创新智能感知技术 守护煤矿井下安全 ——记中国矿业大学副教授魏东

我国是世界煤炭资源大国，一直以来，煤矿开采安全问题都是煤炭行业发展的重中之重。现如今，传统的安全监控方法无法满足现代煤矿的安全需求，智能感知技术的出现，为这一问题提供了新的解决思路。煤矿智能感知技术作为一种通过高精度、实时的数据采集和处理，实现对煤矿环境全方位、多维度感知的技术，能够实时监测煤矿生产中的各项参数，为煤矿的安全开采和生产提供了数据依据，可以有效降低煤矿事故的发生率，保障人员生命安全和行业稳定发展。

中国矿业大学副教授魏东，他的研究方向正是综采装备智能化、煤矿人员安全保护、机器视觉，多年来一直从事矿山装备智能化相关的研究工作，现已负责主持和作为骨干参与国家自然科学基金青年基金项目和国家重点研发项目等多项等国家级和省级科研项目，通过对采煤装备智能控制、煤矿井下场景感知等关键技术进行深入研究，取得了丰硕的创新成果，并将成果落地应用，为我国煤矿安全开采筑起了防护墙，保障煤炭行业稳定发展和矿井工人生命安全。

立足国家需求 引领技术进步

生于1992年的魏东，作为一名“九零后”青年科研人员，成长在新时代，对于新生事物和前沿技术有着强烈的兴趣。2011年毕业于东北大学机械工程及其自动化专业后，他于2016年获得了中国矿业大学机械电子专业硕博连读的机会，2021 年博士毕业后留校任教。

进入20世纪以来，随着计算机技术、传感器技术和通信技术的发展，煤矿智能感知技术逐渐成熟并得到广泛应用。在此之前，针对煤矿灾害的多数工作都是建立在有效感知灾害前提之上的。但通过灾害数据和现象来感知灾害十分困难，尤其是在数据不全、及时性和实时性差等条件下更为困难。智能感知技术的成熟、应用和实践，为实现煤矿灾害感知提供了智能方法。

近年来，面向国家及行业对煤矿智能化建设的重大需求，魏东先后主持了江苏省自然科学基金项目“煤矿井下作业空间环境智能感知方法研究”、国家自然科学基金项目“综采工作面复杂作业场景多模态融合环境感知方法研究”等省部级以上项目，并作为骨干成员参与国家重点研发计划项目“面向冲击地压矿井防冲钻孔机器人”、国家自然科学基金项目“复杂综采面高精度煤层信息建模与自主导航截割策略研究”等国家级项目，以及“高性能8.8米超大采高采煤机电气控制系统优化”“基于国产化软硬件的采煤机智能远程监控系统研发”等煤矿企业重大装备研发项目。

在这些项目研究中，魏东创新性提出了基于红外热成像技术及机器视觉技术的煤矿井下复杂场景可靠感知相关技术，并开发了适配采煤机、液压支架及无轨胶轮车的智能化系统，解决了智能化装备对煤矿井下复杂场景内作业人员的可靠检测及安全保护技术难题。他还提出了采煤装备截割路径自主控制方法，实现了滚筒高度与行走速度协调控制;构建了智能化采煤机总线电磁干扰模型，设计智能化采煤机电控箱智能布线交互系统，优化了布线工艺。创新性的科研成果，获得了教育部高等学校科学技术进步二等奖1项、中国煤炭工业科学技术三等奖1项，魏东也入选了2024年江苏省科协青年科技人才托举工程。

目前，以上相关研究成果已经应用于西安煤矿机械有限公司、郑州煤矿机械集团股份有限公司、西安重工装备制造集团有限公司等煤机制造企业，以及陕西、内蒙古、河南等地大型煤炭企业。另外，针对我国8米以上特厚煤层对超大采高智能化采煤机的需求，魏东及所在团队与西安煤矿机械有限公司合作研发了世界首台8.8米超大采高智能化采煤机及10米超大采高智能化采煤机，不仅打破了国外对高端采煤装备的技术垄断，更引领了我国智能化采煤装备的技术进步。

科研成果落地 创新创造价值

奋斗在煤矿井下场景感知技术的科研道路上，魏东深刻了解，科研技术必须要落地应用，才能实现其真正价值，造福社会和人民。近5年来，他深入融合产学研，先后参加了西安煤矿机械有限公司、郑州煤矿机械集团股份有限公司、西安重装智慧矿山工程技术有限公司等多家公司的煤矿装备智能化技术攻关工作，帮助企业突破并解决所面临的多项技术难题。

此前，井下工人仅通过耳听、目测等手段判断采煤机割煤、液压支架跟机的安全性，但是恶劣的工况环境导致这些动作带来极大的危险性和不确定性。对此，魏东提出了采煤装备作业区间侵入人员检测及预警方法，研究了基于局部信息权重和淘金算法的图像分割方法，实现了运动装备工作空间的有效分割。他设计了基于形态学权重的位置检测算法，有效融合运动装备工作空间中人员的运动特征和分割图像信息，实现了移动人员位置信息的完整提取;构建了人员危险状态判定模型及跟踪预测方法，实现了采区作业人员潜在危险的预警和保护。

另外，在采煤装备工作在煤尘、潮湿、强振动、狭窄空间的恶劣环境中，依赖操作工人的听觉、视觉来判断截割状态，并进行调控。但经常会出现听不准、看不清的情况，导致生产事故发生。对此，魏东及所在团队研发了基于截割音频、煤壁温度场和摇臂振动，也就是视觉、听觉、触觉融合信息的采煤装备煤岩截割状态智能识别系统，并研究了基于机器视觉的截割滚筒与液压支架相互位置感知方法，避免了恶劣环境下采煤装备截割顶板岩石、支架护帮板而导致的生产事故。

针对煤矿井下采煤装备的准确定位难以实现的难题，魏东及所在团队研究了基于冗余IMU和UWB的采煤装备融合定位技术，提出了惯性单元滤波算法和修正算法，抑制了惯性元件的漂移误差和累计误差，实现了采煤装备的精确定位;提出了基于实时透明工作面的自主割煤技术新架构，实现了采煤装备与煤层地理信息相互位姿的精确感知。

目前，以上相关研究成果应用于西安煤矿机械有限公司、中平能化集团机械制造有限公司等煤机制造企业以及陕西、内蒙古、河南等地的大型煤炭企业，为煤机制造企业和煤炭生产企业增加产值18亿余元，创造经济效益的同时，也保障了更多井下作业开采工人的生命安全。

此外，在煤矿井下，无轨胶轮车运行的辅助运输沿线照度不均匀、粉尘干扰严重，导致无轨胶轮车运行前方作业人员检测难度大，人员安全难以保障。对此，魏东及所在团队还研发了基于改进直觉模糊C聚类的红外图像分割技术及基于改进LK光流法的运动人员检测方法，实现了煤矿巷道作业人员的精确识别。他提出基于机动目标跟踪模型和改进卡尔曼滤波方法的人员位置预测方法，对煤矿巷道作业人员未来时刻可能出现位置的高效预测并判别人员侵入无轨胶轮车运行沿线的可能性，将判别结果传回无轨胶轮车控制器，实现无轨胶轮车的降速、避让、制动等主动安全保护。

该成果于2023年4月应用于中煤华晋集团有限公司王家岭矿，据统计，截止2024年3月，新增产值已达50400万元，新增税收约7812万元，新增利润约3024万元。2023年11月，中国煤炭工业协会发布《关于发布2023年煤炭行业品牌标杆煤矿、标杆案例和标杆模式的通知》，将该项目所取得的研究成果“王家岭矿无轨胶轮车安全综合保障系统研究与应用”评为煤炭行业品牌标杆案例。

知其难，守其难，科研之路任重道远。作为一名青年科研人员，魏东的科研旅程才刚开始起步。怀着报效祖国的一腔热血，魏东坚定地行进在煤矿井下智能感知技术的科研道路上，他将用智慧和努力攻坚克难、创新突破，取得更多科研成果，为矿工的生命安全提供更为坚实的保障，为我国煤炭工业安全健康发展做出更大贡献。(文/张丽丽)