基于多傳感器融合的煤流智能測量系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

研發(fā)起止時間：2017年1月～2019年12月

完成單位：大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司

獲獎及評價：國際先進(jìn)

1 立項背景

目前，國內(nèi)煤礦大多數(shù)帶式輸送機(jī)的運行方式還是恒速運行，但是由于不同煤層的開采條件不同，煤礦的開采量是會發(fā)生變化的，也會使輸送機(jī)的運料量隨之變化。如果帶式輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變化不及時會導(dǎo)致輸送機(jī)出現(xiàn)過載、輕載有時還會出現(xiàn)空載情況，導(dǎo)致電機(jī)損耗加重，能源浪費嚴(yán)重。如何準(zhǔn)確的測量出皮帶輸送機(jī)物料的重量，對帶式輸送機(jī)的智能調(diào)速具有重要的指導(dǎo)意義。另外現(xiàn)在使用的普通礦用皮帶負(fù)荷大，環(huán)境惡劣，傳感器受到的震動劇烈，不適用高精密傳感器；其次礦用皮帶現(xiàn)場粉塵大，機(jī)械傳動容易對傳感器造成磁化，傳感器在使用過程中容易出現(xiàn)磁性漂移，使得校準(zhǔn)困難。礦用皮帶測量時，帶速與帶強(qiáng)均遠(yuǎn)大于其他應(yīng)用場合，測量誤差普遍在10%以上。皮帶校準(zhǔn)工作量大，通常每年校準(zhǔn)次數(shù)均在20次以上。

本項目將固態(tài)激光雷達(dá)、電子秤、電量表等多種傳感器進(jìn)行深度融合，利用人工智能算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，開發(fā)了一套多傳感器融合的煤流智能測量系統(tǒng)，可精準(zhǔn)實現(xiàn)物料的瞬時體積，重量，密度，含矸率的計算，為煤礦帶式輸送機(jī)和刮板輸送機(jī)的智能調(diào)速提供數(shù)據(jù)支撐。

2 研究內(nèi)容

（1）固態(tài)激光雷達(dá)的瞬時煤流體積測量方法研究與開發(fā)

本項目基于激光雷達(dá)的掃描原理（圖1），采用非接觸式固態(tài)二維激光雷達(dá)，對皮帶上的煤流進(jìn)行不間斷掃描，利用空載截面積減去有料截面積，得到物料面積，再與時間積分得到物料的體積，由此可以計算出煤流量，再用所計算的體積乘以煤流的密度可以得到煤流的重量。該測量方法具有非接觸式測量，故障率低，測量準(zhǔn)確穩(wěn)定等優(yōu)點。

圖1激光掃描儀的掃描系統(tǒng)原理

（2）多傳感器融合融合技術(shù)的研究

基于多傳感器融合算法基本思路，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LSTM 算法將固態(tài)激光雷達(dá)、電子秤、電量表等多路數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合。

（3）基于多傳感器融合的煤巖識別技術(shù)的研究

首先通過使用激光雷達(dá)利用機(jī)器學(xué)習(xí)中的邏輯回歸算法進(jìn)行對皮帶空載的判別。通過使用邏輯回歸算法，得到的空載識別模型，其訓(xùn)練精度可達(dá)99.96%，預(yù)測精度在99.50%以上。通過剔除每秒中激光雷達(dá)空載幀數(shù)，計算出有物料幀數(shù)的體積，利用對應(yīng)時刻的重量，除以相應(yīng)的體積，可得此時刻所經(jīng)過皮帶秤的原煤瞬時密度，從而計算出此時刻的原煤瞬時含矸率,通過工業(yè)性試驗測試含矸率精度可達(dá)90%以上（圖2）。

圖2 激光雷達(dá)電子皮帶秤實施現(xiàn)場

（4）基于多傳感器融合的精確過煤量研究與開發(fā)

項目通過在皮帶秤上加裝電子秤、固態(tài)激光雷達(dá)、電量表，對多個傳感器進(jìn)行系統(tǒng)融合，將傳感器輸出與實際值建立數(shù)據(jù)標(biāo)定，然后對多傳感器數(shù)據(jù)值進(jìn)行標(biāo)定，并訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)LSTM 模型，根據(jù)訓(xùn)練好的模型，對外輸出整機(jī)過煤量及瞬時過煤量（圖3）。

圖3 洗煤廠工業(yè)性試驗

（5）基于多傳感器融合的煤流智能測量系統(tǒng)的研發(fā)

本項目為了實現(xiàn)多種傳感器融合，開發(fā)了一套多傳感器融合的煤流智能測量軟件，可以實時準(zhǔn)確的輸出瞬時煤量體積、累計煤量體積、瞬時重量、累計重量、速度、瞬時含矸率等的數(shù)據(jù)顯示，使用戶更加直觀的監(jiān)測煤量。開發(fā)的FPGA+DSP 的硬件架構(gòu)，支持了電子秤、激光雷達(dá)、電量表等各傳感器數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了并行處理，無線通信等功能。

3 創(chuàng)新點

（1）開發(fā)了以激光雷達(dá)為核心的多傳感器信息融合帶式輸送機(jī)稱重系統(tǒng)，實現(xiàn)了煤流測量的自動化、準(zhǔn)確性。

（2）提出了基于LSTM的單傳感器、多傳感器融合的傳感器精度提升算法，有效提升了傳感器的測量精度。

（3）研發(fā)了基于帶式輸送機(jī)整機(jī)載重量、流入、流出重量的測量方法，提高了測量精度，可實現(xiàn)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)速。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：

周累計精度98.99%，月累計精度97.90%，體積輸出精度96.30%，含矸率精度93.5%。

5 研究成果及應(yīng)用效果

本項目獲授權(quán)計算機(jī)軟件著作權(quán)6 項，實用新型專利權(quán)1項。經(jīng)中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織專家對本項目進(jìn)行科技成果鑒定，成果達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

本項目開發(fā)的多傳感器融合的煤流智能測量系統(tǒng)已在塔山礦、同忻礦等十多個煤礦得到應(yīng)用，實現(xiàn)了煤流系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)速，有效降低了由于壓煤而產(chǎn)生的非計劃停產(chǎn)事故，達(dá)到生產(chǎn)效率最大化和節(jié)能降耗的目的。同時，含矸率的精準(zhǔn)測定，為智能綜放開采智能化放煤提供了技術(shù)支撐。