摘要：煤矿综掘工作面受限于狭小空间、工艺繁杂、环境恶劣等特殊条件,导致用工多、安全性差、效率低等问题,亟需研发更加安全高效的智能化掘进技术与装备。巷道掘进机作为综掘工作面的核心设备,对其智能化进行研究具有重要的社会价值和经济意义。为实现巷道掘进机的智能化作业,首先需要解决的关键问题是为掘进机机体定位,精确、鲁棒的机体位姿检测方法是保障巷道智能掘进有效性的首要条件。因此,针对巷道掘进机机体定位问题,提出了一种基于时间序列图像学习的机体绝对六自由度位姿实时检测方法。首先,通过在掘进机机体安装一台单目相机,并在掘进机后方设置人工特征对象,设计适用于巷道狭长、非结构化环境的视觉定位方案。然后,提出用于时间序列图像融合的深度学习模型,其中,使用一种训练好的多尺度变分自编码器辅助的卷积神经网络(MSVAE-CNN)的编码器模型提取时间序列图像中每个样本的多尺度潜在空间特征,以保证图像特征提取的鲁棒性;基于双向长短期记忆(LSTM)网络构建时间序列图像特征融合模型,并同时估计所有时间步图像样本对应的机体位姿参数,当推理某个时间步图像对应的位姿参数时,其他时间步的信息都可作为先验知识,通过学习图像样本之间的特征相关性,提高位姿估计的精度和可靠性;另外,使用多头自注意力机制进一步提高特征融合性能,使用张量训练分解压缩模型,实现在轻微损失位姿估计精度的前提下大幅降低模型参数数量。最后,基于一辆履带小车进行试验研究,使用NOKOV红外动捕系统获取小车机体实际位姿。试验结果显示,所提方法对中心偏距和方向角的估计平均绝对误差分别约为25 mm和0.36°,完全能够满足巷道掘进机的定位需求,并且定位精度明显优于MSVAE-CNN模型,验证了所提出的基于序列图像学习的机体定位方法的有效性与高性能。

摘要：针对电液伺服系统中存在不确定非线性和强参数不确定性的问题,提出一种多模型鲁棒自适应控制算法。根据系统参数不确定性范围建立了多个辨识模型,在辨识模型中设计非线性鲁棒项,以抑制干扰、未建模动态等不确定非线性的影响,提高系统的鲁棒性。基于辨识模型设计相应的控制器,采用基于辨识误差的性能指标函数作为切换依据,选取最佳控制器作为当前控制器,解决了传统自适应控制对参数自适应初值敏感的问题。该方法能够克服不确定非线性和强参数不确定性的影响,使系统得到渐进跟踪的性能,提高系统的瞬态响应性能。实验结果表明,该算法能抑制建模不确定性的影响,系统期望跟踪指令幅值为10mm时,跟踪误差大约为0.038 6mm,相对跟踪误差约为0.386%,系统跟踪精度得到了提高。

摘要：为将两个单功能产品集成为一个多功能产品,研究了一种基于矩阵的概念方案求解方法。将产品的总功能分解至元功能,元功能用功能基表示,并分为基础功能、应用功能、附加功能三类;分析了产品功能模型,量化了功能相似性,构建了输入流相似矩阵、输出流相似矩阵和功能相似矩阵,定义了矩阵运算规则和过滤规则,从而计算并简化了功能相似总矩阵;构建了功能—元件矩阵,然后使之与功能相似总矩阵计算,得出两个单功能产品的元件关联矩阵;分析了关联矩阵中的元件关系,通过丢弃、保留或修改部分元件,获得了多功能新产品的设计方案。分析了便携式吸尘器和剃须刀的功能相似性和元件关联性,通过所提出的方法获得了一种新型剃须刀的概念方案,验证了该方法的有效性。

摘要：随着科学技术的不断进步,煤矿悬臂式掘进机正朝着自动化、少人化、智能化的方向发展。巷道断面成形是悬臂式掘进机的一个主要任务,针对煤矿掘进机器人截割头轨迹控制易受外界未知干扰、系统非线性以及参数不确定性等因素影响,提出一种基于未知动态估计器(Unknown Dy-namic Estimator,UDE)的非奇异终端滑模控制方法。首先,考虑液压驱动部分建立了掘进机截割电液驱动系统的3阶非线性严反馈状态空间模型。其次,利用有限时间状态收敛的超螺旋滑模微分器估计系统的未知速度状态,基于低通滤波器设计UDE估计系统的非匹配项集总不确定性,并采用非奇异终端滑模面和幂指数趋近律设计快速终端滑模控制律,对UDE观测的系统扰动进行实时前馈补偿可有效缓解传统滑模控制存在的控制器抖振问题。同时为降低高阶虚拟控制量导数计算复杂度,引入指令滤波技术,并采用高增益鲁棒反馈抑制系统匹配项扰动,利用李雅普诺夫准则证明闭环系统的稳定性。最后,利用搭建的掘进机器人样机开展实验验证。试验结果表明:在跟踪阶跃信号、0.1 Hz正弦信号以及混频信号时,所提出的控制方法相较传统的PI控制跟踪误差的平均值分别降低了61.60%、66.51%、66.27%,跟踪误差的均方根值分别降低了54.00%、64.53%、61.90%,可有效地抑制系统的多源不确定性扰动,进而实现掘进机器人截割系统的高精度位置控制与动态快速响应。

摘要：针对蜂窝网、车联网等网络中用户的内容下载场景,提出了一种基于终端直通(D2D)多播通信的合作内容下载机制改善下载性能。该机制充分利用内容请求者位置的邻近特性,将其分成不相交的簇。簇内的内容请求者合作从基站处下载一份完整的内容,并轮流向簇内其他内容请求者共享所下载的内容。这种下载方式下,内容共享额外消耗的资源由簇内内容请求者共同承担。在此过程中,提出了一种定价方法来激励内容请求者间的合作。该方法仅需要基站维持一个内容下载的价格。基于此,为最小化内容请求者的下载代价,研究了用户分簇、链路调度和功率分配的联合优化问题。为以较低的复杂度得到较优的解,基于联盟形成博弈设计了一个联合优化算法。仿真结果表明,相较于传统非合作机制,内容请求者在所提机制下的下载代价降低了约37.15%;在不同数目的内容请求者和蜂窝用户下,所提机制均优于其他基准机制。

摘要：针对目前悬臂式掘进机作业数据可视化差、可靠性低的问题,提出了一种基于多传感分布的多信息监测系统,设计了系统整体框架,实现了监测程序的可靠运行。首先,分析了悬臂式掘进机远程监测的工作特性,采用降噪去雾算法对现场图片进行增亮与清晰化处理,提升图像质量,达到远程实时视频监测水平,结合瓦斯与温湿度传感器实现了掘进环境监测;其次,以掘进机截割头位置作为其作业空间边界,建立掘进机截割头位姿与运行轨迹方程,采用油缸位移信号与倾角信号冗余算法,实时监测掘进机截割空间位置,实现截割头空间位置在线监测;然后,基于朗伯-比尔定律,采用透射法,设计了油液污染度实测系统,结合温度、液位与流量传感器,实现了掘进机油液状态的在线监测;进而,基于指数退化方法建立截割部轴承的剩余使用寿命预测模型,嵌入到监测系统中,实时显示掘进机各关键部件的性能曲线,实现了关键部件的寿命监测;最后,利用多传感分布方法采集信号,采用多信息融合方法,通过TCP协议,结合PLC网口通讯,远程采集温度、压力、振动等信号,进行实时可视化及故障趋势分析,形成掘进机工作环境状况、截割状态、油液状态、寿命预测等方面的多信息监测系统,为实现掘进机的智能化提供了理论和技术支撑。

摘要：针对采掘装备在煤巷、岩巷工作中截割机构磨损严重、作业效率低等问题,开展了矿山煤岩破碎方法的分析、总结和探索研究。根据煤岩普氏系数将煤岩类型分为煤、半煤岩、硬岩及高硬岩,并针对目前采掘装备在煤巷和半煤岩巷中存在的问题,阐述目前铣削破岩、冲击破岩、滚压破岩及滚拉破岩等机械破岩技术与纯水射流、脉冲射流、空化射流及磨料射流等水射流破岩技术的工作原理及前沿研究现状。首先,针对煤炭开采中因夹矸、硬包裹体煤层硬度大导致采煤机截割机构磨损严重、机械化开采效率低的问题,进行了截齿破碎煤岩机理及性能、截齿磨损机理、滚筒结构创新设计等方面的阐述,指出目前煤层及夹矸煤层应突破煤岩破碎与高效截割机构设计等新技术,以解决煤层安全高效开采的难题;针对半煤岩巷进行了截齿与煤岩互作用力学模型、截齿自旋转减磨截割机理、截割机构截齿布置理论及最优化设计方法等方面的概述,结合半煤岩巷作业效率低、机械刀具磨损严重等问题,从理论、数值模拟和实验等方面分析了各种水射流冲击破岩方法工作原理及研究现状,并指出为提高复杂多变地质条件下半煤岩巷掘进装备的掘进效率,应根据截割工况设计截割机构刀具排列方式,并采用自适应技术规划掘进工作参数、掘进工艺,提高掘进装备系统可靠性、智能化及综掘工艺水平以实现半煤岩巷快速掘进;针对硬岩巷从理论、实验和数值模拟方面进行了滚刀/圆盘刀破岩机理、破岩性能、刀盘设计准则等方面的综述,进行了水射流辅助截齿/钻孔/滚刀/圆盘刀破岩及涨裂辅助破岩技术的总结,提出了液力或者机械涨裂辅助破岩是目前应对硬岩有效的方法,充分利用岩石抗压不抗拉特点实现硬岩的高效经济破碎,结合智能化算法实现钻孔与涨裂的协同作业,实现硬岩巷道的高效掘进。最后,分析了现有破岩技术的优势、劣势及其局限性,并指出了我国矿山硬岩截割技术的未来发展趋势,煤矿机械、非煤矿业机械、盾构机械破岩技术相互融合,机械与非机械多场耦合破岩技术及矿山装备智能化是实现矿山复杂地质条件下煤岩高效破碎的发展方向。

摘要：为兼顾泵站运行效率与鱼类通过安全性,结合计算流体动力学、鱼类损伤模型、遗传算法寻优开展多目标优化研究。基于敏感度分析,分别优选了影响贯流泵性能和鱼类存活率的显著因素,采用最优拉丁超立方抽样、Kriging模型、NSGA-Ⅱ算法构建了多目标优化系统,通过分配权重因子得到了效率最优(A)、鱼类存活率最优(C)和两者兼顾(B)的3种寻优方案。结果表明:方案A效率较初设方案提升了5.2%,方案C鱼类存活率较初设方案提升了49.4%;叶片包角、弦高、前伸角是影响水力性能的关键因素,叶片前掠角、前伸角、叶片厚度是影响鱼类存活率的关键因素,且前伸角对两者的作用效果相反;撞击死亡率高度影响鱼类过泵存活率,而撞击概率对此影响较小,可通过加大叶片前缘厚度、增加叶片前掠角、降低前伸角来提升鱼类存活率。该研究成果应可为我国大型泵站群向生态水利方向发展提供参考。

摘要：为了研究大型灯泡贯流泵的能量损失特性,采用基于有限体积法的数值模拟,结合局部熵产率和网格尺度,通过熵产理论定位贯流泵内能量损失较高的局部区域,分析了不同工况下各部件内局部熵产、能量损失和不稳定流动之间的关联。结果表明:贯流泵系统熵产与试验功率损失保持较高的一致性,相比于大流量工况,小流量液流正冲角更容易诱导能量损失;叶轮轮缘局部熵产最高,体积占比14%的轮缘子域耗散熵产占比超过40%,由叶顶区泄漏流和泄漏涡导致;导叶轮毂和轮缘侧耗散熵产较高,且呈现轮毂侧分散、区域大极值小,轮缘侧集中、区域小极值大的分布特性;灯泡体能量损失在小流量工况下集中在尾部渐缩段,在大流量工况下集中在灯泡尾部的尾迹区。该研究成果对大型泵站群水力性能优化设计及高效、稳定运行具有参考价值。

摘要：实现采煤机智能化调高,关键是解决煤岩界面识别问题、截割路径优化问题及采煤机调高控制问题。即使煤岩界面被精确识别,受到实际工作中顶底板的平整性和液压支架的推移滑溜等要求的限制,采煤机滚筒无法完全跟随煤岩界面曲线,因此需要基于煤岩界面识别结果,对起伏变化的煤岩界面曲线进行截割路径优化,得到采煤机调高控制的目标轨迹。滚筒截割路径优化是基于煤岩界面估计曲线,在采煤工艺、煤质要求和设备的适应能力等限制条件的约束下,得到使回采最大化的平滑轨迹。针对上述采煤机截割路径约束优化问题,提出一种基于B样条曲线拟合和蜉蝣算法的采煤机截割路径约束优化方法。为了提高截割路径优化效果和降低计算复杂度,以B样条曲线节点系数作为设计变量,构建一种新型截割路径优化目标函数;考虑采煤机截割工艺、煤质要求等限制,使用多段赋值罚函数法处理约束,根据约束的不满足程度动态改变罚函数系数值,避免优化陷入局部最值和约束不能起到实际作用;为了进一步提高优化效果和收敛速度,使用修正蜉蝣算法寻找最优截割路径。最后,考虑实际煤岩界面中褶皱、陷落柱、断层等典型地质构造,进行仿真研究,结果表明,所提方法能在满足实际约束下快速得到平滑的截割优化路径,实时性好、适用性高。