一種基于聲音的煤巖界面識別裝置及識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種煤巖界面的識別裝置及識別方法，具體涉及一種基于聲音的煤巖 界面識別裝置及方法，屬于煤巖界面識別技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著綜合機械化采煤工藝的不斷發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出"無人化"或"少人化" 采煤工作面的構(gòu)想。采煤機作為綜采工作面"三機"配套中的重要設(shè)備，主要完成采煤和落 煤的任務(wù)。在"無人化"或"少人化"的采煤工作面，必須解決采煤機滾筒適應(yīng)煤層頂?shù)装?起伏而自動調(diào)節(jié)的問題，也就是分辨出煤層與巖石的分界面，并根據(jù)所識別出的煤巖界面 實現(xiàn)滾筒的自動調(diào)高，進而實現(xiàn)采煤機的自動截割。解決該問題的關(guān)鍵在于如何準確判斷 頂?shù)装迕簩雍穸?，即識別煤巖界面。
[0003] 美國專利US20020056809A1提出一種基于天然y射線法的煤巖界面識別裝置及 方法，利用碘化鈉等晶體制成的Y射線探測器接收天然頂?shù)装逅l(fā)出的Y射線，并通過變 送器將其轉(zhuǎn)換為電信號，傳送至識別器，電信號的強度與探測器至頂?shù)装宓木嚯x以及預(yù)留 煤層厚度有關(guān)。然而該方法不適用于頂?shù)装宀缓派湫栽鼗蚍派湫栽睾枯^低的工作 面，以及煤層中夾矸過多的工作面。
[0004] 美國專利US4165460提出一種基于人工Y射線的煤巖界面識別裝置，利用人工Y 射線法射入密度不同的煤巖分界面，從而達到識別煤和巖石的目的。但是人工Y射線具有 放射性，在井下難以管理，因此不能廣泛運用。
[0005] 美國專利US4968098提出一種截齒應(yīng)力傳感器用于煤巖界面識別，根據(jù)采煤機截 割到巖石時，截齒所受到的應(yīng)力與截割煤層時相比將發(fā)生顯著變化而實現(xiàn)煤巖界面的辨 另IJ。然而該方法對截齒以及傳感器的損耗較大，需要人工定時更換傳感器，不適用于"無人 化"或"少人化"的采煤工作面。
[0006] 中國專利CN201010251520. 1提出一種采用高壓水射流的方法實現(xiàn)煤巖界面識 另IJ，利用煤層和巖石硬度的不同，高壓水射流的反射力大小不同，識別煤層和巖石。然而該 方法無法適用于煤、巖硬度比較接近，或者巖石硬度小于煤層硬度的情況。
[0007] 中國專利CN201110377347. 4提出了一種基于圖像的煤巖界面識別方法，對多幅 煤、巖的彩色圖像進行特征提取，然后利用Fisher分類器進行分類，判斷出煤巖分別界面。 然而井下采集到的圖像會受到粉塵的影響，圖像中含有大量的背景噪聲，影響圖像特征提 取的效果。另外Fisher分類器屬于線性分類器，只能識別訓(xùn)練過程中已有的情況，對于未 出現(xiàn)過的情況不能進行有效預(yù)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于聲音的煤巖界面識別裝置及方法，能夠準 確識別煤巖分界面，以此判斷采煤機的相對截割位置并自動調(diào)整采煤機的動作，使其維持 最大截割效率；減少識別裝置的損耗，降低粉塵的影響，使識別方法更加可靠，適用于各種 地質(zhì)條件，應(yīng)用范圍廣。
[0009] 為了實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案：一種基于聲音的煤巖界面識別裝置，包括 防爆殼體、設(shè)置在防爆殼體內(nèi)的核心處理器、數(shù)據(jù)存儲器、音頻信號接收模塊、信號傳輸模 塊以及本安型電池，防爆殼體外具有麥克風(fēng)，麥克風(fēng)所采集的聲音信號經(jīng)音頻信號接收模 塊輸送至核心處理器，核心處理器與數(shù)據(jù)存儲器相連，核心處理器將音頻信號分析處理后 通過信號傳輸模塊輸送至采煤機機載可編程控制器，采煤機機載可編程控制器與采煤機液 壓系統(tǒng)執(zhí)行單元相連。
[0010] 所述麥克風(fēng)為聲音采集裝置，可以對聲音信號進行采樣和預(yù)處理，將聲音信號轉(zhuǎn) 化為標準電信號；所述信號傳輸模塊是在超微計算機中開發(fā)的基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)接 口，并利用礦用阻燃網(wǎng)線實現(xiàn)與采煤機機載可編程控制器連接；采煤機機載可編程控制器 根據(jù)核心處理器反饋的采煤機截割狀態(tài)，做出相應(yīng)的控制指令，調(diào)整采煤機調(diào)高液壓缸的 伸縮，最終實現(xiàn)搖臂的升降；采煤機機載可編程控制器與地面監(jiān)控系統(tǒng)之間通過井下環(huán)網(wǎng) 相連，將相應(yīng)的狀態(tài)上傳至地面調(diào)度中心，對數(shù)據(jù)進行存檔和實時監(jiān)控。
[0011] 進一步的，所述核心處理器是基于SoC平臺或者Atom平臺的超微計算機。
[0012] 更進一步的，所述核心處理器內(nèi)設(shè)有與采煤機牽引機電機的主電路相連的比較電 路模塊。只有當聲音強度超過最低設(shè)定值時，才視為采煤機開始截割，超微計算機與麥克風(fēng) 開始工作；當聲音強度低于最小設(shè)定值時，認為采煤機當前未截割，關(guān)閉超微計算機，節(jié)約 能耗。優(yōu)選的，本安型電池為充電式鋰電池。這種電池安全環(huán)保，比能量大，續(xù)航能力強；且 使用可充電鋰電池不需要再為超微計算機及麥克風(fēng)鋪設(shè)專門的動力電纜，便于井下安裝。
[0013] 更進一步的，所述麥克風(fēng)為工業(yè)防塵麥克風(fēng)，采樣頻率為44. lkHZ。人耳能聽到的 聲音頻率范圍是20-20kHZ，根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于信號最大頻率的2倍。
[0014] -種基于聲音的煤巖界面識別方法，包括以下步驟：
[0015] 第一步、將煤巖界面識別裝置分別安裝在采煤機前、后搖臂上；
[0016] 第二步、采煤機自動切割之前，預(yù)先采用人工示教的方式進行采煤機的第一刀切 害J，使采煤機的滾筒在不割到頂板巖石的情況下，盡可能的貼合煤巖分界面；
[0017] 第三步、麥克風(fēng)采集聲音信號輸送至核心處理器，核心處理器將目標聲音與背景 噪聲進行分離；
[0018] 第四步、核心處理器采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不同的聲音信號進行分類并存儲在數(shù)據(jù) 存儲器中作為初始訓(xùn)練數(shù)據(jù)；
[0019] 第五步、自動切割開始后按照上述第三步采集實時聲音信號，并將信號輸入具有 認知能力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果獲取當前采煤機截割狀態(tài)；
[0020] 第六步、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果作為控制指令輸送至采煤機機載可編程控制器 中，當神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果表示當前為正常割煤時，采煤機機載可編程控制器控制維持當前 滾筒高度不變；當神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果表示當前為割頂板巖石時，采煤機機載可編程控制器 立即發(fā)出滾筒下調(diào)指令。
[0021] 第三步中聲源分離步驟如下：
[0022] a、對兩個麥克風(fēng)采集的雙通道聲音分別進行加窗快速傅里葉變化FFT，將時域上 的連續(xù)信號變成頻域中的離散信號；
[0023] b、采用聽覺外周模型分別計算兩個音頻的時延差異ITD和強度差異IID ;
[0024] c、以上述時延差異ITD和強度差異IID為依據(jù)，并結(jié)合綜采工作面聲音的其他約 束條件，實現(xiàn)音頻信號的分離。
[0025] 其他約束條件包括聲音的起始時間點、聲音的終止時間點、采煤機的牽引速度、聲 音時間的周期性、頻譜上諧波相關(guān)的峰值。
[0026] 核心處理器中所建設(shè)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱藏層和輸出層；輸入層的節(jié)點 數(shù)根據(jù)約束條件確定，輸出層的節(jié)點數(shù)為1。
[0027] 本發(fā)明通過模擬人的左、右耳進行聲音采集，并利用人耳生理學(xué)上的時頻分解特 性、定位及掩蔽特性對聲音信號進行進一步的處理，然后提取出關(guān)鍵特征，從而辨別出采煤 機當前截割狀態(tài)，進而快速識別煤巖界面；所述的基于聲音的煤巖界面識別裝置與煤巖均 無接觸，極大限度的減少測量裝置的損耗；本裝置及方法避免了粉塵對測量裝置的影響，測 量精度更高；適用于各種地質(zhì)條件，應(yīng)用范圍廣。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明中基于聲音的煤巖界面識別裝置的示意圖；
[0029] 圖2是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
[0030] 圖3是基于聲音的煤巖界面識別方法流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0032] 如圖1所示，一種基于聲音的煤巖界面識別裝置，包括防爆殼體、設(shè)置在防爆殼體 內(nèi)的核心處理器、數(shù)據(jù)存儲器、音頻信號接收模塊、信號傳輸模塊以及本安型電池，防爆殼 體外具有麥克風(fēng)，麥克風(fēng)所采集的聲音信號經(jīng)音頻信號接收模塊輸送至核心處理器，核心 處理器與數(shù)據(jù)存儲器相連，核心處理器將音頻信號分析處理后通過信號傳輸模塊輸送至采 煤機機載可編程控制器，采煤機機載可編程控制器與采煤機液壓系統(tǒng)執(zhí)行單元相連。
[0033] 所述麥克風(fēng)為聲音采集裝置，可以對聲音信號進行采樣和預(yù)處理，將聲音信號轉(zhuǎn) 化為標準電信號；所述信號傳輸模塊是在超微計算機中開發(fā)的基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)接 口，并利用礦用阻燃網(wǎng)線實現(xiàn)與采煤機機載可編程控制器連接；采煤機機載可編程控制器 根據(jù)核心處理器反饋的采煤機截割狀態(tài)，做出相應(yīng)的控制指令，調(diào)整采煤機調(diào)高液壓缸的 伸縮，最終實現(xiàn)搖臂的升降；采煤機機載可編程控制器與地面監(jiān)控系統(tǒng)之間通過井下環(huán)網(wǎng) 相連，將相應(yīng)的狀態(tài)上傳至地面調(diào)度中心，對數(shù)據(jù)進行存檔和實時監(jiān)控。
[0034] 所述核心處理器是基于SoC平臺或者Atom平臺的超微計算機。具體的，所述超微 計算機是基于Quark SoC X1000核心處理器的超微型計算機或者是基于Atom Z3770芯片 的超微計算機，具有豐富的數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)絡(luò)接口，整機能耗不高于1W.
[0035] 所述核心處理器內(nèi)設(shè)有與采煤機牽引機電機的主電路相連的比較電路模塊。只有 當聲音強度超過最低設(shè)定值時，才視為采煤機開始截割，超微計算機與麥克風(fēng)開始工作；當 聲音強度低于最小設(shè)定值時，認為采煤機當前未截割，關(guān)閉超微計算機，節(jié)約能耗。
[0036] 本安型電池為充電式鋰電池。這種電池安全環(huán)保，比能量大，續(xù)航能力強；且使用 可充電鋰電池不需要再為超微計算