智慧矿山数字孪生技术研究综述 被引量：103

1

作者 张帆 葛世荣 李闯 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2020年第7期168-176,共9页

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。数字孪生面向煤炭工业互联互通及智能化应用,发挥连接物理世界和信息世界的桥梁与纽带作用,将在煤炭开采、视频监控、人机交互等方面提供更加实时、智能、高效的服务。面向智慧矿山技术... 煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。数字孪生面向煤炭工业互联互通及智能化应用,发挥连接物理世界和信息世界的桥梁与纽带作用,将在煤炭开采、视频监控、人机交互等方面提供更加实时、智能、高效的服务。面向智慧矿山技术需求,提出了基于数字孪生+5G的智慧矿山建设新思路,将"数字孪生+5G"与AI技术相结合,为实现智慧矿山提供一种创新的方法。首先从智慧矿山建设进展及应用方面存在的问题入手,系统地梳理和分析了当前智慧矿山研究和发展现状,通过研究新一代信息技术与工业技术融合应用,阐述了数字孪生的概念内涵,指出数字孪生是智慧矿山发展的必然趋势并将为智慧矿山赋能;然后针对智慧矿山建设的难点和痛点问题,提出了基于"数字孪生+5G"的智慧矿山体系架构理论,通过构建矿山数字孪生模型(MDTM)实现物理矿山实体与数字矿山孪生体之间的虚实映射与实时交互。聚焦智慧矿山建设目标,以智慧矿山系统建设、优化和关键技术为核心,基于矿山信息物理空间的数字孪生和深度学习方法,以实际矿井为原型设计了智能开采的数字孪生一体化方案,构建了全域感知、边缘计算、数据驱动和辅助决策的智慧矿山平台。最后针对智慧矿山的数字孪生应用需求,提出并探讨了数字孪生赋能智慧矿山的关键技术问题,并指出了未来需要实现的关键技术路径。旨在通过对智慧矿山的数字孪生技术研究,为数字孪生模型构建、协同控制与交互优化等提供思路,为未来智慧矿山建设与设计提供理论借鉴。 展开更多

关键词 智慧矿山 数字孪生 数字孪生矿山 矿山5G 煤矿智能化 煤炭工业互联网

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面向智能矿山与新工科的数字孪生技术研究 被引量：39

2

作者 张帆 李闯 +1 位作者 李昊 刘毅 《工矿自动化》 北大核心 2020年第5期15-20,共6页

将数字孪生与人工智能(AI)技术相结合,提出了基于数字孪生+AI的智能矿山建设新思路。探索了智能矿山技术发展路径,研究了数字孪生技术的特征、应用领域及发展趋势,指出数字孪生是数字化矿山发展的必然趋势。提出了基于数字孪生+AI的智... 将数字孪生与人工智能(AI)技术相结合,提出了基于数字孪生+AI的智能矿山建设新思路。探索了智能矿山技术发展路径,研究了数字孪生技术的特征、应用领域及发展趋势,指出数字孪生是数字化矿山发展的必然趋势。提出了基于数字孪生+AI的智能矿山理论架构,构建了矿山数字孪生模型,模型自下而上分别为矿山全要素物理实体、矿山信息物理融合层、矿山数字孪生模型、矿山孪生数据交互层、矿山应用智能服务层,据此实现智能矿山的泛在感知、协同控制和智能决策与优化。从应用实际需求出发,探讨了智能矿山模型构建技术、智能开采数字孪生体技术、矿山智能控制技术、矿山设备故障预测、基于数字孪生的人机交互等关键技术。通过研究数字孪生在智能矿山中的应用,为AI技术在智能矿山应用落地提供思路,为未来智能矿山新工科建设提供理论借鉴。 展开更多

关键词 智能矿山 数字孪生 人工智能 矿山数字孪生模型 智能开采数字孪生体

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煤矸分拣机器人设计与关键技术分析 被引量：28

3

作者 商德勇 章林 +1 位作者 牛艳奇 范迅 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2022年第3期232-238,共7页

煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,煤矸在线分拣机器人可实现煤和矸石的自动识别与分拣,是实现煤矿智能化分选的重要装备。在总结国内外煤矸分拣机器人和煤矸图像识别技术的研究现状和成果基础上,针对煤矸自动分拣机... 煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,煤矸在线分拣机器人可实现煤和矸石的自动识别与分拣,是实现煤矿智能化分选的重要装备。在总结国内外煤矸分拣机器人和煤矸图像识别技术的研究现状和成果基础上,针对煤矸自动分拣机器人分拣速度低,智能化程度不高等问题,设计了一种基于图像识别的Delta型并联机器人应用于煤矸自动分拣领域。阐述了煤矸分拣机器人的工作原理和设计方案,针对煤矸分拣的特定工况场景,对工业相机、光源、镜头等图像识别系统的硬件进行了选型设计。提出了一种基于灰度和纹理特征融合的煤矸图像SVM识别算法,介绍了机器人控制系统的软件功能设计方法,最后搭建了试验平台并进行了多组煤矸在线识别分拣试验。结果表明,该并联机器人可有效对煤和矸石进行自动识别,并通过控制机器人气动机械手实现对6 kg以下的矸石抓取。针对设计及试验过程中遇到的问题,进一步提出了机器人刚柔耦合动力学模型和误差传递规律、基于深度学习和多特征融合的煤矸石识别算法、考虑外部负载干扰的并联机器人自适应稳定控制策略等关键技术,为进一步加快煤矸分拣并联机器人的推广应用,最终实现煤矿智能化、无人化分选提供一种新途径。 展开更多

关键词 煤矿智能化 智能分选 煤矸分拣 并联机器人 图像识别

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曲柄摇杆四足机器人实验教学平台设计 被引量：6

4

作者 商德勇 樊虎 白龙 《实验室研究与探索》 CAS 北大核心 2023年第1期184-189,共6页

为适应新工科人才培养的要求,针对机械类专业课程实践教学环节教学方法陈旧等问题,基于曲柄摇杆机构设计了一款四足机器人实验教学平台,用于机械原理、机械设计等主干课程的实践创新教学环节。该四足机器人的结构设计方案源于哺乳动物... 为适应新工科人才培养的要求,针对机械类专业课程实践教学环节教学方法陈旧等问题,基于曲柄摇杆机构设计了一款四足机器人实验教学平台,用于机械原理、机械设计等主干课程的实践创新教学环节。该四足机器人的结构设计方案源于哺乳动物运动过程,分析了其运动方式及不同腿部结构对于运动过程的影响,确定机器人机构运动方案;以D-H矩阵变换为数学工具,建立了机器人运动学模型;考虑实验平台应满足较高的经济性和互换性要求,最大程度采用了标准件的数量。对机器人进行了虚拟仿真分析,完成直线与奔跑两种状态的步态规划,实现了四足机器人的整体协调运动,验证了设计的合理性。实践表明,该教学平台的成功设计,丰富了机械类核心课程实践教学内容,对于提高学生的动手实践能力和思维创新能力有着显著的效果。 展开更多

关键词 曲柄摇杆 四足机器人 虚拟仿真 实验教学平台

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智能综采工作面刮板输送机直线度监测方法研究 被引量：24

5

作者 张帆 李闯 李昊 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2022年第4期246-255,共10页

综采工作面刮板输送机的直线度误差受刮板输送机的轨迹检测误差和液压支架的推移误差的影响,给刮板输送机的状态监测带来了新的挑战。综采工作面刮板输送机直线度实时监测与控制及其获取精确、可靠的位置状态信息对煤矿智能化开采至关... 综采工作面刮板输送机的直线度误差受刮板输送机的轨迹检测误差和液压支架的推移误差的影响,给刮板输送机的状态监测带来了新的挑战。综采工作面刮板输送机直线度实时监测与控制及其获取精确、可靠的位置状态信息对煤矿智能化开采至关重要。为实现综采工作面刮板输送机自动化、智能化、无人化调直并有效地监测刮板输送机的状态,提出了一种基于卡尔曼滤波的刮板输送机位置状态估计方法,结合综采工作面采煤工艺,利用刮板输送机检测轨迹建立刮板输送机调直方法模型,针对传统方法无法实时反映刮板输送机运动状态的难题,以数字孪生技术作为物理世界与数字世界的桥梁,实时精准地反映刮板输送机的位置状态信息,研究综采工作面“三机”的工作特点,利用卡尔曼滤波算法实现对综采工作面刮板输送机直线度的有效监测,并通过改变检测误差与推移误差的正态分布来检验该方法的准确性。试验结果表明,所提出的监测方法能够有效地减小检测误差和推移误差对综采工作面刮板输送机直线度的影响,且在检测误差与推移误差较大时依旧能发挥出色的效果,监测精准率均能提高30%以上,能使综采工作面刮板输送机的直线度误差稳定在一定的范围内,提高刮板输送机直线度的监测精度。 展开更多

关键词 智能综采工作面 刮板输送机 直线度监测 数字孪生 卡尔曼滤波 直线度误差

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矿山数字孪生构建方法与演化机理 被引量：35

6

作者 张帆 葛世荣 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期510-522,共13页

新一代信息技术与煤炭开采技术深度融合,为智能矿山技术发展提供关键技术支撑,将促进煤炭工业创新、绿色、安全、高效发展。数字孪生作为煤矿智能化无人开采的核心技术,是人工智能理论方法与数字化技术的有机结合,数字孪生有望解决煤矿... 新一代信息技术与煤炭开采技术深度融合,为智能矿山技术发展提供关键技术支撑,将促进煤炭工业创新、绿色、安全、高效发展。数字孪生作为煤矿智能化无人开采的核心技术,是人工智能理论方法与数字化技术的有机结合,数字孪生有望解决煤矿智能化无人开采中物理世界和信息世界交互与共智的关键技术难题,对推动矿山全生命周期智能化建设和煤炭工业高质量发展具有重要意义。本文基于数字孪生技术和平行智能理论,提出了矿山数字孪生的概念框架、体系架构、关键技术、基础理论和构建方法体系;提出了物理模型、仿真模型、机理模型和数据模型相互耦合的矿山数字孪生演化理论模型,据此进一步解析了面向矿山智能开采应用场景的数字孪生模型构建方法与演化过程,研究了矿山数字孪生系统与物理系统的理论模型、同步映射与协同演化机制,探讨并揭示了矿山数字孪生的演化机理;最后以矿山智采工作面数字孪生实际应用为例,通过模拟矿山生产场景数字孪生模型演化与协同控制,验证矿山生产场景的数字孪生建模效果并对其技术特征进行解析,实现描述、建模、演化、预测相结合的矿山数字孪生系统模型。本文旨在通过矿山数字孪生技术内涵、方法、机理等理论新型研究范式,为矿山数字孪生技术应用落地提供理论指导,对未来智能矿山研究和工业互联网在煤矿应用提供有益的启发与借鉴。 展开更多

关键词 智能矿山 矿山数字孪生 数字孪生体 模型构建 演化机理

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基于激光雷达的煤矿井底车场地图融合构建方法研究 被引量：12

7

作者 薛光辉 李瑞雪 +2 位作者 张钲昊 刘爽 魏金波 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期219-227,共9页

煤矿智能化是煤炭行业高质量发展的技术支撑,关键岗位的机器人替代是实现煤炭少人化、无人化的高效开采的发展趋势。即时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)是煤矿机器人自主移动与导航的关键技术之一。煤矿... 煤矿智能化是煤炭行业高质量发展的技术支撑,关键岗位的机器人替代是实现煤炭少人化、无人化的高效开采的发展趋势。即时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)是煤矿机器人自主移动与导航的关键技术之一。煤矿井下为典型非结构化环境,空间狭长局促,结构复杂多变,照明情况不均匀,对煤矿井下SLAM提出了严峻挑战。总结了煤矿井下地图构建研究现状,针对LeGO-LOAM算法的回环检测仍存在的不足,利用SegMatch算法改进LeGO-LOAM的回环检测模块,且使用ICP算法进行全局图优化,提出了一种融合LeGO-LOAM和SegMatch的改进算法,阐述了该算法的原理和实现步骤;开展了煤矿井下模拟场景试验,对比分析改进前后SLAM算法的建图效果以及精度,试验结果表明改进算法构建的地图回环效果更好,估计轨迹更平滑、精确;结合导航需求研究了二维占据栅格地图的构建方法,试验验证了该方法所构建的栅格地图精度,结果表明有效滤除动态障碍物等离群噪点后的栅格地图具有0.01 m的建图精度,且所需存储空间较点云地图降低了3个数量级。研究成果有助于煤矿井下非结构环境下SLAM和煤矿机器人实时定位和自主移动。 展开更多

关键词 煤矿井下 即时定位与地图构建 LeGO-LOAM SegMatch 占据栅格地图 非结构化环境

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数字孪生智采工作面技术架构研究 被引量：126

8

作者 葛世荣 张帆 +1 位作者 王世博 王忠宾 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第6期1925-1936,共12页

为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用5G通信技术、物联网技术和仿生智能技... 为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用5G通信技术、物联网技术和仿生智能技术,从而搭建一个智采工作面的数字孪生远程操作平台。首次定义数字孪生智采工作面是一个数据可视化、人机强交互、工艺自优化的高逼真采煤工作面三维镜像场景,它由物理工作面、数字工作面和数据信息3个部分组成。介绍了DTSMW系统涉及的物理工作面、虚拟工作面、孪生数据、信息交互、模型驱动、边缘计算、沉浸式体验、云端服务、信息物理系统、智能终端等10项关键技术。新的DTSMW系统具有开采过程仿真、优化和监控功能,可以实现开采工艺数字孪生、开采过程数字孪生、设备性能数字孪生、生产管理数字孪生和生产安控数字孪生。研究了智采工作面的仿生智能特性,阐述了物理模块(躯干)、信息模块(大脑)、通信模块(神经)、控制模块(脑肌)、孪生模块(映像)的基本功能特征,特别描述了采煤机、液压支架和刮板输送机的仿生智能要素。针对DTSMW系统数据的高度依赖性,首次将智采工作面复杂信息归纳为3条信息流,用于描述采煤过程的环境、控制和能量状态。环境信息流和控制信息流来自煤岩体对采煤机、液压支架、煤流运输机组的输入信息及其调控信息,能量信息流来自开采装备对煤层、岩层变量调控所产生的能量交换状态信息。针对智采工作面的巨大信息流量,提出了管理DTSMW信息流的数据主线(Digital Thread)方法,将信息流的数据分为周期性数据、随机性数据和突发性数据进行建模处理,以确保数字孪生智采工作面的数据驱动及稳定运行。通过对比分析,DTSMW系统比现有远程集控中心的智能性提高了一个层次,可为中级智采工作面实现无人化运行提供新的监控系统架构。 展开更多

关键词 智采工作面 数字孪生 人机交互 数字主线 智能采矿系统

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基于长短期记忆的煤炭含水率智能预测与实验研究 被引量：2

9

作者 李娜 刘强 +3 位作者 张淼 张崇进 张帆 李昊 《实验室研究与探索》 CAS 北大核心 2022年第4期35-39,56,共6页

考虑影响煤炭含水率变化的温度、湿度和风力等主要天气因素,以神华黄骅港为例,研究港口煤垛堆场的煤炭含水率预测方法。该方法首先基于长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络建立煤炭含水率预测模型,然后通过对采集到的港口... 考虑影响煤炭含水率变化的温度、湿度和风力等主要天气因素,以神华黄骅港为例,研究港口煤垛堆场的煤炭含水率预测方法。该方法首先基于长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络建立煤炭含水率预测模型,然后通过对采集到的港口实时天气数据和煤堆不同煤种的含水率数据融合处理,使用LSTM网络对训练数据集进行训练,并用来测试数据集,最后确定煤炭含水率预测模型,从而实现对堆场的智能洒水。研究结果表明,该模型对煤港堆场含水率预测的准确率在85%以上,据此模型建立智能洒水策略,能有效抑制煤堆起尘。上述方法对节约港口用水和减少污水量,以及对煤炭绿色开采和绿色生态港口建设具有参考价值。 展开更多

关键词 煤炭含水率预测 煤堆抑尘 智能洒水 长短期记忆神经网络 数据融合

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煤矿智采工作面概念及系统架构研究 被引量：41

10

作者 葛世荣 《工矿自动化》 北大核心 2020年第4期1-9,共9页

基于时间维度梳理了智能化采矿概念,提出智采工作面定义--一个在不同程度上无需人工干预而独立完成采煤作业的生产系统,指出智采工作面的基础是智能机器,其特征是自主感控,功能是独立作业,目的是无人化开采。明确了智采工作面应具有自... 基于时间维度梳理了智能化采矿概念,提出智采工作面定义--一个在不同程度上无需人工干预而独立完成采煤作业的生产系统,指出智采工作面的基础是智能机器,其特征是自主感控,功能是独立作业,目的是无人化开采。明确了智采工作面应具有自主感知、自主决策、自主控制、自主协同、自主交互等5个智能要素。根据这些智能要素的水平差异,将智采工作面划分为初级、中级和高级,其发展与自动化、信息化、互联化工作面建设相衔接,是一个渐进提升的过程:预计到2025年左右,我国重点煤矿将实现初级智能化采煤作业;到2035年进入中级智能化,智采工作面具有自主感知、自主调控能力,在条件较好的一些煤矿基本实现无人化采煤作业;2045年左右,我国煤矿将建成高级智采工作面,实现工作面无人化开采。为此,构建了智采工作面评价指标体系,介绍了定性的蛛网图评价法和定量的层次分析评价法。为了提高智采工作面建设系统性,建立了智采工作面耦合关联模型,提出采煤工艺、设备和煤流的3个智能闭环,以提高采煤与煤层、支护与岩层、运输与割煤的自适应性;提出一个涵盖功能维、技术维和组织维的智采工作面体系架构,为智采工作面实现跨机群、跨平台的纵向和横向集成,形成协同与共治的智能开采生态提供模型化基础。 展开更多

关键词 智能采矿 智采工作面 智能等级 智能耦合关系 智能系统架构

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基于RRT^(*)-DR算法的机械臂避障路径规划 被引量：11

11

作者 商德勇 汪俊杰 +1 位作者 樊虎 索双富 《计算机集成制造系统》 EI CSCD 北大核心 2024年第3期1149-1160,共12页

为使机械臂在障碍物环境下快速规划较优路径,提出了一种基于动态区域采样的改进RRT^(*)-DR路径规划算法,将整个规划过程分为快速探索路径和优化初始路径两个步骤。首先利用半目标导向扩展快速探索,找到连接起始点和目标点的路径。随后... 为使机械臂在障碍物环境下快速规划较优路径,提出了一种基于动态区域采样的改进RRT^(*)-DR路径规划算法,将整个规划过程分为快速探索路径和优化初始路径两个步骤。首先利用半目标导向扩展快速探索,找到连接起始点和目标点的路径。随后利用动态区域采样方法,始终在当前最优路径的周边范围内采样,优先密化当前最优路径附近的节点树,节省计算资源,使初始路径经过迭代快速向渐进最优路径收敛。同时,提出一种近障碍节点变步长机制,有选择性地缩短靠近障碍节点的扩展步长,可有效减少碰撞检测失败次数,提高算法效率。最后,在MATLAB和ROS系统下进行路径规划算法仿真,结果表明RRT^(*)-DR算法可在更短时间内实现路径规划,同时有效缩小路径代价。进一步通过实体机器人路径规划避障实验,验证了该算法的实用性和有效性。 展开更多

关键词 机械臂 路径规划 动态采样区域 变步长

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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 被引量：2

12

作者 张帆 邵光耀 +1 位作者 李昱翰 李玉雪 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第6期23-29,45,共8页

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... 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。 展开更多

关键词 矿井智能抗冲 超前液压支架 自适应支护 数字孪生 深度强化学习 深度Q网络 DQN

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采煤机数字孪生导航截割运动规划理论与方法 被引量：3

13

作者 苗丙 葛世荣 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第8期1-13,共13页

为进一步提高采煤工作面的智能化水平,实现采煤机导航截割的自主推演、自主学习和自主优化,基于采煤机自主导航截割技术和数字孪生智采工作面的概念,提出了采煤机数字孪生导航截割运动规划的理论与方法,包括数字孪生理论及基于该理论的... 为进一步提高采煤工作面的智能化水平,实现采煤机导航截割的自主推演、自主学习和自主优化,基于采煤机自主导航截割技术和数字孪生智采工作面的概念,提出了采煤机数字孪生导航截割运动规划的理论与方法,包括数字孪生理论及基于该理论的采煤机数字孪生导航截割运动规划系统的构建方法。围绕数字孪生理论,探索了智采工作面的物理场景、数字孪生模型的构建及数字孪生驱动、交互和演化机制。为满足不同应用需求,将数字孪生模型分为物理实体、孪生模型和孪生数据模型,详细分析了这3类模型的特点。介绍了由模型驱动、数据驱动和服务驱动组成的3种运行机制,这3种机制通过虚实交互逻辑实现了从感知智能到认知智能的转变。构建了采煤机数字孪生导航截割运动规划系统,该系统通过物理感知层、综合数据层、数据融合分析层及数字孪生服务层,支撑采煤机截割状态数字孪生、动态导航地图数字孪生、数字孪生强化学习环境和强化学习运动规划的服务功能;通过数字化手段将现实中的采煤机导航截割过程复制到数字孪生操作环境中,通过系统内各模块的调用实现数据的自适应融合、智能分析和最优规划。最后,在构建的数字孪生环境中比较深度Q网络−归一化优势函数(DQN−NAF)算法与深度确定性策略梯度(DDPG)算法在采煤机运动规划任务中的效果,结果表明DQN−NAF算法在解决采煤机数字孪生运动规划任务时展现出更优的效果和稳定性。 展开更多

关键词 数字孪生智采工作面 采煤机自主导航截割 采煤机数字孪生导航截割 运动规划 动态导航地图

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基于双量化评价指标的千米深井大采高液压支架适应性分析

14

作者 牛艳奇 陈泰龙 +3 位作者 胡相捧 商德勇 李占平 薛卓 《采矿与岩层控制工程学报》 EI 北大核心 2024年第5期116-128,共13页

针对液压支架的适应性评价缺乏量化指标的问题,以淮南矿区口孜东煤矿的千米深井软岩大采高俯斜采煤工作面的地质条件为研究对象,建立了四柱和两柱支架的“支架–推移千斤顶”承载稳定性力学模型,得到了两种架型临界载荷的一般形式及推... 针对液压支架的适应性评价缺乏量化指标的问题,以淮南矿区口孜东煤矿的千米深井软岩大采高俯斜采煤工作面的地质条件为研究对象,建立了四柱和两柱支架的“支架–推移千斤顶”承载稳定性力学模型,得到了两种架型临界载荷的一般形式及推移千斤顶参与支架力学平衡的判定准则。提出了衡量液压支架与顶板和底板适应性的双量化评价指标,指导研制了适用于该煤矿的ZZ18000/33/72D型大采高四柱液压支架,采用理论分析和数值计算对比了两种架型的适应性,并进行了现场试验。结果表明:支架与顶板的适应性指标越大及支架与底板的适应性指标越小,则支架的适应性越强;指导研制的ZZ18000/33/72D型大采高四柱支架对顶板适应性、底板比压及对安全阀的控制性等方面明显优于两柱支架,临界载荷曲线更适应该场景的顶板载荷特征。该支架与顶板和底板的适应性良好,未出现影响工作面安全和正常回采的大面积片帮及冒顶,底座也未发生陷入底板的现象。研究结果可为液压支架的适应性设计和评价提供量化参考。 展开更多

关键词 双量化评价指标 液压支架 适应性 临界载荷曲线

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基于残差神经网络的矿井图像重构方法 被引量：15

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作者 张帆 徐志超 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第11期3614-3624,共11页

针对煤矿井下噪声对可视化作业环境扰动影响,面向智能开采对井下作业目标的图像清晰化需求,研究基于机器视觉的矿井视频图像重构理论与方法,对提高矿井智能监控与安全开采技术具有重要意义。传统的视频监控系统采用经典的Nyquist采样定... 针对煤矿井下噪声对可视化作业环境扰动影响,面向智能开采对井下作业目标的图像清晰化需求,研究基于机器视觉的矿井视频图像重构理论与方法,对提高矿井智能监控与安全开采技术具有重要意义。传统的视频监控系统采用经典的Nyquist采样定理来解决视频图像的信号采集、压缩和编解码问题,但矿井视频图像数据庞大,采用传统的编解码方法不仅浪费大量采样资源及增大系统开销,而且难以解决矿井视频图像重构时出现的信号保真度低、图像边缘模糊和视频传输时延等问题,其直接影响矿井智能监控系统性能与视频传输质量。针对矿井视频监控图像重构中存在的信号保真度不足及图像边缘模糊等问题,提出一种基于残差网络的图像压缩与重构方法。该方法通过建立一种新的残差神经网络结构,采用下采样矩阵将矿井图像进行压缩,再通过多次上采样将特征图变换为与原始图像相同大小的特征图,并使用残差网络块对其优化,最后利用优化后的重构网络将特征图聚合成重构图像。提出融合离散小波结构相似度损失与均方误差损失的损失函数方法,并据此训练网络参数。为评价本文所提出方法的有效性,实验选取了基于压缩感知的D-AMP,TVAL3算法和基于深度学习的ReconNet算法与之进行对比。结果表明,较小压缩比条件下对矿井图像重构,本文方法在结构相似度和峰值信噪比性能方面均优于其他算法;在噪声环境下,本文方法相较于其他方法,图像重构的峰值信噪比与结构相似度受噪声强度扰动较小,对噪声具有较强鲁棒性,较显著增强矿井重构图像的保真度和清晰度;在图像重构的时间复杂度方面,本文方法用时最短,有助于改善矿井视频监控系统的实时性。 展开更多

关键词 矿井智能监控 残差神经网络 DW-SSIM 压缩感知 图像重构

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平行掘进:基于ACP理论的掘-支-锚智能控制理论与关键技术 被引量：12

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作者 杨健健 葛世荣 +5 位作者 王飞跃 罗文杰 张雨晨 胡兴涛 朱涛 吴淼 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第7期2100-2111,共12页

虽然智能掘进技术已取得了一些进步,提出了护盾式、掘锚式等掘-支-锚多装备的样机设计,但从设备适用性及装备配套性角度,仍存在个体装备设计不严谨、样机改型成本高、装备控制不精准、巷道场景多样不适应、群体设备难一致协同等诸多问... 虽然智能掘进技术已取得了一些进步,提出了护盾式、掘锚式等掘-支-锚多装备的样机设计,但从设备适用性及装备配套性角度,仍存在个体装备设计不严谨、样机改型成本高、装备控制不精准、巷道场景多样不适应、群体设备难一致协同等诸多问题。造成上述问题的首要原因是缺少煤矿特殊生产环境下群体设备联动协同控制的基础理论研究,主要表现为对智能掘进所需的设备模型、场景实验、数据驱动等基础理论缺少研究。针对掘进复杂系统难以建模与实验不足等问题,提出了平行掘进系统的研究思想,试图用一种适合复杂系统的计算理论与方法解决智能化掘进现存问题,主要利用大型计算模型、预测并诱发引导复杂系统现象,通过整合人工社会、计算实验和平行系统等方法,形成新的计算研究体系。以智能掘进复杂系统为研究对象,重点考虑掘-支-锚系统的整体控制理论与方法,结合智能化掘进相关研究基础和方法,融入当前国内外复杂系统研究的最新科研进展,基于平行控制基础理论及ACP(Artificial,Computing,Parallel)方法框架,运用代理控制理念及自适应动态规划多智能体研究方法,开展智能掘进复杂系统的掘-支-锚平行控制基础理论与方法研究。针对巷道复杂环境下的群体设备离散控制现状,运用整体系统论的方法,完成掘进系统的掘进、支护、钻锚群体设备代理模型的构建,根据多场景下复杂系统的计算实验克服掘进巷道环境复杂、恶劣的工程验证难题,最终实现智能掘进平行控制方法的理论创新与方法验证。 展开更多

关键词 平行掘进 掘-支-锚 ACP理论 智能掘进 平行控制 代理模型

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基于SSD-LeNet的矿井移动目标检测与识别方法 被引量：5

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作者 张帆 栾佳星 +1 位作者 崔东林 徐志超 《矿业科学学报》 CSCD 2021年第1期100-108,共9页

针对井下雾尘、低照度环境中矿井移动目标检测与识别存在检测精度低、实时性差等问题,提出了一种基于SSD-LeNet的矿井移动目标检测与识别方法。利用视觉传感器捕获矿井移动目标原始图像的一帧来构建模型输入,据此制作含有数字序列位置... 针对井下雾尘、低照度环境中矿井移动目标检测与识别存在检测精度低、实时性差等问题,提出了一种基于SSD-LeNet的矿井移动目标检测与识别方法。利用视觉传感器捕获矿井移动目标原始图像的一帧来构建模型输入,据此制作含有数字序列位置信息的数据集;离线训练的单镜头多盒检测器(Single Shot multibox Detector,SSD)模型可以输出与自身位置对应的目标特征类别,并利用该训练好的SSD学习模型对测试集中移动目标图片上的数字序列位置进行检测;根据数字序列位置对应的矩形区域进行字符分割操作,将分割后的单个字符依次放入LeNet网络中进行特征识别;识别出的单个字符按顺序合成数字序列快速检索出移动目标的身份信息。研究表明,本文方法与其他深度学习目标检测与识别方法相比,对矿井低照度及噪声环境下的目标检测与识别具有较高的准确率和较强鲁棒性,能够满足实时性要求。 展开更多

关键词 矿井 深度学习 SSD模型 深度卷积神经网络 智能检测与识别

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矿用输送带钉扣机穿钉机构运动误差分析

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作者 商德勇 王宇威 +2 位作者 牛艳奇 李占平 王存忠 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S01期362-371,共10页

针对矿用输送带钉扣机传动机构的尺寸误差和铰链间隙误差会造成输送带压扣不紧、钉不透的问题,以钉扣机穿钉机构为研究对象,考虑了穿钉机构中尺寸误差以及铰链间隙误差对运动输出误差的影响,分析了机构的运动可靠性。首先,建立穿钉机构... 针对矿用输送带钉扣机传动机构的尺寸误差和铰链间隙误差会造成输送带压扣不紧、钉不透的问题,以钉扣机穿钉机构为研究对象,考虑了穿钉机构中尺寸误差以及铰链间隙误差对运动输出误差的影响,分析了机构的运动可靠性。首先,建立穿钉机构的运动学模型,并基于连续接触模型、有效长度理论等得到机构末端输出位置与各构件参数之间的变化规律。其次,建立了考虑尺寸误差、铰链间隙误差的误差模型,分别得到了运动输出误差的均值与方差。最后得到了各误差对输出运动精度和可靠性的影响规律。通过引入误差传递函数,分别得到了机构尺寸误差与铰链误差对运动输出的影响程度。仿真结果表明,铰链误差对运动输出误差的影响程度比杆长误差影响大,在钉扣机设计和装配阶段,应重点控制铰链C和铰链E的间隙误差,可有效提高钉扣机构运动输出精度。 展开更多

关键词 钉扣机 穿钉机构 尺寸误差 铰链间隙误差 运动误差

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千米深井大采高俯采工作面四柱液压支架适应性分析 被引量：21

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作者 王国法 胡相捧 +4 位作者 刘新华 于翔 刘万财 吕益 郑植 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第3期865-875,共11页

针对口孜东矿121302工作面使用的四柱支撑掩护式液压支架适应性较差的问题,统计分析了121302工作面的矿压和支架受力特点,基于平面杆系建立了四柱支撑掩护式支架的力学模型,推导出支架极限外载荷大小和分布区间的解析表达式,得出支架外... 针对口孜东矿121302工作面使用的四柱支撑掩护式液压支架适应性较差的问题,统计分析了121302工作面的矿压和支架受力特点,基于平面杆系建立了四柱支撑掩护式支架的力学模型,推导出支架极限外载荷大小和分布区间的解析表达式,得出支架外载荷与顶梁合力和底座合力是一一对应关系,支架能够平衡的外载荷必须满足其对应的顶梁合力和底座合力均在其长度范围内,否则,支架将不能保持稳定状态;支架极限外载荷区间不是完全覆盖顶梁长度,依据前后排立柱的最大工作阻力和最大拉力分为5个区域:前排立柱达到最大拉力区、后排立柱达到最大工作阻力区、前排立柱达到最大工作阻力区、后排立柱达到最大拉力区、无承载能力区,其中,无承载能力区的区间取决于支架高度、摩擦因数以及顶梁前端至底座前端的水平距离。通过实例分析了支架前后排立柱不同工作阻力分配比例和摩擦因数对支架适应性的影响,结果表明:支架前后排立柱工作阻力不能相差太大,太大会降低支架的适应性;顶底板松软和较大俯采角度的工作面,支架前后排立柱工作阻力分配比例6∶4时最为合理;通过增大中缸环形面积以提高后柱的受拉能力来提高支架适应性,为了保护导向套和立柱连接件不受损坏,立柱的上腔加装安全阀,并加强后排立柱的连接件强度;摩擦因数取负时,支架极限外载荷区间最小,随支架高度降低,支架极限外载荷区间增大;摩擦因数取非负时,摩擦因数越大,支架前端的承载能力越大,随支架高度降低,支架极限外载荷区间减小。 展开更多

关键词 千米深井 大采高 俯采工作面 四柱液压支架 适应性

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采煤机自主导航截割原理及关键技术 被引量：44

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作者 葛世荣 郝雪弟 +2 位作者 田凯 高传 勒立坤 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第3期774-788,共15页

深部煤层构造较为复杂,实现采煤机无人驾驶开采更加困难。在总结采煤机结构和截割调控技术演变历程基础上,提出采煤机截割调控技术在经历了人工目测截割、机载探测截割、示教记忆截割3个发展阶段后,已经进入到自主导航截割的第4阶段,并... 深部煤层构造较为复杂,实现采煤机无人驾驶开采更加困难。在总结采煤机结构和截割调控技术演变历程基础上,提出采煤机截割调控技术在经历了人工目测截割、机载探测截割、示教记忆截割3个发展阶段后,已经进入到自主导航截割的第4阶段,并提出了适用于深部煤层采煤机自动驾驶的导航截割理论与技术框架,包括导航地图、位姿感知、路径规划、姿态控制4项技术内涵和精细化煤层截割定位地图、精准化煤层截割导航地图、动态化煤层截割导控地图、采煤机融合定位方法、定位精度提升、智采机组全位姿参数矩阵建立、物理-虚拟模型驱动与交互、无人驾驶防冲撞路径规划、截割作业智能调高调直9项关键技术。系统阐述了采煤机自主导航截割相关核心技术基本原理:首先,构建煤层智能化开采导航地图,从精细化煤层截割定位、精准化煤层截割导航和动态化煤层截割导控3个关键步骤实现地图构建及更新;其次,通过融合定位和定位精度提升方法,完成了采煤机位姿精确感知;再次,创建智采机组全位姿参数矩阵,并结合物理-虚拟模型驱动与交互技术构建出导航截割数字孪生系统;最后,基于实时综采装备位姿状态和煤层导航地图信息,实现了无人驾驶防干涉防冲撞路径规划、截割滚筒自适应调高控制以及行走路径自动调直控制。从而实现了深部煤层采煤机智能导航截割控制,为智采工作面实现无人作业提供了新的理论技术支撑。 展开更多

关键词 采煤机 自主导航 截割原理 深部煤层 无人驾驶 数字孪生

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