“葛世荣院士学术思想”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“葛世荣院士学术思想”专题

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葛世荣，男，1963年4月出生，浙江天台人，博士，教授，博士生导师，国家973计划项目首席科学家，国家杰出青年科学基金获得者。1983年7月毕业于黑龙江矿业学院，1989年获得中国矿业大学工学博士学位。1994年10月起任中国矿业大学校长助理，1997年3月起任中国矿业大学副校长，2007年8月起任中国矿业大学校长,2017年4月起任中国矿业大学校长、党委副书记，2018年10月起任中国矿业大学(北京)校长、党委副书记。兼任中国煤炭学会副理事长，受聘为教育部第七届科技委学部委员、世界摩擦学理事会副主席、清华大学摩擦学国家重点实验室、中国科学院固体润滑国家重点实验室学术委员会副主任等。荣获“中国青年科技奖”、“国家有突出贡献的中青年技术专家”、“全国优秀科技工作者”、“何梁何利基金科技进步奖”、“世界能源论坛技术创新奖”、“孙越崎能源科技大奖”等荣誉称号。2012年当选为俄罗斯工程院外籍院士。2021年当选为中国工程院院士。

研究方向：矿山智能装备与摩擦学理论

主要成果：致力于煤矿井下无人化采掘装备、矿山机械可靠性、摩擦学理论等领域的科学技术研究，主持了我国《煤矿安全规程》提升运输条款修订，领衔制定了煤矿机器人重点研发目录，取得了多项创新性科技成果，获得国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖1项(均排名第一)和三等奖1项，发表学术论文240多篇，授权发明专利70余件，出版《采矿运输技术与装备》、《卓越采矿工程师》、《摩擦学的分形》等著作4部，培养博、硕士研究生100余名。

2021年当选为中国工程院院士。

行业视野: 院士
类别; 235个
关键词; 105位
专家; 57篇
论文; 78350IP
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数字孪生智采工作面技术架构研究

作者(Author)：葛世荣, 张帆, 王世博, 王忠宾

摘要：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。

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煤炭学报

2020年第06期

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巷道智能化掘进的自主感知及调控技术研究进展

作者(Author)：杨健健, 张强, 吴淼, 王超, 常博深, 王晓林, 葛世荣

摘要：为解决当前煤矿巷道综掘工作面的智能化程度较低，掘进效率低下的问题，分析了煤矿综掘工作面实现智能化快速掘进的关键是自主感知和调控技术。首先，探讨了智能化掘进的关键技术特征，煤矿综合掘进机器人化装备以智能感知技术、自主控制决策技术、群组协同作业技术为支撑，形成智能化快速掘进技术体系构架，实现探-掘-护-锚一体化协同作业。其次，重点阐述了智能化掘进的自主感知技术包括基于超宽带原理的位姿感知、基于双频激电法的超前探测、基于 SLAM 原理的环境感知、基于变迁记忆故障 Petri 网的故障感知等，自主调控技术包括基于群体智能算法的智能截割、基于遗传变异粒子群算法的路径规划、基于 BP 神经网络 PID 算法的自主纠偏等。再次，详细论述了智能临时支护感知包括围岩压力、顶底板状况、支架位姿等多维信息的感知，研究了非水平场景下掘支协同与多机组多缸联动的自适应控制方法;介绍了智能永久支护感知包括围岩位移感知和支护装备受力变形感知，并探讨了锚护网络结构优化方法，自适应钻进控制上为获得最佳推进力控制性能，提出基于粒子群优化算法的自抗扰控制器参数整定略。最后，探讨了煤矿巷道智能化掘进的自主感知及调控技术的进一步发展方向。

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煤炭学报

2020年第06期

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带式输送机永磁智能驱动系统及其控制策略

作者(Author)：杨小林 , 葛世荣, 祖洪斌, 鲍久圣, 常国强, 张磊, 李海莹

摘要：矿用带式输送机传统驱动系统存在传动线路长、传动效率低、可靠性不高等技术不足，针对传统驱动系统的不足，设计了一种集多点永磁直驱与永磁张紧于一体的带式输送机永磁智能驱动系统，并通过仿真试验和现场应用验证了其可行性。首先，对带式输送机永磁智能驱动系统的结构进行了设计。接着，基于传感器矢量控制永磁电机驱动系统的技术特点，提出了带式输送机永磁直驱系统的双闭环矢量控制、柔性启动与多机协调控制，永磁张紧系统的三闭环控制与打滑抑制等控制策略;在此基础上，利用 MATLAB / Simulink 软件构建了带式输送机永磁智能驱动系统的仿真模型，通过仿真分析在理论层面验证永磁智能驱动系统的正确性。最后，通过现场应用实例与经济效益分析，进一步验证了永磁智能驱动系统的优势。仿真分析与现场试验结果表明，带式输送机永磁智能驱动系统的多种控制策略在保证带式输送机重载柔性平稳启动的同时，也有效减小了启动时动张力对胶带的冲击损伤;可实现带式输送机的多机转矩平衡，能够解决多点驱动功率分配不均带来的问题;张紧系统与驱动系统协调性良好，可实现快速张紧，同时在发生打滑时张紧系统可快速响应消除打滑带来的不利影响。与传统的异步电机驱动系统相比，永磁智能驱动系统可大幅度提高带式输送机的智能化程度，有利于推进矿山装备的智能化发展。

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煤炭学报

2020年第06期

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刮板输送机永磁直驱系统机-电耦合模型仿真与试验

作者(Author)：王洋洋, 鲍久圣, 葛世荣, 阴妍 , 王世博, 张磊

摘要：刮板输送机作为综采工作面关键机械设备，其性能直接决定了井下煤炭开采的效率及成本的高低，而驱动系统是保障刮板输送机性能稳定、高效运行的首要条件。为解决刮板输送机传统异步驱动系统因减速器而造成的传动效率低、故障率高、可靠性低等问题，基于永磁同步电机设计了1 套输送量可达1500万t/a的刮板输送机永磁直驱系统，并匹配计算了所需了永磁同步电机功率、转速以及变频控制器容量。根据永磁直驱系统与刮板输送机之间的机-电耦合关系，利用MATLAB / Simulink 仿真软件搭建刮板输送机永磁直驱系统的机-电耦合模型，仿真分析了永磁直驱系统在空载启动、满载运行、多边形效应等多种工况下永磁同步电机的输出转速、转矩、三相电流以及刮板链的速度、加速度、张力等动态特性变化规律。仿真结果表明，永磁直驱系统在刮板输送机启动及负载变化时能够快速响应且比较准确，由于减少了减速器的柔性缓冲，电机输出转速与转矩对负载突变响应波动较大；永磁直驱系统的动态响应在突变负载下与突变量成正相关关系，应当从驱动系统控制算法的优化角度出发减小波动，改善其性能;多边形效应影响系统速度控制的稳定性，机头链轮啮合处的链条更易受到多边形效应的影响。最后，搭建小功率永磁同步电机直驱模拟试验台架，将仿真得到的机械负载特性曲线等效处理后通过测功机加载输入，开展了刮板输送机永磁同步电机直驱系统的模拟驱动试验。试验结果表明，台架试验测得的永磁同步电机动态特性曲线与对应仿真试验得到的永磁同步电机动态曲线的变化规律基本一致，从而从侧面验证了本文所建立刮板输送机永磁直驱系统机-电耦合模型的正确性。

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煤炭学报

2020年第06期

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采煤机技术发展历程(一)——截煤机、刨煤机、钻煤机

作者(Author)：葛世荣

摘要：为全面了解采煤机技术创新过程，深刻认识采煤机对煤炭开采技术变革的作用，笔者把采煤机的创新脉络归纳为：基于4类切削机具、4种行走机构、6个控制能力，来满足5项采煤功能。由此，建立了采煤机切削机具、行走机构和控制能力3个维度、64种构型的采煤机集合库。以时间轴为主线，梳理出截煤机、刨煤机、钻煤机、滚筒采煤机、连续采煤机、露天采煤机、电牵引采煤机，以及采煤机可靠性、煤岩界面探测、采煤机自动化的发展历程，本篇介绍截煤机、刨煤机、钻煤机的发展。

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中国煤炭

2020年第06期

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煤矿智采工作面概念及系统架构研究

作者(Author)：葛世荣

摘要：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。

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工矿自动化

2020年第04期

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带式输送机承载托辊旋转阻力特性试验研究

作者(Author)：谢厚抗, 鲍久圣, 葛世荣, 阴妍, 徐浩

摘要：承载托辊是带式输送机的重要组成部分，带式输送机中承载托辊的性能高低关乎整个运输过程的效率和成本，而评价承载托辊性能优劣的重要指标之一是旋转阻力。现有研究尚未明确承载托辊旋转阻力影响因素的作用规律。利用自制承载托辊旋转阻力试验台开展托辊旋转阻力试验，该试验台符合国家标准《带式输送机(GB/T 10595—2009)》相关技术要求，且测量原理简单可靠;通过待测承载托辊轴两端安装的静态扭矩传感器，测出的扭矩为承载托辊旋转阻力引起的扭矩，按照后续的公式计算可求出承载托辊的旋转阻力。调研分析各因素对承载托辊旋转阻力的影响程度，制定正交试验方案，确定载荷和带式输送机带速是对承载托辊旋转阻力影响较大的两个因素，设计单一变量的定载荷和定带速试验，对载荷和带速两个因素分别进行试验分析。试验结果表明，在带速一定的条件下，承载托辊的旋转阻力随着载荷的增大逐渐增大，但并未表现出明显的线性关系;在载荷一定的条件下，承载托辊的旋转阻力随带速的增加逐渐增大，但变化率逐渐减小。基于试验结果数据，对承载托辊旋转阻力进行拟合，给出了采用6204轴承的Φ89 mm承载托辊在不同带速及载荷下的旋转阻力经验计算公式。本文可为带式输送机承载托辊的设计、使用及性能判别提供理论借鉴和试验依据。由于试验条件和时间限制，后续研究工作将围绕试验台改造升级与更高带速测试分析展开。

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煤炭学报

2019年第S2期

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多惯导冗余的采煤机定位原理及其合理性分析

作者(Author)：鲁程, 王世博, 葛世荣, 王世佳

摘要：惯性导航系统(简称惯导，Inertial Navigation System，INS)和轴编码器组合的定位方式是提升采煤机定位精度的有效方式，由惯导输出姿态角参数、轴编码器输出参数解算采煤机当前速度，通过航位推算解算出采煤机在导航坐标系下的位置坐标。为进一步提高采煤机这一定位方式的精度，抑制惯性器件的漂移，提出了一种多套惯导系统之间冗余的定位算法。该算法以3套惯导的位置信息为状态量，以3套惯导两两之间的距离为量测量，建立了采煤机多惯导冗余定位扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter，EKF)模型。根据所建模型，提出采煤机多惯导冗余定位的仿真方法，进行多惯导冗余定位与单一惯导定位仿真结果的对比，以及多惯导冗余定位多种仿真条件下结果之间的对比，分析了算法的合理性。对比结果表明，多惯导冗余的定位方法能够较好地抑制单一惯导定位长时间运行形成的累积误差，提高了采煤机定位的精度，且在采煤机多种工况运行条件下及惯导间以多种距离安装时有效。但是EKF算法的线性化近似误差会造成多惯导冗余定位时不同仿真条件下定位精度的一定差异。由于影响采煤机多惯导冗余定位算法精度的因素很多，如多套惯导的安装方式、惯导的数量、不同的非线性滤波算法等，这些因素会对采煤机的定位精度产生什么样的影响，还需要进一步的研究。

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煤炭学报

2019年第S2期

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