液压支架群组跟机推进行为的智能决策方法与流程
本发明涉及液压支架控制技术领域，尤其涉及一种液压支架群组跟机推进行为的智能决策方法。
背景技术：
工作面综采装备的协同推进与精准控制是智慧矿山关键核心技术之一，通过采－装－运－支等工序环节的综采装备群组协同智能化运行，实现综采工作面采煤全过程“无人跟机作业，有人安全巡视”的安全高效开采技术。智能决策是指根据设备当前的状态、空间位置信息、生产运行及安全规则等，自感知分析并作出控制决策。综采装备智能决策要求工作面开采技术与装备由传统的经验型、定性决策为主向精准型、定量智能协同决策转变。液压支架(简称“支架”)群组作为综采工作面关键设备组，由上百台支架组成，每台支架具有多种动作类型，需要有序、适时、精准、协调地进行推进行为，以实现工作面动态支护目标。
目前国内外支架群组智能决策与控制仍然集中在支架的步态控制，尚未实现以智能决策模型支持的支架自组织排队及协同控制技术。另外，现有研究主要是根据割煤工艺设计支架电液控制程序，实现单架顺序动作、多架成组动作等，其控制模式单一、固化，导致支架跟机适应能力差。
技术实现要素：
为解决目前液压支架群组跟机推进行为的决策方法存在会导致支架跟机适应能力差的技术问题，本发明提供一种液压支架群组跟机推进行为的智能决策方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种液压支架群组跟机推进行为的智能决策方法，其包括如下步骤：
s1，对采煤过程的液压支架跟机动作进行时序规划，以确定液压支架群组跟机推进行为的动作时序可行集，将动作时序可行集作为上层决策空间，所述动作时序可行集中包含若干个可行的支架组合动作控制时序；
s2，根据工作面供液系统的供液能力确定供液流量的调节范围和调节精度作为下层决策空间，并通过pso算法在下层决策空间中确定动作时序可行集中的每个可行的支架组合动作控制时序对应的供液动力调控时序；
s3，根据每个可行的支架组合动作控制时序及每个可行的支架组合动作控制时序对应的供液动力调控时序，预测以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时液压支架群组的平均跟机速度，并预测以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时供液系统的压力状态评价分数；
s4，根据每个可行的支架组合动作控制时序对应的平均跟机速度和压力状态评价分数，计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的总体满意度；
s5，根据所有可行的支架组合动作控制时序对应的总体满意度确定液压支架群组跟机推进行为的支架组合动作控制时序和供液动力调控时序。
可选地，所述s3预测以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时液压支架群组的平均跟机速度，包括：当以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时，通过如下公式计算以该可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时液压支架群组的平均跟机速度vz：
其中，
公式(1)中，h为液压支架架间距；ny为任一个循环周期的支架同步跟机移架支护的数量，任一个循环周期是指以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组动作的时间；δtx-1,x为szx-1与szx的间隔时间，其可取值为0；tx为szx的执行时间；szx为第x个支架组合动作；m为任一个可行的支架组合动作控制时序中支架组合动作的数量；支架组合动作szx中包含阶段ⅰ同步执行的ni个支架动作si和阶段ⅱ同步执行的nj个支架动作sj，ni个si与nj个sj的时间关系为同时开始，不同时结束；
公式(2)中，qx为szx的供液流量，
公式(3)中，pe为蓄能器的额定压力；ve为蓄能器的额定体积；e为乳化液的实际弹性模量；v为从泵与液压缸联接管道容纳的乳化液的容积；f为液压缸活塞运动所需克服得外在负载力；θ为背压与动作速度的比例系数；pl为加载压力设定值；pu为卸载压力设定值；a为液压缸进液腔作用面积，b为液压缸出液腔作用面积，两者根据液压支架组合动作类型得到；
公式(4)中，si和sj分别为szx中阶段i和阶段ⅱ的同步执行的支架动作；ai和aj分别为si和sj的液压缸进液作用面积；li和lj分别为si和sj的液压缸活塞移动距离，即动作行程；ni和nj分别为任一个可行的支架组合动作控制时序中支架同步动作si和支架动作sj的数量；kx为sgx变频调控流量变化率；sgx为以qx为目标流量的供液系统调控动作，与szx配套；
公式(8)中，[]指取括号内数值的整数部分；qe为供液系统的单台乳化液泵额定供液流量。
可选地，所述s3预测以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时供液系统的压力状态评价分数，包括：当以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时，通过如下公式计算以该可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时供液系统的压力状态评价分数pz：
zx＝mx*εx＝(zxa,zxb,zxc)(12)
εx＝(εx(ⅰ),εx(ⅱ))(17)
公式(11)中，m为任一个可行的支架组合动作控制时序中支架组合动作的数量；sc＝(sca,scb,scc)，sca、scb、scc分别为压力不足、稳压状态、压力波动的级分，取值[-100100]；
公式(12)中，szx为第x个支架组合动作；mx为szx压力状态的2×3模糊评判矩阵；εx为szx的因素权向量；*表示矩阵乘法；zxa、zxb、zxc分别为压力不足、稳压状态、压力波动三种辨识类型的模糊综合指标，取值[01]且满足∑＝1；
公式(13)中，支架组合动作szx中包含阶段ⅰ同步执行的ni个支架动作si和阶段ⅱ同步执行的nj个支架动作sj，ni个si与nj个sj的时间关系为同时开始，不同时结束；μxa(ⅰ)为szx的阶段ⅰ压力不足状态隶属度，μxa(ⅱ)为szx的阶段ⅱ压力不足状态隶属度；μxb(ⅰ)为szx的阶段ⅰ稳压状态隶属度，μxb(ⅱ)为szx的阶段ⅱ稳压状态隶属度；μxc(ⅰ)为szx的阶段ⅰ压力波动状态隶属度，μxc(ⅱ)为szx的阶段ⅱ压力波动状态隶属度；
公式(14)至(16)中，q(1)-q(4)为压力状态辨识界限值，根据对应的稳压供液流量和实际经验取值，不同组合动作的不同阶段取值均不同；
公式(17)中，εx(ⅰ)、εx(ⅱ)分别为阶段ⅰ、ⅱ的权重因子，取值[01]且满足∑＝1；ni个si和nj个sj相交时段为阶段ⅰ，nj个sj完成剩余动作时段为阶段ⅱ。
可选地，所述s4根据每个可行的支架组合动作控制时序对应的平均跟机速度和压力状态评价分数，计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的总体满意度，包括：
s41，计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数；
s42，计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的压力状态评价分数望大特性满意度函数；
s43，根据以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数和压力状态评价分数望大特性满意度函数，计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的总体满意度。
可选地，所述s41在计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数时，对于以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数，通过如下公式来实现：
公式(18)中，vc为一个循环周期的采煤机平均速度，其为vz的目标，vz越接近vc，dv越接近1；uv、lv分别表示支架跟机速度的上、下限规格，由支架跟随采煤机速度匹配限制决定；e1、e2分别反映下、上接近目标程度，0<e<1相比e>1，更快接近目标，取值应充分考虑支架跟机速度应尽可能上接近采煤机速度；
所述s42在计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的压力状态评价分数望大特性满意度函数时，对于以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数，通过如下公式来实现：
公式(19)中，pz越大，dp越接近1；up、lp分别表示压力状态评价分数的上、下限规格，取值主要考虑压力波动和稳压状态期望界限。
可选地，所述s43在根据以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数和压力状态评价分数望大特性满意度函数，计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的总体满意度时，对于以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的总体满意度，通过如下公式来实现：
公式(20)中，ω1、ω2分别为速度和压力响应指标的权重因子，取值[01]且满足∑＝1。
本发明的有益效果是：
本发明基于液压支架群组动作过程的动作类型和动作速度等因素，结合液压支架动作过程中受供液动力的影响，构建了支架群组动作排序和供液动力响应调控协同的双层决策模型，通过该模型确定与液压支架的根据动作最相适配的供液动力，确保液压支架群组的动作与供液协同进行，使得液压支架群组的跟机适应能力好。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明提供的智能决策模型的示意图。
图3是供液动力对支架动作的作用机理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。
支架行为的运动变量是支架动作类型和动作速度，动作类型排序决定支架动作时序，动作速度受到供液动力影响，两个变量的决策原理可归结为支架群组动作排序和供液动力响应调控协同的双层规划问题。基于此，本发明实施例提供的智能决策方法的思路为：以支架适应采煤机速度(适速)、动作精确压力稳定(精稳)为多决策目标，对任意可行的支架组合动作控制时序逐个进行供液动力调控策略规划，进而搜寻全局最优的供液动力与支架动作协同控制序，构建了图2所示的基于双层规划的液压支架群组跟机推进行为的智能决策模型。该智能决策模型的运行机制为：以一次支架跟机循环动作周期为时间单位，以动作周期内采煤机速度期望值和液压系统压力稳定为决策目标，进行一次决策运行；以液压支架群组推进行为的动作时序可行集作为上层决策空间，以多泵+变频供液系统动力调控能力为下层决策空间，上下层形成递阶结构，以支架动作类型序列和供液流量序列为决策变量，决策得出供液动力与支架动作协同全局最优控制序。
具体地，如图1和图2所示，本发明实施例提供的液压支架群组跟机推进行为的智能决策方法，包括如下步骤：
s1，对采煤过程的液压支架跟机动作进行时序规划，以确定液压支架群组跟机推进行为的动作时序可行集，将动作时序可行集作为上层决策空间，所述动作时序可行集中包含若干个可行的支架组合动作控制时序。
通过对采煤过程的液压支架跟机动作进行时序规划，可以确定液压支架群组跟机推进行为的动作时序可行集，该动作时序可行集中包含了若干个可行的支架组合动作控制时序，即动作时序可行集中的任何一个元素既满足支架之间的时间关系约束，又满足时间宽度约束等约束条件。
关于对采煤过程的液压支架跟机动作进行时序规划来确定液压支架群组跟机推进行为的动作时序可行集的具体实现方式，可以参见专利201911235265.9中的相关内容，此处对该部分内容不再进行详细描述。
支架群组推进行为的动作时序可行集包含若干可行的支架组合动作控制时序，支架组合动作控制时序是指按时间前后排列的若干支架组合动作序列，支架组合动作是指具有相交时间关系的若干支架动作，包含不同类型动作相交执行、相同类型动作同步执行等。本发明实施例后续采用穷举法，将每个可行的支架组合动作控制时序作为下层规划的输入参数。每个支架组合动作控制时序涉及的参数包含间隔时间、动作行程、动作数量、动作类型及各动作组合时间关系等。
s2，根据工作面供液系统的供液能力确定供液流量的调节范围和调节精度作为下层决策空间，并通过pso算法在下层决策空间中确定动作时序可行集中的每个可行的支架组合动作控制时序对应的供液动力调控时序。
下层决策空间为供液动力调控时序的可选范围，工作面供液系统采用多泵+变频驱动方式，本发明实施例根据泵组数量和变频参数等配置所决定的供液能力，设定供液流量的调节范围和调节精度(变化步长)，作为供液动力调控时序的决策空间。供液动力调控时序是指某一可行的支架组合动作控制时序对应的供液动力调控时序(两者时间关系为交叠协同关系)，包含若干以某供液流量为目标的供液动力调控动作，每个调控动作包含供液流量(决策变量)、卸载压力设定值和加载压力设定值等参数。具体在确定每个可行的支架组合动作控制时序对应的供液动力调控时序时，本发明实施例采用粒子群优化(pso)算法，寻优求解适配任一可行的支架组合动作控制时序对应的最优供液动力调控时序。
其中，供液与支架交叠协同逻辑是指：定义具有相交时间关系的若干动作为一套支架组合动作，其包含不同类型动作相交执行、相同类型动作同步执行等。设任意一个可行的支架组合动作控制时序中共有m组支架组合动作，第x个支架组合动作记为szx。供液流量调控与支架组合动作设计为交叠协同逻辑，sgx为支架组合动作szx的适配供液流量调控动作，两者时间关系为交叠，qx为szx的适配供液流量。
s3，根据每个可行的支架组合动作控制时序及每个可行的支架组合动作控制时序对应的供液动力调控时序，预测以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时液压支架群组的平均跟机速度，并预测以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时供液系统的压力状态评价分数。
其中，所述s3预测以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时液压支架群组的平均跟机速度，包括：当以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时，通过如下公式计算以该可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时液压支架群组的平均跟机速度vz：
其中，
公式(1)中，h为液压支架架间距；ny为任一个循环周期的支架同步跟机移架支护的数量，任一个循环周期是指以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组动作的时间；δtx-1,x为szx-1与szx的间隔时间，其可取值为0；tx为szx的执行时间；szx为第x个支架组合动作；m为任一个可行的支架组合动作控制时序中支架组合动作的数量；支架组合动作szx中包含阶段ⅰ同步执行的ni个支架动作si和阶段ⅱ同步执行的nj个支架动作sj，ni个si与nj个sj的时间关系为同时开始，不同时结束；公式(2)中，qx为szx的供液流量，
根据供液动力对支架动作的作用机理，支架组合动作的液压过程的2个线程、3个工况和2个阶段如图3所示。图3中的(a)图为线程α，图3中的(a)图为线程β。图3中的(a)图和(b)图中，工况1至工况3中上部曲线表征供液流量变化，下部曲线表征液压系统压力变化，tx(ⅰ)为阶段ⅰ执行时间，tx(ⅱ)为阶段ⅱ执行时间。当tx(ⅰ)≥(tx-1,x-δtx-1,x)时为α线程，tx(ⅰ)＜(tx-1,x-δtx-1,x)时为β线程，ti,i+1指供液流量调控时间；当qx≤q*ij≤q*j时为工况1，q*j≤qx≤q*ij时为工况2，q*j≤q*ij≤qx时为工况3；ni个si和nj个sj相交时段为阶段ⅰ，nj个sj完成剩余动作时段为阶段ⅱ。
进一步地，基于稳压供液原理并结合图3可知，供液流量大小决定了支架某种动作类型执行时的压力状态，稳压流量使压力限定范围内变化，支架动作快速稳定；流量过小引起压力不足，可能造成液压缸推动力不足，无法克服负载；流量过大引起压力波动，造成动作不精准、能量浪费、机械故障隐患等。因此，将支架动作过程压力状态分为三种辨识类型：压力不足、稳压状态、压力波动，考虑到三者差异的中间过渡“分明不绝对性”，本发明实施例采用模糊数学方法辨识压力状态。
在此基础上，所述s3预测以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时供液系统的压力状态评价分数，包括：当以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时，通过如下公式计算以该可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时供液系统的压力状态评价分数pz：
zx＝mx*εx＝(zxa,zxb,zxc)(12)
εx＝(εx(ⅰ),εx(ⅱ))(17)
公式(11)中，m为任一个可行的支架组合动作控制时序中支架组合动作的数量；sc＝(sca,scb,scc)，sca、scb、scc分别为压力不足、稳压状态、压力波动的级分，取值[-100100]，考虑到支架动作应满足推动力，尽量减少波动，以稳压状态为目标，因此sca可取值为-20，scb取值100，scc取值-10；公式(12)中，szx为第x个支架组合动作；mx为szx压力状态的2×3模糊评判矩阵；εx为szx的因素权向量；*表示矩阵乘法；zxa、zxb、zxc分别为压力不足、稳压状态、压力波动三种辨识类型的模糊综合指标，取值[01]且满足∑＝1；公式(13)中，μxa(ⅰ)为szx的阶段ⅰ压力不足状态隶属度，μxa(ⅱ)为szx的阶段ⅱ压力不足状态隶属度；μxb(ⅰ)为szx的阶段ⅰ稳压状态隶属度，μxb(ⅱ)为szx的阶段ⅱ稳压状态隶属度；μxc(ⅰ)为szx的阶段ⅰ压力波动状态隶属度，μxc(ⅱ)为szx的阶段ⅱ压力波动状态隶属度；公式(14)至公式(16)中，q(1)-q(4)为压力状态辨识界限值，根据对应的稳压供液流量和实际经验取值，不同组合动作的不同阶段取值均不同。公式(17)中，εx(ⅰ)、εx(ⅱ)分别为阶段ⅰ、ⅱ的权重因子，取值[01]且满足∑＝1，根据重要性、精确度要求、现场经验等设定支架组合动作各阶段的权重因子确定szx的因素权向量εx，公式(17)同样适用于支架同种类型同步动作，只需该类型动作权重因子取值1即可；ni个si和nj个sj相交时段为阶段ⅰ，nj个sj完成剩余动作时段为阶段ⅱ。
s4，根据每个可行的支架组合动作控制时序对应的平均跟机速度和压力状态评价分数，计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的总体满意度。
根据支架跟机适速、精稳多决策目标，满意度函数法(dfa)将多目标问题转化成单目标问题。通过上述模块处理得到支架跟机速度和压力状态评价分数两项量化指标，分别赋予望目特性(采煤机速度为目标)和望大特性(稳压状态为目标)，生成满意度函数，具体在计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的总体满意度时，通过如下步骤来实现：
s41，计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数。
其中，所述s41在计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数时，对于以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数，通过如下公式来实现：
公式(18)中，vc为一个循环周期的采煤机平均速度，其为vz的目标，vz越接近vc，dv越接近1；uv、lv分别表示支架跟机速度的上、下限规格，由支架跟随采煤机速度匹配限制决定；e1、e2分别反映下、上接近目标程度，0<e<1相比e>1，更快接近目标，取值应充分考虑支架跟机速度应尽可能上接近采煤机速度。
s42，计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的压力状态评价分数望大特性满意度函数。
其中，所述s42在计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的压力状态评价分数望大特性满意度函数时，对于以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数，通过如下公式来实现：
公式(19)中，pz越大，dp越接近1；up、lp分别表示压力状态评价分数的上、下限规格，取值主要考虑压力波动和稳压状态期望界限。
s43，根据以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数和压力状态评价分数望大特性满意度函数，计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的总体满意度。
其中，所述s43在根据以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的支架跟机速度望目特性满意度函数和压力状态评价分数望大特性满意度函数，计算以每个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的总体满意度时，对于以任一个可行的支架组合动作控制时序控制液压支架群组时的总体满意度，通过如下公式来实现：
公式(20)中，ω1、ω2分别为速度和压力响应指标的权重因子，取值[01]且满足∑＝1。
s5，根据所有可行的支架组合动作控制时序对应的总体满意度确定液压支架群组跟机推进行为的支架组合动作控制时序和供液动力调控时序。
具体地，基于上述总体满意度的计算公式，选取总体满意度最小的可行的支架组合动作控制时序作为液压支架群组跟机推进行为的支架组合动作控制时序；选取使总体满意度最小的可行的支架组合动作控制时序的供液动力调控时序中，采用pso算法获得的供液动力调控时序为最终的供液动力调控时序。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
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