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无人机辅助空中计算的轨迹和功率联合优化方法

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电子与信息学报 2024年第6期46卷 2480-2487页

作者：李松李佳琦王博文陈瑞瑞孙彦景张晓光中国矿业大学信息与控制工程学院徐州221116 徐州市智能安全与应急协同工程研究中心徐州221116

无人机(UAV)辅助的空中计算(AirComp)系统为大范围、分布式数据的快速聚合提供了有效的解决方法。该文研究了通过无人机辅助空中计算系统联合轨迹规划与功率优化方法。UAV作为移动基站,通过调整其运动轨迹和地面传感器节点发射功率,实现... 详细信息

无人机(UAV)辅助的空中计算(AirComp)系统为大范围、分布式数据的快速聚合提供了有效的解决方法。该文研究了通过无人机辅助空中计算系统联合轨迹规划与功率优化方法。UAV作为移动基站,通过调整其运动轨迹和地面传感器节点发射功率,实现AirComp系统聚合数据均方误差的最优化。在UAV轨迹、传感器功率限制下,联合优化UAV轨迹、去噪因子和传感器功率,使时间平均均方误差最小化。基于块坐标下降和逐次凸逼近方法,提出无人机飞行轨迹与功率联合优化算法,并通过仿真验证了所提算法的性能。

关键词：空中计算轨迹规划功率控制无人机

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多维资源约束下数字孪生边缘部署方法

南京邮电大学学报(自然科学版) 2024年

作者：李松宋伟强陈瑞瑞中国矿业大学信息与控制工程学院徐州市智能安全与应急协同工程研究中心

数字孪生技术通过物理设备与虚拟设备间实时信息交互，可实现对物理设备的故障诊断、远程运维和远程优化。数字孪生的云端部署场景下的虚实信息交互时延制约着数字孪生实时类业务性能。将数字孪生体部署在边缘网络中，为降低虚实信息交... 详细信息

数字孪生技术通过物理设备与虚拟设备间实时信息交互，可实现对物理设备的故障诊断、远程运维和远程优化。数字孪生的云端部署场景下的虚实信息交互时延制约着数字孪生实时类业务性能。将数字孪生体部署在边缘网络中，为降低虚实信息交互时延提供了可行途径。然而边缘服务器有限的存储、计算等资源制约了数字孪生最优边缘部署策略的求解。本文考虑了物理设备与其数字孪生体之间的交互时延，不同物理设备之间的交互时延以及边缘服务器资源约束，建立了数字孪生边缘部署问题模型，并将问题描述为整数规划问题，进而提出了基于分支定界算法和匹配理论的数字孪生边缘部署算法。仿真结果表明，本文所提出的算法可以在快速的时间内获得有效的边缘部署方案。

关键词：边缘计算数字孪生匹配理论

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协作机械臂碰撞环境下的安全控制

控制理论与应用 2024年第2期41卷 292-302页

作者：周林娜王宵丛香怡陈正升杨春雨中国矿业大学信息与控制工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学地下空间智能控制教育部工程研究中心江苏徐州221116

针对人机协作过程中机械臂末端与操作者之间可能存在物理碰撞的问题,本文提出一种基于自适应导纳和滑模控制的机械臂安全控制方法.首先,采用基于广义动量的干扰观测器估计机械臂各关节和末端执行器上的干扰力.然后,设计一个双环控制结构... 详细信息

针对人机协作过程中机械臂末端与操作者之间可能存在物理碰撞的问题,本文提出一种基于自适应导纳和滑模控制的机械臂安全控制方法.首先,采用基于广义动量的干扰观测器估计机械臂各关节和末端执行器上的干扰力.然后,设计一个双环控制结构,内环是基于干扰观测的双幂次趋近律滑模轨迹跟踪控制器,用以克服外界干扰的影响,达到期望的轨迹跟踪精度;外环是自适应导纳控制器,依据碰撞外力的大小和方向更新期望轨迹,以保证机械臂碰撞发生时的柔顺性和碰撞解除后迅速恢复工作状态的能力.最后,对所提算法进行仿真和实验验证.实验结果表明,协作机械臂碰撞环境下的安全控制算法能保证人机协作的安全性和机械臂工作的连续性,满足人机协作过程中的工作需求.

关键词：人机协作干扰观测器滑模控制自适应导纳控制

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构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用

煤炭学报 2024年第2期49卷 645-663页

作者：程远平王成浩煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学人工智能研究院江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(... 详细信息

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论,认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心,而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中,为揭示构造煤变形能在突出中的贡献,开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验,实验结果表明:与原生煤的线性、小变形特征不同,构造煤的加卸载曲线具有非线性、大变形的特征,构造煤的变形能与应力不再符合平方关系。基于土力学临界状态模型,构建了适用于构造煤非线性特征的变形能理论计算模型,该模型反映了煤体变形能与应力间的幂函数关系,确定了构造煤的幂指数主要为1.1~1.3,原生煤的幂指数主要为1.7~1.9,进一步表明构造煤的性质与土体更相似,而原生煤的性质更接近理想弹性体。尽管在相同应力水平下,构造煤的变形能更大,但构造煤在失稳后的对外释放能量很低,表现为损伤破碎时几乎不产生声发射信号。构造煤变形能的对外释放能量增加了煤体孔隙率,对内耗散能量为瓦斯快速解吸提供条件,2者综合控制了瓦斯膨胀能的释放。瓦斯膨胀能的研究对象应为参与突出做功的瓦斯,即突出煤体在短时间内的释放瓦斯,进一步的实验与数值分析结果表明,参与突出做功的瓦斯膨胀能与构造煤体变形能数量级相近,为10^(2)~10^(3)kJ/t。煤体变形能与瓦斯膨胀能的释放存在时序性与因果性,在突出孕育–激发阶段,煤体变形能的预先释放是瓦斯膨胀能聚集的必要条件。突出由煤体变形能与瓦斯膨胀能共同控制,煤体变形能与瓦斯膨胀能在突出中具有同等重要的地位。

关键词：煤与瓦斯突出构造煤煤体变形能瓦斯膨胀能释放机制

地下气化场地地基稳定性评价及燃空区封存超临界二氧化碳初探

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采矿与安全工程学报 2024年第2期41卷 326-340页

作者：李怀展唐超郭广礼雷少刚李伟陈福周华安查剑锋黄建勇中国矿业大学矿山生态修复教育部工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学江苏省老工业基地资源利用与生态修复协同创新中心江苏徐州221116

为促进燃空区及其场地高效再利用,结合煤炭地下气化工艺特点及燃空区特征建立了气化隔离煤柱稳定性评价模型、覆岩裂隙发育高度计算模型及地表残余变形预测模型,进而提出了燃空区场地稳定性评价方法,为燃空区场地的再利用提供了技术支... 详细信息

为促进燃空区及其场地高效再利用,结合煤炭地下气化工艺特点及燃空区特征建立了气化隔离煤柱稳定性评价模型、覆岩裂隙发育高度计算模型及地表残余变形预测模型,进而提出了燃空区场地稳定性评价方法,为燃空区场地的再利用提供了技术支撑。同时,针对燃空区治理难题,结合CO_(2)地质封存面临的瓶颈提出了煤炭地下气化耦合超临界CO_(2)封存的思路,分析了气化炉参数对燃空区封存超临界CO_(2)后盖层裂隙发育规律的影响,并建立了燃空区封存超临界CO_(2)过程中隔离煤柱稳定性评价方法,为面向煤炭地下气化耦合CO_(2)封存的生产设计提供了科学依据。最后,提出了煤炭地下气化耦合CO_(2)封存目前存在的主要问题,并强调了迫切需要开展的相关研究工作。研究成果对促进燃空区及其场地再利用具有一定的理论和实践指导意义。

关键词：煤炭地下气化场地稳定性 CO_(2)地质封存煤柱稳定性评价燃空区封存

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含水率影响下煤体巴西劈裂特性与弱化机制

采矿与安全工程学报 2024年第2期41卷 362-371页

作者：张村王磊王潇杰刘金保崔舒畅陈见行中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)厚煤层绿色智能开采教育部工程研究中心北京100083

利用废弃矿井采空区作为储水空间对矿区生态环境和经济发展具有重要作用,但在不同含水率影响下,煤岩体强度会出现一定的弱化,进而影响地下储库的稳定性。以关闭的大台矿井-710 m开采水平3#煤层煤样为研究对象,研究不同含水率煤样巴西劈... 详细信息

利用废弃矿井采空区作为储水空间对矿区生态环境和经济发展具有重要作用,但在不同含水率影响下,煤岩体强度会出现一定的弱化,进而影响地下储库的稳定性。以关闭的大台矿井-710 m开采水平3#煤层煤样为研究对象,研究不同含水率煤样巴西劈裂强度弱化程度、劈裂破坏特征和声发射演化规律;借助CT扫描浸水前后煤样孔隙特征,探究其内在影响机制。研究结果表明:干燥煤样圆盘表面的主要裂纹沿劈裂面存在,而饱和煤样的裂纹偏离劈裂面,形成许多不规则的剪切裂纹。随着含水率的增加,圆盘表面劈裂裂隙平整度降低,从干燥到饱和,裂隙分形维数由1.066升高至1.298;煤样抗拉强度随含水率增加呈线性减小,但峰值应变则呈先增大后减小的抛物线变化;煤样声发射累计计数随含水率增加而逐渐减小,破坏阶段低含水率煤样产生张拉为主的拉剪复合裂隙且尺度较大,高含水率煤样产生小尺度张拉裂隙。煤样浸水后原生裂隙扩张,孔隙率提高2.55%,煤样孔隙率升高使煤样损伤发育加速,进而导致在劈裂过程中更易形成贯通裂隙;水的存在弱化了原生裂隙胶结强度,使劈裂裂隙沿强度较小的节理裂隙面扩张,初始劈裂面粗糙度增加。新增裂隙的减小也同样使声发射强度降低。

关键词：废弃矿井含水率巴西劈裂抗拉强度声发射弱化机制

基于微震多维信息融合的冲击地压全时空预测方法

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采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 511-521页

作者：杨旭刘亚鹏曹安业刘耀琪王常彬赵卫卫中国矿业大学计算机科学与技术学院矿山数字化教育部工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116

为解决当前冲击地压时间与空间预测协同难、微震数据时空特征挖掘不充分的困境,结合深度学习相关理论与方法,提出了基于微震多维信息融合的冲击地压全时空预测方法,该方法主要包括微震时空特征指标、时间预测以及空间预测3个模块,设计... 详细信息

为解决当前冲击地压时间与空间预测协同难、微震数据时空特征挖掘不充分的困境,结合深度学习相关理论与方法,提出了基于微震多维信息融合的冲击地压全时空预测方法,该方法主要包括微震时空特征指标、时间预测以及空间预测3个模块,设计了基于主成分分析和核密度估计的微震时空特征指标构建方法,在此基础之上,构建了基于深度循环神经网络的冲击地压时间预测模型,提出了基于长短期时间窗融合的冲击地压空间预测方法,从而实现了冲击地压时间⁃空间协同的全时空预测。此外,为了评估所提方法的有效性,在内蒙古鄂尔多斯矿区某冲击危险工作面进行了工程应用测试,测试时间段共出现13条大于10^(5)J的大能量微震事件,在时间预测方面,对于大能量事件的时间预测结果为10个强危险、3个中等危险,并且整个测试阶段模型误报率仅为0.133。在空间预测方面,对于大能量事件的空间预测结果的分布区域为6个强危险、3个中等危险、4个弱危险。实验表明该方法可满足工程应用的需求,研究成果可为冲击地压监测预警提供参考与借鉴。

关键词：冲击地压全时空预测微震时空特征指标深度循环神经网络

考虑电磁铁线圈构型的高速开关阀动态特性分析

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西安交通大学学报 2024年第4期58卷 211-220页

作者：徐纯洁谢方伟凡镕瑞魏汝路田祖织中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学矿山智能采掘装备省部共建协同创新中心江苏徐州221116

为改善高速开关阀的响应特性,以电磁铁线圈构型为切入点,对比研究了线圈构型对高速开关阀动态特性的影响规律。在建立高速开关阀数学模型以及理论分析线圈构型变化对响应时间影响的基础上,采用电磁仿真软件ANSYS Electronics,构建了高... 详细信息

为改善高速开关阀的响应特性,以电磁铁线圈构型为切入点,对比研究了线圈构型对高速开关阀动态特性的影响规律。在建立高速开关阀数学模型以及理论分析线圈构型变化对响应时间影响的基础上,采用电磁仿真软件ANSYS Electronics,构建了高速开关阀二维瞬态仿真模型,分析了单一、叠加式、嵌套式3种线圈构型对电磁铁吸合以及高速开关阀启、闭两个动态过程的影响。仿真结果表明:在不改变其他结构参数与电气参数的情况下,与单一线圈构型相比,叠加与嵌套两种并联线圈构型能够有效缩短电磁铁空载吸合时间,减幅分别为35.1%、34.7%;叠加式线圈构型下高速开关阀的开启延迟时间缩减了4.79 ms,减幅达55.4%;嵌套式线圈构型下高速开关阀的开启延迟时间缩减了4.77 ms,减幅达55.2%。综合响应特性与能耗特性参数来看,采用叠加式线圈构型的高速开关阀具有相对更优的动态特性。该研究可为高速开关阀电磁铁的设计提供参考。

关键词：高速开关阀电磁铁线圈构型动态特性响应时间

矸石磨料射流冲击煤体的破碎行为及其力学特性研究

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采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 623-633页

作者：王青祥王通唐佳旭刘应科王凤超高天昊钮月中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学低碳能源与动力工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

创新性提出了矸石磨料射流破煤技术,针对矸石磨料射流冲击破碎煤体动态过程,采用SPH-FEM耦合算法,构建了矸石磨料射流破煤数值模型,研究了破煤过程中应力损伤机制及射流参数对煤体破碎效果的影响规律。研究结果表明:随着射流速度由150 ... 详细信息

创新性提出了矸石磨料射流破煤技术,针对矸石磨料射流冲击破碎煤体动态过程,采用SPH-FEM耦合算法,构建了矸石磨料射流破煤数值模型,研究了破煤过程中应力损伤机制及射流参数对煤体破碎效果的影响规律。研究结果表明:随着射流速度由150 m/s增加到350 m/s,煤体的冲蚀深度和冲蚀纵截面面积近似线性增加,冲蚀宽度先增大后趋于稳定值,冲蚀宽度峰值为5.2 mm;随着射流柱直径的增加,煤体冲蚀宽度和冲蚀纵截面面积不断增大,冲蚀深度缓慢减小;磨料粒径由0.8 mm增加到1.2 mm时,最佳破煤粒径为0.8 mm;当t=2μs时,沿轴向深度和径向宽度方向,所选煤体单元的有效应力依次减小;当t>2μs时,径向上所有煤体单元的有效应力随时间增大而逐渐减小;随着磨料射流不断冲击,轴向煤体单元的有效应力峰值接替出现;沿着径向和轴向,从冲击表面中心到射流远端,损伤失效速率逐渐减小,分别呈瞬时和阶梯形损伤失效特征。研究结果为揭示磨料射流冲蚀破煤行为及其机理提供重要理论支撑。

关键词：矸石磨料射流煤体破碎应力损伤机制 SPH⁃FEM耦合