基于正負(fù)相位和奇異點(diǎn)偶識(shí)別規(guī)則的煤矸識(shí)別技術(shù)對(duì)比研究①

李旭 顧濤

(1.華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.華北科技學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京東燕郊 101601)

基于正負(fù)相位和奇異點(diǎn)偶識(shí)別規(guī)則的煤矸識(shí)別技術(shù)對(duì)比研究①

李旭1②顧濤2

(1.華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.華北科技學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京東燕郊 101601)

采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)煤和矸石撞擊刮板運(yùn)輸機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理，可以完成煤矸實(shí)時(shí)識(shí)別，即時(shí)做出對(duì)液壓支架的控制。文章對(duì)所采集到的放煤階段產(chǎn)生的5組振動(dòng)信號(hào)，分別采用時(shí)域一階差分分析和小波域內(nèi)模系數(shù)極大法分析。在時(shí)域內(nèi)定義了振動(dòng)信號(hào)的正負(fù)相位概念，在小波域內(nèi)定義了正向、負(fù)向奇異點(diǎn)偶概念。由所定義的正負(fù)相位和奇異點(diǎn)偶概念分別導(dǎo)出煤和矸石識(shí)別規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的煤矸自動(dòng)識(shí)別操作。從可靠性和算法的高效性看，正負(fù)相位法識(shí)別規(guī)則優(yōu)于奇異點(diǎn)偶法識(shí)別規(guī)則。從深層數(shù)據(jù)規(guī)律看，奇異點(diǎn)偶法識(shí)別規(guī)則優(yōu)于正負(fù)相位法識(shí)別規(guī)則。

煤矸振動(dòng)信號(hào);小波變換;一階前向差分;奇異點(diǎn)偶;正負(fù)相位;識(shí)別規(guī)則

0 引言

中國(guó)作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，煤炭安全生產(chǎn)一直備受社會(huì)輿論關(guān)注。其中基于厚煤層開采的綜采放頂煤開采技術(shù)中的放煤階段到目前為止，國(guó)內(nèi)外依然沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化放煤。這個(gè)環(huán)節(jié)仍然依靠采煤工人耳聽、目視的原始方法來進(jìn)行液壓支架的控制。盡管這個(gè)放煤環(huán)節(jié)一般持續(xù)不到1分鐘(少數(shù)也許更長(zhǎng))的時(shí)間，但卻決定著煤的回采率和整個(gè)開采過程的自動(dòng)化程度。采煤機(jī)一般會(huì)采到3m左右的高度，更高處的煤完全依靠重力作用自由下落完成開采。自由下落的放頂煤一般分為三層，即煤層、煤矸混合層、巖石層。因此，放煤過程基本上可以分為三個(gè)階段：第一階段放下的是煤，第二階段放下的是煤和矸石的混合物，最后階段放下的是石頭。當(dāng)放出大量石頭少量煤時(shí)，則說明所開采的煤層基本被開采完畢，應(yīng)該將支架支起。工人所做的工作就是在放煤過程的第二階段到第三階段找個(gè)合適的時(shí)刻點(diǎn)停止放煤。事實(shí)是工人由于各方面原因，一般會(huì)在第一個(gè)階段就停止放煤，有責(zé)任心的工人會(huì)考慮在第二到第三階段停止放煤，但也不能保證就在合適的時(shí)刻點(diǎn)停止放煤，故而整個(gè)煤的回采率并不能得到有效保證。另外工人要一個(gè)支架一個(gè)支架逐個(gè)去控制放煤過程，在整個(gè)放頂煤工作階段，這對(duì)于一個(gè)近200個(gè)支架的工作面來說工作效率和自動(dòng)化程度又是很低的。因此，基于放煤過程中的動(dòng)態(tài)煤矸識(shí)別技術(shù)是解決液壓支架自動(dòng)控制、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化放煤的關(guān)鍵技術(shù)，也是目前放煤技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題之一［1－6］。

前期研究經(jīng)驗(yàn)［1－4］表明，對(duì)煤和矸石撞擊刮板運(yùn)輸機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)放煤過程自動(dòng)化控制是比較可行的，可以避免工作面強(qiáng)噪音干擾的情況，即使是矸石滾落下來，這種振動(dòng)也可以在一定小范圍內(nèi)檢測(cè)出來。以目前傳感器技術(shù)水平，可以很容易將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集出來，通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)處理完成煤和矸石的實(shí)時(shí)識(shí)別。本文基于前期研究成果［1－4］基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了動(dòng)態(tài)煤矸振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和小波域特征，提出正負(fù)相位和奇異點(diǎn)偶概念并設(shè)計(jì)了各自的識(shí)別方案，比較了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為實(shí)際生產(chǎn)提供了重要經(jīng)驗(yàn)。

1 煤矸振動(dòng)信號(hào)兩種識(shí)別規(guī)則

1.1 時(shí)域相位與識(shí)別規(guī)則

定義放煤過程中的煤和矸石產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)f(t)的正相位為：如果f(t)在0值附近振動(dòng)，突然向正方向突變振動(dòng)，如圖1a所示。

f(t)負(fù)相位定義為：如果f(t)在0值附近振動(dòng)，突然向負(fù)方向突變振動(dòng)。如圖1b所示。

對(duì)于煤矸振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過大量分析研究后，我們得到如下時(shí)域內(nèi)煤和矸石的識(shí)別規(guī)則：f(t)相位只具有正相位和負(fù)相位兩種狀態(tài)，正相位代表煤振動(dòng)信號(hào)，負(fù)相位代表矸石振動(dòng)信號(hào)。

從宏觀觀察看，放煤過程中應(yīng)該有引言中的三個(gè)階段。經(jīng)過對(duì)大量振動(dòng)信號(hào)分析后，我們發(fā)現(xiàn)在1秒的抽樣時(shí)間間隔中，煤與矸石的混合物的信號(hào)特征依然只表現(xiàn)為正相位或負(fù)相位狀態(tài)，也就是說宏觀上的混合物在較小時(shí)間間隔中，依然得到了不同物質(zhì)特征的區(qū)別。在小波域內(nèi)也有類似的結(jié)論。

1.2 小波域奇異性與識(shí)別規(guī)則

在小波域內(nèi)用振動(dòng)信號(hào)奇異性特征識(shí)別煤和矸石，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)f(t)進(jìn)行小波變換，然后尋找使得其小波系數(shù)模極大在細(xì)尺度下收斂的橫坐標(biāo)點(diǎn)來檢測(cè)信號(hào)的奇異性。

振動(dòng)信號(hào)f(t)奇異性特征主要在d1層細(xì)節(jié)信號(hào)中定義。定義f(t)正向奇異點(diǎn)偶為：在d1層中，最大小波模系數(shù)模大于最小小波模系數(shù)模，且最大最小小波模系數(shù)橫坐標(biāo)相鄰，如圖2a。

f(t)負(fù)向奇異點(diǎn)偶定義為：最大小波模系數(shù)模小于最小小波模系數(shù)模，且最大最小小波模系數(shù)橫坐標(biāo)相鄰，如圖2b。

正負(fù)奇異點(diǎn)偶定義是針對(duì)一次采樣信號(hào)的小波模系數(shù)全局最大最小值而言的，對(duì)于局部極大值不定義。

圖1 振動(dòng)信號(hào)正相位、負(fù)相位圖

圖2 f(t)奇異點(diǎn)偶類型

F(t)小波域內(nèi)煤和矸石識(shí)別規(guī)則：在f(t)的d1細(xì)節(jié)層中，奇異點(diǎn)偶處最大小波模系數(shù)與最小小波模系數(shù)橫坐標(biāo)相鄰。正向奇異點(diǎn)偶代表矸石振動(dòng)信號(hào)，負(fù)向奇異點(diǎn)偶代表煤振動(dòng)信號(hào)。

2 兩種識(shí)別規(guī)則時(shí)效性對(duì)比

時(shí)域中的正負(fù)相位法主要采用一階前向差分公式計(jì)算完成。小波域中的奇異點(diǎn)偶法主要采用正交離散小波變換［7－10］方法，在d1細(xì)節(jié)層中搜索模系數(shù)最大最小值以及判斷其橫坐標(biāo)是否相鄰?fù)瓿伞?/p>

設(shè)振動(dòng)信號(hào)采樣點(diǎn)為N，將兩種方法求取最大值、最小值次數(shù)考慮在內(nèi)，針對(duì)一階前向差分公式(1)和小波分解公式(2)、小波綜合公式(3)，表1比較了兩個(gè)算法的時(shí)效性。

由于在小波模系數(shù)極大求取過程中，最大模系數(shù)與最小模系數(shù)橫坐標(biāo)相鄰，故循環(huán)次數(shù)減小到3* (N－1)次。表1表明，正負(fù)相位法時(shí)效性好于奇異點(diǎn)偶法，在實(shí)時(shí)性要求快的煤矸識(shí)別系統(tǒng)中，在保證其它指標(biāo)滿足的前提下，首選正負(fù)相位法。

表1 算法時(shí)效性比較

3 兩種識(shí)別規(guī)則可靠性對(duì)比

分別用兩種識(shí)別規(guī)則進(jìn)行工業(yè)性煤和矸石識(shí)別實(shí)驗(yàn)，振動(dòng)傳感器采樣頻率設(shè)為250kHz，煤和矸石下落高度不定。表2表示出兩種算法的可靠性。

表2 算法可靠性對(duì)比

表2表明，正負(fù)相位法可靠性優(yōu)于奇異點(diǎn)偶法，研究原始信號(hào)后，發(fā)現(xiàn)這種差異是由于采樣數(shù)據(jù)在正半周有削頂所導(dǎo)致的。要提高兩者識(shí)別的可靠性，需要通過提高硬件的性能來解決。在信號(hào)有失真的情況下，首選正負(fù)相位法，可以一定程度上克服信號(hào)失真所帶來的誤判。

4 兩種識(shí)別規(guī)則數(shù)據(jù)規(guī)律對(duì)比

4.1 正負(fù)相位數(shù)據(jù)規(guī)律

對(duì)采集到的五組有明確對(duì)應(yīng)下落物質(zhì)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行一階差分最大值、最小值分析，表3明確反映出了f(t)的正負(fù)相位和突變點(diǎn)。

表3 煤矸振動(dòng)信號(hào)一階差分最大值、最小值

表3中數(shù)據(jù)規(guī)律是：MaxΔf(k)＞|MinΔf(k) |，代表振動(dòng)信號(hào)正相位，識(shí)別結(jié)果為煤;MaxΔf (k)＜|MinΔf(k)|，代表振動(dòng)信號(hào)負(fù)相位，識(shí)別結(jié)果為矸石。

4.2 奇異點(diǎn)偶數(shù)據(jù)規(guī)律

采用公式(2)和公式(3)構(gòu)造同樣五組振動(dòng)信號(hào)的d1層細(xì)節(jié)系數(shù)，得到表4，表4也明確的表示出了f(t)的模系數(shù)極大性質(zhì)以及所代表的下落物質(zhì)含義。

表4中數(shù)據(jù)規(guī)律是：MaxV＜|MinV|，代表負(fù)向奇異點(diǎn)偶，識(shí)別結(jié)果為煤;MaxV＞|MinV|，代表正向奇異點(diǎn)偶，識(shí)別結(jié)果為矸石。

表4 煤矸振動(dòng)信號(hào)d1層細(xì)節(jié)模系數(shù)最大值、最小值

對(duì)比表3和表4中數(shù)據(jù)規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)正負(fù)相位識(shí)別規(guī)則和奇異點(diǎn)偶識(shí)別規(guī)則的極性正好相反。這是由各自不同的數(shù)學(xué)處理過程決定的。另外，表4中最大值與最小值的模第一次衰減在0.323左右，這種衰減幾乎與下落物質(zhì)無關(guān)，是一種更為本質(zhì)的數(shù)據(jù)關(guān)系。在恢復(fù)信號(hào)或估計(jì)最大最小模系數(shù)值時(shí)，可用之做預(yù)測(cè)。而表3中則無類似的衰減規(guī)律存在。

5 結(jié)論

采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)煤和矸石撞擊刮板運(yùn)輸機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理，可以完成煤矸實(shí)時(shí)識(shí)別，實(shí)時(shí)做出對(duì)液壓支架的控制。采用振動(dòng)信號(hào)時(shí)域特征進(jìn)行一階差分正負(fù)相位法分析，計(jì)算復(fù)雜度小，算法效率高，在采集信號(hào)質(zhì)量不高的情況下，識(shí)別率高于小波域奇異點(diǎn)偶法。對(duì)于振動(dòng)數(shù)據(jù)的深層次規(guī)律分析，小波域奇異點(diǎn)偶法要優(yōu)于時(shí)域一階差分正負(fù)相位法。文中對(duì)比了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)規(guī)律，為放煤過程的自動(dòng)化控制提供了重要經(jīng)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)相關(guān)煤矸識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮系統(tǒng)性能指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求，從而設(shè)計(jì)出抗干擾能力強(qiáng)、識(shí)別率高的系統(tǒng)，提高放煤生產(chǎn)效率和煤的回采率。

［1］GUTao，LIXu．New Equipment of Distinguishing Rock from Coal Based on Statistical Analysis of Fast Fourier Transform.Global Congress on Intelligent Systems，2009

［2］LIXu，GUTao．New Technique of Distinguishing Rock from Coal Based on Statistical Analysis of Wavelet Transform.Proc.SPIE 2009.Vol.7343

［3］李旭，顧濤.煤矸振動(dòng)信號(hào)小波奇異性－Fisher判別規(guī)則研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011(05)：1800－1803

［4］李旭，顧濤.基于差分－小波變換模系數(shù)極大法的煤矸振動(dòng)信號(hào)研究［J］.煤礦開采，2011，32(05)：120－123

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Conclusions compared using Singularity－point Couple JR and Positive－negative Phase JR for distinguishing rock from coal

LI Xu，GU Tao

(1.Department of Mechanics and Electronics Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601;2.Department of Computer Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

Using digital signal processing technology to process the vibration signals of coal and stone bumping the conveyer，we can control the hydraulic support instantly according to the identification results of real－time distinguishing rock from coal.In this paper，five groups of vibration signals sampled with the speed 250k samples/sec during caving are analyzed by the wavelet transform modulus－maxima method and the first order forward difference(FOFD)method respectively.We define the concept of Singularity－point Couple in wavelet domain and the concept of Positive－negative Phase in time domain based upon the characteristics of vibration signals in different analyzed domain.Based upon the concept of Singularity－point Couple and Positive－negative Phase，the Judgement Rule(JR)for distinguishing rock from coal is proposed individually in two domain to identify rock from coal automatically.From the efficiency and reliability of JR，the Positive－negative Phase JR is superior to the Singularitypoint Couple JR.From the perspective laws of the analyzed data，the Singularity－point Couple JR is better than the Positivenegative Phase JR.

Coal－Stone Vibration signal;wavelet transform;FOFD;Singularity－point Couple;Positive－negative Phase; Judgement Rule

TP391

A

1672－7169(2012)01－0021－04

2012－01－03。基金項(xiàng)目：河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)07213567)。

李旭(1975－)，女，甘肅秦安人，博士，華北科技學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授，主要研究領(lǐng)域：非線性光學(xué)、信號(hào)與信息處理。