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智能采煤机器人关键技术

煤炭学报 2024年第2期49卷 1174-1182页

作者：马宏伟赵英杰薛旭升吴海雁毛清华杨会武张旭辉车万里曹现刚赵友军王川伟赵亦辉王鹏孙思雅马柯翔李烺西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西西安710054 西安重工装备制造集团有限公司陕西西安710054 西安煤矿机械有限公司陕西西安710200

采煤机是综采工作面的核心装备,研发智能采煤机器人是实现综采工作面智能化的关键。综合分析当前采煤机机器人化研究进程中的传感检测、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制等技术的研究现状,提出研发智能采煤机器人必须破解的... 详细信息

采煤机是综采工作面的核心装备,研发智能采煤机器人是实现综采工作面智能化的关键。综合分析当前采煤机机器人化研究进程中的传感检测、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制等技术的研究现状,提出研发智能采煤机器人必须破解的“智能感知、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制、位-姿-速协同控制”五大关键技术,并给出解决方案。针对智能感知问题,提出了构建智能感知系统思路,给出了智能采煤机器人智能感知系统的架构,实现对运行状态、位姿、环境等全面感知,为智能采煤机器人安全、可靠运行提供保障;针对位姿控制问题,提出了智能PID位姿控制思路,给出了改进遗传算法的PID位姿控制方法,实现了智能采煤机器人位姿精准控制;针对速度控制问题,提出了融合“力-电”异构数据的截割载荷测量思路,给出了基于神经网络算法的截割载荷测量方法,实现了截割载荷的精准测量;提出牵引与截割速度自适应控制思路,给出了人工智能算法牵引与截割速度决策方法和滑模自抗扰控制的牵引与截割速度控制方法,实现了智能采煤机器人速度精准自适应控制;针对截割轨迹规划与跟踪控制问题,提出了截割轨迹精准规划思路,给出了融合地质数据和历史截割数据的截割轨迹规划模型,实现了截割轨迹的精准规划;提出了截割轨迹精准跟踪控制思路,给出了智能插补算法的截割轨迹跟踪控制方法,实现了智能采煤机器人截割轨迹高精度规划与精准跟踪控制;针对“位-姿-速”协同控制问题,提出了“位-姿-速”协同控制参数智能优化思路,给出了基于多系统互约束的改进粒子群“位-姿-速”协同控制参数优化方法,实现了智能采煤机器人智能高效作业。深入研究五大关键技术破解思路,有利于加快推动研发高性能、高效率、高可靠的智能采煤机器人。

关键词：智能采煤机器人智能感知速度控制截割轨迹规划与跟踪控制协同控制

随掘地震地质构造精细监测在山西王坡煤矿的应用

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煤田地质与勘探 2024年第6期52卷 137-144页

作者：赵会波覃思陈超关奇赵星伟车建航山西天地王坡煤业有限公司山西晋城048021 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室陕西西安710077

【目的】传统巷道地震超前探技术受限于炸药使用、停掘需求、预报速度、探测范围及能力等方面的不足,难以满足智能掘进工作面的高精度地质构造探测需求。【方法】随掘地震以掘进机截割煤壁的震动为震源,采用数据实时上传、自动处理及动... 详细信息

【目的】传统巷道地震超前探技术受限于炸药使用、停掘需求、预报速度、探测范围及能力等方面的不足,难以满足智能掘进工作面的高精度地质构造探测需求。【方法】随掘地震以掘进机截割煤壁的震动为震源,采用数据实时上传、自动处理及动态成像的工作模式,充分利用信息技术和软件支撑,借助于海量数据支撑下的实时连续超饱和叠加,大幅提升了对掘进工作面前方地质异常体的成像精细度。以山西王坡煤矿为研究对象,在2条掘进巷道中部署了随掘地震监测系统,开展地质构造精细探查。【结果和结论】实际工作中,利用监测作业开展后48 h内积累的数据,即可对掘进工作面前方200 m范围内地质异常体成像。在3217工作面回风巷中,成功揭示了掘进工作面前方97 m的矸石挤压带反射异常,预报误差1 m;在3303工作面运输巷中,揭示了掘进工作面前方39 m的陷落柱,预报误差2 m;在3303工作面运输巷中,揭示了2处煤层破碎带异常区,其中,一处位于掘进工作前方148 m,预报误差1 m,另一处位于掘进工作面前方211 m外,在前序陷落柱和煤层破碎带遮挡下,依然足以形成较强的成像结果,预报误差3 m。结果表明:该技术探测精度高、探测距离远且探测能力强,可为瓦斯灾害的防治提供技术支持,为煤矿巷道安全高效掘进提供可靠的地质保障。

关键词：矿井安全随掘地震地质构造煤层破碎带挤压带陷落柱

基于改进深度确定性策略梯度算法的电压无功优化策略

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智慧电力 2024年第5期52卷 1-7,30页

作者：李付强张文朝潘艳张野赵伟李杏周永东国家电网有限公司华北分部北京100053 北京科东电力控制系统有限责任公司北京100192 西安理工大学电气工程学院陕西西安710048

电压无功优化是用来调节电压,保证电力系统安全、稳定、优质运行的必要手段。针对当前电力系统电压控制矛盾突出、无功优化难度大的问题,提出了1种基于改进深度确定性策略梯度(I-DDPG)算法的电压控制策略。首先,建立电力系统最小网损化... 详细信息

电压无功优化是用来调节电压,保证电力系统安全、稳定、优质运行的必要手段。针对当前电力系统电压控制矛盾突出、无功优化难度大的问题,提出了1种基于改进深度确定性策略梯度(I-DDPG)算法的电压控制策略。首先,建立电力系统最小网损化的目标函数,采用马尔可夫决策过程(MDP)对电力系统无功优化问题进行建模,引入了Ornstein-Uhlenbeck(OU)过程生成自相关噪声,使智能体可以确保首先在1个方向上探索,提高学习效率;其次,采用Sumtree结构的优先经验回放池,提高训练样本利用率,并采用重要性采样(IS)来优化收敛结果。最后,通过IEEE30节点标准系统算例,验证了本文所提出的方法在运行过程中使得平均网损相比于之前的系统降低19.64%,有效降低了电网有功损耗,符合电力系统发展的需要。

关键词：强化学习马尔可夫决策过程 OU噪声优先经验回放

一种基于暗亮通道分割融合的低照度环境图像去尘雾及增强方法

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煤炭学报 2024年第4期49卷 2167-2178页

作者：樊红卫张超曹现刚刘金鹏张旭辉赵寒西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 西安科技大学陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西西安710054 陕西彬长胡家河矿业有限公司陕西咸阳713600

受煤矿井下粉尘、水雾和低照度环境影响,对皮带运输系统的监测图像精准识别极为困难。针对现有去尘雾方法的图像处理结果和效率欠佳的问题,提出一种基于暗亮通道分割融合的低照度环境图像去尘雾及增强方法。首先利用阈值分割结合伽马变... 详细信息

受煤矿井下粉尘、水雾和低照度环境影响,对皮带运输系统的监测图像精准识别极为困难。针对现有去尘雾方法的图像处理结果和效率欠佳的问题,提出一种基于暗亮通道分割融合的低照度环境图像去尘雾及增强方法。首先利用阈值分割结合伽马变换修正通道差,解决因低照度环境影响导致的尘雾浓度较大区域与其他区域间像素值差异不明显的问题,修正后通过引导尘雾图像做引导滤波得到更加符合实际情况的全局大气光强;然后为解决暗通道先验在尘雾浓度较大区域失效问题,引入亮通道先验进行补充,使用通道分量来辅助暗通道及亮通道透射率融合,避免因多次分割而导致的边缘像素归属问题;最后将去雾后RGB图像转至HSV空间,对亮度分量进行直方图均衡化并将均衡化前后的亮度分量进行加权融合,采用客观指标评价,选择最优聚合权值进行聚合,同时考虑去雾过程中饱和度损失和亮度分量与饱和度分量间的相关性提出饱和度自适应矫正函数,对图像饱和度进行矫正,色调分量保持不变,随后将图像转回至RGB空间,得到亮度适中、信息保留丰富和色彩鲜艳的图像;为验证所提方法的有效性,采用主观视觉、客观指标和目标检测精度及置信度进行算法对比,实验结果表明所提方法在上述4个指标上均优于被对比算法,其图像细节保留丰富,图像视觉观感更佳。

关键词：低照度暗通道亮通道分割融合图像去雾图像增强

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忆阻神经网络自适应滑模控制及其应用

红外与激光工程 2024年第6期53卷 194-201页

作者：林俤吴易明杨森张垠赵铭姝仝人智能科技(西安)有限公司西安交大-仝人智能系统科学与智能器件物理联合研究所陕西西安710115 中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 西安交通大学物理学院陕西西安710115

光电吊舱系统中存在各种扰动和未建模动态,常规控制算法难以适应复杂情况。采用神经网络实现模型未知部分的自适应估计,结合滑模变结构控制,可以有效提升控制精度,但在控制初始阶段,神经网络估计没有收敛到实际模型时,滑模控制存在抖振... 详细信息

光电吊舱系统中存在各种扰动和未建模动态,常规控制算法难以适应复杂情况。采用神经网络实现模型未知部分的自适应估计,结合滑模变结构控制,可以有效提升控制精度,但在控制初始阶段,神经网络估计没有收敛到实际模型时,滑模控制存在抖振现象。因此,提出了基于忆阻器神经网络自适应滑模控制算法,采用神经网络可以逼近未建模态,提升控制精度,而忆阻器神经网络来保存权值参数,可以减小神经网络收敛时间。在控制的初始段,改进自适应增益来减小由于神经网络估计误差带来的抖振现象,仿真与实验结果表明,采用忆阻神经网络及改进的自适应增益算法,初始抖振显现得到了很好的控制,算法收敛时间减小为常规滑模控制算法的1/2,稳态控制精度较常规滑模变结构控制算法提升了59.18%。

关键词：滑模变结构控制忆阻器神经网络光电吊舱

“人-机-环境”共融的工业数字孪生系统智能优化方法

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计算机集成制造系统 2024年第5期30卷 1551-1570页

作者：李浩王昊琪李琳利张玉彦杨文超文笑雨张旭辉刘根张幸福刘俊崔科飞陈录城王朋静杨新宇郑州轻工业大学河南省机械装备智能制造重点实验室河南郑州450002 西安科技大学机械工程学院陕西西安710699 郑州恒达智控科技股份有限公司河南郑州450016 中信重工机械股份有限公司河南洛阳471003 卡奥斯工业智能研究院(青岛)有限公司山东青岛266000

工业数字孪生系统是智能制造应用实施的重要手段,但现有工业数字孪生系统主要面向机械系统探索研究理论和关键技术,缺乏从“人-机-环境”全局开展系统建模和优化。鉴于此,分析了“人-机-环境”系统建模和智能优化研究进展,总结了“人-机... 详细信息

工业数字孪生系统是智能制造应用实施的重要手段,但现有工业数字孪生系统主要面向机械系统探索研究理论和关键技术,缺乏从“人-机-环境”全局开展系统建模和优化。鉴于此,分析了“人-机-环境”系统建模和智能优化研究进展,总结了“人-机-环境”共融的工业数字孪生系统基本特征,建立了系统参考架构。然后,提出了“人-机-环境”共融的工业数字孪生系统智能优化方法与关键技术体系,主要包括数据驱动的快速动态建模与仿真方法、基于生成式人工智能(AI)的数字孪生快速建模方法、多模态感知与智能交互方法、虚实同步映射与模型校正方法、基于分布式计算的运行优化控制方法、“人-机-环境”安全监测与态势感知方法和基于AI agent的系统自学习与优化控制方法等。最后,通过典型案例展示了智能优化方法的应用效果。所提出的工业数字孪生系统智能优化方法为实现智能制造过程中的“人-机-环境”共融提供了重要支撑。

关键词： “人-机-环境”共融工业数字孪生系统智能制造智能优化 AI agent

透明回采工作面模型构建技术及智能化应用研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：王晓辉刘再斌陈宝辉马良张东亮杜易明雷晓荣晏俊生煤炭科学研究总院中煤科工西安研究院(集团)有限公司西安煤科透明地质科技有限公司煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室

回采工作面模型是指导煤矿安全高效生产的重要前提，对实现煤炭精准开采和地质保障具有重要意义。特别是在复杂地质条件下，回采工作面模型若不能准确描述构造与地层之间的关系，将会影响到煤矿生产过程中的采区规划、采掘工艺及生产效... 详细信息

回采工作面模型是指导煤矿安全高效生产的重要前提，对实现煤炭精准开采和地质保障具有重要意义。特别是在复杂地质条件下，回采工作面模型若不能准确描述构造与地层之间的关系，将会影响到煤矿生产过程中的采区规划、采掘工艺及生产效率等方面。以某个复杂地质条件的矿井回采工作面为例，开展高精度回采工作面模型构建技术及智能化应用研究。首先，提出地层和断层的构建技术，成功解决了特殊地质现象及逆断层三维空间重值的难题。同时，引入动态更新技术实现了模型的局部动态修正，大幅提升了模型的准确性与实用性。其次，结合实时监测数据，提出智能规划截割与智能地质预测技术，能够有效提高生产决策的精准性与及时性。随后，构建了I030903回采工作面静态模型，并加入局部动态更新能力，将该动态模型应用于煤矿透明地质保障系统，取得了显著的应用效果。结果表明，该建模技术能够快速、准确地模拟任意复杂地质体，为处理地层不整合、地层尖灭、煤层分叉和断层切割等问题提供便利。经验证，模型误差值均处于0.2m以下，且0～0.1m范围内占整体97%。基于透明回采工作面模型的智能规划截割技术有效指导了采煤机的精准开采，而智能地质预测技术则能够在异常情况下自动生成预警信息并及时传达相关人员。研究结果表明该方法具有先进性与可行性，为煤矿智能化开采提供了坚实的技术支持和保障。

关键词：回采工作面模型动态更新智能化精准开采地质保障

基于动态事件触发通信协议的多智能体系统自适应可靠控制

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自动化学报 2024年第5期50卷 924-936页

作者：范泉涌张乃宗唐勇许斌西北工业大学自动化学院西安710072 中航(成都)无人机系统股份有限公司成都641500

针对多智能体系统中邻居节点间通信资源受限的情况,研究基于动态事件触发通信协议的多智能体系统自适应可靠一致性控制问题.首先,设计一种基于自适应参数估计技术的容错控制策略,来应对未知执行器故障.其次,提出一种新型动态事件触发函... 详细信息

针对多智能体系统中邻居节点间通信资源受限的情况,研究基于动态事件触发通信协议的多智能体系统自适应可靠一致性控制问题.首先,设计一种基于自适应参数估计技术的容错控制策略,来应对未知执行器故障.其次,提出一种新型动态事件触发函数,通过增加具有自适应调节能力的动态变量来延长事件触发间隔.在此基础上,证明在智能体之间非连续通信的情况下,所提方法仅依靠智能体与邻居在触发时刻的交互信息就可以确保一致性误差的收敛.此外,从理论上说明智能体间的事件触发通信不存在芝诺现象.最后,针对无人船编队系统开展仿真,结果能够说明所提自适应事件触发可靠控制方法的有效性.

关键词：自适应可靠控制多智能体系统事件触发通信芝诺现象执行器故障

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煤矿用自动化钻机远程控制系统的研制

煤田地质与勘探 2024年第5期52卷 151-159页

作者：董洪波姚宁平王天龙马斌彭光宇中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题,采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术,研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主... 详细信息

针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题,采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术,研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主体,实现了视距内控制、井下集控以及地面远程监控3种控制模式,并构建了云端自动化钻机管控平台。具体而言,视距内监控模式通过遥控器、控制器及配套传感器,实现了对井下视觉范围内钻机的精确操作;井下集控模式则集成了集控舱、隔爆兼本安型计算机、本安显示器、隔爆兼本安型交换机、本安摄像头以及本安操控箱等设备,实现了对井下危险钻场的钻机远距离安全监控;地面监控模式则通过地面操控台、地面服务器、显示器、交换机以及AI智能分析盒子等设备,为自动化钻机的地面远程监控提供了有力支持。此外,云端自动化钻机管控平台则主要用于自动化钻机群运行状态和施工状态的数据统计与分析。研制的远程控制系统应用于ZDY4500LFK、ZDY6500LDK型钻机,并实现了视距内遥控、井下集控以及地面远距离控制等多种控制方式的稳定运行。现场试验和测试研究结果表明:(1)钻机视距内遥控系统遥控器按键丰富、控制器具有CAN、RS485等丰富的接口,手机升级便捷方便,可广泛应用于钻机电控化升级和改造。(2)远程集中控制系统可以实现10km距离的远程控制,控制响应时间小于200ms。视频、参数采集数据响应及时无卡滞,可以满足井下钻机远程监控的需求。(3)地面远程监控系统可以实现地面钻机远程监控并具有AI识别功能,可实现人员闯入预警和停机功能。(4)自动化钻机管控平台经过功能、压力、并行、访问测试,功能正常,响应及时,系统无崩溃,可用于自动化钻机数据和工况的统计分析。该控制系统的应用在保证钻孔施工安全的同时也为煤矿钻机实现少人化、智能化、信息化提供了借鉴。

关键词：自动化钻机遥控远程控制地面监控集控煤矿