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摘要:
多频MIMO天线技术因具有数据传输速率快、容量大和可靠性强的优点受到广泛关注，然而其也存在由阵元间强耦合所产生的信号间干扰严重的问题。为了充分发挥多频MIMO天线技术在煤矿信息化过程中的优势，本文设计了一款具有高隔离特性的三频MIMO天线，该天线工作在1.85-2.70 GHz，3.24-3.99 GHz以及4.65-5.80 GHz三个频段，由两个阵元间距为0.18λ( λ为2.3 GHz处的波长)的三叉戟平面单极子组成，能够有效覆盖煤矿井下WiMAX/WiFi/4G/5G NR的工作频段。通过对称放置两阵元，并进一步通过在地板上加载T型枝节和蚀刻矩形槽的方式，在整个频段内实现了阵元间隔离度高于20 dB。所设计的三频MIMO天线具有剖面低、结构紧凑、易于载体共型等优势，因此在煤矿井下具有广阔的应用前景。
多频MIMO天线技术因具有数据传输速率快、容量大和可靠性强的优点受到广泛关注，然而其也存在由阵元间强耦合所产生的信号间干扰严重的问题。为了充分发挥多频MIMO天线技术在煤矿信息化过程中的优势，本文设计了一款具有高隔离特性的三频MIMO天线，该天线工作在1.85-2.70 GHz，3.24-3.99 GHz以及4.65-5.80 GHz三个频段，由两个阵元间距为0.18λ( λ为2.3 GHz处的波长)的三叉戟平面单极子组成，能够有效覆盖煤矿井下WiMAX/WiFi/4G/5G NR的工作频段。通过对称放置两阵元，并进一步通过在地板上加载T型枝节和蚀刻矩形槽的方式，在整个频段内实现了阵元间隔离度高于20 dB。所设计的三频MIMO天线具有剖面低、结构紧凑、易于载体共型等优势，因此在煤矿井下具有广阔的应用前景。
<摘要>(86)
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摘要:
针对复杂的矿井环境下中的无线通信接收信号误码率高和易受信道干扰等问题，提出了一种新的正交频分复用(OFDM)和滤波器组多载波技术(FBMC)信号的检测方法。该模型融合了ResNet和DenseNet的优点，构建了一种改进的双路径网络模型的接收机（Dual Path Network Receiver）。该接收机可以很好地抑制网络中的梯度消失和梯度爆炸问题，提取不同层次的特征，丰富特征维度。实验结果表明，在信噪比为11时，DPNR在OFDM中与常规接收机DNN相比，误码率降低两个数量级左右。DPNR不受信道的干扰，且在FBMC中也适用。因此，DPNR有强干扰性，在不同场景下识别输入信号具有稳定性，提高无线通信质量，使信号得以更加准确地恢复。
针对复杂的矿井环境下中的无线通信接收信号误码率高和易受信道干扰等问题，提出了一种新的正交频分复用(OFDM)和滤波器组多载波技术(FBMC)信号的检测方法。该模型融合了ResNet和DenseNet的优点，构建了一种改进的双路径网络模型的接收机（Dual Path Network Receiver）。该接收机可以很好地抑制网络中的梯度消失和梯度爆炸问题，提取不同层次的特征，丰富特征维度。实验结果表明，在信噪比为11时，DPNR在OFDM中与常规接收机DNN相比，误码率降低两个数量级左右。DPNR不受信道的干扰，且在FBMC中也适用。因此，DPNR有强干扰性，在不同场景下识别输入信号具有稳定性，提高无线通信质量，使信号得以更加准确地恢复。
<摘要>(163)
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沿空留巷具有降低煤柱损失、减少掘进工程量、缓解抽掘采衔接紧张等优势，应用愈加普遍。但应用中挡矸支架在方便挂模注模的同时，形成抽屉式的半封闭空间，容易积聚瓦斯，成为瓦斯治理的重点和难点。针对Y型通风连续回采工作面采空区瓦斯治理难题，提出利用倾向定向长钻孔跨工作面抽采采空区瓦斯治理技术，形成了跨工作面对采空区和回采工作面瓦斯进行抽采，减少了相邻采空区积聚瓦斯，可以有效防止顶板大面积垮落时采空区瓦斯突然扇出带来的瓦斯灾害。在东峰煤矿试验表明:施工跨工作面定向长钻孔至老采空区顶板裂隙带，持续抽采老采空区瓦斯，上隅角瓦斯浓度由0.67％降至0.22％，回风流瓦斯浓度由0.47％降至0.18％，最大限度降低采空区及其顶板裂隙带瓦斯存量，取得理想效果，瓦斯治理效果显著。
沿空留巷具有降低煤柱损失、减少掘进工程量、缓解抽掘采衔接紧张等优势，应用愈加普遍。但应用中挡矸支架在方便挂模注模的同时，形成抽屉式的半封闭空间，容易积聚瓦斯，成为瓦斯治理的重点和难点。针对Y型通风连续回采工作面采空区瓦斯治理难题，提出利用倾向定向长钻孔跨工作面抽采采空区瓦斯治理技术，形成了跨工作面对采空区和回采工作面瓦斯进行抽采，减少了相邻采空区积聚瓦斯，可以有效防止顶板大面积垮落时采空区瓦斯突然扇出带来的瓦斯灾害。在东峰煤矿试验表明:施工跨工作面定向长钻孔至老采空区顶板裂隙带，持续抽采老采空区瓦斯，上隅角瓦斯浓度由0.67％降至0.22％，回风流瓦斯浓度由0.47％降至0.18％，最大限度降低采空区及其顶板裂隙带瓦斯存量，取得理想效果，瓦斯治理效果显著。
<摘要>(53)
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掘进机等煤机装备在行进和作业期间因机身振动引起机载监控摄像机图像模糊，导致基于机载图像的机器视觉应用精度和可靠性下降。针对这一问题，提出一种基于自适应增强与卡尔曼滤波的视频稳像算法。在运动估计阶段，通过在动态范围内有限提高图像对比度，与原视频序列相比，其特征点匹配成功数提高了58%；在运动平滑与补偿阶段，采用卡尔曼滤波器保留机载相机主观运动的同时去除随机抖动，获得相邻帧间的补偿量，对抖动视频逐帧补偿后，生成稳定视频序列。实验结果表明，稳像后的PSNR均值与原有抖动视频相比提高了10%，相邻帧间图像信息量下降了39%，因此该算法具有良好的稳像效果。
掘进机等煤机装备在行进和作业期间因机身振动引起机载监控摄像机图像模糊，导致基于机载图像的机器视觉应用精度和可靠性下降。针对这一问题，提出一种基于自适应增强与卡尔曼滤波的视频稳像算法。在运动估计阶段，通过在动态范围内有限提高图像对比度，与原视频序列相比，其特征点匹配成功数提高了58%；在运动平滑与补偿阶段，采用卡尔曼滤波器保留机载相机主观运动的同时去除随机抖动，获得相邻帧间的补偿量，对抖动视频逐帧补偿后，生成稳定视频序列。实验结果表明，稳像后的PSNR均值与原有抖动视频相比提高了10%，相邻帧间图像信息量下降了39%，因此该算法具有良好的稳像效果。
<摘要>(62)
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传统的瓦斯浓度预测方法，仅利用瓦斯数据的时间特性进行预测，实际上瓦斯浓度具有随空间和时间呈现一个分布，预测其时空分布对于瓦斯安全工作更有价值。为了提高瓦斯浓度预测精度，针对瓦斯数据在时间和空间维度上的复杂依赖关系，提出一种基于图神经网络（GNN）的矿井瓦斯时空分布预测模型，该模型采用图卷积神经网络对瓦斯监测站点进行空间依赖建模，通过门控循环网络（GRU）对瓦斯序列进行时间依赖建模，在对图信号及时间维度特征进行编码后，送入解码器得到预测输出。结果表明：模型预测结果在多监测点时空分布预测中具有较高的预测精度，平均绝对误差百分比为3.0%，较传统的时间序列预测方法降低2%以上。
传统的瓦斯浓度预测方法，仅利用瓦斯数据的时间特性进行预测，实际上瓦斯浓度具有随空间和时间呈现一个分布，预测其时空分布对于瓦斯安全工作更有价值。为了提高瓦斯浓度预测精度，针对瓦斯数据在时间和空间维度上的复杂依赖关系，提出一种基于图神经网络（GNN）的矿井瓦斯时空分布预测模型，该模型采用图卷积神经网络对瓦斯监测站点进行空间依赖建模，通过门控循环网络（GRU）对瓦斯序列进行时间依赖建模，在对图信号及时间维度特征进行编码后，送入解码器得到预测输出。结果表明：模型预测结果在多监测点时空分布预测中具有较高的预测精度，平均绝对误差百分比为3.0%，较传统的时间序列预测方法降低2%以上。
<摘要>(55)
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针对综采工作面设备数量多、体积大、空间狭小且随工作面推移，环境不断变化的特点，设计了一种可以独立完成巡检任务的巡检机器人系统，通过在机器人上搭载三维扫描仪完成对地下空间工作面场景重建，并采用刚柔一体化的轨道设计来适应综采工作面环境。针对刚柔一体化轨道的设计特点，为了减少轨道连接件对巡检机器人惯性导航定位的影响，采用惯导/里程计增量组合导航完成对巡检机器人定位，实验表明此方案在40km的道路上测量定位精度能达到10-3量级。同时通过对巡检机器人经过轨道连接点时的陀螺仪数据动态分析，完成对轨道连接件的识别以及抖动点的检测，从而通过抖动检测实现分段滤波来提高巡检机器人的定位精度。实验结果表明，轨道连接件的判断准确，基于抖动检测的分段滤波能有效提升巡检机器人的定位精度。
针对综采工作面设备数量多、体积大、空间狭小且随工作面推移，环境不断变化的特点，设计了一种可以独立完成巡检任务的巡检机器人系统，通过在机器人上搭载三维扫描仪完成对地下空间工作面场景重建，并采用刚柔一体化的轨道设计来适应综采工作面环境。针对刚柔一体化轨道的设计特点，为了减少轨道连接件对巡检机器人惯性导航定位的影响，采用惯导/里程计增量组合导航完成对巡检机器人定位，实验表明此方案在40km的道路上测量定位精度能达到10-3量级。同时通过对巡检机器人经过轨道连接点时的陀螺仪数据动态分析，完成对轨道连接件的识别以及抖动点的检测，从而通过抖动检测实现分段滤波来提高巡检机器人的定位精度。实验结果表明，轨道连接件的判断准确，基于抖动检测的分段滤波能有效提升巡检机器人的定位精度。
<摘要>(70)
2023, 49(2): 1-5.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18072
摘要: 大功率无线电波会点燃爆炸性气体。因此，需合理设置无线电发射器发射的无线电波防爆安全功率和能量阈值，限制无线电发射器发射的无线电波功率和能量。欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》规定的无线电波防爆安全功率和能量阈值是点火功率和能量阈值。国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境 第1部分:设备 通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》直接引用欧洲标准CLC/TR 50427:2004规定的无线电波防爆安全功率和能量阈值，但错误地将连续无线电波防爆安全点火功率阈值修改为发射器的有效输出功率与天线增益的乘积，从而造成连续无线电波防爆安全发射功率阈值降低；在传输衰减和接收灵敏度一定的条件下，降低了无线传输距离，不利于矿井无线通信系统和人员定位系统的推广应用。因此，国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定的连续无线电波防爆安全功率阈值应为点火功率阈值，而不是发射器的有效输出功率与天线增益的乘积。
2023, 49(2): 6-13.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18061
摘要: 目前矿山智能化建设存在接口协议不统一、易形成新的“信息孤岛”等问题，导致矿山数据融合共享难度大，难以实现智能化矿山高质量发展。分析指出矿山智能化建设的关键问题在于缺乏规范统一的数据采集、传输与共享标准；按照核心规范、应用规范、运维规范，设计了智能化矿山通信接口与协议技术体系；提出了智能化矿山通信接口与协议模型，定义了该模型的感知层、传输层、应用层；构建了智能化矿山设备模型，对通信接口进行形式化描述；将智能化矿山数据分为感知数据、文本数据和音视频数据，定义了3种数据的报文结构；根据目前矿山设备、技术应用情况和发展方向，将智能矿山数据采集方式分为设备直接采集、协议转换采集、系统中转采集，给出了3种数据采集方式的适用场景，并描述了感知数据、文本数据、音视频数据的采集和传输过程。智能化矿山通信接口与协议技术规范全域覆盖矿山数据融合通信的整个过程，旨在为智能化矿山数据采集、传输、融合、共享提供统一的接口方式和通信协议规范，实现矿山各系统之间的互联互通。
2023, 49(2): 14-22.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18020
摘要: 现有矿井动目标定位系统存在井下无线信号传输衰减严重、非视距误差较大、井下电磁环境复杂、动静目标感知范围广、多系统信息融合联动性强等问题，目前针对矿井动目标精确定位技术及优化方法的研究未全面分析动目标精确定位服务的特点和技术要求，且缺少主流与新兴定位技术的全面对比。针对上述问题，分析了常用信号传输技术和定位测距方法在矿井动目标精确定位系统中应用的优缺点，指出无线电定位技术是较为适合、可行的矿井动目标精确定位技术。从信号防碰撞技术、误差消除方法、定位结果优化方法和融合定位技术4个方面分析了我国矿井动目标精确定位优化方法的研究现状，总结了存在的问题：① 信号防碰撞算法的综合性仍需改进。② 测距误差控制手段的高效性有待提升。③ 融合定位方法在生产现场中应用尚不成熟。④ 系统的应急救援辅助作用未充分发挥。针对现有技术的不足，展望了矿井动目标精确定位技术的发展趋势：① 研究动态环境下信号冲突机制和冲突后恢复机制，设计综合信号防碰撞方案。② 研究精确、高效、经济的测距误差控制方案，节约通信成本。③ 设计多种定位方法深度融合的动态定位方案，提升系统的可靠性、灵活性和应用性。④ 研究多系统联动方案及极端情况下应急通信与定位恢复机制，充分发挥系统在应急救援中的作用。
2023, 49(2): 23-30, 55.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120050
摘要: 煤矿灾害综合管控是智能矿山建设进程中需要重点解决的难题，借助数字孪生技术实现煤矿灾害的常态化管控是智能矿山建设的必然要求。从数字孪生内涵及本质出发，分析了数字孪生认识规律，并结合煤矿灾害数字孪生数据交互流程，提出了数字孪生技术在煤矿灾害研究中的应用模式：通过煤矿井下灾害监测传感器等设备进行实时监测，将监测数据通过边缘通信模块、云端通信模块上传至云端；数字孪生数值仿真软件部署在云端，利用传感器上传的监测数据作为初始条件参数、边界条件参数、效果验证参数，经过实时仿真分析，通过不断试错，寻求最佳的优化参数及解决方案；当技术手段在孪生世界应用成熟后，可用于对虚拟实体的最佳参数、解决方案等进行分析、判断、决策，并下发决策指令至井下执行器，控制灾害防治装备动作。从灾害监测方案优化、灾害预演及避灾路线精准规划、灾后救援方案制订及事故调查3个方面探讨了数字孪生赋能灾害预测性管控的实际应用。以工业互联网“云−管−边−端”架构为基础，构建了煤矿灾害数字孪生服务体系，并分析了面向矿山灾害的数字孪生关键技术，包括煤矿灾害智能感知和执行装备、煤矿灾害仿真软件、共性支撑技术，以期为数字孪生赋能智能矿山建设提供参考。
2023, 49(2): 31-37.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18066
摘要: 直线度问题是综采工作面智能化建设的卡脖子问题之一，解决该问题的关键在于刮板输送机或者液压支架群的位姿获取。目前针对综采工作面直线度的研究大多是对液压支架和刮板输送机的直线度分别进行讨论，存在成本高、实现困难等问题。针对该问题，基于虚拟现实（VR）与数字孪生（DT）技术对综采工作面直线度求解方法进行探索，将液压支架、浮动连接机构、刮板输送机看作一个系统来进行整体考虑，搭建了综采工作面直线度求解框架，主要分为机理解析、模型构建、融合推演、重构监测、预测控制5个步骤。指出综采支运装备相对位置关系分析的关键在于连接液压支架底座与刮板输送机的浮动连接机构，根据浮动连接机构的运动特性将其简化为机器人模型，进行正逆向运动解析；依据真实的煤层环境，在Unity3D中建立基于关节的综采支运装备运动仿真模型，构建VR场景，实现虚实映射；通过非接触式视觉传感器、虚拟传感器、虚实融合等技术，融合传感器及点云信息进行支运装备位姿推演；利用虚实交互技术，联合真实物理场景构建DT系统，实现综采工作面虚拟监测；在虚拟场景中对保证直线度所需的推移行程进行预测，并将其反馈至物理场景中进行直线度控制。
2023, 49(2): 38-46.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022040019
摘要: 立足于数字孪生的基本概念和内涵，分析了数字孪生技术在煤矿电网中的应用优势：以同步实体运行状态、数字化模拟运行 2 种手段来辅助煤矿电网的运行管理，具有数据驱动、实时更新、同步反馈的特点。提出了由煤矿电网物理实体层、煤矿电网数字孪生模型层、用户管理服务层、数据交流层组成的煤矿电网数字孪生体系基本架构，从物理实体、数字孪生模型2个方面探索了煤矿电网数字孪生体系运行模式。介绍了建立煤矿电网数字孪生体系的关键技术：煤矿电网数字孪生模型构建、智能数据采集、基于5G的智能通信、数字孪生智能数据库、数字孪生设备智能管理平台。给出了数字孪生技术在煤矿电网中的具体应用场景，包括煤矿井下电气设备状态评估、煤矿电网故障定位和保护、煤矿电网智能监控、煤矿井下线路智能巡检。将数字孪生技术应用在煤矿电网中，对煤矿电网的状态和运行进行动态仿真建模，一方面可以满足当今规模庞大的煤矿电网相对地面电网更高的运行要求，保障煤矿生产安全性，另一方面可推进煤矿电网的智能化进程，实现数据资源高效合理利用。
2023, 49(2): 47-55.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120061
摘要: 针对现有煤矿设备数字孪生建模方法主要侧重对单一设备进行建模，缺少三机耦合协同关系分析的问题，提出了综采工作面三机数字孪生及协同建模方法。采用智能体建模方法构建包含感知单元、控制单元和执行单元的采煤机、液压支架、刮板输送机智能体模型，依据三维建模流程构建对应的可视化模型，以智能体模型驱动三维模型运动，二者结合构成三机数字孪生模型；采用离散事件建模方法构建涵盖三机数字孪生模型交互过程的协同工艺模型，按照时序梳理三机开采工艺，形成三机协同工艺时序表。数字孪生模型用于描述综采三机的状态与行为，进行个体层面的仿真计算；协同工艺模型用于表征数字孪生模型之间的时序动作转换，实现对三机协同过程整体的推演。采煤机数字孪生模型的摇臂升降仿真实验结果表明，与真实设备测量数据对比，模型误差小，摇臂倾角平均误差为2.3°；液压支架数字孪生模型的连续升柱动作仿真实验结果表明，模型与真实设备的一致性好，与真实设备测量数据对比，角度平均误差为0.14°，行程平均误差为6.3 mm；结合煤矿实际生产日志对构建的三机协同模型进行虚实仿真实验，结果表明，所构建的综采工作面三机数字孪生模型与真实设备实现了相互映射，仿真结果与真实记录接近，三机协同模型可以较为准确地反映协同开采过程。综采工作面三机数字孪生及协同建模方法为综采设备及其协同关系的数字孪生建模提供了新思路。
2023, 49(2): 56-62, 76.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18055
摘要: 针对综采自动化跟机工艺设计和参数调试成本高、周期长、过程繁琐的问题，提出了综采跟机工艺数字孪生系统架构，从物理设备、虚实交互、孪生数据、机理模型、仿真算法和工艺应用等层面进行分析，并对跟机工艺数据传输和存储、跟机工艺历史回放、实时跟机工艺孪生演绎、跟机工艺预演仿真、跟机工艺指令调度等关键技术进行了详细描述。提出了综采跟机工艺数字孪生系统技术路线：通过万兆光纤环网+5G通信将采煤机工艺动作数据汇集到采煤机主机，将串行支架控制器发出的支架工艺动作数据汇集到电液控主机，对工艺数据按动作时序进行收集、归类、编码，作为工艺过程回放的数据源；同时，主机将实时上报的跟机工艺数据转发给三维数字孪生系统，在三维虚拟场景中孪生演绎跟机过程；在人机交互界面完成跟机工艺参数配置后，可在三维场景中预演综采跟机工艺过程；在实时开采过程中，汇集各类传感数据，结合预演无误的跟机工艺，系统统筹下发工艺调度指令，将支架控制器从决策者转变为执行者，克服因井下空间不足导致控制器算力有限的局限性。现场应用结果表明，综采跟机工艺数字孪生系统可为综采跟机工艺设计、参数配置、仿真测试提供技术参考，使跟机工艺开发周期由14 d缩短至1 d，跟机工艺设计修改更加便捷，综采工作面跟机自动化率提高到90%以上。
