付翔，王然風(fēng)

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

鐘義信[1-2]提出機(jī)制主義人工智能理論，將現(xiàn)行人工智能的結(jié)構(gòu)主義、功能主義和行為主義三大流派有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)，使意識(shí)、情感、理智成為三位一體的關(guān)系。因素空間理論是機(jī)制主義人工智能理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)[3]；泛邏輯學(xué)理論是機(jī)制主義人工智能理論的邏輯基礎(chǔ)[4]。該方法論得到模糊數(shù)學(xué)創(chuàng)始人L.A.Zadeh等參會(huì)學(xué)者的高度贊同。何華燦教授[5]評(píng)價(jià)該理論為一個(gè)全新的人工智能理論體系，與當(dāng)今國(guó)內(nèi)外普遍流行的人工智能理論體系[6-9]相比有全面提升。現(xiàn)有的煤礦工作面供液過(guò)程控制方法為：基于邏輯判斷的多泵聯(lián)動(dòng)[10]和基于 PID[11]、模糊 PID[12-13]、Elman 網(wǎng)絡(luò)[14]的變頻恒壓，其控制效果并不理想，原因是其控制方法單一化、孤立化，智能方法論存在“深度上淺層化、廣度上碎片化和體系上封閉化”的重要缺陷[2]。因此，本文基于機(jī)制主義人工智能理論，擬采用意識(shí)–情感–智能三位一體的控制模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦供液過(guò)程的智能控制。

1 供液系統(tǒng)及其智能控制模型

煤礦供液系統(tǒng)俗稱(chēng)“工作面的心臟”，主要作用是為工作面液壓支架動(dòng)作提供所需的高壓動(dòng)力乳化液。供液過(guò)程控制是通過(guò)控制供液系統(tǒng)，與液壓支架協(xié)同，智能地為其輸出合理充足的動(dòng)力。

1.1 供液系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)與功能目標(biāo)

供液系統(tǒng)的設(shè)備組成如圖1所示。

圖 1 供液系統(tǒng)裝備Fig. 1 The equipments of hydraulic fluid supply system

如圖1所示，供液系統(tǒng)采用多泵+多變頻組合的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)供液流量的多級(jí)+無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)[15-16]?？刂葡到y(tǒng)采用主從分布式控制方式，以防爆計(jì)算機(jī)作為智能層、以主控柜和分控柜作為控制層，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)多層化處理。通過(guò)分析井下支架實(shí)際運(yùn)行中供液過(guò)程特征，基于機(jī)制主義人工智能理論，提出了供液過(guò)程智能控制目標(biāo)：以“有序協(xié)調(diào)、穩(wěn)壓提速、智能規(guī)劃”為指導(dǎo)理念，適應(yīng)地為支架運(yùn)行提供足量合理的高壓動(dòng)力乳化液，其多層的智能控制目標(biāo)如圖2所示。

由圖2可知，“有序協(xié)調(diào)”是基礎(chǔ)行為目標(biāo)，既是供液系統(tǒng)的基本自動(dòng)化功能，也是實(shí)現(xiàn)智能控制的基礎(chǔ)；“穩(wěn)壓提速”是過(guò)渡智能目標(biāo)，是供液系統(tǒng)的欠成熟智能化功能，在基本自動(dòng)化基礎(chǔ)上為成熟智能化提供行為試探；“智能規(guī)劃”是全局智能目標(biāo)，是供液系統(tǒng)的成熟智能化功能，通過(guò)欠成熟智能化生成的初步智能策略和基本自動(dòng)化執(zhí)行的初步智能行為，不斷閉環(huán)調(diào)整和優(yōu)化策略，直至形成準(zhǔn)確規(guī)范的智能控制策略。

1.2 供液系統(tǒng)智能控制模型設(shè)計(jì)

智能是在主體目的和知識(shí)的制約下由客體信息激發(fā)生長(zhǎng)起來(lái)的，是信息生態(tài)演進(jìn)過(guò)程的高級(jí)產(chǎn)物[17-18]，利用當(dāng)前快速發(fā)展的軟硬件平臺(tái)，本文建立了供液系統(tǒng)的智能控制模型，如圖3所示。

圖3所示模型基于意識(shí)–情感–智能三位一體的思想，其供液系統(tǒng)智能控制的運(yùn)行機(jī)制具體如下。

圖 2 供液系統(tǒng)多層智能控制目標(biāo)Fig. 2 The intelligent control multilayer-target of hydraulic fluid supply system

圖 3 供液系統(tǒng)的智能控制模型Fig. 3 The intelligent control model of hydraulic fluid supply system

目標(biāo)導(dǎo)控機(jī)制：目標(biāo)是導(dǎo)控智能化功能和行為的基本條件。系統(tǒng)通過(guò)不同目標(biāo)設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊，包括基礎(chǔ)行為目標(biāo)(過(guò)程有序和系統(tǒng)協(xié)調(diào))導(dǎo)控基礎(chǔ)意識(shí)模塊；過(guò)渡智能目標(biāo)(穩(wěn)壓供液預(yù)測(cè))導(dǎo)控情感模塊；全局智能目標(biāo)(支架與供液協(xié)同智能控制)導(dǎo)控理智與決策模塊。

知識(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)制：知識(shí)是信息到策略的轉(zhuǎn)換依據(jù)。系統(tǒng)中各類(lèi)知識(shí)分別驅(qū)動(dòng)各自功能模塊，包括本能知識(shí)驅(qū)動(dòng)感知–注意模塊功能(傳感數(shù)據(jù)選擇與生成)和基礎(chǔ)意識(shí)模塊功能(手動(dòng)控制)；常識(shí)知識(shí)的先驗(yàn)部分驅(qū)動(dòng)信息轉(zhuǎn)換模塊功能(全信息狀態(tài)描述)，后驗(yàn)部分知識(shí)驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)意識(shí)模塊功能(有序協(xié)調(diào)控制)；經(jīng)驗(yàn)知識(shí)驅(qū)動(dòng)情感模塊功能(穩(wěn)壓供液預(yù)測(cè))；規(guī)范知識(shí)驅(qū)動(dòng)理智與決策模塊功能(支架與供液協(xié)同智能控制)。同時(shí)，各類(lèi)知識(shí)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)部生態(tài)循環(huán)。

信息轉(zhuǎn)換機(jī)制：信息轉(zhuǎn)換是智能創(chuàng)生定律的源頭[19]。系統(tǒng)中信息在各個(gè)模塊進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換，感知–注意模塊將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為語(yǔ)法信息(系統(tǒng)工程量數(shù)據(jù))，信息轉(zhuǎn)換模塊將語(yǔ)法信息轉(zhuǎn)換成全信息(數(shù)據(jù)狀態(tài)、變化等特征量)；基礎(chǔ)意識(shí)模塊、情感模塊和理智模塊將語(yǔ)法信息、全信息轉(zhuǎn)換成不同智能水平的控制策略。同時(shí)，信息轉(zhuǎn)換過(guò)程中幫助知識(shí)發(fā)現(xiàn)與生長(zhǎng)。

軟硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)：軟件和硬件平臺(tái)是系統(tǒng)智能控制的實(shí)施形態(tài)。系統(tǒng)分為4個(gè)層次的軟硬平臺(tái)，包括設(shè)備環(huán)境層(傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu))、控制層(控制器與電氣回路)、智能層(計(jì)算機(jī)與計(jì)算軟件)、數(shù)據(jù)庫(kù)(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記憶硬盤(pán)與軟件)。

2 智能供液系統(tǒng)關(guān)鍵模塊功能設(shè)計(jì)

2.1 供液基礎(chǔ)控制

供液基礎(chǔ)控制的基礎(chǔ)意識(shí)模塊功能設(shè)計(jì)如圖4所示。供液基礎(chǔ)控制是智能供液基礎(chǔ)控制層的策略執(zhí)行技術(shù)[20]。供液基礎(chǔ)控制的基礎(chǔ)意識(shí)模塊功能設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖 4 供液基礎(chǔ)控制的基礎(chǔ)意識(shí)模塊設(shè)計(jì)Fig. 4 The design of basic consciousness module for hydraulic fluid supply base control

信息感知、注意和轉(zhuǎn)換：感知、注意(選取)系統(tǒng)的泵組運(yùn)行、閥組開(kāi)關(guān)等傳感器信號(hào)，以供液輸出流量Q為目標(biāo)，轉(zhuǎn)換泵組運(yùn)行數(shù)量Nc、閥組加載數(shù)量Nd、變頻差值Fc和fc、泵故障狀態(tài)P等語(yǔ)法信息。

邏輯判斷：依據(jù)本能和常識(shí)知識(shí)的邏輯規(guī)則，邏輯判斷語(yǔ)法信息IF條件，THEN結(jié)論。

策略生成與執(zhí)行：依據(jù)本能知識(shí)的IF · ··THEN規(guī)則，生成基礎(chǔ)行為策略Sj，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成執(zhí)行動(dòng)作。

2.2 穩(wěn)壓供液預(yù)測(cè)

穩(wěn)壓供液預(yù)測(cè)是指以支架具體的動(dòng)作情況和壓力限制等條件為判斷依據(jù)，以提高支架動(dòng)作速度和減少系統(tǒng)壓力波動(dòng)為控制目標(biāo)，預(yù)測(cè)生成穩(wěn)壓供液流量。情感模塊用于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)支架動(dòng)作過(guò)程的穩(wěn)壓供液流量預(yù)測(cè)功能，以事先訓(xùn)練好的BP-ANN為核心，接收神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入變量信息，轉(zhuǎn)換并檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的輸出。穩(wěn)壓供液預(yù)測(cè)技術(shù)的情感模塊功能設(shè)計(jì)如圖5所示。

信息感知、注意和轉(zhuǎn)換：利用感知–注意模塊和信息轉(zhuǎn)換模塊，將卸載壓力pu、加載壓力pl、支架系統(tǒng)的運(yùn)行聯(lián)動(dòng)規(guī)則Rule、當(dāng)前支架動(dòng)作狀態(tài)Act等信息轉(zhuǎn)換為支架動(dòng)作數(shù)量N、出液作用面積Aout、進(jìn)液作用面積Ain等支架動(dòng)作特征量，作為BP-ANN的輸入信息。

圖 5 穩(wěn)壓供液預(yù)測(cè)的情感模塊設(shè)計(jì)Fig. 5 The design of emotion module for fluid feeding prediction with steady pressure

BP-ANN預(yù)測(cè)輸出：分析處理歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練生成BP-ANN，通過(guò)上述信息輸入網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)輸出穩(wěn)壓供液流量系統(tǒng)使用率SR。鑒于支架動(dòng)作的間歇性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)BP-ANN輸入開(kāi)關(guān)，根據(jù)工況判斷網(wǎng)絡(luò)是否工作。此外，為適用于系統(tǒng)控制，對(duì)BP-ANN輸出系統(tǒng)使用率SR去歸一化處理，數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓供液流量Qp。

策略可行性檢驗(yàn)：以系統(tǒng)故障狀態(tài)和供液流量能力為依據(jù)對(duì)Qp進(jìn)行可行性檢驗(yàn)，以決定情感策略或抑制、或輸出、或調(diào)整后輸出。

2.3 支架與供液協(xié)同智能控制

支架與供液協(xié)同智能控制是結(jié)合支架跟機(jī)工藝、液壓系統(tǒng)壓力工況等條件，實(shí)現(xiàn)支架跟機(jī)提速和穩(wěn)壓供液的多目標(biāo)協(xié)同控制。理智與決策模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)此功能，其功能設(shè)計(jì)如圖6所示。

信息感知、注意和轉(zhuǎn)換：利用感知–注意模塊和信息轉(zhuǎn)換模塊，將實(shí)時(shí)的液壓支架傳感信息轉(zhuǎn)換生成描述液壓支架和供液系統(tǒng)特征的狀態(tài)全信息[20]。

圖 6 支架與供液協(xié)同智能控制的理智與決策模塊設(shè)計(jì)Fig. 6 The design of intelligent and decision module for cooperative intelligent control of supports and fluid supply

效果評(píng)價(jià)與策略調(diào)節(jié)：評(píng)價(jià)和微調(diào)情感模塊輸出的預(yù)測(cè)供液策略Qq精度，生成更準(zhǔn)確的穩(wěn)壓供液策略Qp。

策略規(guī)劃：核心環(huán)節(jié)，以支架跟機(jī)提速和穩(wěn)壓供液多目標(biāo)導(dǎo)控，合理選擇極速模式或優(yōu)化模式，實(shí)現(xiàn)策略規(guī)劃。

規(guī)范知識(shí)應(yīng)用與理智策略生成：輸入的全信息匹配規(guī)范知識(shí)生成相應(yīng)策略，初期的知識(shí)庫(kù)可能較為缺乏，但隨著系統(tǒng)的不斷執(zhí)行，規(guī)范知識(shí)庫(kù)越來(lái)越完善。

智能策略決策與輸出：由綜合決策模塊驅(qū)動(dòng)，判斷策略輸出的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)由高到低為：Ql(理智供液策略)→Qa(調(diào)節(jié)供液策略)→Qq(情感供液策略)。

3 供液系統(tǒng)智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)

供液系統(tǒng)控制層通過(guò)Profibus-DP通訊網(wǎng)絡(luò)組建成PLC控制器分布式架構(gòu)，PLC控制器中的功能程序是基礎(chǔ)意識(shí)模塊的技術(shù)形態(tài)，其分布式架構(gòu)如圖7所示。

圖 7 分布式控制層架構(gòu)Fig. 7 Distributed control layer architecture

智能層以防爆計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，利用以太網(wǎng)通訊搭建硬件之間的通信物理層，利用OPC技術(shù)制定軟件之間的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)智能層與外界的數(shù)據(jù)交互，接收控制層或支架系統(tǒng)的輸入信息，經(jīng)過(guò)MATLAB等算法軟件處理后生成控制策略，并下達(dá)控制層執(zhí)行。依據(jù)上節(jié)的情感模塊、理智與決策模塊的功能設(shè)計(jì)，在Simulink建立控制模型如圖8、9。

圖 8 穩(wěn)壓供液的情感模塊Simulink模型Fig. 8 The Simulink model of emotion module for stabilized pressure supply

圖 9 智能供液控制的理智與決策模塊Simulink模型Fig. 9 The Simulink model of intelligent and decision module for intelligent supply control

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與效果評(píng)價(jià)

上述智能供液系統(tǒng)于2016年12月在潞安集團(tuán)王莊煤礦8110綜采工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。智能供液系統(tǒng)部分設(shè)備與監(jiān)控畫(huà)面如圖10所示。

圖 10 智能供液系統(tǒng)部分設(shè)備與監(jiān)控畫(huà)面Fig. 10 The monitor screen and partial equipment of intelligent liquid supply system

該智能供液系統(tǒng)安裝在皮帶順槽，距離工作面100～200 m，現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)通信和OPC接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)供液系統(tǒng)與工作面控制中心和地面監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，如圖11所示。

系統(tǒng)組建和調(diào)試完成后進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，設(shè)計(jì)3組支架運(yùn)行方案，其參數(shù)如表1所示。

表1中，采煤機(jī)設(shè)定以速度vc勻速割煤，方案1為采煤機(jī)低速割煤，單臺(tái)支架跟機(jī)運(yùn)行；方案2、3為采煤機(jī)高速割煤，多臺(tái)支架同時(shí)跟機(jī)運(yùn)行。依據(jù)方案控制支架跟機(jī)運(yùn)行，操作供液系統(tǒng)，分別執(zhí)行手動(dòng)控制(額定流量供液)和智能控制(支架與供液智能協(xié)同)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。可得3組方案手動(dòng)控制與智能控制對(duì)比結(jié)果如圖12～14、表2所示。

由圖12～14和表2可知，相比于手動(dòng)控制，智能控制實(shí)現(xiàn)適應(yīng)支架4種動(dòng)作類(lèi)型的供液流量?jī)?yōu)化調(diào)整，自適應(yīng)輸出3種供液策略。支架跟機(jī)動(dòng)作第1次循環(huán)系統(tǒng)缺乏效果反饋數(shù)據(jù)，輸出情感供液策略Qq作為初次嘗試；第2～3次循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋微調(diào)，輸出調(diào)節(jié)供液策略Qa優(yōu)化壓力工況；第4～5次循環(huán)系統(tǒng)自適應(yīng)選擇極速或優(yōu)化模式，經(jīng)過(guò)多目標(biāo)策略規(guī)劃，輸出理智供液策略Ql實(shí)現(xiàn)滿足支架跟機(jī)提速和壓力穩(wěn)定的智能供液。

圖 11 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互調(diào)試Fig. 11 Debugging of system data exchange

表 1 液壓支架跟機(jī)運(yùn)行的工業(yè)性試驗(yàn)方案Table 1 The industrial test scheme of hydraulic supports following operation

圖 12 手動(dòng)控制與智能控制過(guò)程壓力對(duì)比方案1 Fig. 12 Comparison of process pressure for manual control and intelligent control (case 1)

圖 13 手動(dòng)控制與智能控制過(guò)程壓力對(duì)比方案2 Fig. 13 Comparison of process pressure for manual control and intelligent control (case 2)

圖 14 手動(dòng)控制與智能控制過(guò)程壓力對(duì)比方案3Fig. 14 Comparison of process pressure for manual control and intelligent control (case 3)

表 2 手動(dòng)控制與智能控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of test data for manual control and intelligent control

整個(gè)系統(tǒng)控制過(guò)程的運(yùn)行機(jī)制以意識(shí)–情感–智能三位一體為理論基礎(chǔ)，自適應(yīng)調(diào)整優(yōu)化控制策略直至滿足工況要求，生成、記憶、生長(zhǎng)、調(diào)用各類(lèi)知識(shí)，最終滿足系統(tǒng)智能穩(wěn)定運(yùn)行?？梢?jiàn)，該系統(tǒng)提高了煤礦供液系統(tǒng)的智能化水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了以“有序協(xié)調(diào)、穩(wěn)壓提速、智能規(guī)劃”為理念的逐級(jí)智能供液控制目標(biāo)，依據(jù)機(jī)制主義人工智能理論的意識(shí)–情感–智能三位一體思想，設(shè)計(jì)了智能供液控制模型及關(guān)鍵模塊功能，研發(fā)了工作面智能供液系統(tǒng)并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，并取得理想的效果。本論文研究成果對(duì)于提高煤礦供液系統(tǒng)智能化水平，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采具有重要意義。