工矿自动化

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孙继平, 彭铭

2024, 50(6): 1-5, 22. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18203

<摘要>(1105) <HTML> (64) <PDF>(247)

摘要:
现行国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》规定无线电发射器的阈功率为无线电发射器的有效输出功率与天线增益的乘积。在无线电波防爆安全发射功率阈值一定的条件下，天线增益越大，无线电发射器的有效输出功率就越小，这将限制通过增大天线增益，提高无线传输距离。因此，有必要对国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017中规定的阈功率的正确性进行研究，提出合理的无线电波发射功率防爆要求与检测方法。提出了无线电波防爆安全发射功率与天线增益无关，国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定的无线电发射器的阈功率是错误的。提出了煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值应大于16 W，且与天线增益无关；国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定阈功率不得大于6 W，且与天线增益相关，是错误的。提出了无线电波防爆安全性能检测方法——检测无线电发射器输出功率，这既可保证通过检测的防爆无线电设备的防爆安全，又简化了检测方法，更提高了防爆无线电设备的无线电波发射功率，解除了对天线增益的限制，将大大提高煤矿井下防爆无线电设备的无线传输距离。

基于多源信息融合的矿山边坡滑坡灾害研究现状与展望

李荟, 韩晓飞, 朱万成, 宋清蔚, 周文龙

2024, 50(6): 6-15. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024040064

<摘要>(741) <HTML> (80) <PDF>(246)

摘要:
为克服单一信息源无法精确表征矿山滑坡灾害演化特征的问题，基于多源信息融合技术，从矿山边坡多源信息获取、矿山边坡多源信息融合、矿山边坡位移预测及滑坡风险评价3个方面概述了矿山边坡滑坡灾害研究进展。总结了典型的“天”“空”“地”边坡监测手段及“天−空−地”一体化协同监测方法；梳理了包含数据级、特征级和决策级融合的边坡多源信息融合流程；整理了位移与应力、位移与水文气象及其他不同类型的监测数据融合形式；阐述了基于多源信息融合的边坡位移预测及滑坡风险评价相关研究现状。基于当前矿山边坡滑坡灾害研究存在的灾害分析的准确性严重依赖监测数据质量、对岩石力学机理知识利用不足等问题，指出了矿山边坡滑坡灾害研究发展趋势：统一多源数据采集接入标准；开发监测数据与岩石力学机理融合的矿山边坡滑坡灾害分析方法；优化“天−空−地”多源信息的时空关联挖掘算法；加强基于多源信息融合的矿山边坡滑坡灾害预警平台建设。

沿空留巷采空区自动化密闭系统

聂百胜, 夏晓峰, 周皓文, 秦枫

2024, 50(6): 16-22. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024040042

<摘要>(315) <HTML> (39) <PDF>(152)

摘要:
现有的沿空留巷采空区密闭方法大多集中于构筑密闭墙及封堵墙体裂隙，施工周期较长且反复进行，消耗大量人力成本，自动化程度低，易发生二次破坏。针对上述问题，设计了一种沿空留巷采空区自动化密闭系统。该系统以柔性密闭气囊为载体，将未充气的气囊置于采空区密闭墙和单体液压支柱之间，对气囊充气使其与沿空留巷顶底板及采空区密闭墙外侧贴合接触；智能感知矿压显现导致的巷道围岩变形，气囊随时变化形状柔性应对，即当气囊内部压力上升并超过安全泄压阀额定压力时，自动释放气囊气体缩小体积，以重新与顶底板围岩紧密贴合，达到持续密闭采空区的效果，抑制采空区危险气体泄漏。现场试验结果表明：安全泄压阀在柔性密闭气囊内部压力达到约4 kPa时正常开启，压力达到2.7 kPa左右停止泄气；柔性密闭装备感知压力变化后收缩体积以重新适应围岩形态，可长时间并持续性地密闭采空区；柔性密闭装备安装后与采空区密闭墙贴合度高，密闭墙墙体前瓦斯体积分数降低0.13%，有效抑制了瓦斯溢出。

基于数字孪生和深度强化学习的矿井超前液压支架自适应抗冲支护方法

张帆, 邵光耀, 李昱翰, 李玉雪

2024, 50(6): 23-29, 45. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023090004

<摘要>(476) <HTML> (36) <PDF>(67)

摘要:
受深部开采冲击地压等地质灾害扰动的影响，存在矿井超前支护系统自感知能力差、智能抗冲自适应能力弱、缺乏决策控制能力等问题。针对上述问题，提出了一种基于数字孪生和深度强化学习的矿井超前液压支架自适应抗冲支护方法。通过多源传感器感知巷道环境和超前液压支架支护状态，在虚拟世界中创建物理实体的数字孪生模型，其中物理模型精确展现超前液压支架的结构特征和细节，控制模型实现超前液压支架的自适应控制，机理模型实现对超前液压支架自适应支护的逻辑描述和机理解释，数据模型存储超前液压支架实体运行数据和孪生数据，仿真模型完成超前液压支架立柱仿真以实现超前液压支架与数字孪生模型虚实交互。根据基于深度Q网络（DQN）的超前液压支架自适应抗冲决策算法，对仿真环境中巷道抗冲支护进行智能决策，并依据决策结果对物理实体和数字孪生模型下达调控指令，实现超前液压支架智能控制。实验结果表明：立柱位移与压力变化一致，说明超前液压支架立柱仿真模型设计合理，从而验证了数字孪生模型的准确性；基于DQN的矿井超前液压支架自适应抗冲决策算法可通过调节液压支架控制器PID参数，自适应调控立柱压力，提升巷道安全等级，实现超前液压支架自适应抗冲支护。

基于LSTM−Informer模型的液压支架压力时空多步长预测

余琼芳, 杨鹏飞, 唐高峰

2024, 50(6): 30-35. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023120009

<摘要>(266) <HTML> (55) <PDF>(44)

摘要:
目前多步液压支架压力预测大多为单步液压支架压力的累计预测，单步累计次数越多，累计误差就越大，影响预测精度。针对该问题，提出了一种基于长短时记忆（LSTM）−Informer模型的液压支架压力时空多步长预测方法。采用卡尔曼滤波消除液压支架压力数据中的振动噪声后，在工作面端部和中部各选取相邻的5台液压支架压力数据建立2个时空数据集（数据集1和数据集2），并对时空数据进行标准化预处理。将时空数据输入LSTM模型提取时空特征，并将提取的时空特征输入Informer模型的编码器，经过位置编码后利用多头概率稀疏自注意力来关注压力序列的变化特征，经过最大池化和一维卷积消除最终输出特征图的冗余组合。利用多头概率稀疏自注意力来关注压力序列的变化特征，将Informer模型的解码器改为全连接层，得到液压支架压力的预测结果。实验结果表明：与基于门控循环单元（GRU）、LSTM和Informer模型的预测方法相比，基于LSTM−Informer模型的预测方法在预测6，12，24步长液压支架压力时的均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）均最小；其中基于数据集1预测的6步长液压支架压力的RMSE分别降低了41.63%，49.74%，11.85%，MAE分别降低了41.75%，50.00%，12.00%；基于数据集2预测的6步长液压支架压力的RMSE分别降低了48.15%，59.86%，19.88%，MAE分别降低了49.87%，54.90%，13.16%。

全光纤微震监测技术在底板突水监测中的应用研究

黄刚, 韩云春, 余国锋, 罗勇, 任波, 叶赞, 王立超, 赵靖, 徐一帆

2024, 50(6): 36-45. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024030037

<摘要>(240) <HTML> (32) <PDF>(26)

摘要:
目前国内的光纤微震监测系统多是基于光学光栅传感技术，而光纤光栅波长解调限制了系统检测频率与灵敏度，且长时间、连续不间断的微震监测成功案例较少。针对上述问题，提出了一种新型全光纤微震监测系统。以潘二煤矿11023工作面回采过程中底板突水监测为工程背景，使用全光纤微震监测系统与ESG微震监测系统进行对比，得出全光纤微震监测系统具有以下优势：记录的波形频谱特征更清晰，表现出高信噪比优势；对扰动深度的监测范围更大，远距离监测效果更好；震源定位结果分布更加合理，更符合工作面实际开采情况。在监测工作面回采全周期内，分析了11023工作面断层异常区底板破坏与微震活动性关系：在断层和煤层变薄异常区附近，微震事件的数量增多、强度增大；工作面初采期间应力集中释放，受采动影响，底板破坏较深；相对大能量事件主要分布在断层异常区的底板，底板破坏深度约为27 m，微震事件在3煤底板60 m以下没有成线或成面聚集的情况，说明裂隙并未扩展，未形成导水通道，工作面安全回采。

煤矿岩巷TBM掘进随掘地震信号特征及其应用

党保全, 郭立全, 张延喜, 任永乐, 李圣林

2024, 50(6): 46-53, 60. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024010094

<摘要>(259) <HTML> (42) <PDF>(20)

摘要:
随掘地震超前探测技术可实现探掘平行，为巷道快速智能掘进场景下实时、精准地质保障提供了可能。随掘震源产生的是复杂、变频、连续信号，信号特征认知直接影响数据处理与成像精度，而目前针对岩巷全断面掘进机（TBM）随掘地震信号特征的认知仍不清晰，且暂时还没有针对性开展过信号处理与成像研究工作。针对上述问题，以谢桥煤矿瓦斯治理巷TBM随掘地震超前探测试验为例，分析了刀盘先导信号与岩壁接收信号的时间域、频率域及时频域特征：岩巷TBM随掘地震信号中不同振幅能量成分比例呈现金字塔形，但分布随机，不对称程度较高；机械运转信号能量较大，刀盘先导信号强度是岩壁接收信号的200倍左右；频率域变频特征明显；机械运转信号基础频率较低，刀盘先导信号频率成分主要集中在10～80 Hz与150～200 Hz，主频为36.99 Hz，岩壁接收信号频率成分主要集中在50～200 Hz，主频为137.97 Hz；刀盘先导信号较岩壁接收信号时频域能量团分布更为规则，多次震源激发现象明显，能量团之间的差异性特征表明了多次震源激发时振幅能量与持续时间的随机性。利用脉冲化算法与绕射叠加偏移成像方法对岩巷TBM随掘地震信号进行数据处理与成像试验，结果表明：① 脉冲化等效单炮记录与利用常规震源得到的超前探测单炮记录特征一致性较强，同相轴清晰且连续性较好，可满足现场探测分析需要。② 对探测范围内岩体情况的超前预报结果与实际揭露情况一致，说明岩巷TBM随掘地震超前探测可提供有效地质保障。

一种煤矿顶板灾害防治知识图谱构建方法

罗香玉, 杜浩, 华颖, 解盘石, 吕文玉

2024, 50(6): 54-60. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023120032

<摘要>(485) <HTML> (37) <PDF>(48)

摘要:
目前煤矿顶板灾害防治措施决策及事故原因分析等过程主要依赖人工经验，智能化水平较低。顶板灾害防治知识图谱可整合顶板灾害防治知识和经验，辅助顶板灾害事故原因分析和顶板灾害防治措施决策。提出了一种煤矿顶板灾害防治知识图谱构建方法。采用本体方法完成煤矿顶板灾害防治知识建模，将顶板灾害防治领域的概念分为矿井地质类、开采技术类、防治措施类和事故表征类，将概念之间的关系定义为使用、引发、易发、治理、预防和适用，为煤矿顶板灾害防治知识抽取（实体抽取和关系抽取）奠定基础；结合煤矿顶板灾害防治领域文本存在大量嵌套实体和关系之间存在实体重叠的特点，确定了基于跨度的实体抽取方法和基于依存句法树引导实体表示的关系抽取方法；构建了顶板灾害防治领域语料库，采用Neo4j图数据库存储数据，为顶板灾害防治知识图谱的应用提供数据来源支撑；展示了煤矿顶板灾害防治知识图谱局部构建结果，说明该知识图谱可辅助顶板灾害事故原因分析和防治措施决策，从而提高顶板管理的智能化水平；指出基于该知识图谱，结合自然语言处理和知识推理等技术，可实现顶板管理知识问答。

基于改进YOLOv8的煤矿输送带异物检测

洪炎, 汪磊, 苏静明, 汪瀚涛, 李木石

2024, 50(6): 61-69. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024050006

<摘要>(289) <HTML> (53) <PDF>(52)

摘要:
现有基于深度学习的输送带异物检测模型较大，难以在边缘设备部署，且对不同尺寸异物和小目标异物存在错检、漏检情况。针对上述问题，提出一种基于改进YOLOv8的煤矿输送带异物检测方法。采用深度可分离卷积、压缩和激励(SE)网络将YOLOv8主干网络中C2f模块的Bottleneck重新构建为DSBlock，在保持模型轻量化的同时提升检测性能；为增强对不同尺寸目标物体信息的获取能力，引入高效通道注意力(ECA) 机制，并对ECA的输入层进行自适应平均池化和自适应最大池化操作，得到跨通道交互MECA模块，以增强模块的全局视觉信息，进一步提升异物识别精度；将YOLOv8的3个检测头修改为4个轻量化小目标检测头，以增强对小目标的敏感性，有效降低小目标异物的漏检率和错检率。实验结果表明：改进YOLOv8的精确度达91.69%，mAP@50达92.27%，较YOLOv8分别提升了3.09%和4.07%；改进YOLOv8的检测速度达73.92帧/s，可充分满足煤矿输送带异物实时检测的需求；改进YOLOv8的精确度、mAP@50、参数量、权重大小和每秒浮点运算数均优于SSD，Faster-RCNN，YOLOv5，YOLOv7−tiny等主流目标检测算法。

煤矿运输系统多元异常图像检测研究

吕东翰, 胡而已, 黄一珀, 李汶璋

2024, 50(6): 70-78. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024050001

<摘要>(80) <HTML> (24) <PDF>(11)

摘要:
煤矿运输系统的异常险情种类繁多、场景多样，煤矿现场异常事故的发生具有偶然性，异常样本的获取其数量远小于正常样本，造成正负样本不平衡。针对上述问题，提出一种基于超球重构数据描述（HRDD）的煤矿运输系统多元异常图像检测方法。在全卷积数据描述（FCDD）基础上引入图像重构辅助任务，选用均方差损失函数作为图像重构辅助任务的目标函数，将异常图像检测和定位量化为一个不等式约束优化问题。采用无缝融合技术将辅助数据集、异常样本融合到正常样本中，以缩小异常融合样本与正常样本的差异，扩大异常样本总量，平衡异常样本、正常样本的比例。通过多组噪声模拟实验和现场实验证明，以一定概率在抵抗区添加高斯噪声进行增强训练，可提高HRDD模型的抗噪效能、泛化能力、检测准确率等。消融实验结果表明：辅助数据集有效地改善了样本不平衡问题，准确率提高了36.5%；引入图像重构辅助任务可保证深层特征能够准确映射到异常位置，交并比（IoU）提升了33.4%；辅助数据集与图像重构辅助任务之间存在强耦合作用，二者组合使用能进一步激发HRDD算法的性能潜力；添加无缝融合样本、高斯噪声增强等在一定程度上提高了HRDD模型的泛化能力。对照实验结果表明，HRDD算法准确率及IoU均优于其他主流算法，相比FCDD算法，HRDD算法准确率、IoU分别提高了4.6%，7.0%，更适用于煤矿现场。

基于多尺度梯度域引导滤波的煤矿井下图像增强方法

牟琦, 葛相甫, 王新月, 李磊, 李占利

2024, 50(6): 79-88, 111. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023080126

<摘要>(112) <HTML> (29) <PDF>(16)

摘要:
煤矿井下图像存在较严重的光照不均匀和噪声干扰，现有基于Retinex的方法直接应用于煤矿井下图像增强易出现光晕伪影、边缘模糊、过增强和噪声放大等问题。针对上述问题，提出了一种基于多尺度梯度域引导滤波的煤矿井下图像增强方法。首先，将多尺度思想引入梯度域引导滤波中，实现对非均匀光照的准确估计，有效解决了增强图像时光晕伪影及边缘模糊的问题。然后，利用Retinex模型分离出光照分量和反射分量：对于光照分量，通过自适应伽马校正函数逐像素地修正光照信息，实现对图像暗区域增强的同时，抑制亮区域过增强，并使用限制对比度自适应直方图均衡化方法调整图像对比度；对于反射分量，将梯度域引导滤波与多尺度细节提升相结合，在准确去除噪声后提升纹理细节，避免了增强图像时噪声放大的问题。最后，将处理后的光照分量及反射分量融合，计算图像增益系数，并使用线性色彩恢复方法实现对原始RGB图像的逐像素增强，提升方法处理效率。实验结果表明，从主客观角度与现有方法相比，经所提方法处理后的图像在色彩保持、对比度、噪声抑制、细节保留等方面均取得了较好的增强效果，同时处理效率较高。

基于暗通道引导滤波和光照校正的煤矿井下图像去雾算法

盖勇刚

2024, 50(6): 89-95. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024030048

<摘要>(86) <HTML> (31) <PDF>(10)

摘要:
现有煤矿井下图像去雾方法在处理煤矿井下图像时未能在提取图像深层次特征信息的同时进行光照校正，处理后的图像存在细节信息丢失或图像偏暗的问题。提出一种基于暗通道引导滤波和光照校正的煤矿井下图像去雾算法。首先，井下原始图像通过图像分化模块（IDM）进行双边滤波、光照估计和暗原色处理后得到光照图、暗原色图和光照反射图。然后，对暗原色图进行预处理，作为权重引导参数对光照反射图进行引导滤波，以恢复图像细节特征信息。最后，将光照图作为权重参数对图像进行光照校正和特征提取，通过多次光照校正解决颜色失真问题，同时增加网络深度，进而去除黑暗区域的退化，实现图像细节的重构，从而得到清晰图像。主观评价结果表明：基于暗通道引导滤波和光照校正的煤矿井下图像去雾算法在去除雾气的同时，保留了更多的结构纹理及背景细节，使整个图像更加接近于对应的清晰图像。客观评价结果表明：与次优算法PMS−Net相比，在训练集和测试集上信息熵分别提高0.32和0.11，标准差分别提高3.58和1.89，平均梯度分别提高0.008和0.004，说明所提算法可有效降低煤矿井下图像的雾气。消融实验结果表明，所提算法在测试数据集上的信息熵、标准差、平均梯度均高于其他网络组成模型，说明所提算法去雾效果最好，且能有效保留图像细节和边缘信息。

基于UWB与PDR的井下人员融合定位方法

贾宇涛, 李冠华, 潘红光, 陈海舰, 魏绪强, 白俊明

2024, 50(6): 96-102, 135. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024010071

<摘要>(131) <HTML> (43) <PDF>(17)

摘要:
现有超宽带（UWB）与行人航位推算（PDR）融合定位方法大多忽略了非视距（NLOS）环境下的定位误差校正，以简单的阈值划分作为NLOS环境判断依据，而阈值划分在很大程度上与定位场景及场地大小相关。针对上述问题，提出一种考虑NLOS环境的基于UWB与PDR的井下人员融合定位方法。首先，利用UWB技术进行井下人员位置解算，通过三边定位算法得到人员初步位置后，使用最小二乘法对位置进行优化，通过多项式拟合实现NLOS环境下基站和标签之间实际值和测量值之间的拟合，减小NLOS环境下的测距误差，提高定位精度。其次，采用PDR算法对步态进行识别和分析，PDR算法使用惯性导航传感器采集的步态数据，通过步态识别、步长估计和方向估计，实现目标位置的更新；然后，通过卷积神经网络（CNN）−长短期记忆（LSTM）网络分析信道脉冲响应（CIR）特征，实现视距（LOS）/NLOS识别，解决NLOS环境判断存在场景限制的问题；最后，根据LOS/NLOS识别结果确定融合系数，实现UWB和PDR定位结果融合。测试结果表明：多项式拟合后UWB平均测距误差降低0.59 m；LOS/NLOS识别的平均准确率为95.3%，召回率和F₁分数均在90%以上，验证了CNN−LSTM具有较好的识别效果；融合定位方法的平均误差为0.31 m，较UWB降低1.57 m，较PDR降低1.41 m。

基于生成对抗网络的井下人员步长估计方法

王泰基

2024, 50(6): 103-111. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024020039

<摘要>(105) <HTML> (26) <PDF>(10)

摘要:
针对基于行人航位推算（PDR）的煤矿井下人员定位系统中步长估计存在累计误差及传统深度学习方法所需数据集样本过大的问题，提出了一种基于生成对抗网络（GAN）的井下人员步长估计方法。GAN模型主要包括生成模型和判别模型2个部分，均采用深度神经网络（DNNs）实现。生成模型根据输入数据生成连续的结果分布（即标签），其输出层使用线性激活函数，以保留网络的线性特性，允许模型预测任何人员在行走过程中的步长；判别模型根据输入数据与标签判别是真实标签还是由生成器生成的标签，其输出层使用Sigmoid激活函数，以实现结果的二分类。确定生成模型与判别模型后，GAN模型联合2个模型进行训练，通过构建并优化生成器和判别器之间的动态竞争，使得生成器能够在不断迭代中学会生成更加逼真、难以区分的数据样本。实验结果表明，使用同样训练集及测试集的情况下，GAN模型的平均误差为0.14 m，标准差和均方根误差均小于DNNs模型，最小值均为0.74 m。户外测试结果表明，基于GAN的井下人员步长估计方法在上下坡场景的误差最小值为3.21%，最大值为4.79%；相比于上下坡场景，操场场景的误差更小，最大误差为1.91%。

融合改进A^*算法与动态窗口法的煤矿足式机器人路径规划

王利民, 孙瑞峰, 翟国栋, 张佳伟, 徐弘, 赵杰, 化一行

2024, 50(6): 112-119. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024020042

<摘要>(136) <HTML> (27) <PDF>(23)

摘要:
为提高煤矿足式机器人路径规划算法的运行效率、搜索精度及避障灵活性，提出了一种融合改进A^*算法与动态窗口法（DWA）的煤矿足式机器人路径规划方法。首先对A^*算法进行改进，通过去冗余节点策略减短规划路径的长度，通过改进邻域搜索方式和代价函数提高路径规划速度，采用分段二阶贝塞尔曲线进行路径平滑。将改进A^*算法规划出的路径节点依次作为局部路径规划DWA的局部目标点进行算法融合，筛选邻近的障碍物节点，从而再次缩短路径长度，并通过调整DWA代价函数中的权值比例提升避障性能。针对机器人遇到无法避开的障碍物而陷入“假死”状态的问题，以当前初始点为起点，重新调用融合算法，即重新进行全局路径规划，将得到的新节点代替原有的局部目标点，按照新路径进行后续工作。仿真结果表明：在保证机器人行走安全稳定的基础上，改进A^*算法较传统A^*算法的计算时间缩短了65%，路径长度缩短了24.1%，路径节点数量减少了27.65%，最终得出的路径更为平滑；融合算法进一步提升了全局路径规划能力，在多障碍物环境下能够绕开新增的动态和静态障碍物；机器人遇到“L”型障碍物进入“假死”状态时，在“假死”位置重新进行全局路径规划，更新行走路径，成功到达了最终目标点。基于融合算法的JetHexa六足机器人路径规划实验结果验证了融合算法的有效性和优越性。

基于残差优化的综采工作面煤壁点云补全方法

汪卫兵, 侯学谦, 赵栓峰, 贺海涛, 邢志中, 路正雄

2024, 50(6): 120-128. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024020014

<摘要>(82) <HTML> (34) <PDF>(11)

摘要:
煤矿综采工作面巷道的数字化三维重建过程中需要完整且密集的煤壁点云数据。受遮挡、视角限制等因素影响，采集的综采工作面煤壁点云数据往往不完整且稀疏，影响下游任务，需进行煤壁点云修复和补全。目前缺少针对井下点云补全任务的数据集和网络模型，现有模型用于煤壁点云补全时存在点云密度分布不均匀、点云特征信息丢失等情况。针对上述问题，设计了一种基于残差优化的煤壁点云补全网络模型，采用监督学习方式学习点云特征信息，通过最小化密度采样和残差网络迭代优化输出完整点云。采集煤矿井下真实综采工作面煤壁点云数据，预处理后筛选可用数据，通过模拟随机空洞制作煤壁点云缺失数据集，并用缺失数据集训练基于残差优化的煤壁点云补全网络模型。实验结果表明：与经典的FoldingNet，TopNet，AtlasNet，PCN，3D−Capsule点云补全网络模型相比，基于残差优化的煤壁点云补全网络模型针对构造的缺失煤壁点云和稀疏煤壁点云补全的倒角距离、地移距离及F₁分数均能达到最优水平，整体补全效果最佳；针对实际缺失的煤壁点云，该模型能够实现有效补全。

综采工作面液压支架测高传感器设计

高思伟, 谷敏永, 李殿鹏

2024, 50(6): 129-135. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024010089

<摘要>(104) <HTML> (29) <PDF>(17)

摘要:
针对综采工作面液压支架高度测量困难和可靠性、稳定性差等问题，设计了一种基于帕斯卡定律的液压支架测高传感器。该测高传感器内置一根细长液管，液管中充满甲基硅油，测高传感器两端安装压力传感器，通过测量密闭液管的两端压力，得到测高传感器两端位置的高度差。甲基硅油在环境温度变化时具有明显的热胀冷缩特性，会引起密闭空间内的压力急剧变化，影响测量精度，提出了一种补偿方法：采用波纹管存储一部分甲基硅油，利用波纹管自身的弹性补偿甲基硅油热胀冷缩造成的体积变化；并在软件中通过算法校准甲基硅油体积变化带来的密度变化，从而确保测高传感器的测量精度。试验结果表明：测高传感器可工作在0～40 ℃环境下，测量误差在4 cm以内。在薄煤层、中厚煤层综采工作面液压支架的现场应用结果表明：与人工测量结果相比，测高传感器的高度测量误差在5 cm以内，说明该传感器可靠性较高。

液压支架姿态数字孪生精准快速映射方法

刘萌, 付翔, 姜玉龙, 刘彬, 杨宇琪, 秦一凡, 孙岩

2024, 50(6): 136-141, 158. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18180

<摘要>(126) <HTML> (34) <PDF>(18)

摘要:
针对应用数字孪生实现综采工作面液压支架姿态映射存在精度低、时延大及精度与时延难以平衡等问题，提出了一种液压支架姿态数字孪生精准快速映射方法。设计了包括物理感知层、数据层、业务逻辑层和表现层的液压支架姿态数字孪生系统架构；在业务逻辑层，通过保留液压支架高精度模型外部形状并将关键部位合并成轻量化结构件，建立了液压支架姿态数字孪生模型，减少了渲染时延，并通过建立倾角传感器测量角度与数字孪生模型转动角度之间的转换关系，实现液压支架姿态数字孪生模型与液压支架实体虚实映射一致，保证了液压支架姿态映射的精度；在数据层，从各数据传输环节中划分出传输间隔并进行参数约束，应用参数规划求解优化可调环节的数据更新间隔，减少了数字孪生系统数据传输过程的资源浪费和时延。搭建了液压支架姿态数字孪生精准快速映射平台，进行液压支架姿态虚实映射的时延和精度测试，结果表明，该方法在保证液压支架姿态映射精度的前提下具有较低的时延。

强噪声干扰下采煤机行星齿轮故障诊断方法

李勇, 张启志, 庄德玉, 邱锦波, 程刚

2024, 50(6): 142-149. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18177

<摘要>(107) <HTML> (33) <PDF>(23)

摘要:
采煤机摇臂截割部行星齿轮的健康状态直接影响截割效率。针对采煤机截割煤岩过程中受多重冲击引起的强噪声干扰、齿轮结构复杂且传递路径多变导致故障特征难以提取等特点，提出了一种基于频谱平均降噪和相关谱的采煤机行星齿轮故障诊断方法。根据信号频谱分布特征及噪声随机特性，采用频谱平均降噪方法抑制噪声对信号频谱的干扰，获得信号降噪频谱。构建相关谱以建立少样本降噪频谱和多样本降噪频谱的内在联系，减少频谱平均降噪对样本数量的需求。采用一维卷积神经网络（1D CNN）建立相关谱与故障类别之间的精确映射关系，以相关谱为输入、故障类别为输出，实现行星齿轮故障分类识别。在DDS传动系统故障诊断实验台对基于频谱平均降噪和相关谱的采煤机行星齿轮故障诊断方法进行实验验证，结果表明该方法能够增强表征故障特征的关键频率，对正常、断齿、磨损、缺齿和裂纹5种行星齿轮健康状态信号的整体识别率达96%，在信噪比不低于15 dB时可有效、准确地实现齿轮故障诊断。

本安型电磁阀动静态特性分析及影响参数优化研究

姚卓, 王伟, 韦文术, 卢德来, 李向波

2024, 50(6): 150-158. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024020048

<摘要>(97) <HTML> (27) <PDF>(8)

摘要:
针对在驱动功率和电磁阀体积约束下存在的电磁铁驱动力不足、电磁阀响应速度慢的问题，分析了电磁阀的动静态特性，通过仿真分析和样机试验验证了提高本安型电磁铁电磁力可明显改善电磁阀的响应特性，确定了通过优化电磁力改善电磁阀响应特性的方案。提出了本安型电磁铁特性评价指标：有效行程指标、平均电磁力指标和静态综合性能指标，解决了因电磁铁行程不同而造成的电磁铁性能评价困难的问题。利用Maxwell电磁仿真软件分析了导向筒深度变化量δ_a、衔铁半径变化量δ_b、非工作气隙变化量δ_c1、非工作气隙变化量δ_c2、盆口高度变化量δ_d对电磁铁静态特性的影响，得到不同参数对静态特性的敏感度，为参数优化中尺寸控制范围的选择提供参考依据。通过正交试验结果构建了铁芯结构参数对电磁铁综合特性评价指标的二阶响应面模型，利用遗传算法对铁芯参数进行优化。样机试验结果表明：优化后电磁铁水平段电磁力提升了50%，有效行程提高了26%，本安型电磁阀的开启响应时间缩短了52.5%。

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