留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2020年  第46卷  第5期

分析研究
矿用5G频段选择及天线优化设置研究
孙继平, 张高敏
2020, 46(5): 1-7. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17592
摘要:
矿井无线通信和矿用5G移动通信技术是煤矿智能化关键技术之一。为提高煤矿井下无线传输距离、绕射能力及无线通信系统的稳定性和可靠性,减少基站用量、组网成本和维护工作量,研究了矿用5G工作频段和基站天线位置对无线传输损耗和传输距离的影响。主要结论如下:① 煤矿井下无线发射功率受本质安全防爆限制,接收灵敏度受电磁噪声限制,天线增益受本质安全防爆和巷道空间限制。在煤矿井下无线发射功率、接收灵敏度、天线增益受限的情况下,应通过优选无线工作频段和优化天线设置位置,提高矿井无线传输距离和绕射能力,提高系统稳定性和可靠性,减少基站用量、组网成本和维护工作量。② 矿用5G工作频段应优选700 MHz。煤矿井下700 MHz频段与现有5G其他工作频段2.6,3.5,4.9 GHz相比,具有无线传输损耗小、无线传输距离远、绕射能力强、基站用量少、组网成本低和维护工作量小等优点。③ 提出的传输损耗/位置变化率分析方法便于分析巷道横向不同区域位置变化引起的无线传输损耗变化情况。④ 无线基站天线应靠近巷帮设置,距巷帮不小于0.01 m,垂向位于巷道高度约2/5处。这样既不影响行人和行车、便于安装维护,也可以满足无线传输损耗较小、无线传输距离较远的要求。⑤ 矿用手机、人员定位卡、便携式无线甲烷检测报警仪、多功能无线矿灯、便携式无线摄像机、便携式无线仪器设备、可穿戴无线设备、车辆定位卡、车载无线设备、无线摄像机、无线传感器、物联网设备等无线终端,在不影响使用的条件下应尽量靠近巷道中心,以提高无线传输距离。
人工智能技术在矿山智能化建设中的应用初探
马小平, 杨雪苗, 胡延军, 缪燕子
2020, 46(5): 8-14. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17593
摘要:
介绍了人工智能技术的相关概念、发展概述及其在煤炭行业发展中的应用,指出目前人工智能技术在矿山应用只是点状结合和浅度结合,没有实现人工智能技术和矿山某个生产或管理系统层面的深度融合。概述了智能矿山的发展历程,指出智能矿山是人工智能技术、大数据技术、物联网技术和矿山实体的深度融合体,利用智能通信、智能控制和智能计算技术实现数字化矿山的计算、处理,构建数字孪生矿山,通过数字孪生矿山和物理矿山的智能交互演化,达到对煤矿安全、高效、绿色的生产控制。构建了将人工智能技术和矿山深度融合的包括设备层、智能层、应用层的智能矿山三层构架:应用层处于智能矿山的最高层,其中的数字孪生矿山子层相当于“数字大脑”,实现矿山最高层次的智能控制;智能层中的智能体要求子系统不仅仅是应用人工智能技术处理子系统所产生的数据,而是从架构上就要将智能计算、智能通信、智能控制融为一体。展望了智能矿山建设的发展趋势:智能化矿山需要加强人工智能技术和矿山融合度的深入研究,将现有的基于人工智能的故障检测、诊断及超前干预技术应用到机器人系统中,智能计算、智能通信、智能控制融合的巡检机器人将是最早能推广的井下智能体之一;智能化矿山需要进一步加强复杂巨系统建模技术的研究,只有建立了矿山的复杂巨系统模型,才能实现采矿活动和环境的协同互动,实现采煤活动的精准控制,复杂巨系统模型的缺乏将是未来智能矿山建设亟需解决的问题。
面向智能矿山与新工科的数字孪生技术研究
张帆, 李闯, 李昊, 刘毅
2020, 46(5): 15-20. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020040042
摘要:
将数字孪生与人工智能(AI)技术相结合,提出了基于数字孪生+AI的智能矿山建设新思路。探索了智能矿山技术发展路径,研究了数字孪生技术的特征、应用领域及发展趋势,指出数字孪生是数字化矿山发展的必然趋势。提出了基于数字孪生+AI的智能矿山理论架构,构建了矿山数字孪生模型,模型自下而上分别为矿山全要素物理实体、矿山信息物理融合层、矿山数字孪生模型、矿山孪生数据交互层、矿山应用智能服务层,据此实现智能矿山的泛在感知、协同控制和智能决策与优化。从应用实际需求出发,探讨了智能矿山模型构建技术、智能开采数字孪生体技术、矿山智能控制技术、矿山设备故障预测、基于数字孪生的人机交互等关键技术。通过研究数字孪生在智能矿山中的应用,为AI技术在智能矿山应用落地提供思路,为未来智能矿山新工科建设提供理论借鉴。
纵轴式掘进机截割头载荷影响因素的仿真分析
冯君玲, 田慕琴, 贺颖, 王茜
2020, 46(5): 21-27. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090068
摘要:
针对现有掘进机截割头载荷特性研究方法采用单一影响因素不能全面反映截割头载荷及其波动变化规律的问题,通过分析截割头瞬时载荷,确定了纵轴式掘进机在水平截割工况下截割头载荷的主要影响因素有截割岩石特性、截割头掏槽深度、截割头吃刀深度、截割头转速和截割臂摆速。针对某纵轴式掘进机水平截割工况,采用Matlab对影响截割头载荷的多种因素进行仿真分析,得到了各向载荷及其波动随各因素的变化规律:截割头载荷随着岩壁普氏系数的增大而增加,其中横向阻力增加尤为明显,横向阻力波动程度高于其他方向载荷,且随着岩壁普氏系数的增大呈减小趋势;随着截割头掏槽深度的增加,截割头各向载荷近似呈线性增加,其中升力增加幅度最大,各向载荷波动则随着截割头掏槽深度的增大而减小;随着吃刀深度的增加,截割头载荷总体呈增大趋势,载荷波动程度则随之减小;在截割头转速一定的情况下,截割头载荷均随着截割臂摆速的增加而增大,在同一摆速下,截割头载荷随着截割头转速的减小而增大,横向阻力波动明显高于升力和推进阻力波动,横向阻力和推进阻力波动按截割头载荷规律变化,升力波动则与之相反。截割头载荷波动变化规律与截割头载荷变化规律不尽一致,有时甚至相互冲突。因此,掘进机作业过程中应合理选择截割头掏槽深度、吃刀深度等操作参数和截割头转速、截割臂摆速等运动参数,使各参数相互匹配,以减小掘进机振动,延长使用寿命。
2种灰色模型在矿区地表沉陷预计中的适用性
石晓宇, 张燕海, 杨可明, 姚树一, 王剑
2020, 46(5): 28-33. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090088
摘要:
目前矿区地表单点沉陷动态预计方法主要基于传统的水准测量数据,监测方法单一,成本高,观测点易破坏,不能保证地表形变信息的实时性,且采用灰色模型进行地表沉陷预计时只针对单一模型的应用,没有结合模型自身特点分析其适用性。以袁店二矿7221工作面为试验区域,采用合成孔径雷达差分干涉测量技术监测矿区地表沉陷量,分别建立了描述沉陷量与时间关系的GM(1,1)与灰色Verhulst模型进行地表沉陷量预计,实现了矿区地表沉陷监测与动态预计一体化。通过比较、分析GM(1,1)与灰色Verhulst模型对地表沉陷量的拟合及预计结果,得出了2种灰色模型在矿区地表沉陷预计中的适用性:在矿区开采沉陷开始至活跃前期,若地表单点沉陷量曲线呈近似单峰型,则宜采用GM(1,1)进行短期预计;当矿区地表沉陷进入衰退阶段,单点沉陷量曲线呈平底饱和状态,则宜采用灰色Verhulst模型进行中长期预计。
矿用直线振动筛结构故障分析
李栋, 刘跃, 王帅, 孟国营
2020, 46(5): 34-38. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019080095
摘要:
针对煤矿选煤厂直线振动筛工作过程中出现的结构故障问题,采用有限元仿真与现场测试结合的方法对振动筛出现故障的原因进行了分析研究。介绍了振动筛的主要结构及常见故障,并以某矿选煤厂发生大梁断裂的振动筛为例,对该振动筛进行三维建模和有限元模态分析,分析结果表明:随着模态阶次的增加,振型的变化逐渐由移动转为结构本身的扭曲变形。在该振动筛空载工作状态下,选用本质安全型便携式测振记录仪进行振动测试并处理测试信号,得到该振动筛的工作频率。结合模态分析结果和实际测试结果,判断出空载时频繁运行振动筛是造成其大梁断裂的主要原因。根据故障原因给出维护建议:应当尽量避免振动筛在空载或物料较少的状态下长时间运行;在振动筛投入使用前,应预先了解振动筛的工作状态及可能存在的薄弱环节,尽可能避免结构故障,保证振动筛可靠运行。
综采工作面智能化”专题
基于透明工作面的智能化开采概念、实现路径及关键技术
王峰
2020, 46(5): 39-42. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17509
摘要:
提出了以煤层透明化、综采装备透明化、决策及控制透明化为核心的基于透明工作面的智能化开采概念,即在综采工作面煤层地质增强感知的基础上实现工作面开采过程的全面感知、信息集成与分析、智能生产决策、综采装备自适应控制;从感知、分析、决策、执行4个层次指出了基于透明工作面的智能化开采实现路径,即煤层超前探测、“机-环”模型关联、采前规划决策及随采智能控制;阐述了基于透明工作面的智能化开采依托的三大关键技术,即地质勘探技术、综采装备定位技术及三维激光扫描技术。基于透明工作面的智能化开采以达到综采装备智能决策和自主执行为目标,可为最终实现无人化开采奠定坚实基础。
综采工作面采煤机和液压支架协同控制技术
刘清, 韩秀琪, 徐兰欣, 秦文光
2020, 46(5): 43-48. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17520
摘要:
针对综采工作面采煤机和液压支架协同控制效率较低问题,基于采煤机记忆割煤和液压支架跟机自动化控制技术,提出了一种综采工作面采煤机和液压支架协同控制技术。依据综采工作面生产作业工艺,对采煤机和液压支架作业工序进行划分后重新匹配,生成采煤机和液压支架协同工序,各工序中通过协同控制逻辑实现对采煤机牵引方向、速度和液压支架跟机动作的协同控制。应用结果表明,与人工干预控制模式相比,该技术降低了采煤机和液压支架控制对人工干预的依赖性,提高了综采工作面自动化水平,为实现无人化开采提供了技术支撑。
WiFi通信在薄煤层综采工作面的应用
董文博, 高思伟
2020, 46(5): 49-53. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17507
摘要:
针对薄煤层综采工作面对无线通信高可靠性、高带宽、低延时、广覆盖的需求,以榆家梁煤矿43101薄煤层综采工作面为应用背景,从频段选择、网络拓扑、基站布置、快速漫游切换机制等方面提出了应用于薄煤层综采工作面的WiFi通信方案:选择5.8 GHz为 WiFi通信优选频段;该工作面已铺设有线网络,WiFi基站直接连接到有线网络;为确定WiFi基站之间的间距,在该工作面选取2个测试点进行信号强度测试,得出需要每隔约57个支架设置1个WiFi基站,实现相邻WiFi基站之间无线信号重叠覆盖;基于在线扫描、客户端链接质量排序、智能学习、预连接、数据缓存5种技术完成快速漫游切换,确保工作面的客户端始终连接最佳信号的WiFi基站。测试结果表明,该方案实现了工作面无线信号全覆盖,具有较好的通信稳定性,通信速率达30 Mbit/s以上,漫游切换时间为25~50 ms,达到快速漫游目的。
受汽车无人驾驶启发的液压支架智能协同控制
牛剑峰
2020, 46(5): 54-56. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17569
摘要:
针对综采工作面液压支架控制精度低、协同性差、推移不齐等问题,借鉴汽车无人驾驶技术,提出了一种液压支架智能协同控制方法。将综采工作面每台液压支架看作是一辆“汽车”,该“汽车”靠移架动作向前行驶,靠底调、侧护板调整行驶方向,液压支架群组就像排成一排的“汽车”按照一定顺序前行,并保持排列队形。每台液压支架都有固定的目标行程,并受左右侧支架的位置约束,能够关注前方采煤机运行情况,兼顾邻架的状况,从而实现液压支架智能协同控制。该方法从液压支架精准推移控制、平行移架控制、护帮板控制、自动跟机闭环控制等方面探讨了液压支架智能协同控制,为解决综采工作面液压支架控制问题提供了一个思路。
实验研究
基于随机森林的综放工作面煤矸图像识别
薛光辉, 李秀莹, 钱孝玲, 张云飞
2020, 46(5): 57-62. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019110064
摘要:
针对目前综放工作面煤矸图像识别方法存在的参数调节难度高、预测准确率低、易过拟合等问题,提出了一种基于随机森林(RF)算法的综放工作面煤矸图像识别方法。以担水沟煤矿6203综放工作面为工程背景,采集放煤口的煤矸图像并对其进行裁剪、灰度转化、对比度增强、图像滤波预处理;采用灰度-梯度共生矩阵提取出15个煤矸图像纹理特征;采用RF算法对15个煤矸纹理特征的重要性进行排序,并选取前5个实现降维处理,分析降维前后RF算法对煤矸图像的识别效果。结果表明,在决策树个数为150、采用logM2+1方法计算每次分裂时的特征数情况下,降维后RF模型的煤矸分类准确率为97%,比降维前提高4%,煤矸分类查准率为0.98,查全率为0.96,且袋外错误经50次迭代达到9%,泛化能力更强。
一种煤矿井下输煤大块物检测方法
杜京义, 郝乐, 王悦阳, 杨若楠, 文静怡
2020, 46(5): 63-68. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090067
摘要:
针对现有煤矿井下输煤大块物检测方法存在无法检测大块物数量且检测精度不高的问题,提出了一种基于改进HED神经网络融合Canny算子的煤矿井下输煤大块物检测方法。采用提取反射分量结合边缘保留滤波方法对采集的图像进行预处理,增强图像亮度、对比度,加深图像边缘信息;将预处理的图像代入改进的HED神经网络与Canny算子的融合模型中,得到连续的大块物边缘图像,根据边缘图像做非运算得到二值化填充图像;对二值化填充图像中的大块物进行矩形标注,计算出大块物像素个数与面积;统计大块物数量并判断大块物面积是否高于设定阈值,若高于设定阈值,则报警。实验结果表明,基于改进HED神经网络融合Canny算子的煤矿井下输煤大块物检测方法具有较好的边缘检测效果,能够有效降低图像边缘检测误差,有效统计出大块物数量,并能计算出大块物的面积。
基于802.11ah井下监测传感网的RAW重分组研究
杨俊秋, 王艳芬, 王倩玉, 陈晓晶, 刘丰祯, 孙彦景
2020, 46(5): 69-75. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17547
摘要:
现有的ZigBee、超宽带、WiFi等井下无线传感网通信技术或传输距离短,或传输速率较低,或覆盖范围与接入设备数量受限,而IEEE 802.11ah协议满足井下无线传感网对传输范围、功耗、网络容量、传输速率等的要求,可用于井下监测传感网传输周期性监测数据。针对802.11ah协议中MAC层标准限制接入窗口(RAW)机制在进行传感节点分组时不灵活、易导致组间负载不平衡的问题,提出了一种基于时延优化的RAW重分组方法:根据数据包预计传输时间对所有传感节点重新分组,通过3次分组来减少RAW组内节点碰撞、降低传输时延。为实现RAW重分组,提出了关联标识符(AID)分组重分配方法:采用部分传感节点断开关联的方式,按重分组后的RAW组分批次为节点重新分配AID,并将AID与节点MAC映射,从而减小RAW重分组时间开销,避免AID重分配过程中因数据无法传输而导致网络性能下降。仿真结果表明,随着井下监测传感网中传感节点增多,RAW重分组方法较标准RAW机制的网络时延更小、吞吐量更大、丢包率更低,且重分组过程对网络性能影响较小。
一种矿用变频器滤波装置
荣相, 史晗, 蒋德智, 眭先明, 王越
2020, 46(5): 76-81. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17504
摘要:
矿用变频器与电动机通过长线电缆连接,脉宽调制(PWM)脉冲在传输过程中存在电压反射现象,从而引起电动机端产生尖峰电压,严重影响变频驱动系统的运行可靠性。目前,矿用隔爆变频器一般采用串联输出电抗器的方式来抑制尖峰电压,但抑制效果有限;而采用RC滤波装置和LRC滤波装置抑制尖峰电压的方法主要针对380,660 V变频器,不能满足煤矿井下1 140 V变频器对尖峰电压的抑制要求。针对长线电缆远距离传输引起的尖峰现象,分析了实际应用中电动机负载、PWM上升时间及电缆长度对尖峰电压的影响:长线电缆终端反射系数对电动机负载的变化不敏感,在滤波参数的设计过程中可忽略电动机负载的影响;PWM上升时间越长,电缆长度越短,则电动机端尖峰电压越小。根据上述分析,结合电缆长度和装置功率损耗,提出了一种适用于煤矿井下1 140 V变频器的LRC滤波装置设计方案,在PWM脉冲信号传入长线电缆之前,利用该LRC滤波装置延长PWM上升时间,达到抑制尖峰电压和高du/dt的目的。仿真和试验结果验证了该滤波装置的有效性。
基于Park变换的三电平逆变器开路故障诊断
任晓红, 万红, 俞啸, 丁恩杰
2020, 46(5): 82-86. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17523
摘要:
针对现有二极管钳位式(NPC)三电平逆变器开路故障诊断方法存在计算量大、准确率受噪声和负载等影响的问题,提出了一种基于Park变换的三电平逆变器开路故障诊断方法。对三电平逆变器三相输出电流进行Park变换,计算平均电流Park矢量;利用滑动窗口取得单周期电流信号,根据逆变器电路结构分析IGBT故障时输出电流变化;采用迭代法确定平均电流Park矢量模值的阈值,结合相角和模值进行三电平逆变器功率管13种开路故障的识别和定位。仿真结果表明,该方法故障诊断准确率达到了98.31%。与传统的开路故障诊断方法相比,该方法不需要对13种开路故障数据进行学习和训练,大大减少了计算量,提高了故障诊断效率和准确率。
矿用LCL型三电平静止无功发生器控制策略
张传金, 李雨潭, 刘战, 唐轶, 张晓
2020, 46(5): 87-93. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020010065
摘要:
为适应煤矿井下特殊环境,减小矿用静止无功发生器(SVG)的体积和质量,采用LCL滤波器和三电平逆变器作为矿用SVG的主电路拓扑,并针对LCL滤波器电流谐振问题和三电平逆变器中点电位不平衡问题,提出了一种基于串联双电流环有源阻尼控制和动态比例空间矢量调制的矿用LCL型三电平SVG控制策略。串联双电流环有源阻尼控制在网侧电流外环PI控制的基础上,通过增加滤波电容电流内环反馈控制使LCL滤波器具有阻尼特性,有效抑制了电流谐振;动态比例空间矢量调制在基本空间矢量中引入动态比例调整因子,对单位开关周期内平均中点电流进行实时控制,从而实现对中点电位平衡的控制。仿真和实验结果验证了该控制策略在LCL滤波器无阻尼电阻和直流母线电容较小情况下的可行性和良好效果。
煤粒瓦斯解吸时变规律实验研究
姚壮壮
2020, 46(5): 94-98. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019080084
摘要:
针对目前瓦斯解吸研究采样范围小、解吸模型计算结果与实测数据之间存在误差等问题,采集多个煤矿的煤样进行解吸实验,扩大煤样采集范围;基于搭建的煤粒瓦斯解吸实验平台,采用控制变量法,分析煤粒在不同吸附平衡压力、不同温度、不同粒度下的瓦斯解吸时变规律。得出以下结论:吸附平衡压力越大,瓦斯解吸量越大;粒度越大,解吸量和解吸速度越小,到达阈值粒度后,粒度对解吸量和解吸速度的影响较小;温度越高,解吸量越大;随着时间的增加,瓦斯解吸量逐渐增加,瓦斯解吸速度逐渐减小。对不同地质条件下的煤样进行解吸实验研究,提高了瓦斯解吸模型的适用性,进一步验证了温度、粒度等主控因素对瓦斯解吸规律的影响。
经验交流
矿井提升机自适应无线通信系统设计
阎东慧
2020, 46(5): 99-103. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020010004
摘要:
目前,矿井提升机有线通信系统布线繁琐、检修复杂,而无线通信系统因发射功率、频率和天线辐射方向固定,存在无线通信距离有限、信号无法根据井筒形状和长度灵活覆盖、通信信号不稳定等弊端。针对上述问题,设计了一种矿井提升机自适应无线通信系统。该系统所有设备的数据均通过以太网接口输入,无线通信部分采用接收信号强度自动感知、工作频率和辐射波束自动调整的自适应天线,可以将无线摄像仪、无线电话等矿用设备进行无线互连,实现提升机、罐耳、油缸、钢丝绳及天轮等主要设施的视频监视、数据监测及语音通信。当提升机运行时,系统根据立井井筒的结构、深度与尺寸,自动调整位于井筒顶部的天线的工作参数,使得天线能够始终对准移动中的提升机,通信设备的工作频率和功率始终处于最佳状态,保证了无线信号的良好覆盖。现场应用结果表明,提升机运行时地面调度人员能够实时监视天轮、井筒、罐耳及提升机内部状况,可随时与提升机内人员通话,图像清晰,语音通信流畅,且设备功耗低。
负载均衡算法在智慧矿山软件平台中的应用
郭秀才, 张悦, 贺耀宜
2020, 46(5): 104-107. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019110054
摘要:
针对现有负载均衡算法在处理智慧矿山系统数据时存在处理速度慢、无法合理利用现有资源完成任务调度等问题,提出一种基于布谷鸟搜索的加权最小连接数(CS-WLC)算法,并将其应用于智慧矿山软件平台解决负载均衡问题。该算法综合考虑后端服务器处理速率、内存容量、磁盘IO速率、网络吞吐量、进程数指标,通过对指标赋予权值计算各后端服务器利用率;根据计算结果,采用布谷鸟搜索算法对后端服务器进行全局寻优,得到一组较优解;考虑连接数及使用频率对后端服务器赋予权值,采用加权最小连接数(WLC)算法在较优解中选取负载较轻的后端服务器处理实时数据存取和用户访问请求。采用分布式融合性监控系统软件平台进行负载均衡测试,结果表明在数据量不断增多的情况下,与WLC算法相比,CS-WLC算法应答时延小、响应连接数多,从而验证了CS-WLC算法具有更好的负载均衡效果。
跨平台矿井应急救援路径寻优方案研究
郝天轩, 赵立桢
2020, 46(5): 108-112. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019100068
摘要:
目前煤矿应急救援路径优化研究多处于计算机模拟计算阶段,为了进一步推进其在实际巷道复杂环境条件下的应用,提出了一种跨平台矿井应急救援路径寻优方案。将巷道通行影响因素抽象为方便计算的影响因子,结合巷道实际长度与通行难度计算巷道当量值;将当量值作为路径长度,采用Dijkstra算法求解矿井应急救援路径;利用Unity引擎的跨平台特性,在计算机、移动端等平台运行应急救援路径寻优算法。实际应用结果表明,该方案能够绕过因事故而无法通行的路段,给出准确有效的井下避灾路径,从而为井下应急救援路径寻优的现场应用提供技术支持。