工矿自动化

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孙继平, 程加敏

2022, 48(3): 1-4, 90. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17905

<摘要>(506) <HTML> (102) <PDF>(108)

摘要:
目前用于煤矿井下的信息承载网主要是百兆、千兆和万兆矿用以太环网，其时延和可靠性不可控，难以满足煤矿井下少人或无人作业、地面远程控制等需求。服务质量（QoS）可保证最高优先级应用的实时性和可靠性，但当多路接口信号同时汇入且数据量较大，或前１个数据包正在发送时，最高优先级应用的实时性和可靠性也无法保证。针对上述问题，提出了煤矿智能化信息综合承载网技术要求：传输带宽宽、传输时延短、可靠性高、传输距离远、抗干扰能力强、本质安全防爆、电网电压波动适应能力强、抗故障能力强、防护性能好、多业务综合承载等。基于上述要求，提出了基于灵活以太网（FlexE）的煤矿智能化信息综合承载网，根据时间敏感和时间不敏感视频、时间敏感和时间不敏感音频、人员定位、车辆定位、设备定位、安全监控、供电监控、运输监控、排水监控、采煤工作面监控、掘进工作面监控等不同业务对带宽、时延和可靠性的需求，分配不同的信道，将煤矿监控、定位、视频和音频等多网合一。基于FlexE的煤矿智能化信息综合承载网既满足了地面远程控制、人员定位、安全监控等不同业务对带宽、时延和可靠性的需求，又实现了煤矿智能化信息一网综合承载，减小了维护难度和工作量。

坚硬厚煤层大采高综采支架分段调阻煤壁弱化研究

吉磊

2022, 48(3): 5-10. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022010006

<摘要>(225) <HTML> (42) <PDF>(24)

摘要:
不同回采阶段作用于煤壁−支架上的载荷变化较大，煤壁低效截割是支架阻力与回采阶段不匹配、矿山压力不能有效破煤的结果。支架分段调阻技术在满足不同回采阶段（周期来压前、正常回采、周期来压后）顶板安全控制的要求下，调整支架工作阻力改变煤壁上的载荷用于压裂破煤，能有效解决厚硬煤壁弱化的难题。以杨伙盘煤矿1102综采工作面为工程背景，研究了与回采阶段匹配的厚硬煤层支架分段调阻技术。模拟分析结果表明：① 在工作面正常回采阶段和来压阶段，煤壁测线上各点支承压力峰值、影响范围随液压支架初撑力增大而减小；相同支架初撑力作用下，来压阶段煤壁上支承压力峰值和影响范围均大于正常回采阶段。② 当液压支架初撑力由2 000 kN增至8 000 kN时，煤壁水平位移值在来压阶段减小了17 mm，在正常回采阶段减小了7.5 mm，说明降低支架初撑力有利于坚硬煤壁弱化。③ 不同回采阶段，围岩塑性区的破坏程度随液压支架初撑力的增加而降低，说明煤壁破坏程度减小。④ 正常回采阶段支架阻力为6 000~8 000 kN、周期来压后支架阻力为4 000~6 000 kN、周期来压前支架阻力大于8 000 kN，可以保证顶板安全和厚硬煤壁高效截割。现场应用表明：① 液压支架在115个工作循环中增阻状态占统计循环数的64.8%（1次增阻型占75.50%，2次增阻为20.16%，多次增阻为4.34%）；支架活柱伸缩量在0~3%的比率为90%，说明现场生产中液压支架运转和控顶能力良好。② 分段调整液压支架工作支护阻力后，在有效控顶前提下，采煤机平均割煤时间降低至1.8 h，降低了21.7%，有效实现煤壁弱化，提高了割煤效率。

综采工作面透明化开采模式及关键技术

原长锁, 王峰

2022, 48(3): 11-15, 31. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110048

<摘要>(326) <HTML> (162) <PDF>(66)

摘要:
针对目前基于自适应工作面地质条件的智能开采技术无法满足实际工程应用要求的问题，提出了包括模型构建、待开采空间定位、截割控制决策与执行3个阶段的综采工作面透明化开采模式，即以煤层赋存勘探为基础，以工作面三维数字化模型为对象，通过剖切三维数字化模型、提取待开采煤层顶底板轨迹坐标，制定采煤机调高控制策略，最终采煤机依据截割轨迹参数进行调高控制，达到自主割煤目标；阐述了三维数字化模型建立、三维激光点云模型建立、模型剖切与截割规划、采煤机调高控制等综采工作面透明化开采关键技术。在国家能源集团神东煤炭集团公司榆家梁煤矿43102综采工作面开展了透明化开采模式及关键技术工程应用：构建工作面初始三维地质模型，沿煤层顶底板分界线完成钻孔勘测，实现对工作面煤层赋存情况的探测；获取的数据导入初始三维地质模型后，得到工作面三维数字化模型；在工作面回采过程中每天进行地质测绘，通过测绘数据实现三维数字化模型误差纠偏；构建采场实时三维激光点云模型，提取三维激光点云模型中煤壁、顶板交接处三维坐标数据集形成剖切线，利用剖切线对三维数字化模型进行剖切，获得下一割煤循环的顶底板轮廓曲线；通过分析煤层赋存变化情况制定截割规划，指导采煤机后续割煤循环过程中滚筒自主调高控制。应用结果表明，三维数字化模型误差小于±0.2 m，初步实现了采煤机依据工作面煤层赋存条件进行自主割煤。

复杂条件工作面智能化开采关键技术及发展趋势

张帅, 任怀伟, 韩安, 巩师鑫

2022, 48(3): 16-25. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090041

<摘要>(584) <HTML> (122) <PDF>(92)

摘要:
复杂条件煤层地质条件参数变化数量多、参数变化范围大，其智能化开采是当前迫切需要解决的难题。分析了我国不同区域煤矿的主要地质条件特征及面临的问题，指出相较于综合机械化采煤，智能化开采对地质保障度的要求更高。地质条件越复杂，控制系统就越需要更精准的感知、更快速的分析与决策、更高的数据传输速率。以两淮地区“三软”煤层开采为例，探讨了其在智能化开采过程中面临的问题：煤壁频繁片帮、刮板输送机上窜下滑、相邻支架错位及咬合不紧密、护帮板不整齐、支架扎底、超前巷道变形，指出围岩（顶底板、煤壁）条件、煤层走向/倾向角度、矿压及超前巷道稳定性是影响工作面正常连续开采的5个因素。为解决上述5个因素条件参数变化带来的问题，需要从围岩参数感知、趋势分析、精细化控制、动力系统适应、自适应决策等方面研发出解决复杂条件工作面智能化开采的关键核心技术。详细阐述了目前实现复杂条件工作面智能化开采技术即液压支架护帮板精准控制及快速跟机技术、顶板分区协同支护技术、工作面装备姿态监测技术、工作面调直技术、上窜下滑控制技术、稳压供液控制技术、仿真决策系统平台和超前支护技术的应用现状、效果及后续需要解决的问题。指出对于多种复杂条件共存的煤层，关键元部件的机电液一体化设计、分布式控制方式、大数据的分析应用、装备群协同快速推进控制和实时仿真平台与智能决策系统的开发是后续研究的主要方向。

多接入边缘计算在智慧矿山网络中应用分析

刘海鹏, 周淑秋

2022, 48(3): 26-31. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021100004

<摘要>(264) <HTML> (43) <PDF>(46)

摘要:
针对当前矿山网络软硬件设备种类繁多、制式复杂、资源共享率低，网络升级改造困难，因上下行传输带宽受限、服务总时延过长而导致垂直业务需求无法得到满足等问题，提出在矿山网络中引入多接入边缘计算（MEC）技术，为实现智慧矿山提供支撑。针对智慧矿山视频监控类、时延敏感类、连接类业务，探讨了MEC应用模式，分析了MEC支持多种协议和设备接入特性，指出MEC是基于现有井下多种协议和设备提供融合管控的唯一选择，是为用户提供端到端、无差别高质量服务的最佳解决方案。建立了基于业务需求的矿山网络计算树模型，将其演进发展划分为Pre−5G、5G、Beyond−5G（6G） 3个阶段，分析了各阶段的主要特征和标志性技术，以及负载均衡性、业务移动性、数据安全性、可扩展性、一体化特性等业务特性，指出各特性在第1阶段最差，在第3阶段最优，但距离实现硬件设备真正通用、接口完全标准化的目标还存在差距。结合计算树模型，提出了一种智慧矿山网络MEC部署模型，指出该模型基于深度为２的三级扁平化结构，能够充分发挥各级节点的边缘计算能力，在兼顾各节点负载均衡的同时动态选择任务卸载策略，从而完成高效任务协同，且各节点功能可根据地面/井下实际情况按需取舍、灵活调配，适用于智慧矿山建设的各个阶段。

煤层群接续开采方案优选评价研究

刘县委, 张彦董, 单成方, 李亚锋, 王海洋, 马英建, 郭宇鸣

2022, 48(3): 32-39, 54. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110015

<摘要>(222) <HTML> (89) <PDF>(11)

摘要:
为优选榆树岭矿煤层群接续开采方案，利用FLAC3D模拟研究了下行开采和上行开采2种煤层群接续开采方案下煤层完整性和工作面应力分布规律，并比较了2种方案的经济效益。结果表明：上行开采时煤层受到一定程度的塑性破坏，但通过对下₇、下₈煤层工作面运输巷、回风巷与下₁₀煤层工作面运输巷、回风巷内错10 m布置，可有效减小煤层塑性区破坏范围，下₇、下₈煤层工作面未破坏区占比分别为87.5%，60.4%，煤层完整性满足安全回采要求；相较于下行开采，上行开采时下₇、下₈煤层工作面平均应力分别降低了45.3%，34.9%，下₇、下₈煤层工作面最大支承应力分别降低了66.7%，36.4%，且矿井经济效益提高了64.9%。因此优选上行开采作为榆树岭矿煤层群接续开采方案。采用层次分析法和模糊数学理论对煤层群接续开采方案优选结果进行了理论验证：通过建立煤层群接续开采方案综合评价指标模型，构造准则层相对于目标层与指标层的判断矩阵并进行一致性检验，得到评价指标权重向量；采用线性函数法和二元对比排序法构造了指标层各因素相对于下行开采和上行开采的隶属度矩阵，求得综合隶属度指标矩阵；根据评价指标权重向量和综合隶属度指标矩阵，得到下行开采、上行开采方案的综合评价权重分别为0.170 87，0.704 42，验证了上行开采作为该矿煤层群接续开采最优方案的可行性。

突出薄煤层中间巷掩护掘进消突技术研究

张楠, 徐九洲, 邱黎明

2022, 48(3): 40-46. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090023

<摘要>(202) <HTML> (43) <PDF>(11)

摘要:
为了解决薄煤层煤与瓦斯突出防治困难的问题，分析了薄煤层中有效抽采区域分布特征：由于受薄煤层厚度的限制，瓦斯抽采有效区域在垂直方向的扩展受阻，更倾向于在水平方向延伸，导致水平方向的有效抽采半径远大于煤层厚度，有效抽采区域呈椭圆形分布，瓦斯渗流场主要集中在煤层走向和倾向上。根据该特征，指出基于本煤层抽采方式的中间巷掩护掘进消突技术能使抽采区域连成一片，更适用于薄煤层瓦斯抽采。分析了将中间巷掩护掘进消突技术应用于薄煤层中进行分块消突的优势和技术原理：采用沿空留巷技术将上一工作面的回风巷作为下一工作面的进风巷；在进风巷向前施工瓦斯抽采钻孔，抽采范围覆盖并超前预定的中间巷20 m以上，通过瓦斯抽采消除中间巷的突出危险性；掘进中间巷；在中间巷向回风巷预定位置施工瓦斯抽采钻孔，抽采范围覆盖并超前预定的回风巷20 m以上，通过瓦斯抽采消除中间巷的突出危险性；最后对回风巷进行掘进，形成回采工作面。以某矿9305工作面薄煤层为研究对象进行数值模拟，结果表明：在抽采时间为10 d和30 d之间，有效抽采半径的增加幅度最大，随着抽采时间增加，有效抽采范围的增加幅度逐渐减小；钻孔间距为3 m时，两钻孔之间的有效抽采半径几乎相切，抽采效果最佳，抽采压力基本可以使大部分煤层瓦斯有效扩散、解析、被动抽采；对中间巷的瓦斯抽采有效降低了回风巷和递进中间巷区域之间的瓦斯压力。现场实测结果表明：9305工作面突出煤层中间巷掩护掘进的最优抽采钻孔间距为3 m，孔径为94 mm，有效抽采直径不超过5 m，钻孔深度为107 m；中间巷掩护掘进消突技术使得薄煤层瓦斯体积分数下降约70%，消突效果显著。

基于广域电流暂态分量的井下供电系统接地故障区段定位方法

欧阳敏, 杜三恩, 李文俊, 侯刚, 薛忠新, 杨斐文, 高彬, 范生军, 王峰, 毛浩, 韩培强

2022, 48(3): 47-54. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090028

<摘要>(178) <HTML> (51) <PDF>(22)

摘要:
目前针对煤矿井下供电系统接地故障定位的研究大都采用暂态法，该方法需要同时采集线路的零序电压及零序电流，由于零序电压难以准确采集，在故障区段定位时易将正常运行区段误判为故障运行区段，从而发生越级跳闸现象。而目前针对井下供电系统越级跳闸的保护方案存在不适用于中性点经消弧线圈接地系统、造价较高等问题。针对上述问题，提出了一种基于广域电流暂态分量的井下供电系统接地故障区段定位方法。煤矿井下供电系统发生接地故障时，流经正常线路和故障线路的零序电流方向不同，采用数学形态学中的闭合开度差运算（CODO）提取各个线路的暂态零序电流的方向信息。针对CODO中结构元素长度的选择对于井下供电系统输出结果的好坏起决定性作用，采用粒子群优化（PSO）算法对结构元素长度进行自适应优化，实现接地故障暂态零序电流方向极性特征的可靠提取。基于多级供电系统的拓扑结构，对各条线路上保护元件输出的零序电流暂态分量极性信号进行逻辑运算，当取值为1时，表明该线路为正常运行线路，当取值为0时，表明该线路为故障线路，实现故障区段精确定位。基于中性点不接地系统及中性点经消弧线圈接地系统对该定位方法进行验证，结果表明：基于广域电流暂态分量的井下供电系统接地故障区段定位方法只需要采集零序电流就能在中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的运行方式下准确定位故障区段。

基于G-RRT*算法的煤矸石分拣机器人路径规划

朱子祺, 李创业, 代伟

2022, 48(3): 55-62. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090015

<摘要>(1249) <HTML> (66) <PDF>(42)

摘要:
由于煤矸石分拣环境复杂，为了避免机器人与障碍物发生碰撞，提高分拣效率，对机器人进行路径规划十分必要。分析了煤矸石分拣系统原理，将煤矸石分拣机器人路径规划问题归结为在障碍物环境下规划出一条从给定起点到目标点的无碰撞路径，且需同时满足速度快、避免与障碍物碰撞2个约束条件。结合笛卡尔空间和关节空间的优点，提出一种在关节空间进行路径规划、在笛卡尔空间进行碰撞检测的煤矸石分拣机器人路径规划方案，该方案不需要对机器人进行运动学求逆，且可避免在关节空间中描述障碍物。针对RRT*路径规划算法存在盲目性的问题，提出一种变概率的目标偏置策略，并将其引入RRT*算法，得到G-RRT*算法。变概率的目标偏置策略在无障碍物区域增大目标偏置概率值，以增强算法的目标导向性；而在障碍物区域减小目标偏置概率值，以保证算法的避障能力。G-RRT*算法将变概率的目标偏置策略与RRT*算法相结合，既保留了RRT*算法路径长度渐进最优的特点，也提高了算法的目标导向性，可极大地提高路径规划效率。实验结果表明，与加入固定概率目标偏置策略的RRT-Connect算法和RRT算法相比，采用G-RRT*算法得到的路径长度平均值最小，说明G-RRT*算法更适用于煤矸石分拣机器人路径规划。

煤矿护盾式掘进机器人系统精确定位研究

马宏伟, 杨金科, 毛清华, 汪强

2022, 48(3): 63-70. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070082

<摘要>(2178) <HTML> (74) <PDF>(49)

摘要:
目前煤矿井下掘进装备定位方法大多采用机器视觉、里程计、全站仪等单一的辅助测量方式与惯导组合测量来抑制惯导解算随时间所产生的位置累计误差，但是单一的辅助测量方式易受井下环境的影响，位置测量存在一定的误差，从而导致与惯导组合测量方法的精度降低。针对上述问题，以煤矿护盾式掘进机器人系统为研究对象，提出了一种捷联惯导+数字全站仪+位移传感器的组合定位方法。首先采用捷联惯导解算出掘进机器人的位置与姿态角参数；然后利用数字全站仪测量的掘进机器人位置信息与位移传感器推算的掘进机器人位置信息对捷联惯导解算出的位置信息进行反馈修正，以减小惯导随时间所产生的位置累计误差；最后利用基于联邦滤波器的多信息融合算法将捷联惯导解算出的位置及姿态角信息、全站仪测量得到的位置信息及位移传感器推算得到的位置信息进行融合，从而得到掘进机器人准确的位姿信息。仿真及工业性试验结果表明：该组合定位方法能够很好地抑制纯惯导位置解算误差累计，实现煤矿护盾式掘进机器人的精确定位，x轴和y轴方向上的位置误差分别控制在±0.03 m和±0.02 m，满足井下掘进工作面要求。

基于改进粒子群算法的钻车机械手轨迹规划研究

申树策, 史艳楠, 宋建锋, 任泽, 王毅颖, 王翰秋

2022, 48(3): 71-77, 85. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090049

<摘要>(170) <HTML> (100) <PDF>(16)

摘要:
钻车机械手是防突防冲钻车的重要装置，关系着钻车是否可以正常钻进及真正实现无人化。为确保钻车机械手快速、准确、平稳运行，其轨迹规划优化尤为重要。现有钻车机械手轨迹规划存在阶次较高、优化算法易早熟等问题。针对上述问题，提出了一种基于改进粒子群（PSO）算法的钻车机械手时间最优轨迹规划方法。首先，利用标准Denavit−Hartenberg（D−H）构建钻车机械手三维模型，通过蒙特卡洛法得到钻车机械手的工作空间，从工作空间中选取4个途径点作为插值点。然后，为了使钻车机械手能够快速平稳地到达指定位置，在关节空间中采用3−5−3分段多项式插值构造其轨迹。最后，通过改进PSO算法对构造的轨迹进行时间最短优化，得到钻车机械手的时间最优轨迹规划。Matlab仿真结果表明：基于改进PSO算法的钻车机械手时间最优轨迹规划方法可以在保证钻车机械手各关节运行平稳的同时，使运行时间从3.1685 s减少到2.3854 s，整体运行时间较优化前减少约25%，提高了机械手的工作效率。

尾矿库排洪隧洞探测机器人多传感器融合定位

周祎博, 周唯逸, 郭振武, 王斌锐

2022, 48(3): 78-85. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090063

<摘要>(140) <HTML> (33) <PDF>(17)

摘要:
尾矿库排洪隧洞内环境复杂，现有探测机器人定位算法存在弱纹理室内场景定位失效的问题，难以适用于该类环境下探测机器人的精确定位和累计误差消除。针对上述问题，提出了一种适用于尾矿库排洪隧洞环境的探测机器人多传感器融合定位算法。该算法基于测程法和图论，利用ArUco码将排洪隧洞环境的远距离定位简化为多段短距离定位。首先利用UMBmark算法进行里程计标定，有效消除探测机器人轮径和轴径两类系统误差；然后利用扩展卡尔曼滤波（EKF）算法融合里程计和惯导模块（IMU）信息，利用测程法实现运动过程中探测机器人位置和姿态信息计算；最后利用ArUco码作为路标并固定于隧洞内部，探测机器人携带标定后的相机对ArUco码信息进行识别与处理，利用各传感器量测值形成约束，结合图优化方法实现位姿优化，并根据ArUco码携带的信息消除累计误差，从而实现狭长空间弱纹理场景下探测机器人的远距离高精度定位。在尾矿库排洪隧洞实际场景中运行和关闭多传感器融合定位算法，分别进行10组行进40 m的重复定位实验，结果表明：多传感器融合定位算法具有较高的稳定性和精确性，能有效校正累计误差，实现探测机器人在排洪隧洞环境中的精确定位，行进20 m的平均定位误差为19.77 cm，40 m的平均定位误差为21.23 cm，且行进20 m校正后误差均值为4.2 mm。

基于Dense-YOLO网络的井下行人检测模型

张明臻

2022, 48(3): 86-90. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17861

<摘要>(218) <HTML> (131) <PDF>(47)

摘要:
行人检测是实现矿用车辆无人化的一项关键技术，煤矿井下弱光环境中捕获的图像可见度不佳，极大地影响了行人检测效果。现有行人检测方法忽略了井下弱光环境对目标检测精度的影响，检测效果不理想。针对该问题，提出一种基于Dense-YOLO网络的井下行人检测模型。将弱光图像分解为光照图和反射图，采用Gamma变换、加权对数变换、限制对比度的自适应直方图均衡（CLAHE）对光照图进行增强处理，采用亮度权值和色彩权值对增强后的图像进行加权融合；采用双边滤波算法对反射图进行处理，以增强图像纹理；将增强后的光照图和经过双边滤波处理的反射图逐点相乘，重构出RGB图，并采用ROF去噪模型对融合后的图像进行全局去噪，得到最终的增强图像。将含有残差块的Dense模块添加到YOLOv3中，构建基于Dense-YOLO网络的井下行人检测模型，残差块的加入有利于避免在网络训练过程中出现梯度消失和梯度爆炸等问题。实验结果表明：对弱光图像进行增强处理能够有效提高图像可见度和行人检测效果；Dense-YOLO网络对增强图像的漏检率为4.55%，相较于RetinaNet网络降低了14.91%，基于Dense-YOLO网络的井下行人检测模型有效降低了行人检测漏检率。

基于机器学习的通风网络故障诊断方法研究

张浪, 张迎辉, 张逸斌, 李左

2022, 48(3): 91-98. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021120093

<摘要>(329) <HTML> (81) <PDF>(37)

摘要:
机器学习算法通过对已知数据的学习来预测未知数据，现有通风系统故障诊断方法大多针对1种机器学习算法进行研究，无法保证所选算法为最优。针对该问题，对8种机器学习算法进行比较，并选择支持向量机(SVM)、随机森林和神经网络3种算法进行通风网络故障诊断研究。根据矿井通风系统实际布局，按照几何相似、运动相似、动力相似准则构建通风网络管道模型，得到由管道网络分支和管道网络节点组成的通风网络，通过实验获取风量数据，并采用标准化方法对数据进行预处理；通过交叉验证和网格搜索对基于SVM、随机森林、神经网络的通风网络故障诊断模型进行参数寻优。实验及现场测试结果表明，基于SVM、随机森林、神经网络的通风网络故障诊断模型在实验平台测试集上的准确率分别为0.89，0.88和0.95，在煤矿现场测试集上的准确率分别为0.86，0.90和0.96，神经网络模型的故障诊断效果均为最佳。将煤矿现场收集的120组新风量数据输入神经网络模型进行预测，故障诊断准确率达0.98，验证了基于神经网络的通风网络故障诊断模型的可行性和准确性。

煤与瓦斯突出危险性预测

李燕, 南新元, 蔺万科

2022, 48(3): 99-106. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070072

<摘要>(264) <HTML> (112) <PDF>(24)

摘要:
针对现有基于支持向量机(SVM)的煤与瓦斯突出预测方法存在准确率低与响应速度慢的问题，提出了一种基于改进灰狼算法(IGWO)优化SVM的煤与瓦斯突出危险性预测方法。采用灰色关联熵权法分析各个影响因素对煤与瓦斯突出的影响程度，根据关联度排序提取瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯放散初速度和开采深度作为煤与瓦斯突出主控因素，将其分为训练集和测试集，并进行归一化处理；为改善传统灰狼算法（GWO）种群易陷入局部最优和寻优速度慢的缺陷，引入越界处理机制和嵌入莱维飞行的随机差分变异策略对GWO算法进行改进（即IGWO），有效提升了GWO的收敛精度与速度；采用IGWO对SVM的核心参数和惩罚参数进行优化，将煤与瓦斯突出的主控因素输入到IGWO−SVM中进行分类，并将其与实际测试集分类结果进行对比，实现煤与瓦斯突出危险性预测。仿真结果表明：与基于鲸鱼算法−支持向量机(WOA−SVM)、灰狼算法−支持向量机(GWO−SVM)和粒子群−支持向量机(PSO−SVM)的预测方法相比，基于IGWO−SVM的预测方法具有更高的预测精度，在提高SVM运算效率的同时满足煤与瓦斯突出预测的精度和可靠性要求，准确率达到96.67%，预测速度为5.58 s。

基于固−气耦合的不同氧气条件下煤粉点燃数值研究

要华伟, 何晓东, 王喆

2022, 48(3): 107-111, 117. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090068

<摘要>(237) <HTML> (45) <PDF>(16)

摘要:
平面热板实验是评价煤粉自热和着火危害最常用的方法，特别适用于煤粉在热表面积聚的情况。针对目前基于热板实验的煤粉着火特性的研究缺乏对煤粉与空气相耦合的煤粉着火特性的数值研究问题，在文献[9]的基础上，建立了固−气耦合的煤自燃多物理场数值模型。模拟结果表明：烟煤煤粉的厚度分别为5，12.5，20，30 mm，直径为100 mm，煤粉发生热失控情况时，烟煤煤粉在30 min之前缓慢升温到170 ℃，在煤粉层中心处出现高温区域，在37 min时突然发生热失控。烟煤煤粉未发生热失控情况时，煤样在30 min后温度变得稳定，温度低于150 ℃，不存在明显高温点。模拟结果与文献[9]的实验结果有较好的一致性。在更厚烟煤煤粉条件下，对该数值模型最小点火温度与文献[9]结果进行对比，两者差异较小，验证该数值模型的可靠性。基于该数值模型，分析了不同氧气体积分数条件下烟煤煤粉自燃特性，结果表明：① 随着烟煤煤粉厚度增加，最小点火温度呈减小趋势。② 热失控阶段，高温区域位于煤粉中心上部位置。③ 煤粉前期温升是由于热板热传递导致，随煤粉温度增加，煤氧化反应主导因素由热量转变为氧气。④ 煤粉温度峰值随氧气体积分数线性增加，点火延迟时间随氧气体积分数呈指数减小。

基于OPC UA的煤矿安全生产监控系统信息模型

荣雪, 黄友锐, 储怡然, 徐善永

2022, 48(3): 112-117. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17898

<摘要>(190) <HTML> (41) <PDF>(30)

摘要:
煤矿安全生产监控系统中子系统种类较多，各个子系统的设备型号繁杂，设备信息异构导致数据语义完备性低及信息交互数据碎片化。目前煤矿信息化建设中，虽然各个子系统基本实现了网络集成，但所获得的海量数据无法有效共享，集成分析无法进行。针对上述问题，提出一种基于OPC UA的煤矿安全生产监控系统信息模型。根据煤矿安全生产监控系统的相关信息和OPC UA信息模型通用建模规则，分析了煤矿安全生产监控实际设备与信息模型的映射关系，给出了煤矿安全生产监控系统信息模型整体架构。当煤矿安全生产监控系统中需要扩展新的功能时，可在功能集进行扩展；当子系统中需要增添新的设备时，可在设备集中增加新的组件，从而确保信息模型的可扩展性。以瓦斯抽采监控系统信息模型为例，采用UaModeler工具建立传感器信息模型，对该信息模型进行图形化设计后，生成XML描述文件并导入OPC UA服务器的地址空间中。通过第三方客户端UaExpert连接服务器对OPC UA信息模型进行测试，结果表明，该信息模型可根据映射规则实现在OPC UA地址空间的映射，并通过OPC UA客户端访问服务器的地址空间，获取各个煤矿安全生产监控子系统中任意对象的属性，验证了使用OPC UA信息模型实现信息互联互通的可行性。

矿用钢丝绳损伤检测磁通回路优化设计

田劼, 田壮, 郭红飞, 刘凝哲, 马建武

2022, 48(3): 118-122. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021120013

<摘要>(279) <HTML> (108) <PDF>(24)

摘要:
漏磁通检测法是应用最广泛的矿用钢丝绳损伤检测方法，目前未有考虑磁通回路中磁噪声信号对钢丝绳损伤漏磁通检测信号影响的研究。基于钢丝绳损伤漏磁通检测原理，构建了漏磁通检测等效磁路模型，采用Ansoft Maxwell有限元软件对磁通回路的磁场分布进行仿真，结果表明除主磁通和钢丝绳损伤漏磁通外，磁通回路中还存在多处磁噪声回路，易对钢丝绳损伤漏磁通检测信号造成干扰，其中衔铁导磁路径的漏磁通和两侧永磁体与空气介质之间耦合漏磁通的影响最大。基于仿真分析结果，对磁通回路进行了优化设计：将衔铁与永磁铁接触部位由直角结构改为圆角结构，以减小该部位的漏磁通，增大衔铁导磁路径中的主磁通，进而增强钢丝绳损伤漏磁通检测信号；采用高导磁材料设计环形磁桥路屏蔽装置并安装在损伤漏磁通检测区域，引导两侧永磁体与空气介质之间耦合漏磁通的走向，减小耦合漏磁通对钢丝绳损伤漏磁通检测的影响。实验结果表明，磁通回路经优化后，钢丝绳损伤检测信号特征较优化前更加明显，采集信号由6.14 mV增大至18.59 mV，验证了优化方案可提高磁通回路传递效率，对损伤漏磁通有聚合增强效果，减小了永磁体与空气介质之间耦合漏磁通与钢丝绳损伤漏磁通的叠加效应，有利于提高钢丝绳损伤检测准确性。

井下位置服务系统设计

杜志刚, 储楠, 罗克

2022, 48(3): 123-128, 134. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021040070

<摘要>(179) <HTML> (31) <PDF>(27)

摘要:
位置服务旨在提供目标对象精准的实时位置信息，是建立在定位基础上的服务，然而目前井下定位系统存在定位精度低、实时性差、容量不足、数据库承载能力有限、仅支持一维定位等问题。为避免井下定位系统对位置服务的影响，设计了一种井下位置服务系统。该系统采用基于Docker的微服务架构，克服了传统单体式架构开发迭代和性能瓶颈问题，松散各业务之间的耦合性；采用多标签多锚节点同时测距方法，在保证测距精度的同时提高了测距效率和定位系统容量；采用多源数据融合定位算法提高标志卡相对锚基站方向的判别准确性；采用基于卡尔曼滤波和加权LM法的定位算法和低复杂度的特征提取方法对定位结果进行优化，降低噪声干扰，去除冗余数据，提高定位精度；引入时序数据库进行数据混合存储，将历史轨迹等时序数据存入InfluxDB，提高系统数据访问性能；采用发布订阅模式进行消息异步传输，增加公共信息的重用性和共享性；对位置服务接口采用Bearer验证，保护系统数据安全和井下敏感数据。实际应用结果表明，该系统可提供井下各类目标高精度实时位置信息，为工作面限员监测系统、人机接近保护装置、辅助运输系统、自动驾驶系统提供了重要的数据支撑。

基于语义多尺度的矿山地下空间建模方法

李雯静, 张馨心, 林志勇, 邱莉, 邱立强

2022, 48(3): 129-134. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110012

<摘要>(166) <HTML> (39) <PDF>(15)

摘要:
针对基于语义的地下矿山实体建模方法细节层次划分不够详细、模型配置自由度较小、缺乏多尺度精细化表达的问题，将参数化建模和语义多尺度思想应用到矿山多细节层次（LOD）模型构建中，提出基于语义多尺度的矿山地下空间建模方法。确定建模对象为矿山地下空间内的实体要素，依据实体要素位置划分为巷道模型和巷道内模型，巷道模型包括巷道主体模型及其他人工构筑物模型，巷道内模型包括矿山设施模型和设备模型；根据实体要素的语义信息定义不同的语义类，语义类向下划分成族，再按照功能将族分解为组件元素；通过语义属性、几何属性、外观属性、特征属性等可量化指标来描述每个语义类。设计了矿山LOD模型，该模型包括6个层次的离散化LOD模型：巷道网络模型、巷道粗略模型、巷道精细模型、巷道内主要设施模型、巷道内主要设备模型、巷道内其他设备模型，将离散化LOD模型与各种属性进行组合，可清晰显示矿山LOD模型的详细程度和主次关系。基于语义多尺度的矿山地下空间建模方法能够提供不同细节丰富度的实体要素模型，降低场景渲染的计算复杂度，提高模型构建的效率和灵活性。

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