基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法.pdf

本发明公开了一种基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，包括步骤：一、滑窗窗口宽度设定，对滑窗的窗口宽度进行设定；二、煤层初步开采及滚筒截割姿态数据记录；三、煤层后续开采及调高轨迹预测：采用采煤机且沿工作面推进方向由后向前对待开采煤层继续进行开采；每一个工作面开采之前，均先对该工作面的采煤机调高轨迹进行预测；对任一个工作面的采煤机调高轨迹进行预测时，过程如下：301、滑窗内数据序列获取；302、滚筒高度初步预测；303、滚筒高度初步预测结果修正；304、调高轨迹获取。本发明方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，基于滑窗与灰色马尔可夫链进行调高轨迹预测，预测精度高。

1.一种基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其特征在于，该方法
包括以下步骤：
步骤一、滑窗窗口宽度设定：通过与数据处理设备(2)连接的参数输入单元，对滑窗的
窗口宽度n进行设定；其中，n表示所述滑窗内所包括采煤机调高数据组的数量，n为正整数
且n＝6～8；
每个所述采煤机调高数据组均为采用采煤机(1)对待开采煤层的一个工作面进行开采
过程中的采煤机调高数据组，每个所述采煤机调高数据组均包括对所述待开采煤层进行一
刀割煤过程中m个截割位置处的滚筒截割姿态数据，其中m为正整数且m≥5；m个所述截割位
置沿工作面长度方向由前至后进行排列；每个截割位置处的滚筒截割姿态数据均为该截割
位置处采煤机(1)的截割滚筒(1-1)的三维坐标数据，所述截割滚筒(1-1)的三维坐标数据
中Z轴坐标数据为滚筒高度数据；
步骤二、煤层初步开采及滚筒截割姿态数据记录：采用采煤机(1)且沿工作面推进方向
由后向前对所述待开采煤层进行开采，并完成所述待开采煤层的前n个工作面的开采过程；
采用采煤机(1)对任一个所述工作面进行割煤过程中，均采用数据处理设备(2)对m个
截割位置处的滚筒截割姿态数据进行记录，获得该工作面开采过程中的所述采煤机调高数
据组，并采用数据处理设备(2)将该工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组同步存储
至预先建立的采煤机调高数据库内；所述采煤机调高数据库内按照开采先后顺序由前至后
存储有所述待开采煤层中当前已完成开采的所有工作面开采过程中的所述采煤机调高数
据组；
步骤三、煤层后续开采及调高轨迹预测：采用采煤机(1)且沿工作面推进方向由后向前
对所述待开采煤层继续进行开采；
每一个所述工作面开采之前，均先对该工作面的采煤机调高轨迹进行预测，过程如下：
步骤301、滑窗内数据序列获取：采用数据处理设备(2)从所述采煤机调高数据库内获
取当前工作面后侧的n个工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组；所获取的n个所述采
煤机调高数据组中的所述滚筒高度数据组成滑窗内数据序列，每个所述采煤机调高数据组
中的所述滚筒高度数据均组成一个滚筒高度数据组；所述滑窗内数据序列中的n个所述滚
筒高度数据组按照开采先后顺序由前至后排列，每个所述滚筒高度数据组中均包括m个截
割位置处的所述滚筒高度数据；
所述滑窗内数据序列记作X⁽⁰⁾；X⁽⁰⁾＝(x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3),...,x⁽⁰⁾(n))，其中x⁽⁰⁾
(k)为所述滑窗内数据序列中的第k个所述滚筒高度数据组，其中k为正整数且k＝1、2、
3、…、n；x⁽⁰⁾(k)中的第h个所述滚筒高度数据记作x⁽⁰⁾(k,h)，其中h为正整数且h＝1、2、
3、…、m；
步骤302、滚筒高度初步预测：采用数据处理设备(2)且调用灰色预测模型构建模块，对
步骤301中所获取的所述滑窗内数据序列进行处理，建立灰色预测模型；再根据所建立的所
述灰色预测模型，采用数据处理设备(2)处理得出所述待开采煤层的n+1个所述工作面开采
过程中的滚筒高度初步预测结果；
其中，第k'个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果记作k'为正整数
且k'＝1、2、3、…、n、n+1；中包括m个滚筒高度初步预测值；
所得出的前n个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果组成滑窗内预测数据
序列，所述滑窗内预测数据序列中的n个所述滚筒高度初步预测结果按照开采先后顺序由
前至后排列；所述滑窗内预测数据序列记作
中的第k个所述滚筒高度初步预测结果记作中的第h个所述滚筒高度初步预
测值记作
第n+1个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果记作为
采用采煤机(1)对当前工作面进行开采过程中的所述滚筒高度初步预测结果；中
的第h个所述滚筒高度初步预测值记作
步骤303、滚筒高度初步预测结果修正，过程如下：
步骤3031、建立预测残差的马尔可夫链：采用数据处理设备(2)且调用差值运算模块，
对步骤301中所述滑窗内数据序列与步骤302中所述滑窗内预测数据序列进行差值运算，得
出预测残差的马尔可夫链；
所述预测残差的马尔可夫链，记作为所述预测残差的马尔
可夫链中的第k组预测残差，中包括m个截割位置处的预测残差，中第h个截割位置
处的预测残差记作
步骤3032、马尔可夫预测：采用数据处理设备(2)且调用马尔科夫预测算法模块对步骤
3031中所述预测残差的马尔可夫链进行处理，预测出所述预测残差的马尔可夫链中的第n+
1组预测残差
中包括m个截割位置处的预测残差，中第h个截割位置处的预测残差记作

步骤3033、滚筒高度预测数据组计算：根据步骤302中所述的和步骤3032中所
述的采用数据处理设备(2)计算得出当前工作面开采过程中的滚筒高度预测数据
组
中包括当前工作面开采过程中m个截割位置处的滚筒高度预测值，中
第h个截割位置处的滚筒高度预测值记作
步骤3034、采煤机调高数据组获取：根据步骤3033中所述的当前工作面开采过程中的
滚筒高度预测数据组并结合当前工作面开采过程中m个截割位置处截割滚筒(1-
1)的平面位置信息，采用数据处理设备(2)得出当前工作面开采过程中的所述采煤机调高
数据组，所得出的所述采煤机调高数据组中包括当前工作面开采过程中m个截割位置处的
滚筒截割姿态数据；每个截割位置处的滚筒截割姿态预测数据均为预测出的该截割位置处
的滚筒截割姿态数据；
步骤304、调高轨迹获取：所述数据处理设备(2)根据步骤3034中得出的当前工作面开
采过程中的所述采煤机调高数据组，获得当前工作面的采煤机调高轨迹；
步骤三中采用采煤机(1)对任一个所述工作面进行割煤过程中，均采用数据处理设备
(2)对m个截割位置处的滚筒截割姿态数据进行记录，获得该工作面开采过程中的所述采煤
机调高数据组，并采用数据处理设备(2)将该工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组
同步存储至预先建立的采煤机调高数据库内。
2.按照权利要求1所述的基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其
特征在于：步骤301中所述当前工作面后侧的n个工作面为所述待开采煤层中n个连续布设
的工作面，n个所述工作面中位于最前侧的工作面为与所述当前工作面相邻的前一个所述
工作面。
3.按照权利要求1或2所述的基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，
其特征在于：步骤3034中得出当前工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组后，再采用
数据处理设备(2)将得出的所述采煤机调高数据组存储至所述采煤机调高数据库内。
4.按照权利要求1或2所述的基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，
其特征在于：步骤3034中得出当前工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组后，根据所
得出的所述采煤机调高数据组，采用采煤机(1)对所述待开采煤层的当前工作面进行开采；
采用采煤机(1)对当前工作面进行割煤过程中，采用数据处理设备(2)对m个截割位置
处的滚筒截割姿态数据进行记录，所记录的m个截割位置处的滚筒截割姿态数据组成当前
工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组，并采用数据处理设备(2)将此时获得的当前
工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组同步存储至预先建立的采煤机调高数据库内。
5.按照权利要求1或2所述的基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，
其特征在于：步骤304中进行调高轨迹获取时，根据步骤3034中得出的当前工作面开采过程
中的所述采煤机调高数据组，采用数据处理设备(2)且调用曲线拟合模块拟合出当前工作
面开采过程中的采煤机调高轨迹。
6.按照权利要求1或2所述的基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，
其特征在于：步骤一、步骤二和步骤三中所述截割位置均为截割高度采集位置；
所述待开采煤层的任一个所述工作面开采过程中的m个所述截割高度采集位置分别位
于该工作面的相邻已开采工作面开采过程中m个所述截割高度采集位置的正前方，该工作
面的相邻已开采工作面为位于该工作面后侧且与该工作面相邻的工作面；
步骤三中当前工作面开采过程中的m个所述截割高度采集位置分别位于当前工作面的
相邻已开采工作面开采过程中m个所述截割高度采集位置的正前方，当前工作面的相邻已
开采工作面为位于当前工作面后侧且与当前工作面相邻的工作面。
7.按照权利要求1或2所述的基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，
其特征在于：步骤一、步骤二和步骤三中所述截割位置均为截割高度采集位置；
步骤一中进行滑窗窗口宽度设定之前，先以所述待开采煤层的工作面长度方向为X轴、
所述待开采煤层的工作面推进方向为Y轴且以竖直方向为Z轴建立三维空间直角坐标系；
每个所述采煤机调高数据组中m个所述滚筒截割姿态数据的Y轴坐标数据均相同；
所述采煤机调高数据库内的所有采煤机调高数据组中第k个所述滚筒截割姿态数据的
X轴坐标数据均相同。
8.按照权利要求1或2所述的基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，
其特征在于：步骤一、步骤二和步骤三中m个所述截割位置均按照工作面长度方向由后向前
进行布设；
步骤302中所述灰色预测模型为无偏灰色预测模型；
步骤302中进行灰色预测模型建立之前，先根据步骤301中所述滑窗内数据序列，采用
数据处理设备(2)获取m个所述截割位置的截割高度数据序列；每个所述截割位置的截割高
度数据序列均包括n个所述滚筒高度数据，n个所述滚筒高度数据按照开采先后顺序由前至
后进行排列；
其中，m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度数据序列记作
由所述滑窗内数据序列中n个所述滚筒高度数据组的第h个所述滚筒高度数据组成，

步骤302中处理得出的n+1个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果由m个所
述截割位置的截割高度初步预测结果组成；每个所述截割位置的截割高度初步预测结果均
包括n+1个所述滚筒高度初步预测值，n+1个所述滚筒高度初步预测值按照开采先后顺序由
前至后进行排列；
m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度初步预测结果记作

由m个所述截割位置的截割高度初步预测结果中第k'个所述滚筒高度初步预测
值组成；
步骤302中进行滚筒高度初步预测时，采用数据处理设备(2)对m个所述截割位置的截
割高度初步预测结果分别进行预测；m个所述截割位置的截割高度初步预测结果的预测方
法均相同；
对m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度初步预测结果进行预测时，先采
用数据处理设备(2)且调用灰色预测模型构建模块，对进行处理，并根据处理结果建
立无偏灰色预测模型，过程如下：
步骤3021、灰生成：调用灰生成算法模块，对进行灰生成，获得的生成数据
序列x⁽¹⁾(h)；
其中，x⁽¹⁾(h)＝(x⁽¹⁾(1,h),x⁽¹⁾(2,h),x⁽¹⁾(3,h),...,x⁽¹⁾(n,h))；所述生成数据序列x
⁽¹⁾(h)中包括n个生成数据，所述生成数据序列x⁽¹⁾(h)中的第k个所述生成数据记作x⁽¹⁾(k,
h)；
步骤3022、紧邻均值序列生成：调用紧邻均值序列生成模块，对步骤3021中所述生成数
据序列进行处理，生成所述生成数据序列的紧邻均值序列Z⁽¹⁾(h)；其中Z⁽¹⁾(h)
＝(z⁽¹⁾(2,h),z⁽¹⁾(3,h),...,z⁽¹⁾(n,h))；
所述紧邻均值序列Z⁽¹⁾中包括n-1个紧邻均值，所述紧邻均值序列Z⁽¹⁾中的第s-1个所述
紧邻均值记作z⁽¹⁾(s,h)，z⁽¹⁾(s,h)＝0.5x⁽¹⁾(s,h)+0.5x⁽¹⁾(s-1,h)；其中，x⁽¹⁾(s,h)为所述
生成数据序列x⁽¹⁾(h)中的第s个所述生成数据，x⁽¹⁾(s-1,h)为所述生成数据序列x⁽¹⁾(h)中
的第s-1个所述生成数据；其中，s为正整数且s＝2、3、…、n；
步骤3023、无偏灰色预测模型的二级参数求解：调用二级参数求解模块，对所建立无偏
灰色预测模型的四个二级参数C、D、E和F分别进行求解；
其中，x
⁽⁰⁾(s,h)为中的第s个所述滚筒高度数据；
步骤3024、无偏灰色预测模型的一级参数求解：根据步骤3023中求解出的所建立灰色
预测模型的四个二级参数C、D、E和F，调用一级参数求解模块，对所建立灰色预测模型的两
个一级参数a和b分别进行求解；
其中，
步骤3025、无偏灰色参数求解：根据步骤3024中求解出的所建立无偏灰色预测模型的
两个一级参数a和b，调用无偏灰色参数求解模块，对所建立灰色预测模型的两个无偏灰色
参数α和β分别进行求解；
其中，
步骤3026、无偏灰色预测模型建立：根据步骤3025中求解出的所建立无偏灰色预测模
型的两个无偏灰色参数α和β，调用无偏灰色预测模型建立模块，建立无偏灰色预测模型；所
建立的无偏灰色预测模型为：其中，x⁽⁰⁾(1,h)为
中的第1个所述滚筒高度数据，k″为正整数且k″≥1；
步骤3026中建立所述无偏灰色预测模型后，采用数据处理设备(2)且根据所建立的所
述无偏灰色预测模型，获得m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度初步预测结
果其中，中的第g个所述滚筒高度初步预测值
g为正整数且g＝1、2、3、…、n+1。
9.按照权利要求1或2所述的基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，
其特征在于：步骤3031中所述预测残差的马尔可夫链中包括m×h个所述预测残差；
步骤3032中采用数据处理设备(2)且调用马尔科夫预测算法模块对步骤3031中所述预
测残差的马尔可夫链进行处理时，过程如下：
步骤30321、状态划分：根据步骤3031中所述预测残差的马尔可夫链中的m×h个所述预
测残差，采用数据处理设备(2)对所述预测残差的状态进行划分，获得所述预测残差的J个
状态；所述预测残差的J个状态中的第j个状态记作状态j，其中J为正整数且J≥3，j为正整
数且j＝1、…、J；
步骤30322、一步转移概率矩阵计算：根据步骤3031中所述预测残差的马尔可夫链中m
×h个所述预测残差，采用数据处理设备(2)且调用一步转移概率矩阵模块，计算得出所述
预测残差的一步转移概率矩阵；
所述一步转移概率矩阵为J阶方阵，所述一步转移概率矩阵中的第i行第j数据记作P_ij，
其中P_ij为所述预测残差由状态i转移至状态j的转移概率；i为正整数且i＝1、…、J；
步骤30323、马尔可夫预测：采用数据处理设备(2)对第n+1组预测残差中m个截
割位置处的预测残差分别进行预测，第n+1组预测残差中m个截割位置处预测残差的
预测方法均相同；
其中，对中第h个截割位置处的预测残差进行预测时，包括以下步骤：
步骤A1、根据步骤一中所述预测残差的马尔可夫链，获得第n组预测残差中第h个截
割位置处的预测残差
步骤A2、根据步骤30321中所述预测残差的J个状态划分结果，对步骤A1中所述预测残
差的状态进行判断，得出所述预测残差的状态；
所述预测残差的状态记作状态i'，其中i'为正整数且i'＝1、…、J；
步骤A3、根据步骤A2中判断得出的所述预测残差的状态i'，并结合步骤30322中
所述一步转移概率矩阵，得出所述预测残差的最大转移概率；
所述预测残差的最大转移概率记作P_i'j'，P_i'j'为所述一步转移概率矩阵中的第
i'行第j'列数据，其中j'为正整数且j'＝1、2、…、J；
步骤A4、根据步骤A3中得出的所述预测残差的最大转移概率P_i'j'，得出所述预测
残差的状态；
所述预测残差的状态为状态j'；
步骤A5、根据步骤A4中得出的所述预测残差的状态j'，并结合步骤30321中所
述预测残差的J个状态划分结果，得出所述预测残差
10.按照权利要求9所述的基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其
特征在于：步骤30321进行状态划分时，先找出m×h个所述预测残差中的最大值和最小值，
所找出的最大值为预测残差最大值且其记作所找出的最小值为预测残差最大值且其
记作再从区间中选取J-1个数值，所选取的J-1个数值组成状态划分端点
数据列，所述状态划分端点数据列中的J-1个数值按照数值从小到大的顺序由前至后进行
排列，所述状态划分端点数据列中的第j″个数值记作再利用所选取的J-1个数值将区间
划分为J个区间，划分好的J个区间为分别为所述预测残差的J个状态的状态区
间；其中，j″为正整数且j″＝1、2、…、J-1；
J个所述区间中的第j个区间为状态j的状态区间；状态j的状态区间的两个端点值分别
记作和且当j＝1时，当2≤j≤J时，当j＝
J时，当1≤j≤J-1时，
步骤30322中所述的其中m_j为m×h个所述预测残差中位于状态j的状态区间内
的所有预测残差的总数量，m_i为m×h个所述预测残差中位于状态i的状态区间内的所有预
测残差的总数量；
步骤A2中对步骤A1中所述预测残差的状态进行判断时，根据所述预测残差
所处的状态区间，对所述预测残差的状态进行判断；所述预测残差位于
状态i'的状态区间内；
步骤A3中所述预测残差的最大转移概率P_i'j'为所述一步转移概率矩阵的第i'行
数据中数值最大的数据；
步骤A5中所述预测残差其中和为状态j'的状态区
间的两个端点值，且

基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法

技术领域

本发明属于采煤机控制技术领域，尤其是涉及一种基于滑窗与灰色模型与马尔可
夫链模型的采煤机调高轨迹预测方法。

背景技术

采煤机是煤矿机械化开采的核心装备，其自动化程度决定了综采工作面的自动化
水平。为了实现综采工作面采煤机调高的自动化和智能化，确保准确识别煤岩，高效割煤，
需要对采煤机的截割轨迹进行预测，从而实现采煤机滚筒的自动调高和自适应截割。目前，
国内外采煤机自动调高一般采用记忆截割方法，该方法主要依赖于上一刀滚筒调高数据，
缺少下一刀煤层数据，很难适应煤层的起伏变化。为了提高采煤机滚筒调高的准确性，学者
们在采煤机滚筒轨迹预测方面进行了多方面的研究，取得了一定的成果，但算法的可靠性、
实时性和准确性还存在诸多不足，在工作面采煤机滚筒调高控制上显见成功应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于滑窗
与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其方法步骤简单、设计合理且实现简便、使
用效果好，基于滑窗与与灰色马尔可夫链进行调高轨迹预测，预测精度高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于滑窗与灰色马尔可夫
链的采煤机调高轨迹预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、滑窗窗口宽度设定：通过与数据处理设备连接的参数输入单元，对滑窗的
窗口宽度n进行设定；其中，n表示所述滑窗内所包括采煤机调高数据组的数量，n为正整数
且n＝6～8；

每个所述采煤机调高数据组均为采用采煤机对待开采煤层的一个工作面进行开
采过程中的采煤机调高数据组，每个所述采煤机调高数据组均包括对所述待开采煤层进行
一刀割煤过程中m个截割位置处的滚筒截割姿态数据，其中m为正整数且m≥5；m个所述截割
位置沿工作面长度方向由前至后进行排列；每个截割位置处的滚筒截割姿态数据均为该截
割位置处采煤机的截割滚筒的三维坐标数据，所述截割滚筒的三维坐标数据中Z轴坐标数
据为滚筒高度数据；

步骤二、煤层初步开采及滚筒截割姿态数据记录：采用采煤机且沿工作面推进方
向由后向前对所述待开采煤层进行开采，并完成所述待开采煤层的前n个工作面的开采过
程；

采用采煤机对任一个所述工作面进行割煤过程中，均采用数据处理设备对m个截
割位置处的滚筒截割姿态数据进行记录，获得该工作面开采过程中的所述采煤机调高数据
组，并采用数据处理设备将该工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组同步存储至预先
建立的采煤机调高数据库内；所述采煤机调高数据库内按照开采先后顺序由前至后存储有
所述待开采煤层中当前已完成开采的所有工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组；

步骤三、煤层后续开采及调高轨迹预测：采用采煤机且沿工作面推进方向由后向
前对所述待开采煤层继续进行开采；

每一个所述工作面开采之前，均先对该工作面的采煤机调高轨迹进行预测，过程
如下：

步骤301、滑窗内数据序列获取：采用数据处理设备从所述采煤机调高数据库内获
取当前工作面后侧的n个工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组；所获取的n个所述采
煤机调高数据组中的所述滚筒高度数据组成滑窗内数据序列，每个所述采煤机调高数据组
中的所述滚筒高度数据均组成一个滚筒高度数据组；所述滑窗内数据序列中的n个所述滚
筒高度数据组按照开采先后顺序由前至后排列，每个所述滚筒高度数据组中均包括m个截
割位置处的所述滚筒高度数据；

所述滑窗内数据序列记作X⁽⁰⁾；X⁽⁰⁾＝(x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3),...,x⁽⁰⁾(n))，其中
x⁽⁰⁾(k)为所述滑窗内数据序列中的第k个所述滚筒高度数据组，其中k为正整数且k＝1、2、
3、…、n；x⁽⁰⁾(k)中的第h个所述滚筒高度数据记作x⁽⁰⁾(k,h)，其中h为正整数且h＝1、2、
3、…、m；

步骤302、滚筒高度初步预测：采用数据处理设备且调用灰色预测模型构建模块，
对步骤301中所获取的所述滑窗内数据序列进行处理，建立灰色预测模型；再根据所建立的
所述灰色预测模型，采用数据处理设备处理得出所述待开采煤层的n+1个所述工作面开采
过程中的滚筒高度初步预测结果；

其中，第k'个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果记作k'为
正整数且k'＝1、2、3、…、n、n+1；中包括m个滚筒高度初步预测值；

所得出的前n个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果组成滑窗内预测数
据序列，所述滑窗内预测数据序列中的n个所述滚筒高度初步预测结果按照开采先后顺序由
前至后排列；所述滑窗内预测数据序列记作
中的第k个所述滚筒高度初步预测结果记作中的第h个所述滚筒高度初步
预测值记作

第n+1个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果记作
为采用采煤机对当前工作面进行开采过程中的所述滚筒高度初步预
测结果；中的第h个所述滚筒高度初步预测值记作

步骤303、滚筒高度初步预测结果修正，过程如下：

步骤3031、建立预测残差的马尔可夫链：采用数据处理设备且调用差值运算模块，
对步骤301中所述滑窗内数据序列与步骤302中所述滑窗内预测数据序列进行差值运算，得
出预测残差的马尔可夫链；

所述预测残差的马尔可夫链，记作为所述预测残差的
马尔可夫链中的第k组预测残差，中包括m个截割位置处的预测残差，中第h个截割
位置处的预测残差记作

步骤3032、马尔可夫预测：采用数据处理设备且调用马尔科夫预测算法模块对步
骤3031中所述预测残差的马尔可夫链进行处理，预测出所述预测残差的马尔可夫链中的第
n+1组预测残差

中包括m个截割位置处的预测残差，中第h个截割位置处的预测残
差记作

步骤3033、滚筒高度预测数据组计算：根据步骤302中所述的和步骤3032
中所述的采用数据处理设备计算得出当前工作面开采过程中的滚筒高度预测数据
组

中包括当前工作面开采过程中m个截割位置处的滚筒高度预测值，
中第h个截割位置处的滚筒高度预测值记作

步骤3034、采煤机调高数据组获取：根据步骤3033中所述的当前工作面开采过程
中的滚筒高度预测数据组并结合当前工作面开采过程中m个截割位置处截割滚
筒的平面位置信息，采用数据处理设备得出当前工作面开采过程中的所述采煤机调高数据
组，所得出的所述采煤机调高数据组中包括当前工作面开采过程中m个截割位置处的滚筒
截割姿态数据；每个截割位置处的滚筒截割姿态预测数据均为预测出的该截割位置处的滚
筒截割姿态数据；

步骤304、调高轨迹获取：所述数据处理设备根据步骤3034中得出的当前工作面开
采过程中的所述采煤机调高数据组，获得当前工作面的采煤机调高轨迹；

步骤三中采用采煤机对任一个所述工作面进行割煤过程中，均采用数据处理设备
对m个截割位置处的滚筒截割姿态数据进行记录，获得该工作面开采过程中的所述采煤机
调高数据组，并采用数据处理设备将该工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组同步存
储至预先建立的采煤机调高数据库内。

上述基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其特征是：步骤301
中所述当前工作面后侧的n个工作面为所述待开采煤层中n个连续布设的工作面，n个所述
工作面中位于最前侧的工作面为与所述当前工作面相邻的前一个所述工作面。

上述基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其特征是：步骤
3034中得出当前工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组后，再采用数据处理设备将得
出的所述采煤机调高数据组存储至所述采煤机调高数据库内。

上述基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其特征是：步骤
3034中得出当前工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组后，根据所得出的所述采煤机
调高数据组，采用采煤机对所述待开采煤层的当前工作面进行开采；

采用采煤机对当前工作面进行割煤过程中，采用数据处理设备对m个截割位置处
的滚筒截割姿态数据进行记录，所记录的m个截割位置处的滚筒截割姿态数据组成当前工
作面开采过程中的所述采煤机调高数据组，并采用数据处理设备将此时获得的当前工作面
开采过程中的所述采煤机调高数据组同步存储至预先建立的采煤机调高数据库内。

上述基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其特征是：步骤304
中进行调高轨迹获取时，根据步骤3034中得出的当前工作面开采过程中的所述采煤机调高
数据组，采用数据处理设备且调用曲线拟合模块拟合出当前工作面开采过程中的采煤机调
高轨迹。

上述基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其特征是：步骤一、
步骤二和步骤三中所述截割位置均为截割高度采集位置；

所述待开采煤层的任一个所述工作面开采过程中的m个所述截割高度采集位置分
别位于该工作面的相邻已开采工作面开采过程中m个所述截割高度采集位置的正前方，该
工作面的相邻已开采工作面为位于该工作面后侧且与该工作面相邻的工作面；

步骤三中当前工作面开采过程中的m个所述截割高度采集位置分别位于当前工作
面的相邻已开采工作面开采过程中m个所述截割高度采集位置的正前方，当前工作面的相
邻已开采工作面为位于当前工作面后侧且与当前工作面相邻的工作面。

上述基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其特征是：步骤一、
步骤二和步骤三中所述截割位置均为截割高度采集位置；

步骤一中进行滑窗窗口宽度设定之前，先以所述待开采煤层的工作面长度方向为
X轴、所述待开采煤层的工作面推进方向为Y轴且以竖直方向为Z轴建立三维空间直角坐标
系；

每个所述采煤机调高数据组中m个所述滚筒截割姿态数据的Y轴坐标数据均相同；

所述采煤机调高数据库内的所有采煤机调高数据组中第k个所述滚筒截割姿态数
据的X轴坐标数据均相同。

上述基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其特征是：步骤一、
步骤二和步骤三中m个所述截割位置均按照工作面长度方向由后向前进行布设；

步骤302中所述灰色预测模型为无偏灰色预测模型；

步骤302中进行灰色预测模型建立之前，先根据步骤301中所述滑窗内数据序列，
采用数据处理设备获取m个所述截割位置的截割高度数据序列；每个所述截割位置的截割
高度数据序列均包括n个所述滚筒高度数据，n个所述滚筒高度数据按照开采先后顺序由前
至后进行排列；

其中，m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度数据序列记作
由所述滑窗内数据序列中n个所述滚筒高度数据组的第h个所述滚筒高度数
据组成，

步骤302中处理得出的n+1个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果由m
个所述截割位置的截割高度初步预测结果组成；每个所述截割位置的截割高度初步预测结
果均包括n+1个所述滚筒高度初步预测值，n+1个所述滚筒高度初步预测值按照开采先后顺
序由前至后进行排列；

m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度初步预测结果记作

由m个所述截割位置的截割高度初步预测结果中第k'个所述滚筒高度初步
预测值组成；

步骤302中进行滚筒高度初步预测时，采用数据处理设备对m个所述截割位置的截
割高度初步预测结果分别进行预测；m个所述截割位置的截割高度初步预测结果的预测方
法均相同；

对m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度初步预测结果进行预测时，
先采用数据处理设备且调用灰色预测模型构建模块，对进行处理，并根据处理结果
建立无偏灰色预测模型，过程如下：

步骤3021、灰生成：调用灰生成算法模块，对进行灰生成，获得的生成
数据序列x⁽¹⁾(h)；

其中，x⁽¹⁾(h)＝(x⁽¹⁾(1,h),x⁽¹⁾(2,h),x⁽¹⁾(3,h),...,x⁽¹⁾(n,h))；所述生成数据序
列x⁽¹⁾(h)中包括n个生成数据，所述生成数据序列x⁽¹⁾(h)中的第k个所述生成数据记作x⁽¹⁾
(k,h)；

步骤3022、紧邻均值序列生成：调用紧邻均值序列生成模块，对步骤3021中所述生
成数据序列进行处理，生成所述生成数据序列的紧邻均值序列Z⁽¹⁾(h)；其中Z
⁽¹⁾(h)＝(z⁽¹⁾(2,h),z⁽¹⁾(3,h),...,z⁽¹⁾(n,h))；

所述紧邻均值序列Z⁽¹⁾中包括n-1个紧邻均值，所述紧邻均值序列Z⁽¹⁾中的第s-1个
所述紧邻均值记作z⁽¹⁾(s,h)，z⁽¹⁾(s,h)＝0.5x⁽¹⁾(s,h)+0.5x⁽¹⁾(s-1,h)；其中，x⁽¹⁾(s,h)为
所述生成数据序列x⁽¹⁾(h)中的第s个所述生成数据，x⁽¹⁾(s-1,h)为所述生成数据序列x⁽¹⁾
(h)中的第s-1个所述生成数据；其中，s为正整数且s＝2、3、…、n；

步骤3023、无偏灰色预测模型的二级参数求解：调用二级参数求解模块，对所建立
无偏灰色预测模型的四个二级参数C、D、E和F分别进行求解；

其中，
x⁽⁰⁾(s,h)为中的第s个所述滚筒高度数据；

步骤3024、无偏灰色预测模型的一级参数求解：根据步骤3023中求解出的所建立
灰色预测模型的四个二级参数C、D、E和F，调用一级参数求解模块，对所建立灰色预测模型
的两个一级参数a和b分别进行求解；

其中，

步骤3025、无偏灰色参数求解：根据步骤3024中求解出的所建立无偏灰色预测模
型的两个一级参数a和b，调用无偏灰色参数求解模块，对所建立灰色预测模型的两个无偏
灰色参数α和β分别进行求解；

其中，

步骤3026、无偏灰色预测模型建立：根据步骤3025中求解出的所建立无偏灰色预
测模型的两个无偏灰色参数α和β，调用无偏灰色预测模型建立模块，建立无偏灰色预测模
型；所建立的无偏灰色预测模型为：其中，x⁽⁰⁾(1,h)为
中的第1个所述滚筒高度数据，k”为正整数且k”≥1；

步骤3026中建立所述无偏灰色预测模型后，采用数据处理设备(2)且根据所建立
的所述无偏灰色预测模型，获得m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度初步预
测结果其中，中的第g个所述滚筒高度初步预测值
g为正整数且g＝1、2、3、…、n+1。

上述基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其特征是：步骤
3031中所述预测残差的马尔可夫链中包括m×h个所述预测残差；

步骤3032中采用数据处理设备且调用马尔科夫预测算法模块对步骤3031中所述
预测残差的马尔可夫链进行处理时，过程如下：

步骤30321、状态划分：根据步骤3031中所述预测残差的马尔可夫链中的m×h个所
述预测残差，采用数据处理设备对所述预测残差的状态进行划分，获得所述预测残差的J个
状态；所述预测残差的J个状态中的第j个状态记作状态j，其中J为正整数且J≥3，j为正整
数且j＝1、…、J；

步骤30322、一步转移概率矩阵计算：根据步骤3031中所述预测残差的马尔可夫链
中m×h个所述预测残差，采用数据处理设备且调用一步转移概率矩阵模块，计算得出所述
预测残差的一步转移概率矩阵；

所述一步转移概率矩阵为J阶方阵，所述一步转移概率矩阵中的第i行第j数据记
作P_ij，其中P_ij为所述预测残差由状态i转移至状态j的转移概率；i为正整数且i＝1、…、J；

步骤30323、马尔可夫预测：采用数据处理设备对第n+1组预测残差中m个截
割位置处的预测残差分别进行预测，第n+1组预测残差中m个截割位置处预测残差的
预测方法均相同；

其中，对中第h个截割位置处的预测残差进行预测时，包括以下步
骤：

步骤A1、根据步骤一中所述预测残差的马尔可夫链，获得第n组预测残差中第
h个截割位置处的预测残差

步骤A2、根据步骤30321中所述预测残差的J个状态划分结果，对步骤A1中所述预
测残差的状态进行判断，得出所述预测残差的状态；

所述预测残差的状态记作状态i'，其中i'为正整数且i'＝1、…、J；

步骤A3、根据步骤A2中判断得出的所述预测残差的状态i'，并结合步骤
30322中所述一步转移概率矩阵，得出所述预测残差的最大转移概率；

所述预测残差的最大转移概率记作P_i'j'，P_i'j'为所述一步转移概率矩阵中
的第i'行第j'列数据，其中j'为正整数且j'＝1、2、…、J；

步骤A4、根据步骤A3中得出的所述预测残差的最大转移概率P_i'j'，得出所述
预测残差的状态；

所述预测残差的状态为状态j'；

步骤A5、根据步骤A4中得出的所述预测残差的状态j'，并结合步骤30321
中所述预测残差的J个状态划分结果，得出所述预测残差

上述基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，其特征是：步骤
30321进行状态划分时，先找出m×h个所述预测残差中的最大值和最小值，所找出的最大值
为预测残差最大值且其记作所找出的最小值为预测残差最大值且其记作再从区
间中选取J-1个数值，所选取的J-1个数值组成状态划分端点数据列，所述状态
划分端点数据列中的J-1个数值按照数值从小到大的顺序由前至后进行排列，所述状态划
分端点数据列中的第j”个数值记作再利用所选取的J-1个数值将区间划分
为J个区间，划分好的J个区间为分别为所述预测残差的J个状态的状态区间；其中，j”为正
整数且j”＝1、2、…、J-1；

J个所述区间中的第j个区间为状态j的状态区间；状态j的状态区间的两个端点值
分别记作和且当j＝1时，当2≤j≤J时，
当j＝J时，当1≤j≤J-1时，

步骤30322中所述的其中m_j为m×h个所述预测残差中位于状态j的状态区
间内的所有预测残差的总数量，m_i为m×h个所述预测残差中位于状态i的状态区间内的所
有预测残差的总数量；

步骤A2中对步骤A1中所述预测残差的状态进行判断时，根据所述预测残差
所处的状态区间，对所述预测残差的状态进行判断；所述预测残差位于
状态i'的状态区间内；

步骤A3中所述预测残差的最大转移概率P_i'j'为所述一步转移概率矩阵的第
i'行数据中数值最大的数据；

步骤A5中所述预测残差其中和为状态j'的状
态区间的两个端点值，且

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、方法步骤简单、设计合理且实现简便，投入成本低。

2、基于滑窗(即滑动窗口)进行预测，既使运算速度得到提高，增强了预测的时效
性，又能够保证采煤机调高轨迹预测用原始数据序列的动态更新和预测精度。

3、方法设计合理且实现方便，包括滑窗窗口宽度设定、煤层初步开采及滚筒截割
姿态数据记录和煤层后续开采及调高轨迹预测三个步骤，其中对任一个工作面的采煤机调
高轨迹进行预测时，过程如下：滑窗内数据序列获取、滚筒高度初步预测、滚筒高度初步预
测结果修正和调高轨迹获取。

4、运算速度快，预测时间小于2s。

5、预测精度高，先基于灰色预测模型获取滚筒高度初步预测结果，再采用马尔可
夫链模型对滚筒高度初步预测结果进行修正，能有效保证预测精度。采用马尔可夫链模型
对滚筒高度初步预测结果进行修正时，采用基于预测残差的修正方法，设计合理且修正结
果准确。

6、使用效果好且实用价值高，采用基于灰色马尔科夫链预测模型进行预测，灰色
理论的研究对象主要是不确定性系统，以“少量信息明确、大量信息不明确”的“小样本”和
“不确定”为特点，十分适合用于缺乏数据的采煤机调高轨迹预测，但是其预测是基于指数
的预测，对随机波动序列预测效果较差，需要马尔科夫链模型来对其进行修正，两者实现良
好的互补性。采用本发明充分利用灰色预测理论和马尔科夫链各自的优点和互补性，达到
更高的预测精度。为了动态修正三维煤层数据，提高调高轨迹精度，基于滑动窗口进行预
测，具有预测精度高、运算速度快等特点。首先，采用滑动窗口动态获取预测用的三维煤层
模型数据(即滑窗内数据序列)，并利用实时获取的滑窗内数据序列预测出采煤机下一刀的
调高轨迹，并且随着工作面的推进不断根据滑动窗口进行滚动预测，能够适应工业现场要
求，便于推广使用。并且，根据实时获取的滑窗内数据序列进行轨迹预测，能有效减少运算
处理的数据量，提高预测精度和速度。同时，利用无偏灰色模型的无偏灰色参数进行初步预
测，与传统灰色参数建立预测模型存在本质区别，具有预测精度高、预测速度快等优点。同
时，采用马尔可夫链模型对滚筒高度初步预测结果进行修正时，基于期望值(即预测残差的
期望值)进行修正，修正结果更准确。

综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，基于滑窗与
与灰色马尔可夫链进行调高轨迹预测，预测精度高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为本发明开采状态监测装置与数据处理设备的电路原理框图。

图3为本发明采煤机沿工作面上行过程中的使用状态参考图。

图4为本发明采煤机处于仰采时的使用状态参考图。

图5为本发明预测出调高轨迹的仿真示意图。

附图标记说明:

1—采煤机； 1-1—截割滚筒； 2—数据处理设备；

3-1—机身倾角传感器； 3-2—摇臂回转角度传感器；

3-3—行走位置检测单元； 3-4—数据处理器；

3-5—俯仰角检测单元。

具体实施方式

如图1所示一种基于滑窗与灰色马尔可夫链的采煤机调高轨迹预测方法，包括以
下步骤：

步骤一、滑窗窗口宽度设定：通过与数据处理设备2连接的参数输入单元，对滑窗
的窗口宽度n进行设定；其中，n表示所述滑窗内所包括采煤机调高数据组的数量，n为正整
数且n＝6～8；

每个所述采煤机调高数据组均为采用采煤机1对待开采煤层的一个工作面进行开
采过程中的采煤机调高数据组，每个所述采煤机调高数据组均包括对所述待开采煤层进行
一刀割煤过程中m个截割位置处的滚筒截割姿态数据，其中m为正整数且m≥5；m个所述截割
位置沿工作面长度方向由前至后进行排列；每个截割位置处的滚筒截割姿态数据均为该截
割位置处采煤机1的截割滚筒1-1的三维坐标数据，所述截割滚筒1-1的三维坐标数据中Z轴
坐标数据为滚筒高度数据；

步骤二、煤层初步开采及滚筒截割姿态数据记录：采用采煤机1且沿工作面推进方
向由后向前对所述待开采煤层进行开采，并完成所述待开采煤层的前n个工作面的开采过
程；

采用采煤机1对任一个所述工作面进行割煤过程中，均采用数据处理设备2对m个
截割位置处的滚筒截割姿态数据进行记录，获得该工作面开采过程中的所述采煤机调高数
据组，并采用数据处理设备2将该工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组同步存储至
预先建立的采煤机调高数据库内；所述采煤机调高数据库内按照开采先后顺序由前至后存
储有所述待开采煤层中当前已完成开采的所有工作面开采过程中的所述采煤机调高数据
组；

步骤三、煤层后续开采及调高轨迹预测：采用采煤机1且沿工作面推进方向由后向
前对所述待开采煤层继续进行开采；

每一个所述工作面开采之前，均先对该工作面的采煤机调高轨迹进行预测，过程
如下：

步骤301、滑窗内数据序列获取：采用数据处理设备2从所述采煤机调高数据库内
获取当前工作面后侧的n个工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组；所获取的n个所述
采煤机调高数据组中的所述滚筒高度数据组成滑窗内数据序列，每个所述采煤机调高数据
组中的所述滚筒高度数据均组成一个滚筒高度数据组；所述滑窗内数据序列中的n个所述
滚筒高度数据组按照开采先后顺序由前至后排列，每个所述滚筒高度数据组中均包括m个
截割位置处的所述滚筒高度数据；

所述滑窗内数据序列记作X⁽⁰⁾；X⁽⁰⁾＝(x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3),...,x⁽⁰⁾(n))，其中
x⁽⁰⁾(k)为所述滑窗内数据序列中的第k个所述滚筒高度数据组，其中k为正整数且k＝1、2、
3、…、n；x⁽⁰⁾(k)中的第h个所述滚筒高度数据记作x⁽⁰⁾(k,h)，其中h为正整数且h＝1、2、
3、…、m；

步骤302、滚筒高度初步预测：采用数据处理设备2且调用灰色预测模型构建模块，
对步骤301中所获取的所述滑窗内数据序列进行处理，建立灰色预测模型；再根据所建立的
所述灰色预测模型，采用数据处理设备2处理得出所述待开采煤层的n+1个所述工作面开采
过程中的滚筒高度初步预测结果；

其中，第k'个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果记作k'为
正整数且k'＝1、2、3、…、n、n+1；中包括m个滚筒高度初步预测值；

所得出的前n个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果组成滑窗内预测数
据序列，所述滑窗内预测数据序列中的n个所述滚筒高度初步预测结果按照开采先后顺序由
前至后排列；所述滑窗内预测数据序列记作
中的第k个所述滚筒高度初步预测结果记作中的第h个所述滚筒高度初步
预测值记作

第n+1个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果记作
为采用采煤机1对当前工作面进行开采过程中的所述滚筒高度初步预
测结果；中的第h个所述滚筒高度初步预测值记作

步骤303、滚筒高度初步预测结果修正，过程如下：

步骤3031、建立预测残差的马尔可夫链：采用数据处理设备2且调用差值运算模
块，对步骤301中所述滑窗内数据序列与步骤302中所述滑窗内预测数据序列进行差值运
算，得出预测残差的马尔可夫链；

所述预测残差的马尔可夫链，记作为所述预测残差的
马尔可夫链中的第k组预测残差，中包括m个截割位置处的预测残差，中第h个截割
位置处的预测残差记作

步骤3032、马尔可夫预测：采用数据处理设备2且调用马尔科夫预测算法模块对步
骤3031中所述预测残差的马尔可夫链进行处理，预测出所述预测残差的马尔可夫链中的第
n+1组预测残差

中包括m个截割位置处的预测残差，中第h个截割位置处的预测残差
记作

步骤3033、滚筒高度预测数据组计算：根据步骤302中所述的和步骤3032
中所述的采用数据处理设备2计算得出当前工作面开采过程中的滚筒高度预测数
据组

中包括当前工作面开采过程中m个截割位置处的滚筒高度预测值，
中第h个截割位置处的滚筒高度预测值记作

步骤3034、采煤机调高数据组获取：根据步骤3033中所述的当前工作面开采过程
中的滚筒高度预测数据组并结合当前工作面开采过程中m个截割位置处截割滚
筒1-1的平面位置信息，采用数据处理设备2得出当前工作面开采过程中的所述采煤机调高
数据组，所得出的所述采煤机调高数据组中包括当前工作面开采过程中m个截割位置处的
滚筒截割姿态数据；每个截割位置处的滚筒截割姿态预测数据均为预测出的该截割位置处
的滚筒截割姿态数据；每个截割位置处的滚筒截割姿态预测数据均由该截割位置处的平面
位置信息和滚筒高度预测值组成；

步骤304、调高轨迹获取：所述数据处理设备2根据步骤3034中得出的当前工作面
开采过程中的所述采煤机调高数据组，获得当前工作面的采煤机调高轨迹。

步骤三中采用采煤机1对任一个所述工作面进行割煤过程中，均采用数据处理设
备2对m个截割位置处的滚筒截割姿态数据进行记录，获得该工作面开采过程中的所述采煤
机调高数据组，并采用数据处理设备2将该工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组同
步存储至预先建立的采煤机调高数据库内。

本实施例中，采用采煤机1对待开采煤层的任一个所述工作面进行开采时，采用的
割煤方式均为双向割煤方式。

实际进行开采时，所采用的割煤方式也可以为单向割煤方式。

本实施例中，所述采煤机1为双滚筒采煤机。

实际使用时，所述采煤机1也可以为单滚筒采煤机。所述双滚筒采煤机包括两个滚
筒，实际进行煤层开采时，两个所述滚筒的采高不同，两个所述滚筒中一个滚筒的采高较
高，另一个滚筒的采高较低。

采用本发明能对所述双滚筒采煤机中两个滚筒的调高轨迹分别进行预测。所述截
割滚筒1-1为采煤机1中的任一个滚筒。

本实施例中，步骤一中所述的n＝8。步骤二中进行煤层初步开采及滚筒截割姿态
数据记录时，采用采煤机1完成所述待开采煤层的前8个工作面的开采过程。并且，所述待开
采煤层的前8个工作面的开采过程均为人为控制进行开采。

实际使用时，可根据具体需要，对n的取值大小分别进行相应调整。

由于n为所述滑窗内所包括采煤机调高数据组的数量，而每个所述采煤机调高数
据组均包括对所述待开采煤层进行一刀割煤过程中m个截割位置处的滚筒截割姿态数据，
因而所述滑窗内包括对所述待开采煤层进行n刀割煤过程中的所述采煤机调高数据组。实
际使用时，可根据具体需要(主要包括采煤机调高轨迹的预测精度、预测速度以及所建立煤
层模型的精度)，对n的取值大小进行调整。实际使用时，根据预测出的采煤机调高轨迹，能
建立所述需开采煤层的三维模型(即煤层模型)。其中，采煤机调高轨迹的预测精度越高，n
的取值越大；采煤机调高轨迹的预测速度越快，n的取值越小；所建立煤层模型的精度越高，
n的取值越大。

本实施例中，步骤一、步骤二和步骤三中所述截割位置均为截割高度采集位置；

步骤一中进行滑窗窗口宽度设定之前，先以所述待开采煤层的工作面长度方向为
X轴、所述待开采煤层的工作面推进方向为Y轴且以竖直方向为Z轴建立三维空间直角坐标
系；

每个所述采煤机调高数据组中m个所述滚筒截割姿态数据的Y轴坐标数据均相同；

所述采煤机调高数据库内的所有采煤机调高数据组中第k个所述滚筒截割姿态数
据的X轴坐标数据均相同。

本实施例中，步骤一、步骤二中和步骤三中m个所述截割位置均按照X轴的正方向
由前至后进行排列或均按照X轴的负方向由前至后进行排列。

步骤一中每个所述采煤机调高数据组中的m个所述滚筒截割姿态数据、步骤301中
每个所述滚筒高度数据组中的m个所述滚筒高度数据和步骤3033中包括中的m个
所述滚筒高度预测值的存储前后顺序均与m个所述截割位置的前后顺序一致。因而，步骤一
中每个所述采煤机调高数据组中的m个所述滚筒截割姿态数据、步骤301中每个所述滚筒高
度数据组中的m个所述滚筒高度数据和步骤3033中包括中的m个所述滚筒高度预
测值均分别与m个所述截割位置一一对应。

本实施例中，步骤3034中当前工作面开采过程中每个截割位置处截割滚筒1-1的
平面位置信息，均包括该截割位置处截割滚筒1-1的X轴坐标数据和Y轴坐标数据。

本实施例中，所述采煤机1上还装有开采状态监测装置，所述开采状态监测装置与
数据处理设备2连接。

如图2所示，所述开采状态监测装置包括数据处理器3-4、对采煤机1的机身倾角α
进行实时检测的机身倾角传感器3-1、对采煤机1的俯仰角β进行实时检测的俯仰角检测单
元3-5、对截割滚筒1-1所安装摇臂的回转角度进行实时检测的摇臂回转角度传感器3-2和
对采煤机1的行走位置进行实时检测的行走位置检测单元3-3，所述机身倾角传感器3-1、俯
仰角检测单元3-5、摇臂回转角度传感器3-2和行走位置检测单元3-3均与数据处理器3-4连
接。其中，机身倾角α为沿工作面长度方向上采煤机1的机身与水平面之间的夹角；俯仰角β
为沿工作面推进方向上采煤机1的机身与水平面之间的夹角；所述摇臂的回转角度也称为
摇臂摆角且其记作θ。

实际使用时，所述机身倾角传感器3-1、俯仰角检测单元3-5、摇臂回转角度传感器
3-2和行走位置检测单元3-3将所检测信号同步传送至数据处理器3-4；所述数据处理器3-4
按照预先设定的采样频率，对机身倾角传感器3-1、俯仰角检测单元3-5、摇臂回转角度传感
器3-2和行走位置检测单元3-3所检测信号进行采集，并将所采集信息同步上传至数据处理
设备2。本实施例中，所述机身倾角传感器3-1和俯仰角检测单元3-5均为倾角传感器且二者
均安装在采煤机1的机身上。所述摇臂以铰接方式安装在采煤机1的机身上，所述摇臂回转
角度传感器3-2安装在所述摇臂上，所述行走位置检测单元3-3安装在采煤机1的机身上，通
过行走位置检测单元3-3对采煤机1所处位置的三维坐标数据进行检测。

采用采煤机1进行开采过程中，当采煤机1的机身沿工作面长度方向由后向前逐渐
向上倾斜时，说明此时采煤机1处于沿工作面上行过程，详见图3；当采煤机1的机身沿工作
面长度方向由后向前逐渐向下倾斜时，说明此时采煤机1处于沿工作面下行过程。如图4所
示，当采煤机1的机身沿工作面推进方向上由后向前逐渐向上倾斜时，说明此时采煤机1处
于仰采状态；当采煤机1的机身沿工作面推进方向上由前向后逐渐向下倾斜时，说明此时采
煤机1处于俯采状态。

本实施例中，所述机身倾角传感器3-1、俯仰角检测单元3-5、摇臂回转角度传感器
3-2和行走位置检测单元3-3输出的信号均为4mA～20mA的电流信号。

本实施例中，所述数据处理器3-4为PLC控制器。并且，预先设定的采样频率为
25kHz。

实际使用过程中，所述数据处理器3-4将所采集信息同步上传至数据处理设备2
后，所述数据处理设备2根据采集到的机身倾角传感器3-1、俯仰角检测单元3-5、摇臂回转
角度传感器3-2和行走位置检测单元3-3所检测信息，能同步换算出此时所述采煤机1的所
述滚筒高度数据。

其中，对所述采煤机1的所述滚筒高度数据进行换算之前，先判断此时采煤机1的
开采状态：当判断得出此时采煤机1处于沿工作面上行过程且处于仰采状态时，根据公式H
＝Lsin(θ+α)+H₂+Stanβ，计算得出此时采煤机1的所述滚筒高度数据H；当判断得出此时采
煤机1处于沿工作面上行过程且处于俯采状态时，根据公式H＝Lsin(θ-α)+H₂+Stanβ，计算
得出此时采煤机1的所述滚筒高度数据H；当判断得出此时采煤机1处于沿工作面下行过程
且处于仰采状态时，根据公式H＝Lsin(θ+α)+H₂-Stanβ，计算得出此时采煤机1的所述滚筒
高度数据H；当判断得出此时采煤机1处于沿工作面下行过程且处于俯采状态时，根据公式H
＝Lsin(θ-α)+H₂-Stanβ，计算得出此时采煤机1的所述滚筒高度数据H。

其中，L为所述摇臂的长度，H₂为摇臂底端固定点(所述摇臂在采煤机1的机身上的
固定点)到所述待开采煤层1的底板(具体是所述底板的上表面)之间的距离，S为截割滚筒
1-1至采煤机1机身的距离(即截割滚筒1-1的中部至采煤机1的机身中部之间的距离)。一旦
采煤机1确定，所述的S、L和H₂均为已知参数。其中，所述待开采煤层的底板(具体是所述底
板的上表面)为参考面。

本实施例中，所述行走位置检测单元3-3为对采煤机1的平面位置信息进行实时检
测的位置检测单元，采煤机1的平面位置信息包括采煤机1机身的X轴坐标数据和Y轴坐标数
据。所述行走位置检测单元3-3为二自由度位移检测装置。所述数据处理设备2根据采煤机1
的平面位置信息，并结合截割滚筒1-1与采煤机1的机身之间的位置关系，能简便得出截割
滚筒1-1的平面位置信息。

实际使用时，也可以在所述截割滚筒1-1的中部布设一个滚筒位置检测单元，所述
滚筒位置检测单元为对截割滚筒1-1的平面位置信息(即截割位置)进行实时检测的位置检
测单元。因而，所述滚筒位置检测单元为二自由度位移检测装置。

本实施例中，为计算简便，使所述截割滚筒1-1的平面位置信息与采煤机1的平面
位置信息相同。

步骤二中所述截割滚筒1-1的三维坐标数据中，Z轴坐标数据为所述滚筒高度数据
H，X轴坐标数据为行走位置检测单元3-3检测到的采煤机1在沿工作面长度方向上的位移数
据，Y轴坐标数据为行走位置检测单元3-3检测到的采煤机1在沿工作面推进方向上的位移
数据。

本实施例中，对所述待开采煤层进行开采过程中，完成一个工作面开采称为完成
一刀割煤。对所述待开采煤层进行开采过程中，按照开采先后顺序，对开采工作面进行编
号，按照开采先后顺序所述待开采煤层的工作面编号分别为1、2、3、…。

其中，所述截割滚筒1-1的三维坐标数据中，Y轴坐标数据也可以根据公式y＝n'×
Δh计算得出，其中n'为当前截割刀数(即当前工作面的编号)，Δh为采煤机截深(即采煤机
1的截割深度)。本实施例中，Δh＝0.8m。

本实施例中，步骤301中所述当前工作面后侧的n个工作面为所述待开采煤层中n
个连续布设的工作面，n个所述工作面中位于最前侧的工作面为与所述当前工作面相邻的
前一个所述工作面。

实际使用时，步骤3034中得出当前工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组
后，再采用数据处理设备2将得出的所述采煤机调高数据组存储至所述采煤机调高数据库
内。

本实施例中，步骤3034中得出当前工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组
后，根据所得出的所述采煤机调高数据组，采用采煤机1对所述待开采煤层的当前工作面进
行开采；

采用采煤机1对当前工作面进行割煤过程中，采用数据处理设备2对m个截割位置
处的滚筒截割姿态数据进行记录，所记录的m个截割位置处的滚筒截割姿态数据组成当前
工作面开采过程中的所述采煤机调高数据组，并采用数据处理设备2将此时获得的当前工
作面开采过程中的所述采煤机调高数据组同步存储至预先建立的采煤机调高数据库内。

本实施例中，所述待开采煤层的任一个所述工作面开采过程中的m个所述截割高
度采集位置分别位于该工作面的相邻已开采工作面开采过程中m个所述截割高度采集位置
的正前方，该工作面的相邻已开采工作面为位于该工作面后侧且与该工作面相邻的工作
面；

步骤三中当前工作面开采过程中的m个所述截割高度采集位置分别位于当前工作
面的相邻已开采工作面开采过程中m个所述截割高度采集位置的正前方，当前工作面的相
邻已开采工作面为位于当前工作面后侧且与当前工作面相邻的工作面。

步骤二中所述的m个截割位置为m个所述截割高度采集位置，对所述待开采煤层的
任一个工作面进行开采过程中，相邻两个所述截割高度采集位置之间的间距为1m～5m。

本实施例中，相邻两个所述截割高度采集位置之间的间距为3m。

本实施例中，步骤301中所述滑窗内数据序列也称为原始数据序列。

本实施例中，步骤一、步骤二和步骤三中m个所述截割位置均按照工作面长度方向
由后向前进行布设；

步骤302中所述灰色预测模型为无偏灰色预测模型；

步骤302中进行灰色预测模型建立之前，先根据步骤301中所述滑窗内数据序列，
采用数据处理设备2获取m个所述截割位置的截割高度数据序列；每个所述截割位置的截割
高度数据序列均包括n个所述滚筒高度数据，n个所述滚筒高度数据按照开采先后顺序由前
至后进行排列；

其中，m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度数据序列记作
由所述滑窗内数据序列中n个所述滚筒高度数据组的第h个所述滚筒高度数
据组成，

步骤302中处理得出的n+1个所述工作面开采过程中的滚筒高度初步预测结果由m
个所述截割位置的截割高度初步预测结果组成；每个所述截割位置的截割高度初步预测结
果均包括n+1个所述滚筒高度初步预测值，n+1个所述滚筒高度初步预测值按照开采先后顺
序由前至后进行排列；

m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度初步预测结果记作

由m个所述截割位置的截割高度初步预测结果中第k'个所述滚筒高度初步
预测值组成；

步骤302中进行滚筒高度初步预测时，采用数据处理设备2对m个所述截割位置的
截割高度初步预测结果分别进行预测；m个所述截割位置的截割高度初步预测结果的预测
方法均相同；

对m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度初步预测结果进行预测时，
先采用数据处理设备2且调用灰色预测模型构建模块，对进行处理，并根据处理结果
建立无偏灰色预测模型，过程如下：

步骤3021、灰生成：调用灰生成算法模块，对进行灰生成，获得的生成
数据序列x⁽¹⁾(h)；

其中，x⁽¹⁾(h)＝(x⁽¹⁾(1,h),x⁽¹⁾(2,h),x⁽¹⁾(3,h),...,x⁽¹⁾(n,h))；所述生成数据序
列x⁽¹⁾(h)中包括n个生成数据，所述生成数据序列x⁽¹⁾(h)中的第k个所述生成数据记作x⁽¹⁾
(k,h)；

步骤3022、紧邻均值序列生成：调用紧邻均值序列生成模块，对步骤3021中所述生
成数据序列进行处理，生成所述生成数据序列的紧邻均值序列Z⁽¹⁾(h)；其中Z
⁽¹⁾(h)＝(z⁽¹⁾(2,h),z⁽¹⁾(3,h),...,z⁽¹⁾(n,h))；

所述紧邻均值序列Z⁽¹⁾中包括n-1个紧邻均值，所述紧邻均值序列Z⁽¹⁾中的第s-1个
所述紧邻均值记作z⁽¹⁾(s,h)，z⁽¹⁾(s,h)＝0.5x⁽¹⁾(s,h)+0.5x⁽¹⁾(s-1,h)；其中，x⁽¹⁾(s,h)为
所述生成数据序列x⁽¹⁾(h)中的第s个所述生成数据，x⁽¹⁾(s-1,h)为所述生成数据序列x⁽¹⁾
(h)中的第s-1个所述生成数据；其中，s为正整数且s＝2、3、…、n；

步骤3023、无偏灰色预测模型的二级参数求解：调用二级参数求解模块，对所建立
无偏灰色预测模型的四个二级参数C、D、E和F分别进行求解；

其中，
x⁽⁰⁾(s,h)为中的第s个所述滚筒高度数据；

步骤3024、无偏灰色预测模型的一级参数求解：根据步骤3023中求解出的所建立
灰色预测模型的四个二级参数C、D、E和F，调用一级参数求解模块，对所建立灰色预测模型
的两个一级参数a和b分别进行求解；

其中，

步骤3025、无偏灰色参数求解：根据步骤3024中求解出的所建立无偏灰色预测模
型的两个一级参数a和b，调用无偏灰色参数求解模块，对所建立灰色预测模型的两个无偏
灰色参数α和β分别进行求解；

其中，

步骤3026、无偏灰色预测模型建立：根据步骤3025中求解出的所建立无偏灰色预
测模型的两个无偏灰色参数α和β，调用无偏灰色预测模型建立模块，建立无偏灰色预测模
型；所建立的无偏灰色预测模型为：其中，x⁽⁰⁾(1,h)为
中的第1个所述滚筒高度数据，k”为正整数且k”≥1；

步骤3026中建立所述无偏灰色预测模型后，采用数据处理设备2且根据所建立的
所述无偏灰色预测模型，获得m个所述截割位置中第h个所述截割位置的截割高度初步预测
结果其中，中的第g个所述滚筒高度初步预测值
g为正整数且g＝1、2、3、…、n+1。

本实施例中，步骤3021中所述灰生成算法模块为AGO累加生成模块；

并且，所述生成数据序列x⁽¹⁾(h)中的第k个所述生成数据记作x⁽¹⁾(k,h)，
其中g'为正整数且g'＝1、2、…、k。

本实施例中，步骤3031中所述预测残差的马尔可夫链中包括m×h个所述预测残
差；

步骤3032中采用数据处理设备2且调用马尔科夫预测算法模块对步骤3031中所述
预测残差的马尔可夫链进行处理时，过程如下：

步骤30321、状态划分：根据步骤3031中所述预测残差的马尔可夫链中的m×h个所
述预测残差，采用数据处理设备2对所述预测残差的状态进行划分，获得所述预测残差的J
个状态；所述预测残差的J个状态中的第j个状态记作状态j，其中J为正整数且J≥3，j为正
整数且j＝1、…、J；

步骤30322、一步转移概率矩阵计算：根据步骤3031中所述预测残差的马尔可夫链
中m×h个所述预测残差，采用数据处理设备2且调用一步转移概率矩阵模块，计算得出所述
预测残差的一步转移概率矩阵；

所述一步转移概率矩阵为J阶方阵，所述一步转移概率矩阵中的第i行第j数据记
作P_ij，其中P_ij为所述预测残差由状态i转移至状态j的转移概率；i为正整数且i＝1、…、J；

步骤30323、马尔可夫预测：采用数据处理设备2对第n+1组预测残差中m个
截割位置处的预测残差分别进行预测，第n+1组预测残差中m个截割位置处预测残差
的预测方法均相同；

其中，对中第h个截割位置处的预测残差进行预测时，包括以下步
骤：

步骤A1、根据步骤一中所述预测残差的马尔可夫链，获得第n组预测残差中第
h个截割位置处的预测残差

步骤A2、根据步骤30321中所述预测残差的J个状态划分结果，对步骤A1中所述预
测残差的状态进行判断，得出所述预测残差的状态；

所述预测残差的状态记作状态i'，其中i'为正整数且i'＝1、…、J；

步骤A3、根据步骤A2中判断得出的所述预测残差的状态i'，并结合步骤
30322中所述一步转移概率矩阵，得出所述预测残差的最大转移概率；

所述预测残差的最大转移概率记作P_i'j'，P_i'j'为所述一步转移概率矩阵中
的第i'行第j'列数据，其中j'为正整数且j'＝1、2、…、J；

步骤A4、根据步骤A3中得出的所述预测残差的最大转移概率P_i'j'，得出所述
预测残差的状态；

所述预测残差的状态为状态j'；

步骤A5、根据步骤A4中得出的所述预测残差的状态j'，并结合步骤30321
中所述预测残差的J个状态划分结果，得出所述预测残差

本实施例中，步骤30321进行状态划分时，先找出m×h个所述预测残差中的最大值
和最小值，所找出的最大值为预测残差最大值且其记作所找出的最小值为预测残差
最大值且其记作再从区间中选取J-1个数值，所选取的J-1个数值组成状态
划分端点数据列，所述状态划分端点数据列中的J-1个数值按照数值从小到大的顺序由前
至后进行排列，所述状态划分端点数据列中的第j”个数值记作再利用所选取的J-1个
数值将区间划分为J个区间，划分好的J个区间为分别为所述预测残差的J个状
态的状态区间；其中，j”为正整数且j”＝1、2、…、J-1；

J个所述区间中的第j个区间为状态j的状态区间；状态j的状态区间的两个端点值
分别记作和且当j＝1时，当2≤j≤J时，
当j＝J时，当1≤j≤J-1时，

步骤30322中所述的其中m_j为m×h个所述预测残差中位于状态j的状态区
间内的所有预测残差的总数量，m_i为m×h个所述预测残差中位于状态i的状态区间内的所
有预测残差的总数量；

步骤A2中对步骤A1中所述预测残差的状态进行判断时，根据所述预测残差
所处的状态区间，对所述预测残差的状态进行判断；所述预测残差位于
状态i'的状态区间内；

步骤A3中所述预测残差的最大转移概率P_i'j'为所述一步转移概率矩阵的第
i'行数据中数值最大的数据；

步骤A5中所述预测残差其中和为状态j'的状
态区间的两个端点值，且

实际进行开采时，所述待开采煤层的任一个工作面开采过程中的m个所述截割高
度采集位置均相同。

本实施例中，步骤二和步骤三中所述的m＝40。

实际使用时，可根据工作面长度和相邻两个所述截割高度采集位置之间的间距，
对m的取值大小进行相应调整。

步骤3034中当前工作面开采过程中每个截割位置处的滚筒截割姿态数据均为滚
筒中心点的三维坐标数据，所述滚筒中心点为截割滚筒1-1的几何中心点。步骤3034中当前
工作面开采过程中m个截割位置处的滚筒截割姿态数据分别为m个截割位置处的滚筒中心
点的三维坐标数据。

本实施例中，步骤304中进行调高轨迹获取时，所获得的当前工作面的采煤机调高
轨迹为按照开采先后顺序由前至后将m个截割位置处的滚筒中心点连接而成的折线。

另外，步骤304中进行调高轨迹获取时，也可以根据步骤3034中得出的当前工作面
开采过程中的所述采煤机调高数据组，采用数据处理设备2且调用曲线拟合模块拟合出当
前工作面开采过程中的采煤机调高轨迹。具体是利用m个截割位置处的滚筒中心点的三维
坐标数据，拟合出采煤机调高轨迹。

本实施例中，步骤二中完成煤层初步开采及滚筒截割姿态数据记录后，完成所述
待开采煤层的前8个工作面的开采过程，获得前8刀割煤过程中40个截割位置处的滚筒截割
姿态数据(即真实数据)；并且，再完成所述待开采煤层的第9个工作面的开采过程，获得第9
刀割煤过程中40个截割位置处的滚筒高度数据(即真实数据)。其中，前8刀割煤过程中40个
截割位置处的滚筒高度数据、第9刀割煤过程中40个截割位置处的实际滚筒高度数据和采
用本发明预测出的第9刀割煤过程中40个截割位置处的滚筒高度数据(即预测数据)，详见
表1：

表1采煤机滚筒高度数据对比表 单位：m

由表1可知，采用本发明预测的最大绝对误差为0.015m，预测的平均相对误差为
0.006m，预测结果准确且适应性强。并且，采用本发明预测出的第9刀割煤过程中的采煤机
调高轨迹详见图5。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明
技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技
术方案的保护范围内。