具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例子对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供了一种煤矿工作面顶板状况智能感知系统，其通过将双轴加速度传感器1设置在液压支架的底座2、顶梁3和掩护梁4上布设，实时监测液压支架的位资变化；将压力传感器5设置在平衡千斤顶6和立柱7上布置，实测其平衡千斤顶6和立柱7内部的乳化液压力；基于双轴加速度传感器1和压力传感器5的监测数据，结合液压支架的固有结构参数，获得工作面的顶板下沉量、下沉速度及工作面采高分布等信息；通过对相应割煤循环不同支架压力数据进行拟合，并对拟合函数进行分类，感知顶板控顶效果；通过实测支架的位姿与压力分布，返演顶板的架前冒顶或架后悬顶区域分布；通过对支架位姿及安全阀开启数量和范围进行分析，返演顶板断裂或切顶状况。该系通实现了工作面顶板状况如冒顶、切顶、悬顶以及周期来压的综合智能感知。下面结合附图，通过一个实施例对本发明方案进行详细说明。

实施例一

本实施例公开了一种煤矿工作面顶板状况智能感知系统，如图1、2所示，液压支架包括：底座2、四连杆机构、顶梁3、掩护梁4、平衡千斤顶6和立柱7，其中，四连杆机构包括前连杆8和后连杆9。该立柱7、前连杆8、后连杆9的一端均铰接在底座2上，且立柱7设置在底座2的前端，前连杆8设置在底座2的中部，后连杆9设置在底座2的后部。前连杆8和后连杆9的另一端均与掩护梁4的一端铰接，掩护梁4的另一端与顶梁3铰接，且顶梁3和掩护梁4之间设置有平衡千斤顶6，即平衡千斤顶6一端设置在掩护梁4中部，另一端设置在顶梁3尾部。立柱7的另一端设置在顶梁3的中部，且与顶梁3铰接。底座2、顶梁3和立柱7作为液压支架的主要承载机构，承受上覆岩层的载荷。四连杆机构作为液压支架的平衡机构通过掩护梁4均衡顶梁3受力，立柱7的伸缩、平衡千斤顶6的伸缩与四连杆机构的回转运动一同控制支架的位姿。

煤矿工作面顶板状况智能感知系统包括：若干个双轴加速度传感器1、若干压力传感器5、若干个感知分站10和主控模块11；

若干个双轴加速度传感器1分别设置于液压支架的底座2、顶梁3和掩护梁4上，用于监测底座2、顶梁3和掩护梁4的角度变化，本实施例中，双轴加速度传感器1通过数据线与感知分站10连接，但也可以通过其他方式，如wifi或蓝牙等方式进行数据传输；

若干压力传感器5分别设置于液压支架的立柱7和平衡千斤顶上，用于监测立柱7和平衡千斤顶中液体压力变化；

若干个感知分站10分别安装在各个液压支架上，用于接收双轴加速度传感器1和压力传感器5的数据，并对各个液压支架的对应的工作面顶板状况进行感知，感知分站10通过有线或无线的方式与主控模块11进行数据传输；

主控模块11布置在顺槽内，其与各感知分站10连接，用于感知整个工作面顶板的状况。主控模块11包括输入子模块，存储子模块，处理子模块和显示子模块；

输入子模块，用于输入各液压支架的结构参数和坐标原点；液压支架的结构参数包括顶梁3、掩护梁4、平衡千斤顶6、立柱7、前连杆8和后连杆9的铰接位置坐标。

存储子模块，用于存储输入子模块及各传感器监测的数据；

处理子模块，用于根据各液压支架的感知数据，对煤矿工作面顶板的整体分布进行计算和处理；其根据液压支架结构参数和实测倾角、压力数据进行运算处理，得到全工作面液压支架的活柱伸缩量、采高、顶板下沉量、顶板压力及合力作用位置信息，以及支架在各种工况下的不良位姿和不合格压力分布数据；其能够通过大数据分析和深度学习等方式实现工作面顶板下沉量及顶板压力区域分布特征提取，建立顶板压力或下沉量与支架工况的关系，建立顶板压力与回采作业的关系，形成能够量化的指标。

显示子模块，用于显示计算和处理获得的结果，能够显示全工作面支架活柱伸缩量、采高、顶板下沉量、顶板压力及合力作用位置的二维云图或三维立体图形，并将液压支架各种工况下的不良位姿和不合格压力以列表的形式呈现。

感知分站10接收各个双轴加速度传感器1的数据，获得液压支架的底座2、顶梁3和掩护梁4的倾角，结合三角运算获得液压支架的立柱7的长度值，通过将长度值与底座2和顶梁3的厚度相加获得工作面采高；采集一段时间内工作面采高的变化值获得顶板的下沉速度。

其具体方法，如图3所示，包括以下步骤：首先以液压支架的底座2和立柱7的铰接位置O点为坐标原点，其坐标为O(x_O，y_O)；通过底座2倾角α，结合液压支架的结构参数，获得液压支架的前连杆8、液压支架的后连杆9与底座2铰接位置坐标，其中，前连杆8与底座2铰接位置为A点，其坐标为A(x_A，y_A)，后连杆9与底座2铰接位置B点，其坐标为B(x_B，y_B)；通过掩护梁4倾角β，结合液压支架的前连杆8、液压支架的后连杆9与掩护梁4铰接位置坐标，获得液压支架的前连杆8、液压支架的后连杆9与掩护梁4的铰接位置C、D点以及顶梁3和掩护梁4的铰接位置E的坐标，前连杆8与掩护梁4铰接位置为D点，其坐标为D(x_D，y_D)，后连杆9与掩护梁4铰接位置C点，其坐标为C(x_C，y_C)；E点的坐标为E(x_E，y_E)，同时，获得前连杆8和后连杆9的倾角值。根据顶梁3倾角θ，结合掩护梁4和顶梁3的铰接位置坐标E(x_E，y_E)获得立柱7和顶梁3铰接位置F点的坐标，其坐标为F(x_F，y_F)，同时获得立柱7与顶梁3的夹角通过掩护梁4倾角β、顶梁3倾角θ与顶梁3和掩护梁4的铰接位置坐标E(x_E，y_E)获得平衡千斤顶6分别与掩护梁4的铰接位置坐标H(x_H，y_H)和顶梁3的铰接位置坐标G(x_G，y_G)，以及平衡千斤顶6与顶梁3的夹角δ，将立柱7和顶梁3铰接位置坐标F(x_F，y_F)与原点坐标O(x_O，y_O)相减获得工作面采高。将工作面采高与正常工况下立柱7高度值相减得到一段时间内的活柱下缩量。

感知分站10接收各个压力传感器5的数据，以支架顶梁3为分离体，以顶梁3和掩护梁4铰接点E(x_E，y_E)为中心，建立力矩平衡模型，此时，顶梁3受到顶板压力P₁，立柱7施加的压力P₂和平衡千斤顶6施加的压力P₃，立柱7和平衡千斤顶6的压力，即P₂和P₃通过压力传感器5获得，结合上述由双轴加速度传感器1获得的液压支架的位姿信息，计算工作面顶板对支架顶梁3的压力及顶梁3受到的合力作用位置坐标N(x_N，y_N)。

若干个感知分站10对各个工作面顶板状况进行感知的方法为：将一个割煤循环内各液压支架的压力传感器5的数据分别进行拟合，获得相应的拟合函数，然后将每个液压支架的拟合函数进行加权或均化处理，获得包含所有液压支架的单一拟合函数，将拟合函数分类，并根据函数类别对工作面顶板状况进行表征。

函数分类的类别包括但不限于：对数函数、线性函数或指数函数。

根据函数类别对工作面顶板状况进行表征的方法有两种：

方法一：根据函数类别进行关键系数或特征值提取，根据关键系数或特征值将工作面顶板的不同状况分为若干区间，若实测的关键系数或特征值落入某一区间，则判断工作面顶板处于对应的状况。如根据支架顶梁3低头幅度和立柱7压力低于阈值的幅度，判定该区域的顶板破碎度指标，判定顶板是否出现冒顶或漏顶区域。根据支架仰头或立柱7压力高于阈值的幅度，计算得出合理作用点位置，将其作为判定悬顶区域的指标。则可以计算出冒顶或漏顶区域、正常区域和悬顶区域。

方法二：根据函数类别进行关键系数或特征值提取，对关键系数或特征值设置阈值，若实测关键系数或特征值超过阈值，则判断其处于对应的工作面顶板状况。如将每个循环支架的压力数据进行拟合，获得包含所有支架子函数的母函数，设置顶板下沉量的阈值，若其母函数为指数函数并且顶板下沉量超过预设阈值，则认为顶板处于来压状态。

或者可以将上述两种方法结合，如根据顶梁3受力情况，拟合压力传感器5数据，获得母函数，并根据顶板稳定状态对其关键系数或特征值设定变化区间，同时设置顶板下沉速度和下沉量以及支架立柱7压力的阈值，若母函数的关键系数或特征值处于上述区间范围，并且顶板下沉速度和下沉量以及支架立柱7压力超过预设阈值，则认为顶板发生了架前断裂或切顶压价事故。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。