工矿自动化

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韩志磊, 张达

2018, 44(5): 1-6. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17328

<摘要>(67) <HTML> (5) <PDF>(11)

摘要:
分析了中国金属矿山物联网建设存在的问题，提出了构建适应中国金属矿山特点的金属矿山物联网生态体系的理念，指出金属矿山物联网生态体系是实现矿山安全、高效、绿色、可持续发展的必然之路。介绍了国内外金属矿山物联网技术的发展现状。给出了金属矿山物联网生态体系的技术内涵及其架构，并从方案设计及系统建设，生产作业及数据应用，系统维护、优化控制及升级改造等环节阐述了金属矿山物联网生态体系建设的要点。

可自动回撤煤矿探测机器人设计

王志同, 牛志刚, 郭晨星, 李一君

2018, 44(5): 6-12. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017110034

<摘要>(72) <HTML> (11) <PDF>(9)

摘要:
为了解决煤矿井下探测机器人工作行程受限的难题，设计了一种可自主延长通信距离和自动回撤的煤矿探测机器人。当无线控制信号减弱时,机器人通过中继器弹射系统延长其无线通信距离；当无线控制信号突然中断时，机器人启动自动回撤功能，根据探测过程中已经记录的传感器数据按原路径回撤，自动回撤到安全位置。机器人自动回撤功能采用编码器与激光传感器数据集成的方法,并使用ICP算法进行双重数据匹配，以逐步调整机器人的位置和方向角，实现较高的回撤精度。测试结果表明，该机器人具有工作行程距离长的特点和自动回撤功能，可以在未知的煤矿灾难现场稳定、安全地工作，可替代煤矿救援人员深入煤矿井下完成初期危险的探测工作，为进一步的救援提供重要的现场数据信息。

一种矿用瓦斯管道设备防爆等级转换接口设计

林引

2018, 44(5): 12-15. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017120041

<摘要>(63) <HTML> (12) <PDF>(9)

摘要:
针对煤矿瓦斯抽放监控系统中瓦斯管道设备及其相关联的电源和通信接口必须满足“ia”安全防爆等级要求，在现有“ib”防爆等级的煤矿瓦斯抽放监控系统基础上，通过增加一种安全等级转换接口对瓦斯管道设备进行了升级改造。详细介绍了具有梯形输出特性的阻性限流的电源转换原理和具有线性输出特性的阻性限流的信号转换原理，并对关键元件的相关参数进行了分析及计算。测试结果表明，该转换接口具有转换效率较高、频率失真小等特点，输出特性满足“ia”安全防爆等级要求。

矿井防堆煤磨损尾绳保护系统设计

王德堂, 李海伟, 王公华, 张运华, 孟祥如, 徐传洪

2018, 44(5): 16-19. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017100019

<摘要>(56) <HTML> (17) <PDF>(8)

摘要:
针对传统防堆煤磨损尾绳保护装置存在检测范围小、安装位置不易设置、易误动作等问题，设计了一种基于二维激光雷达扫描技术和主动红外对射传感器技术的矿井防堆煤磨损尾绳保护系统。该系统采用2层保护系统结构，当堆煤触及第1层保护系统——二维激光雷达扫描系统时，其输出的测距信息发生变化并上传至上位机，上位机控制报警装置报警并启动第2层保护系统——主动红外对射传感器系统；当堆煤煤位继续增高，触及主动红外对射传感器系统时，其输出的电平信号发生变化并上传至上位机，上位机控制提升机电控系统使提升机停止运行，防止堆煤煤位过高对尾绳造成磨损。现场测试结果验证了该系统的可靠性及实用性。

矿山分布式分级自治系统设计

李敬兆, 江洋

2018, 44(5): 20-25. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017120017

<摘要>(71) <HTML> (10) <PDF>(9)

摘要:
针对矿山管理系统对精准开采、异构性、分布性、自治性、数据驱动性等特性的需求，提出了一种基于矿山信息物理融合系统的矿山分布式分级自治系统。该系统由智慧感控层、信息传输层、统一调度层、模型描述层和管控应用层5个层级组成：智慧感控层的感控节点可实现对人、机、环的泛在感知、控制和调节；信息传输层将骨干网络和子网络相结合、有线网络与无线网络相结合，可提高数据传输的可靠性，减少“信息孤岛”的产生；统一调度层可实现系统语义和系统时间的统一，提高了数据利用效率；模型描述层可实现对矿山整体的数字描绘；管控应用层接入矿山应用系统，可降低矿山应用系统的开发难度，提高矿山管理的智慧性。该系统具有可靠性、协同性和自治性，为实现矿山精准开采、无人值守和少人作业提供了技术支撑。

基于形式概念分析的煤矿事故本体构建

朱佳, 王向前, 张宝隆, 刘敏

2018, 44(5): 26-30. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017120026

<摘要>(58) <HTML> (11) <PDF>(8)

摘要:
为解决煤矿事故知识管理混乱、联动不足等问题，构建了基于形式概念分析的煤矿事故本体。首先分别构建以煤矿领域的主题词表和文本集为数据源的形式背景，并通过并叠置运算得到异构资源的形式背景，然后利用概念格构造工具将形式背景转换为概念格，最后从概念格中抽取概念、属性和实例组织成煤矿事故本体。利用煤矿事故本体对煤矿事故知识进行组织和形式化表示，可实现煤矿事故知识的共享和重用，为煤矿安全预警提供帮助。

基于卡尔曼滤波的矿井人员二维精确定位方法

孙哲星, 王彦文

2018, 44(5): 31-35. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17318

<摘要>(72) <HTML> (5) <PDF>(8)

摘要:
受定位分站和定位卡时钟同步误差、时钟计时误差、多径效应、非视距传播（NLOS）时延误差和电磁骚扰等影响，现有煤矿井下人员定位方法定位误差大，难以满足煤矿事故应急救援、运输和机电事故防治等需求。为提高定位精度，实现煤矿井下人员二维精确定位，提出了基于卡尔曼滤波的矿井人员二维精确定位方法：以定位分站测量到的定位卡到定位分站之间的距离作为卡尔曼滤波中的测量结果，根据建立的矿工在井下移动的数学模型推算出矿工的位置，并作为卡尔曼滤波中的预测结果，通过对测量结果和预测结果进行合理加权，根据上一步卡尔曼滤波后的最佳估计值得出当前时刻的最佳估计值，实现煤矿井下人员二维精确定位。

矿用隔爆型干式变压器绕组局部放电对温升的影响

万志强, 曹鹏刚, 宋建成, 雷志鹏

2018, 44(5): 36-41. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017100006

<摘要>(91) <HTML> (7) <PDF>(9)

摘要:
为了分析矿用隔爆型干式变压器绕组绝缘层中的气隙或杂质等缺陷对绕组温升的影响，以一台连续式绕组1 000 kVA/10 kV矿用干式变压器作为研究对象，介绍了矿用干式变压器绕组匝间及层间绝缘结构；借助红外摄像仪对不同放电类型和不同老化温度下试样的温升特性曲线进行类比分析，得出以Nomex绝缘纸为绝缘层的干式变压器匝间放电及层间放电与温度之间的关系；运用传热学原理并结合绝缘材料特性进行数值计算及分析，得出矿用干式变压器匝间放电对绕组发热过程的影响，为变压器内部热点温度的定位及局部放电点的准确定位提供了理论依据。

模型预测控制模型在采煤机调高系统中的应用研究

张斯涵, 刘振坚, 邱锦波

2018, 44(5): 42-46. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017120009

<摘要>(44) <HTML> (6) <PDF>(8)

摘要:
针对目前采煤机调高系统中通常使用电磁开关阀调高，存在稳定性不高、精度欠佳等问题，以MG300/700-WD型交流电牵引采煤机为研究对象，通过在其调高系统常规模型中加入模型预测控制器，建立了该采煤机调高系统模型预测控制模型；对该模型预测控制器的采样时间和预测时域长度2个参数进行调整，可减少电磁开关阀的开关次数和工作时间，使滚筒根据目标高度进行准确实时调高。仿真结果表明，与常规模型相比，基于模型预测控制模型的采煤机调高系统在给定输入后6 s左右达到稳定，减少了电磁开关阀开关次数，超调量降低了28.8%，提高了系统的稳定性与实时性。

低照度环境下采煤机摇臂角度测量方法

郭卫, 李红卫, 王渊, 丁志兵

2018, 44(5): 47-51. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017120062

<摘要>(53) <HTML> (11) <PDF>(6)

摘要:
针对采煤机摇臂角度接触式测量方法在矿井复杂环境下应用存在磨损严重、故障率高等问题，提出一种低照度环境下采煤机摇臂角度测量方法，该方法将图像增强算法与单目视觉相结合，对采煤机摇臂角度进行非接触式测量。采用基于导向滤波的多尺度Retinex图像增强算法得到增强图像，对增强图像进行ROI提取、边缘检测、累计概率霍夫变换，求解出摄像机空间角度，由已标定的CCD摄像机进行坐标转换后输出真实角度。实验结果表明，该采煤机摇臂角度测量方法速度快，在对比度提升、噪声消除、细节增强方面表现较好，且测量准确，误差小于0.1°。

基于惯性导航和里程仪的煤矿采掘设备定位

张守祥, 李森, 宋来亮

2018, 44(5): 52-57. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2018010042

<摘要>(62) <HTML> (8) <PDF>(8)

摘要:
分析了国内外煤矿惯性导航技术的研究和应用情况，指出惯性级光纤捷联惯导技术适用于煤矿采掘设备定位；将惯性导航和里程仪相结合进行协同定位和导航，利用里程信息对惯性导航测量数据进行校正，以提高定位导航精度；给出了惯性导航动态初始对准方法，惯性导航与里程仪协同定位具体方法，以及用于误差估计、修正和补偿的卡尔曼滤波方程。实验结果表明，采用惯性导航与里程仪协同定位技术后，工作面直线度测量最大误差为90 mm、平均误差为60 mm，高程测量误差为20 mm，符合工作面直线度测量精度要求。

一种轴流通风机故障诊断方法

胡韶华, 谷振宇, 金迪文

2018, 44(5): 58-63. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017100023

<摘要>(111) <HTML> (8) <PDF>(7)

摘要:
针对现有基于谱分析的轴流通风机故障诊断方法只将故障类型和频谱特征值进行简单关联而导致诊断效果较差的问题，提出了一种基于矢椭谱和隐Markov模型的轴流通风机故障诊断方法。该方法首先将轴流通风机同一截面内互相垂直的2个振动信号在时域上直接融合为复信号，并对该复信号进行快速Fourier变换，获得多个特征频率下振动信号的全谱幅值；然后用不同故障状态下振动信号的全谱幅值训练隐Markov模型；最后以实时振动信号的全谱幅值作为隐Markov模型输入量，采用Viterbi算法计算隐Markov模型输出的似然概率，根据最大似然概率对数判断故障类型,避免了将振动幅值和故障类型进行简单关联。试验结果表明，该方法的故障诊断正确率达90%以上。

基于单轴压缩红外辐射的煤岩损伤演化特征

程富起, 李忠辉, 魏洋, 殷山, 刘帅杰, 孔艳慧

2018, 44(5): 64-70. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017110064

<摘要>(115) <HTML> (15) <PDF>(7)

摘要:
为定量分析煤岩受载过程中红外辐射温度特征参数与煤岩损伤演化规律，采集并分析了煤岩单轴压缩条件下的红外辐射温度数据，根据损伤力学理论构建了煤岩损伤模型，得到了最高红外辐射温度积累量和煤岩损伤之间的关系。结果表明：① 煤岩受载最高红外辐射温度-时间曲线与载荷-时间曲线有很好的对应关系，最高红外辐射温度能够反映煤岩受载破坏情况；② 基于最高红外辐射温度积累量的煤岩损伤演化模型能够很好地反映煤岩在单轴压缩条件下裂隙缺陷产生、发展和破坏的演化过程；③ 基于最高红外辐射温度积累量的计算应力和实测应力的整体相关性系数达到0.8以上，呈高度相关，且计算应力-应变曲线峰值超前于实测应力-应变曲线峰值。

矿井电网故障选线方法研究

李科, 随晓娜, 张俊, 张飞飞, 李鹤, 邹威

2018, 44(5): 70-75. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2018010024

<摘要>(90) <HTML> (7) <PDF>(10)

摘要:
针对矿井电网附加直流源系统发生单相接地故障时故障线路暂态零序电流的直流分量大于非故障支路的特征，提出了一种基于最小二乘矩阵束算法和Romanovsky准则的矿井电网故障选线方法。采用最小二乘矩阵束算法提取故障暂态零序电流中的直流分量，将各支路的直流分量组成矩阵；再采用Romanovsky准则进行判别：当绝对离差大于临界差时，判为支路故障，剔除数据支路即是故障支路，否则为母线故障。仿真结果表明，该选线方法准确、可靠，具有较强的适应性。

煤矿巷道悬线巡检机器人结构设计及仿真

姜俊英, 周展, 曹现刚, 马晓燕, 狄航, 吴旭东

2018, 44(5): 76-81. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017110055

<摘要>(83) <HTML> (9) <PDF>(14)

摘要:
针对现有的煤矿巷道轮式或履带式巡检机器人结构及控制复杂、可靠性低，轨道式巡检机器人成本高、占用巷道空间资源等问题，设计了一种不受井下巷道复杂地理环境和人员及设备分布影响的煤矿巷道悬线巡检机器人。重点介绍了该机器人的结构设计，在ADAMS软件中建立了机器人虚拟样机模型，并对其水平行走且过障、上坡且过障、下坡且过障3种运动状态进行了仿真分析。结果表明：该机器人在水平沿线方向始终能够保持匀速直线运动；在竖直方向和水平侧摆方向上有波动，但均在允许范围之内；在3种运动状态下的位移变化比较平稳。仿真结果验证了该机器人结构设计的合理性。

矿用软件定义簇形无线传感网络架构

陈婀娜

2018, 44(5): 81-84. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017080060

<摘要>(93) <HTML> (9) <PDF>(8)

摘要:
针对传统煤矿无线传感网络因采用固定路由协议、不能根据网络状况改变路由而无法保证突发事故情况下通信可靠性的问题，基于软件定义网络体系及煤矿无线传感网络簇形拓扑结构特点，通过在煤矿无线传感网络簇内增加网关节点，设计了一种矿用软件定义簇形无线传感网络架构。在该网络架构中，每一个域内的网关节点采集传感节点数据并进行域内或域间通信，控制器管理域内的流量、路由和安全，可根据网络状况改变路由，适用于煤矿安全监测领域。

基于改进算法的灾后井下无人机航迹规划

吕文红, 夏双双, 魏博文, 殷立杰, 郭银景

2018, 44(5): 85-90. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017100058

<摘要>(56) <HTML> (7) <PDF>(7)

摘要:
针对传统算法应用在煤矿灾后井下环境侦测的无人机航迹规划中存在搜索点冗余、遇到突发威胁时实时性较差等问题，提出了一种逆向变权重稀疏算法。根据无人机自身性能约束及灾后井下威胁模型，从目标点到起始点进行全局静态航迹规划，避免大量无效搜索；根据无人机执行任务的需要设置不同权重系数，得到侧重航程或安全的航迹；通过引入次目标点策略，仅对被突发威胁覆盖的航迹进行修正，可在短时间内有效避开突发威胁。仿真结果表明，利用该算法进行航迹规划用时较短，无人机受到的威胁较小，可有效保障航迹规划的实时性和安全性。

不同结构面倾角及间距下煤柱变形分析

宁杉, 吕嘉锟, 纪海玉, 张琰岽

2018, 44(5): 91-94. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017120040

<摘要>(58) <HTML> (4) <PDF>(6)

摘要:
针对目前的煤柱变形研究大都将煤柱处理为连续体，没有考虑煤柱中广泛存在的结构面破坏及失稳问题，采用3DEC软件对不同结构面倾角及间距下煤柱最大主应力及变形量进行了数值模拟，结果表明：煤柱最大主应力随结构面间距增大而增大，随结构面倾角增大而减小；随着结构面倾角的增大，结构面间距对煤柱最大主应力的影响越来越小；煤柱变形量随结构面间距增大而逐渐减小，随结构面倾角增大而增大；当结构面间距小于1.5 m，结构面倾角大于45°时，煤柱变形量显著增大。

基于卷积神经网络的矿工面部表情识别方法

杜云, 张璐璐, 潘涛

2018, 44(5): 95-99. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17312

<摘要>(63) <HTML> (7) <PDF>(8)

摘要:
针对传统的矿工面部表情识别方法识别率较低、算法复杂等问题，以卷积神经网络为基础，结合支持向量机算法中的非线性映射函数，提出了基于卷积神经网络的矿工面部表情识别方法。卷积神经网络采用权值共享的策略，运用固定权值直接构造卷积层，并依照匹配生长规则确定网络层次结构。将经过预处理的矿工面部表情图像作为卷积神经网络的测试集和训练集，使用支持向量机对表征矿工面部表情特征的神经元进行分类，从而实现对矿工面部表情的分类识别。实验结果表明，该方法对矿工面部表情的识别率达到90.71%，能够满足实际应用需要。

燃煤加热炉温度控制系统解耦方法设计

施韬, 何凤有

2018, 44(5): 100-104. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017110047

<摘要>(92) <HTML> (9) <PDF>(5)

摘要:
针对燃煤加热炉由于控温难而导致的生产燃料浪费过多、污染严重等问题，构建了多温区燃煤加热炉加热系统模型，提出了一种基于PID控制算法的前馈解耦控制方法。采用前馈解耦控制对多温区加热炉各个加热通道耦合部分进行解耦，减少加热系统达到稳态所需时间；采用PID控制算法对多温区加热炉加热系统控制参数进行优化，从而使加热系统的温度在短时间内迅速上升并保持稳定。仿真与实验结果表明，该方法能够大幅改善温度控制速度，且可以在较短的响应时间内达到稳定的控制精度，避免了燃料浪费，提高了加热速率。

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2018年第44卷第5期

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