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2023年  第49卷  第6期

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《工矿自动化》创刊50周年纪念专刊
从煤矿机械化到自动化和智能化的发展与创新实践—纪念《工矿自动化》创刊50周年
王国法, 杜毅博, 陈晓晶, 王晖, 包建军, 邢震, 贺耀宜, 韩安, 顾义东
2023, 49(6): 1-18. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18132
<摘要>(1339) <HTML> (44) <PDF>(146)
摘要:
回顾《工矿自动化》杂志推动和见证中国煤炭50年从煤矿机械化到自动化和智能化发展与创新实践的发展概况,阐述了煤矿自动化和智能化的创新历程。对煤矿信息基础设施、自动化及智能化装备和系统的研发与实践进行了分析。实现异构网络融合与统一承载是煤矿自动化、智能化的信息基础。在主干网+接入网异构网络不断成熟的基础上,有线通信传输速率已达10 Gibit/s以上,5G和WiFi6等无线通信技术得到广泛应用,为煤矿智能化建设提供了可靠的通信平台;将有线通信、无线通信、IP广播、人员位置监测系统、视频监控系统融合,构建多网融合通信系统,实现了融合承载网络与统一位置服务。煤矿自动化、智能化装备发展迅速,采煤工作面在实现工作面采煤机记忆截割、液压支架自动跟机移架等技术的基础上,探索基于透明地质的工作面自适应截割技术、自动放煤控制技术等;掘进工作面在实现仿形截割、定位导航、远程控制的基础上,针对钻锚一体化、多机协同、基于地质模型的掘进截割模板规划等技术进行攻关,取得较好效果;智能变频节能传动支撑煤流运输系统智能装备发展;煤矿机器人集成研发及应用,巡检机器人成熟应用,智能辅助作业机器人得到攻关,多场景机器人集群调度指挥系统研发形成机器人集群。煤矿自动化和智能化建设由单系统自动化、矿井综合自动化、矿山物联网阶段正式迈入智能矿山综合管控阶段,实现智能感知、智能自控、高速传输、协同管控和智能决策是智能化发展的必然要求。提出了煤矿智能化技术迭代发展重点方向,包括建立高精度透明地质模型、无人操作系统常态化可靠运行、构建煤矿巨系统智能化兼容与协同机制、“掘、采、运、洗、销”全流程智能协同管控、优化柔性煤炭生产供给体系。
新一代信息技术赋能煤矿装备数智化转型升级
金智新, 闫志蕊, 王宏伟, 李正龙, 史凌凯
2023, 49(6): 19-31. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18123
<摘要>(825) <HTML> (23) <PDF>(78)
摘要:
当前,煤矿智能化建设正处于初级向中高级智能化过渡探索期,现有智能装备自主创新能力尚需加强,核心技术“卡脖子”,井下复杂赋存条件下可靠性问题突出,如何利用新一代信息技术,纵深推动煤矿装备数智化转型升级,以数字化、智能化推动煤炭安全高效绿色开采具有重要意义。回顾了我国煤炭开采技术与装备智能化发展的演进过程,分析了煤炭开采各阶段的生产特征,认为煤矿智能化彻底改变了煤炭生产方式,生产要素以智能装备、智能化系统和复合型技术人才为主,从本质上提升了煤矿安全高效生产水平,助推煤矿实现减人增安提效。其中智能煤矿装备是煤矿智能化的核心要素,面对未来煤矿装备数智化转型发展的需求,探索了新一代信息技术与煤矿装备融合发展的路径,即以装备为智能化载体,通过新一代信息技术赋予装备智能感知与分析、智能判断与推理、智能决策与控制、智能诊断与学习的类人化智能化能力,并构建了物联网、5G、大数据、云计算、人工智能技术赋能煤矿装备智能感知、智能传输、智能分析、智能计算和智能决策的系统架构。深入分析了煤矿装备数智化发展过程中存在的理论、技术和人才难题,提出了煤矿装备数智化发展的建议:夯实基础是第一要务,须构建煤矿装备智能化顶层设计理论体系,加强关键核心技术攻关,加快新型基础设施建设,夯实煤矿智能化发展根基;煤矿装备智能化技术与煤矿特殊应用场景协同耦合发展,贴近煤矿井下现场需求,形成煤矿专用场景智能化技术,探索装备数智融合创新模式;智能技术与绿色开采技术相互融合促进,打造数字化、智能化、绿色化装备,开发煤炭智能高效低碳开采新模式,促进煤炭生产节能降耗;建立健全煤矿智能化人才培养体系,培养多学科交叉复合型人才,为煤矿智能化建设增强人才储备力量。
煤矿井下空气质量革命技术现状与展望
袁亮, 薛生, 郑晓亮, 江丙友
2023, 49(6): 32-40. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18130
<摘要>(851) <HTML> (39) <PDF>(66)
摘要:
我国煤矿安全高效开采技术处于世界领先水平,但以粉尘为主的毒害物质、高温、高湿、噪声等多种职业危害因素诱发的职业疾病长期困扰煤矿从业人员,目前职业病危害已超过安全事故对职工的伤害,严重制约行业未来发展。提出了井下空气质量革命理念,全面总结了井下控降尘技术(包括煤层注水减尘技术、喷雾降尘技术、通风排尘技术、化学试剂抑尘技术、井下空气质量革命控降尘体系)、燃油车辆尾气治理、井下空气质量监测预警系统的现状。为进一步推进井下空气质量革命理论与技术突破,立足于“分源−分区−分级−分策”的粉尘高效治理理念,寻求建立多源多相多场粉尘协同降尘与综合治理的理论体系;指明了采掘区域粉尘高效智能防控技术及装备、矿井粉尘环境多参量同步智能监测技术及装备等关键技术装备的发展方向;指出必须充分融合理工医管学科建立煤矿粉尘防控多主体协同体系,为井下空气质量革命由目前的起步阶段向中高级阶段发展奠定理论与技术基础,分步实现煤矿从业人员生命全周期职业健康的目标,最终做到煤矿职业病少发病或零发病,助力健康中国战略。
矿井人员位置监测技术
孙继平
2023, 49(6): 41-47. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18138
<摘要>(694) <HTML> (29) <PDF>(70)
摘要:
分析了超声波、激光、视频、惯导、计步器、无线电等矿井测距和定位技术,其中,无线电测距和定位具有定位距离远、定位误差较小、不受光照影响、受粉尘影响小、便于身份识别、系统成本较低等优点,宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。分析了UWB,ZigBee,RFID,5G,WiFi6等无线电测距和定位技术:矿用UWB具有定位距离较远、定位误差最小、成本较低等优点,宜用于矿井人员精确定位系统;矿用ZigBee具有定位距离远、定位误差较小、成本较低等优点,宜用于矿井人员定位系统等;矿用RFID具有系统成本最低等优点,宜用于煤矿井下作业人员管理系统等;矿井5G和WiFi6定位精度低于UWB,系统成本高于ZigBee,不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位系统。分析了接收的信号强度指示(RSSI)、到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、双程测距(TWR)、对称双边双程测距(SDS−TWR)、到达角度(AOA)等矿井人员定位算法:RSSI定位法定位误差大,难以满足矿井人员定位和矿井人员精确定位的需求;TOA定位法要求定位卡和分站时钟计时精确并同步,定位卡和定位分站成本高,不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位;TDOA定位法不要求定位卡与定位分站时钟同步,对定位卡时钟精度要求低,定位卡成本低,但要求定位分站时钟计时精确,定位分站之间时钟同步,定位分站成本高,可用于矿井人员定位和矿井人员精确定位;TWR定位法和SDS−TWR定位法既不需要定位分站与定位卡时钟同步,也不需要定位分站之间时钟同步,更不需要定位卡之间时钟同步,降低了定位卡和定位分站复杂度和成本,宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位;AOA定位法系统复杂、成本高,远距离定位误差大,有定位死角,只能用于直线无障碍定位,定位天线和定位精度受机械振动等影响大,不宜独立用于矿井人员定位和矿井人员精确定位,但可与其他矿井定位方法联合使用。
矿井密闭全生命周期安全风险监测预警
周福宝, 时国庆, 王雁鸣, 魏连江, 辛海会
2023, 49(6): 48-56. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18139
<摘要>(633) <HTML> (18) <PDF>(27)
摘要:
矿井密闭是分隔生产系统与废弃系统的关键设施,做好全生命周期风险管控对保障安全生产意义重大。基于矿井密闭综合管控技术现状,从静态属性信息管理与动态信息监控2个方面剖析了现有密闭管理模式的不足。提出了密闭全生命周期智能管控的理念,指明基于物联网(IoT)+人工智能(AI)+云平台(CP)的大数据策略与集成云边端架构的密闭安全风险监测预警总体建设路径。应用IoT平台接入密闭单元的数字化监测与联动控制设备,实现密闭全生命周期管控透明化;以密闭信息演化征兆及边缘高效计算为核心,部署移动端、边缘计算机等现场终端,适配密闭服役状态的在线预测与超前预警;在智慧云端,以多源融合信息与数字孪生模型为核心,实时迭代重构分布式矿井密闭的虚拟现实场景及其全生命周期演化特征。分析了密闭环境演化信息的物理−数字驱动模式、密闭感知信息的多源异构数据融合模型、密闭异常边缘检测与分级智能预警、密闭全生命周期应急智能决策与协同防控等关键理论与模型构建方法。设计了基于IoT的密闭全生命周期安全风险监测预警系统的物理与功能架构,研制了现场嵌入式密闭多参数一体化监测传感器及配套的智能化主机,提出了密闭风险的早期感知与监测预警方法,以期实现数字赋能,切实推进智慧矿山建设。
煤矿智能单轨吊研究进展与关键技术
马宏伟, 段优优, 薛旭升, 孙思雅, 张烨, 王川伟, 郭逸风, 崔闻达
2023, 49(6): 57-67. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023050001
<摘要>(813) <HTML> (126) <PDF>(77)
摘要:
分析了目前常用的5种矿用单轨吊(即防爆柴油机单轨吊、防爆蓄电池单轨吊、气动单轨吊、绳牵引单轨吊和电缆拖挂单轨吊)的优缺点,指出防爆柴油机单轨吊和防爆蓄电池单轨吊因运输能力强,已广泛应用于煤矿井下设备及物料运输,防爆蓄电池单轨吊因其绿色清洁的特点,逐渐成为煤矿井下辅助运输的重点研发装备。从电池驱动、定位、测控、信息传输4个方面分析了矿用单轨吊系统的研究现状,指出目前的矿用单轨吊系统存在自动化、智能化水平低等问题,要实现单轨吊智能化运输,需研究单轨吊锂电池防爆及电池管理、全局与局部融合精确定位、多传感器信息融合智能测控、边缘计算信息传输等关键技术。针对锂电池防爆及电池管理技术,提出了基于变密度法的防爆大容量锂电池结构拓扑优化设计方法,及基于改进麻雀搜索算法/遗传算法的均衡管理方案;针对精确定位技术,提出了惯导+里程计融合的全局定位方法,及基于视觉+UWB组合的局部定位方法;针对智能测控技术,提出了基于递推最小二乘算法/二阶近似扩展卡尔曼滤波的智能检测方法、随动电子围栏实时构建方法和基于模糊规则的矢量控制方法;针对信息传输技术,提出了基于融合5G网络的“本地−近程−地面”通信系统架构,及基于边缘计算的分布式数据计算及传输方法。煤矿智能单轨吊关键技术问题和解决方案的提出,为加快煤矿智能单轨吊发展提供了一种新思路。
地下煤火火源探测研究
邓军, 屈高阳, 任帅京, 王伟峰, 王彩萍, 王津睿
2023, 49(6): 68-77. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18096
<摘要>(639) <HTML> (13) <PDF>(33)
摘要:
介绍了煤火的演化发展过程及煤火的特点,阐述了按照探测器空间位置不同划分的4层空间探测技术,即地下探测法、地表探测法、航空探测法及航天探测法的探测机理及研究进展,分析了上述4种探测技术的优缺点。指出现有研究存在的问题:① 探测精度不足,获取范围难以精准圈定。② 探测技术落后,火区高温点精准探测困难。③ 探测手段单一,无法准确判断地下煤火燃烧具体信息。针对地下煤火呈现出隐蔽性、耦合性、复杂性等新特点,提出了地下煤火火源探测技术发展方向:① 对探测仪器数据进行精细化处理,提高磁性差对温度的灵敏度、电阻率法的检测精度、红外探测法的特征提取率及结果精度。② 将高新设备应用于煤火探测技术。③ 完善多层级探测技术的协同利用。首先通过第4层级航天遥感技术进行大规模的火区探测,得到地下煤火异常的基本空间分布特征;然后通过第3层级航空遥感探测技术进一步探测,得到具体的地下煤火空间分布;最后通过第2和第1层级的地表探测技术及地下探测技术进行补充和验证,得到更加详细的煤田火区高温点分布。④ 形成对煤田火区的三维可视化、动态化监测与预警。针对4种不同层级探测技术的数据进行三维反演、联合反演成像,根据成像结果,对煤火发展蔓延进行可视化监测预警,实现地下煤火灾害主动防控。
煤矿智能化开采光纤传感关键技术体系
方新秋, 冯豪天, 梁敏富, 陈宁宁, 吴刚, 宋扬
2023, 49(6): 78-87. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18107
<摘要>(702) <HTML> (19) <PDF>(39)
摘要:
智能感知是煤矿智能化开采的首要环节,为智能决策与智能控制提供数据支持。光纤传感技术因精度高、抗干扰能力和环境耐受能力强、组网复用方式灵活多样等优势,为煤矿开采智能感知提供了解决方案。在研究光纤传感技术原理基础上,构建了光纤光栅−基材感知信息传递模型,提出了表面粘贴式、刻槽填埋式、表面粘贴基片式光纤光栅封装技术,并进行光谱重构与温度补偿研究,以保障高精度数据感知;开发了高精度光纤光栅钻孔应力传感器、锚杆应力传感器、锚杆测力传感器、顶板离层传感器、温度传感器等开采环境智能感知传感器,光纤光栅支架倾角传感器、支架压力传感器、曲率传感器等采煤工作面装备姿态感知传感器,以及光纤光栅传感器标定工作台,为智能化采煤工作面建设提供了基于光纤传感技术的智能感知设备;整合多种光纤光栅传感器,构建了煤矿开采环境与工作面装备姿态多参量光纤光栅智能感知体系,解决了煤矿开采过程感知数据多源异构容量大、感知设备不易复用、组网难等问题;开发了煤矿开采环境安全预警与装备姿态决策系统软件,形成集“光纤光栅智能感知−动态响应−前兆预警−安全决策”于一体的煤矿开采安全决策体系;分析指出研发多场景适用的特殊材质光纤产品、适应煤矿开采需求的封装技术、兼顾精度与成本的解调仪硬件,将有助于推动光纤传感技术在煤矿智能化开采信息感知方面的应用。
UWB雷达在矿山钻孔救援中的应用研究
文虎, 周博, 郑学召, 康玉国, 蔡国斌, 黄渊, 丁文
2023, 49(6): 88-94. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18095
<摘要>(705) <HTML> (27) <PDF>(20)
摘要:
超宽带(UWB)雷达探测技术可实现面向钻孔救援的矿井人体目标探测,但UWB电磁波易受灾变矿井复杂环境影响,UWB雷达回波信号易受到灾变矿井背景杂波、环境噪声影响,导致难以实现灾变矿井人体目标精准探测。针对上述问题,介绍了基于UWB雷达的井下目标探测场景及人体目标探测原理,分析了UWB电磁波特性研究现状和UWB回波噪声滤除方法研究现状。总结了存在的问题:① UWB电磁波在灾变矿井复杂环境中的传播特性需深入研究。② 背景杂波产生原因尚未明晰,灾变矿井背景杂波与环境噪声滤除技术研究较少。③ 面向钻孔救援的UWB雷达人体目标探测技术仍需改进。针对现有技术的不足,展望了面向钻孔救援的UWB雷达井下人体目标探测技术的发展趋势:① 深入研究UWB电磁波穿透传输关键表征参数对井下复杂环境特征的敏感程度。② 构建适用于灾变矿井的背景杂波与环境噪声滤除方法。③ 深入优化面向钻孔救援的UWB雷达人体目标探测技术。
基于底板岩巷全生命周期瓦斯治理技术研究
翟成, 唐伟
2023, 49(6): 95-103, 167. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18121
<摘要>(747) <HTML> (29) <PDF>(23)
摘要:
对于缺乏开采保护层条件的矿井,底板岩巷条带预抽煤层瓦斯是主流瓦斯治理方法。分析指出底板岩巷在实际应用中存在空间层位选择差异较大、 穿层冲孔致煤巷围岩稳定性差、底板岩巷掘进造价高且利用效率低等问题。以底板岩巷为基础,考虑整个煤炭生产过程中的瓦斯问题,提出了基于底板岩巷全生命周期瓦斯治理技术,形成了“层位优选−穿层冲孔−穿层注浆−采动抽采−矸石回填”五位一体的瓦斯综合治理模式。以首山一矿为例,通过测定采煤工作面地层的岩石力学性质,基于数值方法分析了巷道掘进和工作面回采条件下底板岩巷的稳定性,根据围岩损伤特征和采动围岩应力分布,确定了将底板岩巷布置在采煤工作面运输巷下部16 m、与上部运输巷内错1 m位置。对底板岩巷穿层水力冲孔钻孔布置进行优化,设定了组间距6.4 m、每组按单双号交错打孔的方案,通过测定水力冲孔钻孔残余瓦斯压力得出水力冲孔有效影响范围超过4 m,钻孔瓦斯浓度较高、衰减较慢,条带预抽效果良好。通过穿层注浆技术改善上部破碎煤体性质,钻孔窥探显示经过穿层注浆加固后的煤体强度提高、破碎程度降低,巷帮变形量监测结果表明巷道围岩整体稳定性较好、煤层强度提高,钻屑量监测结果表明注浆加固范围超过5 m,有效降低了巷道掘进的突出危险性。通过底板岩巷穿层钻孔,对工作面回采期间采动卸压瓦斯进行抽采,发现采动有效影响范围为采煤工作面前方50 m,采动影响区内瓦斯抽采效果良好,采煤工作面风流瓦斯体积分数降低至0.45%以下,有效降低了采煤工作面瓦斯浓度。回采结束后,设计了底板岩巷矸石回填方法,以降低矸石出井成本,提高巷道利用效率。
灾后救援生命探测仪的现状和发展趋势
郑学召, 杨卓瑞, 郭军, 蔡国斌, 王宝元, 寇智哲, 肖永福, 张小军
2023, 49(6): 104-111. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18125
<摘要>(1059) <HTML> (22) <PDF>(30)
摘要:
生命探测仪作为灾后及时救援的一种设备,在定位、探索与搜寻生命体方面发挥着不可替代的作用。分析了目前所使用的生命探测仪即雷达生命探测仪、音频生命探测仪、红外生命探测仪及其他种类生命探测仪的工作原理、技术特点、使用场景及优缺点,并结合实际应用指出上述生命探测仪存在的问题:① 探测技术单一,综合集成化不高。② 探测方式传统、设备智能化程度不足。③ 探测仪零件未统型,设备维修困难。④ 部分生命探测仪体积较大,携带不便,影响救援效率。针对现有的不足和问题,提出生命探测仪的发展趋势:① 提高生命探测仪的集成程度,设计使用采集信息的多源化融合的生命探测装置,使用多种信息源来进行生命信息的获取探测。② 提高生命探测仪的智能化水平,赋予生命探测仪部分自主决策权,降低由于操作人员操作不当导致的生命探测误差。③ 设计模块化的生命探测仪,并制定相关的标准规程,对同种生命探测仪的零件进行统型,降低生命探测仪的维修和保养难度。④ 提高生命探测仪的电路板设计精度,充分利用空间构造,在不缩减生命探测仪功能情况下减小体积,提高便携性。
智能反射面技术及其在煤矿井下无线盲区覆盖的应用探讨
李世银, 张鹏, 闵明慧, 李志伟, 张梦迪, 肖家杨
2023, 49(6): 112-119. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18137
<摘要>(865) <HTML> (24) <PDF>(35)
摘要:
针对现有无线通信技术在煤矿井下非视距场景中无线盲区覆盖所面临的难题,提出在煤矿井下无线通信系统中引入智能反射面(IRS)实现无线信号覆盖补盲的解决思路。分析了煤矿井下无线覆盖盲区问题的成因,包括封闭的矿井环境特征、普遍存在的非视距场景、发射功率与天线设置的安全约束。然而传统的煤矿井下无线覆盖盲区问题解决方案在硬件部署、维护成本、技术实现等方面存在局限性,无法真正满足矿山具体场景下的安全和高效通信需求。IRS因其低成本、低功耗、易部署和可扩展性等特点,在实现覆盖补盲方面具有性能优势。从硬件结构、辅助的信道模型和典型应用场景(精准定位、信能同传、无人机通信、边缘计算和物理层安全)3个方面介绍了IRS技术。提出了利用IRS技术优化井下无线盲区覆盖:通过在煤矿井下合理部署IRS,减少墙体对主要信号分量的吸收和散射,并利用IRS可调控的反射特性来优化信号的传播,以显著提高信号强度和覆盖范围。指出了IRS技术在煤矿井下无线通信中未来研究方向,包括IRS辅助的覆盖补盲系统的能量管理、基于人工智能的IRS辅助的井下通信、新型IRS技术应用和IRS灵活部署。
煤矿掘进多行为协同控制智能决策模型
王宏伟, 郄晨飞, 付翔, 李进, 王浩然
2023, 49(6): 120-127. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18114
<摘要>(764) <HTML> (15) <PDF>(26)
摘要:
智能决策支持的掘进多行为协同控制是煤矿掘进工作面智能化的核心之一,掘进多行为协同控制的最优时序规划是智能决策的关键。针对煤矿掘进多行为控制模式单一、固化、协同作业能力差等问题,设计了一种煤矿掘进多行为协同控制智能决策模型,实现了掘进多行为在最优时序下的协同作业。首先,提出了掘进多行为协同控制智能决策方法,确定了掘进多行为可行时序规划集和多目标最优时序规划策略;其次,根据掘进现场的规定和工艺要求,确定了掘进动作事件集,通过对事件集中两两动作事件之间时间关系的分析,求出掘进多行为时间关系约束矩阵;然后,根据时间点关系约束矩阵转换方法,将掘进多行为时间关系约束矩阵转换为时间点关系约束矩阵,再求出掘进多行为可行时序规划集;最后,定义不同掘进目标下的求解函数,求得不同掘进目标的最优时序。实验结果表明,在不同掘进目标下,按照模型决策出的掘进动作最优时序规划结果,掘进机器人可无干涉协同作业,且掘进作业1个工作循环的执行时间与决策模型计算的时间基本一致。
矿井无人驾驶环境感知技术研究现状及展望
胡青松, 孟春蕾, 李世银, 孙彦景
2023, 49(6): 128-140. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18115
<摘要>(784) <HTML> (24) <PDF>(118)
摘要:
矿井辅助运输系统是煤矿企业运输人员和重要物料、装备的必备系统,实现矿井无人驾驶是提高运输效率、保障运输安全的必然要求,也是落实国家煤矿智能化建设部署的必由之路。矿井无人驾驶依赖于准确实时的环境感知,即利用激光雷达、毫米波雷达等车载感知器件和车联网支持下的协同感知,实现车辆局部甚至矿井全局的精确详尽感知。对矿井无人驾驶环境感知技术的研究现状进行了系统梳理,指出巷道特殊环境使得矿井车载感知设备的性能都将出现不同程度的下降,并对各种车载感知设备的优劣进行了总结归纳;详细阐述了矿井无人驾驶环境感知的关键技术,包括基于可见光图像或激光点云的单传感器障碍物识别方法,多传感器融合感知的分类及可见光图像+激光点云、可见光图像+毫米波点云、可见光图像+激光点云+毫米波点云、4D毫米波雷达+其他感知器件等多传感器融合方式,智能网联协同感知的实现方式、数据处理方法及其对无人驾驶的促进作用,井下巷道交通标志检测与识别方法,井下无轨胶轮车和有轨机车的巷道可行驶区域分割方法等;对矿井无人驾驶环境感知技术的发展方向进行了展望,建议提高矿井多传感器融合性能、研究矿井自适应感知算法并突破矿井智能网联协同感知技术。
智能矿山低代码工业物联网平台设计
贺耀宜, 陈晓晶, 郝振宇, 丁磊, 高文
2023, 49(6): 141-148, 174. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18110
<摘要>(757) <HTML> (27) <PDF>(52)
摘要:
随着智能矿山建设的稳步推进和煤炭企业数字化转型的加速实施,煤矿企业用户业务数字化应用需求呈指数式增长,对业务应用开发效率提出更高要求,传统的煤炭行业应用系统开发模式过度依赖专业厂家,实施周期长、实施成本高、资源重复利用率低,难以满足煤矿用户对快速开发业务应用的管理要求。针对上述问题,提出了一种采用“模型驱动”开发模式的智能矿山低代码工业物联网平台设计方案。基于微服务技术设计了包含数据采集层、数据处理层、数据存储层、数据发布层、人机交互与应用层的平台架构,在每个层级运行平台通过解析引擎解析开发平台配置对应的功能;通过设计数据编码与主数据规范、平台内部数据交互规范、平台接口与服务等构建统一技术体系,实现了煤矿作业现场各类物联网监控对象的统一监管;通过开发低代码组件工具箱,将原本在煤矿各类监控系统软件中需要通过定制化开发的系列通用功能和业务逻辑进行统一封装,形成可直接复用的组件,使其可适应煤矿不同类型监控系统应用,为用户提供一个通过拖拽组件和配置参数等方式即可完成智能矿山应用软件开发的可视化开发环境。应用结果表明,该平台可为煤矿监控类系统提供快速开发平台,满足煤矿用户日常提出的紧急定制化任务开发需求。
带式输送机系统故障诊断方法综述
杨春雨, 曹博仕, 张鑫, 姬明君
2023, 49(6): 149-158. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023030099
<摘要>(904) <HTML> (74) <PDF>(70)
摘要:
输送带和驱动装置是带式输送机的主要组成部分且为故障高发部位,以输送带故障和驱动装置故障为切入点,分析了输送带跑偏、打滑、损伤、堆料撒料等故障及驱动装置滚筒、托辊、减速器等故障的机理,重点阐述了知识驱动和数据驱动的带式输送机故障诊断方法研究进展。知识驱动法以知识处理技术为基础,实现符号处理和数值处理的统一、推理过程和算法过程的统一,主要包括专家系统、故障树分析法。数据驱动法采用机器学习和数据挖掘等技术对历史数据进行分析处理,建立诊断模型,达到故障诊断目的,主要包括支持向量机(SVM)、比差法、基于声音和视觉的诊断方法。分析了带式输送机故障诊断方法目前存在的挑战和未来发展趋势:① 结合历史故障数据和实时数据推断设备健康状况,预测早期微小故障,提醒工作人员进行预测性维护。② 揭示带式输送机耦合故障的关联关系,利用人工智能等新兴技术研究耦合故障联合诊断方法。③ 利用多模态机器学习技术研究带式输送机多模态信息融合利用机制,开发带式输送机多模态信息融合故障诊断方法。④ 将故障知识图谱和带式输送机领域知识相结合,实现带式输送机设备故障追踪、故障超前预警,通过知识查询、知识推理和辅助决策功能,提高故障处理、精准挖掘设备潜在故障风险的能力。
半波振子结构在井下5G辐射场中的安全性分析
田子建, 降滉舟, 常琳, 刘斌, 王文清
2023, 49(6): 159-167. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100092
<摘要>(753) <HTML> (17) <PDF>(18)
摘要:
GB 3836.1−2021《爆炸性环境 第1部分 设备 通用要求》规定,爆炸性环境中射频设备的射频阈功率不得大于6 W,该规定引自欧盟标准,缺乏试验验证,严重制约了5G技术在煤井下的应用。为了重新评价矿井5G通信设备辐射电磁波能量的安全性,分析得出金属结构耦合电磁波产生放电的形式应为低压分断电路电弧放电;分析了金属结构耦合电磁波产生的放电能量,选择最易耦合电磁波的半波振子结构为研究对象,通过比较得出等效半波振子等价直流放电电路产生的放电能量大于等价高频放电电路产生的放电能量,从而将分析金属结构耦合电磁波放电的安全性转换为分析金属结构的等效半波振子天线等价直流放电电路的安全性。选择直流本安电路的安全性判别原则来判断等效半波振子等价直流放电电路的安全性,通过计算放电功率和能量,得出5G射频设备辐射功率不大于10.5 W时,将不会点燃爆炸性的瓦斯气体,因此,可将5G通信系统射频基站的安全辐射功率提高到10.5 W。
矿用5G网络切片技术研究
孟庆勇, 姜玉峰, 李晨鑫, 张立亚
2023, 49(6): 168-174. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18131
<摘要>(836) <HTML> (22) <PDF>(30)
摘要:
网络切片是5G网络的一项重要技术,现有矿用5G研究主要集中于系统架构及应用场景,缺乏对切片技术具体实现方案的研究。针对该问题,通过分析矿用5G网络的基本结构及智能矿山的应用需求,提出利用FlexE的通道化功能实现传输网的资源分配及业务隔离,从而在同一网络基础设施上构建多个按需定制的专用逻辑网络,即网络切片。根据当前矿用信息通信系统及智能矿山应用情况,提出矿用5G网络基础切片划分+基于带宽权重的传输资源分配方法,将网络划分为低时延业务、大带宽业务、工业环网业务、特定业务(无人化协同控制)及预留业务5类切片,并通过进一步的虚拟专用网(VPN)划分方法,设计差异化的带宽权重,以确保充足的传输资源,避免信道拥塞。根据不同业务对时延、带宽的要求,定义具体的5G QoS标志符(5QI),并根据5QI进行业务映射及隔离,为各类业务提供所需的服务级别。在实验室条件下,对矿用5G网络系统的业务调度时间和端到端时延2项指标进行测试,结果表明:网络切片与传统的尽力而为服务模型相比,能够实现更加高效的业务调度,在高负载的场景下,平均调度时间减少了10.9%;在同一业务切片内,矿用5G网络的平均端到端时延为10.33 ms,为无人化协同控制等业务的实施提供了必要条件。
基于改进概率路线图算法的煤矿机器人路径规划方法
薛光辉, 刘爽, 王梓杰, 李亚男
2023, 49(6): 175-181. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18116
<摘要>(928) <HTML> (15) <PDF>(24)
摘要:
路径规划是煤矿机器人在煤矿井下非结构化狭长受限空间中应用亟待解决的关键技术之一。针对传统概率路线图(PRM)算法在空间狭长封闭巷道环境中难以保障采样的节点均匀分布于自由空间中导致路径规划失效,以及节点可能距离障碍物较近导致规划的路径可通行性差等问题,提出了一种基于改进PRM算法的煤矿机器人路径规划方法。在构造阶段引入人工势场法,将落在障碍物中的节点沿与其距离最近自由空间中的节点连线方向推至自由空间,并在障碍物边缘建立斥力场,实现节点的均匀分布且使其距离障碍物有一定距离;在查询阶段融合D* Lite算法,当遇到动态障碍物或前方无法通行时可实现路径的重规划。仿真结果表明:改进PRM算法的节点均匀分布在自由空间中,且均距离障碍物一定距离,提高了路径规划的安全性;当节点数为100个时,改进PRM算法成功率较传统PRM算法提高了25%;随着节点数增加,传统PRM算法和改进PRM算法路径规划成功次数均呈增长趋势,但改进PRM算法在效率方面优势更明显;当节点数为400个时,改进PRM算法运行效率较传统PRM算法提高了35.13%,且规划的路径更平滑,路径长度更短;当障碍物突然出现时,改进PRM算法能够实现路径的重规划。
基于煤岩可钻性的钻孔机器人自适应控制方法
李旺年, 张幼振, 田宏亮, 李泉新, 魏宏超
2023, 49(6): 182-188. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022110047
<摘要>(1048) <HTML> (15) <PDF>(24)
摘要:
由于含煤地层的地质力学环境复杂,导致钻孔机器人给进系统的给进阻力和回转系统的负载转矩复杂多样。现有技术仅通过既定程序控制执行机构进行流程化的动作,钻进过程的自适应智能控制水平低,当钻进工况变化时易造成卡钻、断钻等事故,降低钻孔机器人的钻进效率,影响工作周期。针对该问题,提出一种基于煤岩可钻性的钻孔机器人给进回转双回路PID自适应控制方法。首先以钻进效率和钻进安全为控制目标,选择钻压、转矩作为煤岩可钻性模型的输入参数,运用小波包分解对钻进过程数据进行特征提取,得到样本数据和测试集,利用BP神经网络进行训练和验证,建立煤岩可钻性模型,获取当前钻进工况下推荐钻速和转速。然后基于煤岩可钻性模型,设计了基于PID控制的恒转矩控制策略和恒钻速控制策略,钻孔机器人给进回转控制系统通过恒转矩控制回路对设定钻压进行调整以实现恒转矩控制,通过恒钻速控制回路对设定转矩进行调整以实现恒钻速控制,在确保其安全工作下提高钻进效率。最后建立反映给进回转负载的钻头−煤岩相互作用模型并对钻孔机器人给进回转双回路PID自适应控制方法进行仿真测试。结果表明:① 在煤岩硬度不变时,该控制方法可以实现恒转矩和恒钻速控制,转矩保持在2 000 N·m,钻速保持在6 mm/s。② 在50 s时,增大煤岩硬度,采用自适应调整策略后,钻孔机器人给进回转控制系统的钻压、转速等可以很快达到稳定状态。③ 若推荐钻速6 mm/s对应的实际转矩2 350 N·m超过钻孔机器人工作允许的负载转矩,且其实际转速85 r/min小于推荐转速的95%时,通过钻速微调模块降低推荐钻速设定值,进而通过调整钻压使钻孔机器人的转矩调整至最优转矩,确保钻孔机器人再次稳定在恒转矩和恒钻速控制状态。