《煤炭科学技术》“机电与智能化”研究领域2022年最受关注文章TOP30

2022年,《煤炭科学技术》“机电与智能化”研究领域共刊登90余篇论文，涵盖矿山机械装备、矿山供电与通信、矿山装备智能化、智能感知与系统集成、煤矿机器人等方向。为了协助读者了解煤矿智能化领域内的研究热点和前沿问题，促进学术交流与合作,编辑部根据论文的下载、引用等指标，整理了30篇《煤炭科学技术》2022年“机电与智能化”栏目最受关注论文。

行业视野: 智能化
类别; 139个
关键词; 124位
专家; 30篇
论文; 14067IP
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基于BIM与GIS的矿山巷道参数化三维建模技术研究

作者(Author)：李梅, 康济童, 刘晖, 李兆阳, 刘曦, 朱青, 肖彬虎

摘要：巷道三维BIM建模具有数据结构复杂、细节信息量大等特点，在几何和语义上与GIS巷道三维模型相差很大，因此难以进行直接数据集成。为更好地利用GIS的空间分析功能和BIM的精细化建模功能，提出了基于BIM与GIS的矿山巷道参数化三维建模技术。首先设计了考虑BIM层次细节和GIS空间拓扑的巷道三维数据模型和数据结构，包括了结点、中间点、巷道弧段、巷道中线和三角网等多类型几何数据，能够管理巷道相关的地质素描、巷道设计、通风网络、避灾线路的各类专业参数；其次，提出了三维巷道网络拓扑关系处理方法，通过GIS的空间拓扑编辑功能构建标准化巷道中线网络数据集；最后，提出了参数化BIM巷道三维建模流程，即读取巷道中线数据集及参数，构建基本巷道BIM模型，利用布尔运算技术处理巷道硐室、拐弯和交岔点等复杂情况，生成的BIM模型可以充分展现巷道形态、支护等细节，也保留了GIS巷道网络拓扑关系，提高了数据的可集成性。采用布尔运算算法与常见的线框建模算法进行比对后，发现布尔方法在不同断面类型的巷道交岔点处理效果更佳。研究成果已经在大海则煤矿透明地质保障系统中得到应用，支持udatasmith、obj、fbx等多类型标准化三维数据格式，生成的三维巷道模型能够为煤矿避灾路线生成、通风网络解算、路径导航、智能地质保障等提供可视化与网络分析服务。

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煤炭科学技术

2022年第07期

500

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数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统研究

作者(Author)：张旭辉, 吕欣媛, 王甜, 黄本鑫, 郑西利

摘要：针对掘进设备远程控制中存在的设备决策能力低，掘进效率不高，安全隐患大等问题，提出了一种数字孪生驱动的掘进机器人决策控制方法。通过分析对比当前数字孪生技术在煤矿领域的研究情况，设计了数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统体系框架，包含物理空间、虚拟空间、孪生数据、规划层、控制层、执行层6个模块，以实现虚拟样机自主规划决策，远程控制物理样机同步运动的目的。首先，结合虚拟现实技术研究了非结构化环境下的局部避障策略，建立掘进机器人运动控制模型与传感观测模型，利用激光雷达将巷道中的障碍物在虚拟环境中进行重建，采用Ray-Col方法进行机器人与障碍物之间的碰撞检测，为机器人的路径规划决策奠定基础；其次，结合深度强化学习技术研究了基于虚拟智能体的全局路径规划方法，提出了基于改进PPO算法的Muti-PPO算法，通过奖惩机制建立掘进机器人虚拟智能体，并在Unity3D平台中进行训练，训练结果表明Muti-PPO算法相比于PPO算法、SAC算法，平均奖励值分别提升了13.82％与11.31％；标准差分别下降了17.85％与16.81％；最高奖励值分别提升0.14％与0.43％，其性能在3种算法中达到最优；最后，搭建决策控制平台，将虚拟空间中产生的决策指令发送至物理样机的末端执行器，通过物理样机传感器数据驱动虚拟样机同步变化。根据系统的规划决策、双向映射与远程控制功能，设计路径规划试验与虚实同动试验对其进行验证。路径规划试验结果表明，在3种不同复杂程度的工况下，虚拟智能体路径规划结果与目标点的误差在1.2 cm以内，且能够将控制信息传输至物理空间中，远程控制机器人运动；虚实同动试验结果表明，在掘进机器人运行过程中，虚拟样机与物理样机保持同步运动，两者在巷道中的位姿均保持一致。该方法实现了“数据驱动、双向映射、碰撞检测、自主决策、人机协作”的无人化决策控制新模式，为掘进设备的智能化提供了新的思路。

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煤炭科学技术

2022年第07期

489

1232
薄煤层智能开采工作面煤层透明化地质勘查技术

作者(Author)：刘小雄, 王海军

摘要：智能开采是煤矿迈向高质量发展的必由之路，透明地质是智能开采的关键，为从根本上解决煤层透明化问题，以神东煤炭集团榆家梁煤矿43101薄煤层智能开采工作面为研究对象，研究实现薄煤层工作面智能开采的煤层透明化地质勘查技术。首先，分析整理以往地质勘查、矿井生产以及临近工作面揭露的地质资料，建立工作面煤层勘探地质模型；其次，采用巷道快速写实技术、测量技术等，获取工作面两巷道、开切眼揭露的煤层结构、顶底板起伏等参数特征，并修正勘探地质模型，建立煤层的生产地质模型；然后，分析工作面尺度上煤层、地质构造的变化特征，采用井下定向钻探为主，工程测量、钻孔窥视、岩屑编录等为辅助的煤岩界面综合探测技术，根据获取的煤层厚度、顶底板标高、煤岩层结构、地层倾角等关键性参数，再次修正模型形成煤层半透明化的智能开采地质模型；之后，将建立的半透明化模型输入采煤机系统，设定预想切割曲线，采用工作面支架超前雷达、工作面三维激光扫描、工作面回采地质测量、快速写实等技术探测回采过程中煤层的参数，并实时反馈优化半透明化的智能开采地质模型，形成智能开采工作面煤层透明化地质模型；最后，采用对比分析、回采跟踪、地质建模等技术，根据后续工作面的开采分析该技术体系的适用性和可行性，构建适应于榆家梁煤矿的薄煤层智能开采工作面煤层透明化勘查技术体系，并以数字化方式对整个工作面进行全面统一的三维可视化展示，实现了工作面的煤层透明化生产模型的动态更新，指导采煤机截割轨迹的调整和修正，成果精度满足智能开采要求。

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煤炭科学技术

2022年第07期

302

714
智慧矿山工业互联网技术架构探讨

作者(Author)：张建中, 郭军

摘要：针对智慧矿山建设过程中存在的信息孤岛、数据质量和网络信息安全等问题，分析了智慧矿山建设技术架构现状，对比了智慧矿山建设与煤炭工业互联网关系，采用以ISO/IEC/IEEE42010系统与软件工程标准为主要方法论，提出了智慧矿山工业互联网架构体系，包括设备层、边缘层、企业层和产业层的“网络、标识、平台、安全”四大系统建设，提出了智慧矿山工业互联网平台技术5层架构，分析了各层构建的主要内容和相互关系，包括:①现场层，提供工业设备与业务管理数据来源与流程优化场景；②边缘层，构建基于OPC UA与TSN融合的边缘云计算架构，实现感知、互联与计算的边缘侧应用闭环；③IaaS层，构建基于边云协同的存储与计算架构，实现网络、存储、CPU等资源虚拟化与池化；④工业PaaS平台层，包括通用资源部署与管理、矿山大数据引擎、矿山机理与大数据建模分析、矿山数字孪生信息模型建模引擎和基于微服务框架及组件开发环境；⑤工业SaaS应用层，调用和封装工业PaaS平台上的开发工具、矿山机理模型、数据驱动模型等服务开发智慧矿山业务运行与矿山智能化应用APP。并探讨了基于智慧矿山工业互联网操作系统PaaS平台构建“智慧矿山大脑”赋能智慧矿山建设，主要有矿山资源勘察、数字化协同设计、矿井施工管理、综合自动化集成、智能开采、快速掘进、地测管理、故障诊断、智能物流、智能通风、精准感知、重大危险源辨识与控制等赋能应用场景，最后进行了总结和展望。

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煤炭科学技术

2022年第05期

238

3637
煤矿安全监测监控体系中边缘计算模式研究

作者(Author)：屈世甲, 武福生, 贺耀宜

摘要：针对煤矿现有监测监控体系下井下融合度不高，现场灾害分析和联动处理能力缺乏，无法满足监测监控深度融合需要的问题。对标智慧矿山建设中安全保障方面对监测监控体系的要求，论述了建立深度融合监测监控体系的必要性。分析了边缘计算技术在煤矿监测监控体系中的适用性，提出了建立基于云、边、端三级的煤矿监测监控体系架构，增加“端”侧传感信息的采集和第一级安全分析预警并实现区域联动功能。提出了煤矿监测监控体系中设置两级边缘节点的模式，分析指出边缘网关是当前更为关注的边缘计算节点。结合EdgeX Foundry平台架构对智能边缘网关的硬件平台和软件平台设计提出了构想，设计了煤矿安全监控系统边缘网关的整体架构。以煤矿工作面外因火灾为例，分析了现有监测监控体系和基于边缘计算监测监控体系下对火灾信息采集、分析预警和灾变处置的不同流程，将原有的火灾9步处理流程优化为4步处理流程，分析认为基于边缘计算的监测监控体系在系统井下深度融合、区域安全融合分析和处置方面相比较现有监测监控体系都有一定的优势。

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煤炭科学技术

2022年第05期

236

3193
煤矿带式输送机巡检机器人关键技术研究

作者(Author)：方崇全

摘要：针对带式输送机巡检机器人在煤矿井下的环境适应性、自主快速安全充电、基于音视频分析的带式输送机异常工况智能识别等关键技术问题，阐述了煤矿带式输送机巡检机器人系统总体设计；设计了一种模块化、两节车厢挂载式巡检机器人本体及吊挂单轨式、滚轮与链轮链条混合驱动的巡检机器人行走机构，可适应煤矿井下输送带运输复杂环境；提出了煤矿井下电—机—电能量转换充电方法，设计了基于鼓形齿的充电自动对接机构，可实现巡检机器人在煤矿井下自主快速安全充电，满足井下远距离巡检需求；提出了基于托辊运转的声压1/3倍频程谱及声品质尖锐度特征指标的托辊故障识别方法，针对井下多粉尘、浓雾气、低照度场景下视频质量差导致视频识别难的问题，提出了自适应图像增强算法框架，增强图像质量，在此基础上，基于目标轮廓先验知识，构建深度神经网络模型，实现煤矿井下人员、煤流、带面异物、带面损伤等特征不显著目标的视频智能识别，提高带式输送机巡检机器人智能化水平。对带式输送机巡检机器人样机及带式输送机异常工况音视频样本进行了验证测试，结果表明：巡检机器人最小转弯半径1 m，在负重220 kg、巡检速度0.4 m/s的情况下，可在角度为20°的坡道上平稳运行；在充电站端的电动机额定功率2.2 kW情况下，机器人本体端的发电机能稳定输出功率800 W；基于音视频分析的带式输送机异常工况智能识别方法具有应用可行性。煤矿带式输送机巡检机器人关键技术的突破，将加速带式输送机巡检机器人的推广应用，有力促进智能化矿井建设。

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煤炭科学技术

2022年第05期

173

3174
智能综采工作面刮板输送机直线度监测方法研究

作者(Author)：张帆, 李闯, 李昊

摘要：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。

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煤炭科学技术

2022年第04期

237

774
基于深度迁移学习的采煤机摇臂部滚动轴承故障诊断方法

作者(Author)：张旭辉, 潘格格, 郭欢欢, 毛清华, 樊红卫, 万翔

摘要：针对长期正常服役的采掘装备典型故障数据少、有标签数据不足,故障诊断模型训练效果不好等问题,提出一种基于深度迁移学习的采煤机摇臂部传动系统故障智能诊断方法。利用该方法将模拟平台故障数据训练后获取的故障诊断模型参数迁移至采煤机智能故障诊断模型中,从而在不同设备之间进行迁移学习,实现基于小样本数据的采煤机摇臂部智能故障诊断。通过构建预训练的卷积神经网络,将转换为二维时频分布的图像数据集作为预训练模型的输入,并将预训练模型的网络参数迁移至采煤机摇臂传动系统故障诊断模型中,通过保证低层网络不变保留模型的泛化能力,将含有标签的数据集作为采煤机摇臂传动系统智能故障诊断模型的训练数据集对模型进行训练,通过微调高层网络参数进行模型优化和权值更新,得到采煤机摇臂传动系统迁移故障诊断模型,提高了模型的特征提取能力减少了误差。为验证方法有效性,以传动系统滚动轴承为研究对象,采用西储大学轴承数据作为训练集，DDS传动系统平台模拟井下采煤机摇臂部传动系统工况得到滚动轴承监测数据,作为测试集进行试验验证。试验结果表明:滚动轴承平均故障识别精度达到99.59%,与传统的智能故障诊断方法相比,提出的智能故障诊断方法收敛速度快且诊断精度高,能够基于实验室的故障诊断知识,实现高精度设备状态识别与分类。

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煤炭科学技术

2022年第04期

264

493