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工矿自动化
中媒科工集团常州自动化研究院
工矿自动化

中媒科工集团常州自动化研究院

胡穗延

月刊

1671-251X

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0519-86998217

213015

江苏省常州市钟楼区木梳路1号

工矿自动化/Journal Journal mine automation北大核心CSTPCDCSCD
查看更多>>《工矿自动化》杂志创刊于1978年，由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团常州研究院有限公司主办，是国内唯一一份集中报道煤矿自动化、信息化、智能化领域新技术、新成果、新工艺及新动向的专业性技术期刊，入选中文核心期刊、中国科技核心期刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国地学领域高质量科技期刊T2类、中国煤炭领域高质量科技期刊T2类，是瑞典开放存取期刊目录数据库、英国《科学文摘（网络版）》、美国《地质学参考数据库》《艾博思科数据库》《乌利希期刊指南（网络版）》、俄罗斯《文摘杂志》、日本《科学技术振兴机构（中国数据库）》来源期刊。
正式出版
收录年代

    数字孪生驱动的巷道自动成形截割虚拟调试方法研究

    张旭辉刘彦徽杨文娟张超...
    1-11,31页
    查看更多>>摘要：针对目前巷道自动成形截割控制调试周期长、调试成本大、安全风险大、成形质量难以评价等问题,提出了 一种数字孪生驱动的巷道自动成形截割虚拟调试方法.采用基于即时外观建图(RTAP-MAP)技术重建巷道三维环境,构建掘进机控制系统模型,形成虚拟调试环境,并利用虚拟传感器技术实现物理空间到虚拟环境状态的精准映射.针对难以量化评估断面成形质量的问题,确立了巷道自动成形截割性能评价方法,以断面成形截割控制过程在数据传输中心的记录为基础,主要对断面成形精度、截割效率与油缸开关次数、硬岩切割调整、超挖欠挖4个评价指标进行计算,从而为深度学习算法的迭代优化提供精准反馈信号,并提出了一种融合强化学习的自动截割控制策略,以提高自动化作业的适应性和精确度.为验证该虚拟调试方法的有效性和准确性,搭建了掘进机自动控制实验平台,并将虚拟调试系统应用于掘进巷道成形截割自动控制程序中.虚拟仿真结果表明:①被调试软件在控制关键点位处的X,Y,Z轴定位误差的最大值分别为74.8,72.93,123.67 mm,说明虚拟调试方法的定位精度达到性能要求.②虚拟样机与物理样机轨迹基本一致,说明该调试方法实现了对物理空间的映射.应用结果表明:①强化学习控制器在虚拟掘进测试中适应了复杂环境,将虚拟传感器输入有效转换为精准控制指令,验证了模拟-现实迁移训练的可行性.通过处理掘进精度和避免超欠挖的实时反馈,控制器学习并优化了策略.②优化后的断面成形截割控制性能得到了提升,根据数据库中控制量时间戳的记录,用时126 s,较优化前耗时减少了 8 s.③优化后截割部末端轨迹跟踪最大误差为6.0 mm,较优化前降低了 0.3 mm,避免了截割轨迹抖动导致的欠挖,同时使得轨迹和断面更加平滑.

    巷道自动成形截割数字孪生虚拟调试虚拟传感器虚实坐标转换

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    面向矿山救援的UWB雷达生命信息识别研究现状与展望

    郑学召马扬黄渊蔡国斌...
    12-20页
    查看更多>>摘要：超宽带(UWB)雷达可穿透煤岩等非磁性介质,实现坍塌物后人员生命信息探测.因矿井环境复杂,加载生命体征信号的UWB雷达探测回波易被环境噪声、杂波信号干扰,且人体目标信息识别困难.介绍了UWB雷达生命探测系统原理及其在矿山救援中的应用.从UWB雷达生命信息提取、动静态人体目标识别和生命体量化3个方面,对UWB雷达生命信息识别研究现状进行了归纳.指出目前UWB雷达生命探测技术在矿山救援领域应用存在的问题:①针对井下坍塌环境中非平稳信号与环境噪声等的滤除方法研究较少.②针对运动(或微动)目标姿势、行为、生命状态等信息的提取与表征方法有待改进,人体生命信息识别模型尚未完善且模型间特征关联性较低.③针对多目标产生的"混叠"问题缺乏解决方案.对面向矿山救援的UWB雷达生命信息识别研究方向作出展望:①不断优化多类矿山灾变环境的噪声与杂波自适应滤除方法.②构建适用于矿山救援领域的人体生命信息识别模型.③进一步提高对矿井遮蔽物后多目标的量化能力.④深入探究UWB雷达最佳探测频段确定方法.

    矿山救援生命信息识别UWB雷达杂波滤除生命信息提取目标识别生命体量化

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    护盾式临时支护机器人带压行驶液压控制系统研究

    马宏伟李烺薛旭升王川伟...
    21-31页
    查看更多>>摘要：护盾式临时支护机器人是适应夹矸与片帮共存的大断面巷道智能掘进机器人系统的重要组成部分,其主要功能是为实现"掘支并行"作业提供安全可靠的工作空间.为加强护盾式临时支护机器人推移行驶过程中对围岩的安全稳定支护,根据护盾式临时支护机器人结构、工作环境与作业需求,建立其带压行驶的推移量与支护力数学模型及带压行驶动力学模型,设计了护盾式临时支护机器人带压行驶液压控制系统.该系统主要由支护液压系统、行驶液压系统组成:静态支护时,支护液压系统需时刻输出大于上盾体自身重力的支护力,行驶液压系统处于待机状态;带压行驶时,支护液压系统和行驶液压系统同时工作,在保证临时支护机器人"减压不离顶"的同时,与顶板时刻带压并稳步前移.提出了基于模糊PID的护盾式临时支护机器人带压行驶精准控制方法:通过集成在推移油缸上的位移传感器与液压回路中的压力传感器实时采集临时支护机器人的压力与位移信号,用于反映临时支护机器人带压行驶途中支护力和行驶位移的变化情况,并根据支护力和推移量的误差和误差率,利用模糊PID算法对支护力和推移量的控制参数进行修正,实现基于模糊PID算法的带压行驶可靠控制.仿真与实验结果均表明,模糊PID控制的效果优于传统PID控制,在模糊PID控制下,护盾式临时支护机器人推移行驶过程中的支护力相对误差小于1％,行驶位移误差小于2 mm,且支护力和推移量控制响应速度快,保证了推移行驶过程中对围岩的安全稳定支护.

    护盾式临时支护机器人液压控制系统带压行驶支护力控制行驶位移控制模糊PID控制

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    基于数据驱动的液压支架初撑后承压效果即时预测技术

    贾一帆付翔王然风张智星...
    32-39页
    查看更多>>摘要：采煤工作面实际生产中,受顶板条件、采动、液压支架姿态影响,液压支架初撑后立柱压力可能发生变化,进而影响支架初撑后承压效果.液压支架在初撑后出现的承压失效可能导致煤壁片帮、架间冒漏、支架前倾、倒架等问题.目前智采工作面液压支架初撑力调控策略大多是直接判断升柱时立柱压力是否达到额定初撑力,缺乏考虑初撑后立柱压力变化引起的承压效果判断.针对上述问题,提出了一种基于立柱压力数据驱动的液压支架初撑后承压效果即时预测方法.将液压支架初撑后3 min内的立柱压力历史数据状况分为6种典型工况,并根据初撑后承压效果的不同将6种典型工况分为有效承压或失效承压;通过相关性分析,确定了影响支架初撑后承压效果的5个特征因素;对立柱压力样本进行有效承压或失效承压人工标注,并进行特征提取,将特征值分别输入决策树、随机森林、支持向量机、K最近邻(KNN)4种不同算法建立预测模型,经过对比分析,随机森林模型预测准确率最高,达到95.60％,基本满足模型应用的准确率要求;建立了基于随机森林的液压支架初撑后承压效果即时预测模型,在此基础上开发了液压支架初撑后承压效果即时预测系统,并部署到煤矿现场应用,经过连续25 d的运行,该系统采集到液压支架初撑后3 min内的立柱压力后,可在5 s内输出液压支架初撑后的承压效果,预测结果与实际操作记录对比准确率为82.48％,说明该系统具有较高的承压效果预测准确性.

    液压支架初撑力初撑后承压效果立柱压力有效承压失效承压随机森林

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    煤矿GIS 一张图快速构建平台研究

    黄坤江振鹏杨晓宇安宁...
    40-46,114页
    查看更多>>摘要：目前,煤矿使用的工程专题地图基本都是CAD制图,高效提取CAD图件中的数据并快速组织成地理信息系统(GIS)服务,进而支持矿井空间对象创建和业务属性扩展,集成安全生产实时数据,是构建煤矿GIS一张图的关键.基于ArcGIS平台将CAD图件转为GIS服务的方法实现过程较为繁琐,且ArcGIS平台成本较高,无法较好地跨平台运行.针对该问题,设计了一种煤矿GIS一张图快速构建平台.该平台包括CAD图件管理、地图服务发布、专题地图管理3大功能模块:CAD图件管理模块用于图件基础信息管理和状态跟踪,地图服务发布模块用于地图打包发布和在线预览,专题地图管理模块用于地图服务管理、矿井对象创建及属性扩展.基于开放设计联盟(ODA)的Teigha for Java SDK实现CAD图件全要素精确识别与快速准确提取;通过构建基于GIS数据特征的煤矿CAD图件数据分层描述模型,实现了 CAD图件全要素数据快速存储;按照面向对象设计思路,开发了 Spring Cloud框架下的Web端煤矿CAD图件数据集存储接口及专题地图服务发布平台,实现了煤矿GIS 一张图快速构建.以某煤矿采掘工程平面图为例,分别采用传统方法和快速构建平台进行煤矿GIS 一张图的构建,对比结果表明,快速构建平台可大幅提高煤矿GIS一张图的构建效率,为煤矿智能化建设提供时空数字底座.

    煤矿智能化煤矿GIS一张图地理信息系统CAD图件全要素提取CAD图件数据分层描述模型专题地图服务发布

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    基于多因素耦合量化表征模型的冲击危险区域划分

    贾海宾刘爱鑫张斌付相超...
    47-54,97页
    查看更多>>摘要：针对现有冲击危险评价方法不能准确体现冲击危险因素影响下应力集中变化特征等问题,提出了基于多因素耦合量化表征模型的冲击危险区域划分方法.首先,根据地下煤层的地质条件、巷道分布、开采范围等实际情况,分析得出主要的冲击影响因素;其次,分别参考多因素叠加法和应力分析法,确定各类冲击影响因素的影响范围及相对应力集中系数;然后,基于煤岩体内部微元强度分布函数,构建冲击危险多因素耦合量化表征模型;最后,将冲击影响因素的影响范围及相对应力集中系数代入量化表征模型,得到煤层应力分布结果,根据应力分布结果进行冲击危险等级划分,得到冲击危险区域分布情况.以山东新巨龙能源有限责任公司3煤层为例,通过分析叠加断层、大巷和采空区等主要冲击危险因素引起的应力集中,制定合理的冲击危险等级划分标准,得到了3煤层冲击危险区域划分结果,并进行了现场验证.由评价工作完成前后发生的矿震事件可知,冲击震源主要集中在强冲击危险区域,这与区域划分结果较为吻合,从而验证了该方法能够有效地定量划分煤层冲击危险区域.

    冲击地压冲击危险性评价区域划分多因素耦合法应力分析法量化表征模型

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    高应力断层构造区巷道冲击破坏特征研究

    王飞李明利武轶凡蔡东...
    55-63页
    查看更多>>摘要：断层构造区静动载应力耦合作用加剧了井下断层区围岩冲击危险性,断层构造区巷道围岩应力分布规律及冲击动载响应特征存在显著特殊性.目前对于断层构造区的冲击研究主要集中于工作面采场附近,但对于断层构造区巷道冲击破坏鲜有研究.以陕西某矿深埋高应力断层构造区巷道为工程背景,分析了断层构造区巷道围岩变形破坏力学特征:①断层面存在明显应力阻隔效应,正断层附近存在上盘应力集中区和下盘应力降低区2个特殊应力区.巷道由于断层面影响,巷帮静载集中应力呈现非对称分布特征,远离断层面侧应力集中程度大于靠近断层面侧,该侧巷道围岩冲击破坏危险程度增大.②断层面对于应力波传递产生明显阻隔作用,正断层上盘动载响应大于下盘动载响应,由于巷道两帮应力非对称分布特征,右帮动载响应明显大于左帮.基于上述特征,提出了断层构造区巷道围岩"卸(大直径钻孔卸压)-支(梯次加固成层式吸能防冲支护)"协同防冲控制技术,工程试验结果表明:①巷道围岩采取"卸-支"协同防冲处理措施后,巷道两帮应力集中区往围岩深部转移3～5m,应力峰值降低18.5％～20.3％,巷道帮部围岩应力集中程度显著降低.②采用"卸-支"协同防冲处理措施前,巷道顶底板及两帮变形量分别为856,334,325,567 mm,巷道围岩变形破坏严重,采用"卸-支"协同防冲处理措施后,巷道围岩变形量降低35.69％～62.03％,巷道围岩稳定性增强.③钻孔煤粉量显著低于临界粉煤量,巷道围岩动力显现降低.

    高应力断层构造区冲击地压断层面巷道围岩巷道防冲大直径钻孔卸压梯次加固成层式吸能防冲支护

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    采煤机智能化发展现状及关键技术展望

    邱锦波刘聪吴昊坤庄德玉...
    64-78页
    查看更多>>摘要：介绍了国内外采煤机智能化发展的现状:采煤机目前正朝着智能机器人化的方向发展,处于智能化初级阶段.阐述了采煤机智能化发展历程及趋势:英国远程操作长壁工作面(ROLF)计划、采煤工作面自动化系统(MINOS)、美国航空航天局(NASA)长壁自动化合作项目、澳大利亚煤炭工业研究计划(ACARP)、澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)项目、欧盟长壁钻井设备新型机械化与自动化(NEMAEQ)等6项科研项目在采煤机智能化发展中扮演了重要角色;采煤机发展趋势在于利用不断发展的监测传感及远程控制技术代替人工干预及操作,不断提高工作面设备的生产效率及可靠性,朝信息化、一体化、无人化、智能化的方向发展.从采煤机智能感知、智能控制和智能通信3个方面介绍了采煤机智能化关键技术,指出基于煤岩识别的智能截割技术、智能滚筒调速技术、采煤机精确定位技术和基于三维地质模型的采煤机规划开采技术是亟待突破的关键技术.从采煤机降尘和降噪2个方面对采煤机智能化发展过程中不可忽视的人机关系进行了论述.

    采煤机智能化智能感知智能控制智能通信智能截割智能滚筒调速精确定位规划开采

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    煤矿用5G关键技术研究现状与发展方向

    李晨鑫
    79-88页
    查看更多>>摘要：结合现阶段煤矿用5G研究成果和应用实践经验,从煤矿用5G专网组网架构、覆盖优化、智能化应用场景构建3个方面分析了煤矿用5G关键技术研究现状与发展方向.煤矿用5G专网组网方面:煤炭集团级大规模组网和矿井独立专网2类模式可满足煤矿用5G系统建设部署需求.煤矿用5G无线覆盖增强方面:煤矿用5G无线传输性能需要持续研究和提升,现阶段宜采用低频段(1 GHz以下)多载波SUL(补充上行链路)进行煤矿用5G的覆盖优化;针对井下无线电波防爆安全功率阈值可能实现的突破和提高,需要通过同步提升煤矿用5G基站与终端两侧的无线发射功率,方可实现煤矿用5G系统整体覆盖能力优化;需要开展基于6G RIS(可重构智能超表面)的煤矿用5G覆盖增强技术预研,为无线覆盖能力提升提供进一步支撑.煤矿智能化5G应用场景构建方面:需要开展矿用装备与矿用通信领域的联合技术攻关;研究基于煤矿用5G的装备远程控制及未来装备自主群体协同控制的信息物理映射;研究智能化应用的预期功能安全机制;研发小型化、轻量化及全面适配现场设备工业控制协议的煤矿用5G模组.

    智能矿山通信煤矿用5G5G专网无线覆盖智能化5G应用场景矿井无线电波防爆安全可重构智能超表面装备远程控制

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    面向煤矿安全监测边缘计算的YOLOv5s剪枝方法

    陈志文陈嫒靓霏唐晓丹柯浩彬...
    89-97页
    查看更多>>摘要：目前,边缘计算与机器视觉相结合具有较好的煤矿安全监测应用前景,但边缘端存储空间和计算资源有限,高精度的复杂视觉模型难以部署.针对上述问题,提出了 一种面向煤矿安全监测边缘端的基于间接和直接重要性评价空间融合(IDESF)的YOLOv5s剪枝方法,实现对YOLOv5s网络的轻量化.首先对YOLOv5s网络中各模块的卷积层进行结构分析,确定自由剪枝层和条件剪枝层,为后续分配剪枝率及计算卷积核剪枝数奠定基础.其次,根据基于卷积核权重幅值和层相对计算复杂度的卷积核权重重要性得分为可剪枝层分配剪枝率,有效降低剪枝后网络的计算复杂度.然后,基于卷积核直接重要性评价准则,将卷积层的间接输出重要性以缩放因子的形式引入直接重要性空间中,更新卷积核位置分布,构建包含卷积核输出信息和幅值信息的融合重要性评价空间,提高卷积核重要性评价的全面性.最后,借鉴topk投票的思想对中值滤波筛选冗余卷积核的流程进行优化,并用有向图的邻接矩阵中节点的入度来量化卷积核的冗余程度,提高了冗余卷积核筛选过程的可解释性和通用性.实验结果表明:①从平衡模型精度和轻量化程度的角度出发,剪枝率为50％的YOLOV5s_IDESF是最优的轻量级YOLOv5s.在VOC数据集上,YOLOv5s_IDESF的mAP@.5和mAP@0.5∶0.95均达到 最高,分别为0.72和0.44,参数量降至最低2.65×106,计算量降低至1.16×109,综合复杂度也降至最低,图像处理帧率达到31.15帧/s.②在煤矿数据集上,YOLOv5s_IDESF的mAP@.5和mAP@0.5∶0.95均达到最高,分别为0.94和0.52,参数量降至最低3.12×106,计算量降低至1.24×109,综合复杂度也降至最低,图像处理帧率达到31.55帧/s.

    智慧矿山煤矿安全监测边缘计算卷积核剪枝网络轻量化直接重要性评价准则间接重要性评价准则剪枝率YOLOv5s

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