動化水平。滿足持續(xù)穩(wěn)定、精準高效服務于煤礦綜采工作面，采煤機慣導系統(tǒng)是采煤智能化必然條件。

慣導研發(fā)團隊為打破國外技術壟斷和封鎖，解決該領域“卡脖子”問題，研究煤礦智能化領域國產化關鍵核心技術，致力于將國產慣性導航技術應用于智能化煤炭開采領域，解決了煤礦井下生產過程中對綜機設備的精確定位和導航控制難題?；趪a慣導技術，深度結合煤礦智能化建設應用需求，開展國產化礦用采煤機慣導系統(tǒng)和組合定位導航核心算法研發(fā)，提升煤礦智能開采領域關鍵核心技術裝備國產化水平，避免國外技術方法侵權風險。北斗天地智能綜采作業(yè)自導向系統(tǒng)（Intelligent mining operation self-steering system，IMOSS）常態(tài)化應用于煤礦綜采工作面智能化生產，實現(xiàn)減員增效，提升煤礦生產現(xiàn)場的本質化人機安全保障，IMOSS系統(tǒng)開采軌跡查詢界面如圖1所示。

圖1 IMOSS系統(tǒng)開采軌跡查詢界面

智能化技術研發(fā)攻關

2.1 研發(fā)綜采工作面采煤機慣性導航系統(tǒng)

慣導研發(fā)團隊通過深入了解煤礦綜采工作面生產工藝流程，持續(xù)開展技術攻關，完成了元器件抗沖擊設計和電磁兼容性優(yōu)化，完成了適用于煤礦井下生產的采煤機三維坐標精確定位技術研發(fā)。結合防爆電氣要求，完成了國產慣導成套系統(tǒng)礦用產品研發(fā)，并取得整機安標認證；自主研發(fā)出高精度光學陀螺和加速度計，構建慣導成套裝置及配套系統(tǒng)，測量采煤機工作過程中的橫向、縱向、垂直三維空間位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，與高分辨率編碼器組合，測量數(shù)據(jù)通過無線或專用線纜方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，經(jīng)多源數(shù)據(jù)融合運算，得到采煤機的開采運行軌跡，實時監(jiān)控采煤機在工作面的位置姿態(tài)信息，IMOSS系統(tǒng)硬件架構設計如圖2所示。

圖2 IMOSS系統(tǒng)硬件架構設計

2.2 構建綜采工作面采煤機定位導航和找直算法

慣導研發(fā)團隊結合煤礦綜采工作面生產工藝，重點研發(fā)采煤機高精度組合定位導航算法、工作面直線度控制算法、安裝誤差補償算法、斷點續(xù)傳位置補償算法，實現(xiàn)了采煤機在綜采工作面的精確定位和位置姿態(tài)數(shù)據(jù)實時采集。

分析慣導裝置記錄的采煤機空間位置坐標，確定當前工作面的直線度，定向研發(fā)算法計算出每臺液壓支架的推移量，聯(lián)動液壓支架電控系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行信息，對每個液壓支架進行推移行程單獨閉環(huán)控制，達成直線度控制目標，實現(xiàn)對工作面直線度的動態(tài)調整，IMOSS系統(tǒng)軟件模塊設計如圖3所示。

圖3 IMOSS系統(tǒng)軟件模塊設計

2.3 基于5G無線通信的慣導多信道冗余通信

煤礦井下生產過程中因設備頻繁移動、落煤、落石、浸水等因素，存在通信線擠壓、彎折、破損等因素影響，采煤機慣導有線通信介質（網(wǎng)線、光纜、通信電纜、串行通信線等）易受損傷，無法穩(wěn)定應用于采煤機慣導系統(tǒng)通信，5G網(wǎng)絡高速率、低時延的特征較好契合慣導系統(tǒng)通信需求。

慣導研發(fā)團隊針對煤礦井下采煤機和慣導系統(tǒng)通信需求，研究多信道數(shù)據(jù)通信技術，實現(xiàn)了采煤機慣導系統(tǒng)基于礦用5G專網(wǎng)、礦用無線網(wǎng)絡、礦用光通信網(wǎng)絡等多種通信方式的融合應用，提升了慣導系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。

通過采煤機安裝部署礦用慣導裝置，實現(xiàn)采煤機在工作面的位置姿態(tài)信息的實時采集，慣導通過內置5G模組，適配礦用5G專網(wǎng)系統(tǒng)，對接液壓支架電液控系統(tǒng)，實現(xiàn)綜采工作面液壓支架矯直和整體直線度的動態(tài)控制，多信道通信系統(tǒng)架構設計如圖4所示。

圖4 多信道通信系統(tǒng)架構設計

慣導研發(fā)團隊攻關核心關鍵技術

為了高精度慣導裝置及軟件系統(tǒng)研發(fā)試制成功，慣導研發(fā)團隊自主驗證了國產慣導在綜采工作面采煤機位置姿態(tài)、位置實時檢測、定位導航方面的適配可行性，提升了煤礦智能化生產領域的核心技術裝備國產化水平，實現(xiàn)了綜采工作面自動取直關鍵技術的重大突破。

（1）結合煤礦綜采工作面找直需求，自主研發(fā)綜采工作面找直算法、開采軌跡曲線擬合算法、誤差補償算法，適配機載傳感器和慣導系統(tǒng)，實時監(jiān)測采集采煤機在生產過程中的位置坐標和姿態(tài)角度信息數(shù)值，通過神經(jīng)網(wǎng)絡算法，解算輸出電液控制系統(tǒng)每個控制器對應的修正值、移架找直目標值及實際行程值，實時調整工作面整體直線度，達到工作面找直的目標。目前已驗證達到500 m長度以內工作面，整體取直誤差優(yōu)于50 cm的技術指標，達到國內領先水平。

（2）煤礦工作面實際環(huán)境存在高粉塵、強振動、大沖擊等特點，要求慣性器件具有較高精度，同時具有慣性器件啟動時間短、環(huán)境適應能力強、性能長期穩(wěn)定的特點，為了攻克國產慣導在煤礦井下工況環(huán)境適應性難題，慣導研發(fā)團隊通過多項技術研發(fā)和融合措施，實現(xiàn)了國產慣導在綜采工作面的常態(tài)化應用。

（3）礦用高精度慣導系統(tǒng)具備較短時間內完成快速智能初始對準，提高煤礦開采工作效率，同時具備高動態(tài)條件多物理場作用下的高精度輸出能力，具備在無外部信息源環(huán)境下的高精度純慣性性能保持能力，以及很強的溫度、振動、沖擊、磁場條件下的環(huán)境適應能力。

（4）慣導研發(fā)團隊通過綜合鎖區(qū)減小技術、高精度諧振腔光路控制技術、超精密諧振腔穩(wěn)定化技術、高穩(wěn)定性的抖動偏頻技術、高氣密性電極封接技術、磁屏蔽技術等多項關鍵技術研發(fā)，使采煤機慣導裝置具備抗沖擊、抗電磁干擾、防塵防爆等性能，以及煤礦井下工作面特殊作業(yè)環(huán)境適應性，實現(xiàn)了慣導系統(tǒng)裝置在綜采工作面的常態(tài)化穩(wěn)定應用。

（5）攻克了采煤機慣導無可靠通信信道的技術難題，研發(fā)多信道數(shù)據(jù)通信技術，實現(xiàn)了采煤機慣導系統(tǒng)基于礦用5G專網(wǎng)、礦用無線網(wǎng)絡、礦用光通信網(wǎng)絡等多種通信方式的融合應用，提升了慣導系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。

（6）自主研發(fā)設計的接口轉換部件、5Gcpe通信模組將慣導數(shù)據(jù)通過礦用本安型5G模組連接礦用5G專網(wǎng)，慣導上位機服務器通過5G專網(wǎng)實現(xiàn)慣導數(shù)據(jù)的接收和通信，經(jīng)過實際應用測試，通信時延、信道帶寬、通信穩(wěn)定性等相關指標，均滿足礦用慣導系統(tǒng)應用需要。

慣導研發(fā)團隊取得科研成果

IMOSS系統(tǒng)通過在陜西未來能源化工有限公司金雞灘煤礦超大采高綜采工作面、兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦千米深井綜放工作面、兗礦能源集團股份有限公司東灘煤礦沖擊地壓風險較高的綜放工作面等不同地質條件下的工作面試驗應用，均實現(xiàn)采煤機定位精度≤10 cm，工作面整體直線度控制精度≤50 cm，采煤機定位和工作面找直功能實測應用正常，兗礦能源集團股份有限公司南屯煤礦綜采工作面IMOSS慣導找直應用情況如圖5所示。

圖5 綜采工作面IMOSS慣導找直應用情況

目前，基于國產慣導實現(xiàn)采煤工作面自動找直應用研發(fā)已申請專利6項，其中：4項發(fā)明專利（圖6~圖9）、1項實用新型、1項外觀專利，7項軟件著作權。獲得第七屆中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽軍轉民大賽三等獎（圖10）、第三屆山東省智能制造（工業(yè)4.0）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎（圖11）、第三屆山東省科技工作者創(chuàng)新大賽二等獎（圖12）、2024年度全國煤礦智能化卓越團隊（圖13）。

人才管理與團隊培養(yǎng)

（1）慣導研發(fā)團隊制定了明確的人才培養(yǎng)和管理計劃，計劃包括團隊的發(fā)展目標、培養(yǎng)和管理的人才類型、培養(yǎng)和管理時間表等。團隊更加明確自己在人才培養(yǎng)和管理方面的目標和要求，從而更有效地進行人才的培養(yǎng)和管理。

（2）注重員工教育和培訓，團隊成員通過不斷學習和提高自己的能力，培訓包括內部培訓和外部培訓。內部培訓由團隊內部的專業(yè)人員組織，專注團隊自身需求進行培訓，外部培訓讓成員拓展更多的團隊知識和其他團隊的管理經(jīng)驗，從而更好地學習和提高自己的能力。

（3）建立科學的績效考核和激勵機制，讓團隊更加明確自己的工作目標和要求，更有動力去完成工作任務。在考核方面，團隊根據(jù)員工的工作成果、能力和職業(yè)素養(yǎng)等方面進行考核。在獎懲機制方面，慣導研發(fā)團隊根據(jù)員工的績效和貢獻，給予適當?shù)莫剟詈图?，提高員工的積極性和工作熱情。

團隊未來發(fā)展方向

（1）提升導航精度與抗干擾能力

當前慣導系統(tǒng)在井下復雜環(huán)境中，仍面臨誤差累積和極端條件適應性挑戰(zhàn)，需通過優(yōu)化算法降低純慣性導航1.5～3 m/h的位置漂移，并結合里程計約束提升長期導航精度；同時，針對井下高溫（>60 ℃）、高濕（RH>95%）等極端環(huán)境，改進慣性器件的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

（2）標準化與模塊化設計

為適應不同煤層厚度（薄/中/厚）、地質條件（如大傾角、破碎頂板）等多樣化需求，研發(fā)團隊將推進慣導系統(tǒng)的標準化和模塊化，通過更換傳感器組合快速適配特定工況，降低定制化成本。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

郵發(fā)代號：82-476

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