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《工矿自动化》2022年度优秀论文

来源：工矿自动化

《工矿自动化》编辑部综合考虑论文的创新性（审稿专家评审意见）、规范性（责任编辑推荐）和读者关注度（中国知网被引频次和下载量），从2022年度发表的240篇论文中评选出30篇优秀论文，名单如下，以发表先后顺序排列。

行业视野: 工矿自动化
类别; 199个
关键词; 119位
专家; 30篇
论文; 7775IP
点击量; 12154次
下载量

矿井无线通信系统现状与发展趋势

作者(Author)：霍振龙

摘要：矿井无线通信系统具备通信覆盖范围广、连接方便、移动性好、组建容易、设置和维护简单等优点，在矿井智能化建设中具有不可替代的作用。全矿井无线通信系统目前主要有WiFi（IEEE 802.11b/g/n/ac）,3G,4G,5G,WiFi6（IEEE 802.11ax）系统，其中3G系统正逐步被替代，4G和WiFi系统逐步减少，5G和WiFi6系统目前为起步阶段，并将逐步成为主流。从技术要点、主要功能、应用情况等方面分析了4G,5G,WiFi/WiFi6系统，指出各系统的优点和存在的不足：（1）矿用4G无线通信系统在带宽和实时性指标方面无法达到高清智能视频和远程控制等应用场景的需求。（2） 5G在多系统、多天线情况下存在无线发射信号的安全问题；5G基站以隔爆兼本安型为主，质量大、体积大，使用不便且使用场合受限；5G终端生态匮乏，通信模组价格高、功耗大，不具备规模行业应用条件；实际应用案例少，应用场景有待进一步挖掘。（3） WiFi6无线通信系统时延偏高、移动性和可靠性相对较低，加上手机终端不够成熟，影响了语音通话质量。基于上述分析，指出智能矿井对无线通信系统的需求为大带宽需求；低时延、高可靠需求；多接入需求；多系统多接口需求；位置信息需求。最后指出矿井无线通信系统未来发展趋势，即系统融合（无线通信和有线通信融合、无线通信内部融合、无线通信系统和其他系统融合）、通信定位一体化、设备本质安全、终端模组低功耗、协议接口规范化。

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工矿自动化

2022年第06期

372

1123
煤矸石分拣机器人动态目标稳定抓取轨迹规划

作者(Author)：马宏伟, 孙那新, 张烨, 王鹏, 曹现刚, 夏晶

摘要：针对机器人分拣煤矸石时，因输送带打滑、左右摆动而造成矸石定位不准确、机械臂末端抓取失败和载荷冲击等问题，提出了一种基于机器视觉的煤矸石分拣机器人动态目标稳定抓取轨迹规划方法。首先，采用基于HU不变矩图像匹配算法对目标矸石进行匹配识别并获取目标矸石位姿；其次，分别建立机器人和相机-机器人运动学方程，并进行正逆求解，实现基于视觉的目标矸石精确定位；最后，采用位置-速度-加速度三环PID控制算法进行目标矸石动态跟踪，即位置环控制器的输入为获取的目标矸石精确位置，位置环控制器的输出作为速度环控制器的输入，速度环控制器的输出作为加速度环控制器的输入，将加速度环控制器的输出叠加到伺服电动机上，使机械臂末端与目标矸石达到位置、速度同步运动的效果，实现平稳快速抓取。采用Matlab对三环PID控制算法、三维比例导引算法和三维偏置比例导引算法进行仿真对比，结果表明：对动态目标的跟踪抓取在追随式、同步式和拦截式3种情况下，三环PID控制算法的响应时间、跟踪抓取时间均较比例导引算法及偏置比例导引算法短，且三环PID控制算法在整个过程中各轴速度、加速度连续、平滑，没有出现突变情况，可实现动态目标同步跟踪、精准抓取。在煤矸石分拣系统平台上应用三环PID控制算法、比例导引算法和偏置比例导引算法进行适应性实验，结果表明：3种算法在机器人运行时各个关节均未超限；三环PID控制算法完成抓取的平均时间比比例导引算法和偏置比例导引算法短；三环PID控制算法在抓取点的平均速度偏差在1 mm/s左右，跟踪速度偏差较小，可满足对高速度目标的同步跟踪、精准抓取要求。

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工矿自动化

2022年第04期

218

96
智能化煤矿数据仓库建模方法

作者(Author)：王霖, 方乾, 张晓霞, 苏上海, 施展, 王雅琨

摘要：煤矿海量数据存在“数据孤岛”、关联性弱、因缺乏数据管理体系而导致数据质量差等问题，难以充分利用，无法为煤矿智能化提供分析决策支撑。数据仓库可满足煤矿多源异构数据集成需求，为煤矿智能化应用提供数据基础。通过分析煤矿数据类型、特点及实际数据智能化应用需求，研究了智能化煤矿数据仓库建模方法。首先，构建了智能化煤矿数据仓库分层架构，分析了原始数据层、明细数据层、基础指标层、服务数据层、公共维度层数据模型特点；其次，以综采工作面数据为例，从业务数据分析、应用需求分析、分层架构设计等方面阐述了数据仓库建模过程；再次，介绍了煤矿数据仓库中数据模型构建方法，即通过维度对齐、维度关联、维度化指标聚合等将原始数据转换为数据仓库维度模型，解决了不同维度的煤矿数据关联应用问题；最后，为解决煤矿数据仓库的可迁移性问题，提出了煤炭行业通用数据仓库+参数化ETL（抽取、转换、加载）方法的煤矿参数化数据仓库设计思路。在实验室环境下搭建了煤矿数据仓库平台，对山西天地王坡煤业有限公司综采工作面数据进行处理，并基于处理数据辅助机理模型分析、实现可视化管理驾驶舱，验证了智能化煤矿数据仓库的实用性；对比了原始数据模型与智能化煤矿数据仓库的性能指标，结果表明智能化煤矿数据仓库的数据组织度、模型复用度和迭代难易度均优于原始数据模型，且数据查询响应时间缩短50%以上。

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工矿自动化

2022年第04期

183

137
基于区块链的煤矿安监云数据安全访问模型研究

作者(Author)：谭靓洁, 李永飞, 吴琼

摘要：煤矿安监云数据的管控十分严格，访问权限的设计应满足分类分级和安全性方面的需求。目前煤矿安监云数据在安全管控维度存在分类分级不清晰及保密性不强等问题，且现有的云数据管控模型难以适应煤矿安监数据的安全需求。针对上述问题，设计了基于区块链的煤矿安监云数据安全访问模型，包括访问权限模型和访问控制模型。在分析煤矿安监云数据访问属性和访问对象的基础上设计了基于用户层级和数据属性的访问权限模型，实现了云数据分类分级管控和权限动态生成。依据区块链分布式实现、全程透明、防篡改等优势构建了访问控制模型，实现了分布式访问控制，利用智能合约保障访问控制安全，采用加密技术增强对权限信息的安全保护。对比分析结果表明：与常用的基于角色的访问控制（RBAC）模型和基于属性的权限验证（ABAC）模型相比，基于用户层级和数据属性的访问权限模型实现了对煤矿安监云数据更细粒度的访问权限划分，用户权限直观，权限生成规则简单，符合煤矿安监云数据的安全保障需要；与基于第三方的访问控制模型相比，基于区块链的访问控制模型利用智能合约进行访问控制，能够增强煤矿安监云数据的安全性，为云数据安全问题提供了新的解决思路，满足更多场景下数据安全访问的需求。

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2022年第05期

99

76
煤矿带式输送机节能优化控制方法研究

作者(Author)：高沛林, 苗鑫, 杨方

摘要：由于煤炭生产的不连续性，使带式输送机常常处于空载、轻载及很少达到满载的运行状态，造成电能浪费，同时加剧了设备磨损。目前解决该问题的方法是根据煤流量对带式输送机进行调速控制。但目前的方法较少考虑带式输送机之间煤流的上下游接续关系、煤流量传感器安装位置、检测误差、信息滞后及带速改变过程中的时序关系等。针对上述问题，依据带式输送机驱动功率与运行阻力和带速的关系，得出了带式输送机最优节能运行条件和最佳节电率；根据最优节能运行条件、带式输送机上下游接续方式与物料平衡关系、额定运输质量与额定带速，得出了带式输送机最优节能控制条件下的最小带速与最优带速控制系数；考虑煤流量传感器安装位置、检测误差、信息滞后及带速改变过程中的时序关系等因素，提出了一种带式输送机节能优化控制方法。该方法根据上游带式输送机的煤流量，计算得到最优节能控制条件下下游带式输送机优化节能控制的给定带速变化曲线，依据该曲线实现对下游带式输送机带速的调节。利用搭建的带式输送机模拟节能实验平台，对最佳节电率进行了检验，结果表明：带式输送机在最优节能运行条件下的最佳节电率为20.9%～76.5%，但在实际运输系统中，由于带速不能连续调节，所以不可能达到最优运行工况。将带式输送机节能优化控制方法应用于柠条塔煤矿101号主提升带式输送机控制中，结果表明：该方法实现了煤流的平稳接续，节电率为9.1%～43.9%，节能效果明显。

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2022年第05期

109

102
智慧矿山数据治理概念内涵、发展目标与关键技术

作者(Author)：谭章禄, 王美君

摘要：煤矿数据是推动煤矿智能化技术开发、应用模式创新、市场竞争力提升的核心资源，数据治理是智慧矿山初级阶段向高级阶段发展的关键瓶颈，但目前在智慧矿山数据治理的概念内涵、发展目标和关键技术等方面尚未达成共识。针对该问题，剖析了数据治理在智慧矿山建设中的重要地位，界定了智慧矿山数据治理的概念内涵：智慧矿山数据治理是在“沉淀、复用、共享、协同”的治理理念引导下，煤炭企业内各部门连同行业和政府监管部门通力协作，制定数据标准和管理规范，重塑煤炭企业数据架构和数据传输链路，打通智慧矿山数据壁垒，保障数据质量和数据安全，构建智慧矿山技术联动和业务协同机制，实现数字驱动型决策和柔性生产的过程。从总体目标、发展策略、阶段性任务3个方面探讨了智慧矿山数据治理的发展目标，指出智慧矿山数据治理的重点是解决智慧矿山建设过程中的信息孤岛问题，实现数据共享和业务协同，使得智慧矿山真正成为促进煤炭企业价值提升的有机整体；智慧矿山数据治理需要妥善处理好局部协同与整体协同、物理集成与逻辑集成、智能业务系统与数据治理平台、集团级数据治理平台与矿级数据治理平台、本地处理与云处理等5个方面的关系。提出智慧矿山数据治理需突破数据标准构建、全局数据建模、数据汇聚、数据开发、数据管理、中台架构等6个方面的关键技术。

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2022年第05期

248

219
矿井车辆无人驾驶关键技术研究

作者(Author)：孙继平, 江嬴

摘要：矿井车辆无人驾驶是减少煤矿井下作业人员，建设安全、高效、绿色、智能化矿井的需要。总结了矿井车辆无人驾驶特点：煤矿井下作业人员位置全面感知、矿井车辆全部受控、矿井轨道运输设备只需一维定位、光照条件差、无线传输衰减大、无卫星信号、电磁环境复杂、电气防爆、环境潮湿、有淋水和粉尘。分析了煤矿井下超声波定位、激光定位、无线电定位（包括RFID,ZigBee,UWB,WiFi6,5G）、惯性导航、即时定位与地图构建（SLAM）、里程计等矿井车辆定位技术特点，提出了以UWB为主，惯性导航、里程计和SLAM为辅的矿井车辆联合定位方法。分析了激光雷达、毫米波雷达、红外摄像机、可见光摄像机、可见光双目视觉相机等矿井无人驾驶车辆障碍物识别与测距技术特点，提出了以激光雷达为主，毫米波雷达、红外摄像机、可见光摄像机、可见光双目视觉相机、超声波雷达为辅的矿井无人驾驶车辆障碍物识别和测距多信息融合方法。针对矿井无人驾驶车辆在遇到路况复杂，自动驾驶不能决策时，需自动转入地面远程控制模式的情况，指出基于5G无线通信系统的矿井车辆无人驾驶地面远程控制技术是首选方案，但矿用5G无线通信系统存在无线覆盖半径小、成本高等问题，可研究WiFi7在矿井车辆地面远程控制中的应用。

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工矿自动化

2022年第05期

473

250
复杂条件工作面智能化开采关键技术及发展趋势

作者(Author)：张帅, 任怀伟, 韩安, 巩师鑫

摘要：复杂条件煤层地质条件参数变化数量多、参数变化范围大,其智能化开采是当前迫切需要解决的难题。分析了我国不同区域煤矿的主要地质条件特征及面临的问题,指出相较于综合机械化采煤,智能化开采对地质保障度的要求更高。地质条件越复杂,控制系统就越需要更精准的感知、更快速的分析与决策、更高的数据传输速率。以两淮地区“三软”煤层开采为例,探讨了其在智能化开采过程中面临的问题:煤壁频繁片帮、刮板输送机上窜下滑、相邻支架错位及咬合不紧密、护帮板不整齐、支架扎底、超前巷道变形,指出围岩（顶底板、煤壁）条件、煤层走向/倾向角度、矿压及超前巷道稳定性是影响工作面正常连续开采的5个因素。为解决上述5个因素条件参数变化带来的问题,需要从围岩参数感知、趋势分析、精细化控制、动力系统适应、自适应决策等方面研发出解决复杂条件工作面智能化开采的关键核心技术。详细阐述了目前实现复杂条件工作面智能化开采技术即液压支架护帮板精准控制及快速跟机技术、顶板分区协同支护技术、工作面装备姿态监测技术、工作面调直技术、上窜下滑控制技术、稳压供液控制技术、仿真决策系统平台和超前支护技术的应用现状、效果及后续需要解决的问题。指出对于多种复杂条件共存的煤层,关键元部件的机电液一体化设计、分布式控制方式、大数据的分析应用、装备群协同快速推进控制和实时仿真平台与智能决策系统的开发是后续研究的主要方向。

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工矿自动化

2022年第03期

396

925

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