《工矿自动化》青年专家委员学术专栏_中国煤炭行业知识服务平台

《工矿自动化》青年专家委员学术专栏

来源：工矿自动化

《工矿自动化》创刊于1973年。刊登范围包括：煤矿安全监测监控技术，煤矿智能开采技术，煤矿机械自动化控制技术，煤矿机电设备状态监测与控制技术，煤矿电力驱动与控制技术，煤矿通信技术，煤矿抢险救灾装备与技术，矿用仪器仪表技术，矿用产品防爆技术，煤矿供配电技术，煤矿信息化技术，智能矿山与物联网技术等。

行业视野: 智能化
类别; 28个
关键词; 23位
专家; 4篇
论文; 560IP
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基于VO2的超表面双气体传感器设计

作者(Author)：刘海, 万寅辉, 陈聪, 高鹏, 戴耀威, 赵佳明, 王馨艳, 路祥宇, 赵思怡

摘要：针对传统矿用气体传感器易受温度和环境湿度等因素的影响而导致稳定性不高的问题，基于局域表面等离子共振原理和二氧化钒(VO2)的相变特性，设计了一种基于VO2的超表面双气体传感器。该传感器结构由上下三层组成，表面由多层金属-介电-金属(MDM)结构组成。根据VO2的相变特点，通过改变施加的偏置电压，以电阻加热的形式加热金属板，精细控制VO2的温度，通过改变VO2的电导率来模拟VO2的不同状态。当VO2呈高温金属态时，上三层形成MDM结构，VO2表现出金属性质，并在1 721.3 nm激发局域表面等离子体共振(LSPR)，实现甲烷检测，传感器的吸收率为94.3%，甲烷灵敏度为4.21 nm/%。当VO2呈低温绝缘态时，下三层形成MDM结构，在2 694.6 nm激发LSPR，实现氢气检测，传感器的吸收率为95.9%，氢气灵敏度为2.10 nm/%。当环境折射率发生变化时，VO2在2种状态下的吸收峰均发生了红移，且呈线性关系，可以用来检测环境折射率的变化。为验证该传感器的可行性，对6种不同体积分数的甲烷、氢气和4种不同的环境折射率进行了仿真和分析，结果表明：基于VO2的超表面双气体传感器可有效检测出较低浓度的甲烷和氢气，且灵敏度较现有的气体传感器有较大提升；谐振峰偏移量与环境折射率变化量和甲烷体积分数变化量的计算值和理论值误差很小，说明该传感器具有很高的准确性；通过分析环境折射率和谐振波长的关系，得出该传感器对环境折射率的变化同样具有较高的检测灵敏度。

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工矿自动化

2023年第01期

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基于数据填补的煤自燃温度预测模型

作者(Author)：翟小伟, 罗金雷, 张羽琛, 宋波波, 郝乐, 周妤婕

摘要：现有煤自燃温度预测模型的建立大多基于较为完整的指标气体样本数据，但指标气体数据受仪器或人为因素影响，往往存在数据缺失现象，导致煤自燃温度预测准确率较低和过拟合等问题。针对上述问题，提出了将K近邻算法(KNN)、随机森林(RF)、决策树(DT)及基于粒子群优化的支持向量回归等填补算法(PSO-SVR)应用于缺失值填补，缺失数据和填补后的数据通过RF、SVR和极限梯度提升树(XGBoost)算法分别进行训练，并通过PSO算法优化参数，构建了基于数据填补的RF、XGBoost和SVR煤自燃温度预测模型。利用煤自然发火实验选取CO,CO2,CH4,C2H6,O2作为指标气体，并设计整体缺失率为10%,20%,30%和CO,CO2缺失率为40%,50%,60%共6种随机数据缺失，采用平均绝对误差百分比(MAPE)作为填补效果评价指标，采用MAPE、判断系数R2和均方根误差(RMSE)作为模型性能评价指标，对4种填补算法和3种预测模型进行对比。对比分析结果表明：在6种数据缺失情况下，DT填补算法填补效果优于其他3种算法，在CO,CO2存在较多缺失值时，RF算法的填补值与实际值的MAPE偏大；在不调参的情况下，XGBoost模型虽然在训练集效果极好，但极易过拟合，而SVR模型预测效果极差，无法满足预测要求；在6种数据缺失情况下，基于DT填补算法的PSO-SVR、RF与PSO-RF煤自燃温度预测模型的MAPE均在4%左右，基于DT填补算法的RF模型无需优化就能较好地预测出煤自燃温度，具有良好的稳定性。

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2023年第01期

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工作面采动破坏过程电阻率动态响应特征研究

作者(Author)：鲁晶津

摘要：矿井电阻率法在采煤工作面水害隐患监测中发挥着重要作用，但工作面采动破坏过程的异常响应会对底板水害隐患的识别形成较大干扰。为了提高矿井电阻率法对采煤工作面底板水害隐患监测的解释精度，同步考虑覆岩破坏和底板破坏的影响，建立工作面采动破坏过程动态地电模型，通过矿井电阻率法三维数值模拟和反演成像，分别进行顶板监测和底板监测，分析采动破坏过程的电阻率动态响应特征，识别和提取底板水害隐患的电阻率响应特征。分析结果表明：采动破坏过程形成的电阻率异常区随回采工作面推进向前移动，在超前支撑压力的作用范围内会出现相对低阻异常，在采空区范围内会出现相对高阻异常；工作面固定位置的电阻率响应在回采过程中会经历先降低、后升高、再降低的过程，该过程与工作面回采过程中顶底板经历的周期性应力变化和破坏过程基本一致；底板水害隐患的低阻异常响应强度与其相对回采工作面的位置有关，当底板水害隐患的展布范围与采空区范围有所重合时，采空区的高阻异常响应会削弱底板水害隐患的低阻异常响应；当底板水害隐患的展布范围与超前支撑压力影响区范围有所重合时，二者的低阻异常响应会叠加在一起，使低阻异常响应得到一定幅度的增强；针对底板水害隐患进行纯异常提取后，可以消除采动破坏过程的影响，不同位置的底板水害隐患其纯异常响应强度基本一致，其垂向影响范围均大于采动破坏的垂向影响范围。

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工矿自动化

2023年第01期

137

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基于介电响应法的矿用电缆绝缘性能评估方法研究

作者(Author)：雷志鹏, 李蔚, 何庆辉, 门汝佳, 王业, 刘洋, 吝伶艳

摘要：矿用高压电缆在实际使用中易受电、热、机械应力等多种因素的复合作用，加速绝缘老化，易导致电缆漏电、短路或放电等故障。目前，介电响应法被引入矿用电缆绝缘性能及老化状态的分析、评估和诊断中。针对基于介电响应法的电缆绝缘性能及老化状态评估问题，以常用的三元乙丙橡胶（EPDM）绝缘矿用移动软电缆为研究对象，总结了介电响应法中回复电压法、极化/去极化电流法和频域介电谱法的基本原理和典型特征量，对比了3种方法的优缺点。介绍了扩展Debye模型提取的老化因子、修正介电驰豫模型提取的弛豫特征量、介质损耗积分谱等基于介电响应模型的电缆绝缘性能评估特征量。从基于回复电压法和极化/去极化电流法的矿用电缆电痕腐蚀程度判别，以及基于极化/去极化电流法和等温松弛电流、基于介电驰豫模型、基于介质损耗积分值的EPDM绝缘多应力老化状态评估等方面，综述了介电响应法在矿用电缆绝缘性能评估中的应用研究。针对基于介电响应法的矿用电缆绝缘性能评估存在的在线监测技术无法适应煤矿工况、评估用数据不足、绝缘劣化程度与特征量关系未知等问题，提出应重点研究电缆绝缘状态感知、绝缘劣化程度与特征量关系构建这2项关键技术。

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工矿自动化

2023年第01期

146

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