本发明一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法及识别装置涉及一种能够减少掘进机截割头损坏的截割面煤岩识别方法及识别装置，属于截割面煤岩识别，特别涉及一种通过超声识别系统自动识别并区分煤层和岩石，通过高强度阻尼器和高强度阻尼弹簧控制掘进机截割头的进深距离，能够减少掘进机截割头损坏的截割面煤岩识别方法及识别装置。
背景技术：
1、在采煤掘进过程中，使用掘进机进行作业时，准确识别截割面上的煤层和岩石对于提高采煤效率、保护掘进机截割头以及安全生产至关重要。目前主要通过工作人员人工判断或简单的物理检测手段来识别截割面上的煤层和岩石，容易出现误判，导致掘进机在采煤时遇到坚硬岩石进深过大，造成掘进机截割头的损坏，容易引发安全事故。
2、公开号cn107575226b公开了一种煤岩硬度等级在线识别截割头及使用方法，所述煤岩硬度等级在线识别截割头包括滚筒、排布在滚筒外表面的多个截齿组件以及固定在滚筒内腔的无线发射器；每个截齿组件均包括截齿、截齿座、压力传感器、声发射装置和压电盒，截齿安装在截齿座的截齿安装孔内，压力传感器也安装在截齿安装孔内且与截齿末端紧密接触，截齿座还设有第一安装位和第二安装位。上述方法是将压力传感器、声发射装置和压电盒都安装在截齿座上，上述方法虽然在截割过程中能够实时识别出被截割的煤岩所处的硬度等级，但是需要人工根据实时检测出的煤岩硬度等级对采煤机的截割参数进行及时调整，不能根据识别的煤岩硬度等级通过高强度的回弹机构控制截齿组件的进深距离，容易导致采煤机在采煤时遇到坚硬岩石进深过大，造成截齿的损坏，引发安全事故。
技术实现思路
1、为了改善上述情况，本发明一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法及识别装置提供了一种通过超声识别系统自动识别并区分煤层和岩石，通过高强度阻尼器和高强度阻尼弹簧控制掘进机截割头的进深距离，能够减少掘进机截割头损坏的截割面煤岩识别方法及识别装置。
2、本发明一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法及识别装置是这样实现的：本发明一种基于硬度特性的截割面煤岩识别装置由掘进机截割头、行星柱、识别底座、旋转摇臂、行星槽、截割头安装柱、高强度阻尼器以及高强度弹簧组成，
3、识别底座的一端置于旋转摇臂上，
4、优选的，所述识别底座为圆柱形结构，所述识别底座的直径大于所述旋转摇臂的直径，
5、所述识别底座的另一端开有行星槽，
6、高强度阻尼器的一端置于所述行星槽的内底面，
7、优选的，所述高强度阻尼器有多个，多个所述高强度阻尼器均匀分布在所述行星槽内，
8、所述高强度阻尼器的侧面套置有高强度弹簧，所述行星柱插置于行星槽内且和高强度阻尼器相连接，
9、所述高强度阻尼器的另一端置于行星柱的一端，
10、截割头安装柱的一端置于所述行星柱的另一端，
11、优选的，所述截割头安装柱为圆柱形结构，所述截割头安装柱的直径小于所述行星柱的直径，
12、截割头安装柱的另一端置于掘进机截割头的底面，
13、优选的，所述掘进机截割头的底面直径大于所述行星柱的外径，
14、所述一种基于硬度特性的截割面煤岩识别装置还包括一个超声识别系统，所述超声识别系统包括监测后台、超声波发射模块、超声波接收模块、信号处理模块和数据分析模块，
15、所述超声波发射模块置于所述识别底座上，所述超声波接收模块置于所述识别底座上，所述信号处理模块和所述数据分析模块置于所述监测后台上，
16、所述超声波接收模块和所述信号处理模块建立信号交互，
17、所述信号处理模块和所述数据分析模块建立信号交互，
18、所述超声波发射模块：用于根据预设的频率和振幅参数产生高频超声波信号，并通过超声波发射器将高频超声波信号传输至截割面，
19、所述超声波接收模块：用于通过超声波接收器接收从截割面反射回来的高频超声波信号，并将接收到的高频超声波信号传输给所述信号处理模块，
20、优选的，所述超声波接收模块包括多个超声波接收器，多个所述超声波接收器均匀地置于所述识别底座上，
21、所述信号处理模块：用于对接收到的高频超声波信号进行放大、滤波和数字化处理，提取出有用的特征信息，并将处理好的高频超声波信号传输给所述数据分析模块，
22、优选的，所述特征信息可以是接收到的高频超声波信号的时域特征、频域特征、能量特征、波形参数或者是峰谷参数，
23、所述数据分析模块：用于采用先进的数据处理算法分析处理后的高频超声波信号数据，实现煤层和岩石的区分，并生成煤岩分布图谱，为工作人员分析煤矿质量提供依据，
24、优选的，所述数据分析模块还可以包括用户界面，所述用户界面用于直观地显示煤岩分布图谱和相关的统计数据，
25、优选的，所述数据分析模块可以采用机器学习或模式识别技术对处理后的高频超声波信号数据进行分析；
26、进一步的，所述一种基于硬度特性的截割面煤岩识别装置还包括一个距离感知系统，所述距离感知系统包括距离传感器、信号转换器、数据处理器和控制器，
27、所述距离传感器置于所述行星槽的内底面，当所述掘进机截割头进行采煤作业时，所述行星柱会随着所述高强度阻尼器和所述高强度弹簧的伸缩进行移动，所述距离传感器能够采集所述行星柱到所述行星槽内底面的距离，
28、优选的，所述距离传感器置于所述行星槽的内底面中部，
29、所述信号转换器置于所述行星槽的内底面，所述数据处理器置于所述行星槽的内底面，
30、所述信号转换器通过数据传输线和所述数据处理器相连接，
31、所述数据处理器通过数据传输线和所述控制器相连接，
32、所述掘进机截割头通过数据线和所述控制器相连接，
33、所述控制器和掘进机控制系统建立信号交互，
34、所述信号转换器能够将所述距离传感器采集到的距离数据的电信号转化为数字信号，
35、所处控制器可以被一个或至少两个应用专用集成电路(asic)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子组件实现，用于执行数据处理装置的指令，
36、所述数据处理器和所述信号转换器进行信息交互，所述数据处理器内存储有计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质被执行时实现以下步骤：
37、对接收到的所述距离传感器采集的距离数据的数字信号分别进行处理，通过预设的距离数据和截割深度之间的正向函数，测算煤层和岩石的截割深度差，通过预设的距离数据和截割时间之间的反向函数，确定岩石层的截割时间，给所述控制器发送执行指令，所述控制器控制所述掘进机截割头根据确定的所述岩石层的截割时间对岩石层进行掘进截割，当截割时间等于确定的岩石层截割时间时，所述控制器控制所述掘进机截割头停止工作，能够确保截割面的平整；
38、进一步的，所述识别底座的侧面开有密封性检测孔，所述识别底座的侧面置有螺纹密封塞，所述螺纹密封塞内嵌于所述密封性检测孔内；
39、本发明一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，其特征在于：利用种基于硬度特性的截割面煤岩识别装置进行煤岩识别，包括以下几个步骤：
40、在开始采煤之前，超声波发射模块根据预设的频率和振幅参数产生高频超声波信号，并将高频超声波信号通过超声波发射器传输至截割面；
41、超声波接收模块接收从截割面反射回来的高频超声波信号，并将接收到的超声波信号传输给信号处理模块；
42、信号处理模块对接收到的高频超声波信号进行放大、滤波和数字化处理，提取出有用的特征信息，并将处理好的高频超声波信号传输给数据分析模块；
43、数据分析模块采用先进的数据处理算法分析处理后的高频超声波信号数据，实现煤层和岩石的区分，并生成煤岩分布图谱，为工作人员分析煤矿质量提供依据；
44、掘进机根据数据分析模块区分的煤层和岩石，通过高强度阻尼器和高强度阻尼弹簧控制掘进机截割头的进深距离，遇到煤层时，煤层较软，在高强度阻尼器和高强度阻尼弹簧的顶撑下，掘进机截割头进深较大，快速割煤，遇到岩石时，岩石硬度大，掘进机截割头进深较小，高强度阻尼器和高强度阻尼弹簧回缩，小进深掘进，能够减少掘进机截割头的损坏，确保截割面的平整。
45、有益效果
46、一、通过超声识别系统能够自动识别并区分煤层和岩石，形成截割面煤岩分布图谱，为工作人员分析煤矿质量提供依据。
47、二、通过高强度阻尼器和高强度阻尼弹簧控制掘进机截割头的进深距离，遇到煤层时，煤层较软，在高强度阻尼器和高强度阻尼弹簧的顶撑下，掘进机截割头进深较大，快速割煤，遇到岩石时，岩石硬度大，高强度阻尼器和高强度阻尼弹簧回缩，掘进机截割头进深较小，能够减少掘进机截割头的损坏，确保截割面的平整。
1.一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，本发明一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，其特征在于：利用种基于硬度特性的截割面煤岩识别装置进行煤岩识别，具体包括以下几个步骤：（1）在开始采煤之前，超声波发射模块根据预设的频率和振幅参数产生高频超声波信号，并将高频超声波信号通过超声波发射器传输至截割面；（2）超声波接收模块接收从截割面反射回来的高频超声波信号，并将接收到的超声波信号传输给信号处理模块；（3）信号处理模块对接收到的高频超声波信号进行放大、滤波和数字化处理，提取出有用的特征信息，并将处理好的高频超声波信号和提取的有用的特征信息传输给数据分析模块；（4）数据分析模块采用先进的数据处理算法分析处理后的高频超声波信号数据，实现煤层和岩石的区分，并生成煤岩分布图谱，为工作人员分析煤矿质量提供依据；（5）掘进机根据数据分析模块区分的煤层和岩石，通过高强度阻尼器和高强度阻尼弹簧控制掘进机截割头的进深距离，遇到煤层时，煤层较软，在高强度阻尼器和高强度阻尼弹簧的顶撑下，掘进机截割头进深较大，快速割煤，遇到岩石时，岩石硬度大，掘进机截割头进深较小，高强度阻尼器和高强度阻尼弹簧回缩，能够减少掘进机截割头的损坏，确保截割面的平整。
2.根据权利要求1所述的一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，其特征在于所述信号处理模块可以对经过数字化处理的高频超声波信号中的时域特征进行提取，包括以下几个步骤：1）分段处理，将处理后的高频超声波信号进行分段，每段包含一定数量的采样点；2）振幅特征提取，计算每段信号的均方根值，以反应信号的振动强度，识别并计算信号的峰值及出现的频率，以反应信号波形的尖锐程度；3）统计特征提取，计算每段信号的平均值，以反应信号的整体水平，衡量信号的波动性，描述信号分布的不对称性和尖峰性，4）时间间隔特征提取，计算相邻的分段之间的时间间隔或者延迟，以反应信号的变化速度；5）频域特征提取：通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，通过分析频域信号的频谱得到信号的频域特征；特征选择，综合提取的各类特征的特征参数，使用方差分析的特征选择算法选取最能区别煤层和岩石的硬度特性的特征信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，其特征在于所述数据分析模块可以采用随机森林算法，针对大量的高频超声波信号数据的样本进行预先训练，通过构建多个决策树建立分类模型，将信号处理模块提取的特征信息输入到建立的分类模型中，得到每个分类模型的识别结果，具体步骤包括：1)打开本地终端窗口，确保已经安装python，在python中使用命令安装numpy库；2)在python中使用命令导入numpy库；3)将收集的大量的高频超声波信号的样本保存在本地终端上，使用numpy库进行加载；4)对收集的大量的高频超声波信号的样本进行进行放大、滤波和数字化处理，在处理好的高频超声波信号中选择对识别结果影响较大的特征信息，构成特征集；5)将处理好的高频超声波信号的样本划分为训练集和测试集，训练集和测试集是独立的，并且训练集足够大，测试集足够小，训练集和测试集的比例可以为7:3或8:2；6)创建随机森林模型，通过构建多个决策树来创建随机森林模型，每个决策树都是使用训练集中的不同训练子集和不同的特征子集训练的，所述创建随机森林模型的具体步骤包括：a.从训练集中随机抽取一个训练子集；b.从特征集中随机抽取一个特征子集；c.使用抽取的训练子集和特征子集训练一个决策树，训练一个决策树t_i（i从1到n）的具体步骤包括：a.从训练子集d中随机有放回地抽取n个样本，形成一个训练子集d_i；b.如果d_i中的特征数量大于1，则从所有特征中随机选择m个特征，用于划分数据；c.根据选定的特征和划分准则，将d_i划分为k个子集；d.递归地对每个子集d_j（j从1到k）重复步骤a-c，直到每个子集中只包含一个样本或满足停止条件；e.计算决策树t_i的识别结果；d.重复步骤a-c，直到训练出足够数量的决策树；e.将所有决策树组合成一个随机森林模型；7）使用测试集评估随机森林模型的性能，常见的评估指标包括准确率、召回率、均方误差以及平均绝对误差等；8）对于输入的特征信息，计算所有决策树t_i（i从1到n）的识别结果y_i（i从1到n），并对y_i（i从1到n）进行平均或投票，以得到随机森林算法的最终识别结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，其特征在于所述一种基于硬度特性的截割面煤岩识别装置由掘进机截割头、行星柱、识别底座、旋转摇臂、行星槽、截割头安装柱、高强度阻尼器以及高强度弹簧组成，识别底座的一端置于旋转摇臂上，所述识别底座的另一端开有行星槽，高强度阻尼器的一端置于所述行星槽的内底面，所述高强度阻尼器的侧面套置有高强度弹簧，所述行星柱插置于行星槽内且和高强度阻尼器相连接，所述高强度阻尼器的另一端置于行星柱的一端，截割头安装柱的一端置于所述行星柱的另一端，截割头安装柱的另一端置于掘进机截割头的底面，所述一种基于硬度特性的截割面煤岩识别装置还包括一个超声识别系统，所述超声识别系统包括监测后台、超声波发射模块、超声波接收模块、信号处理模块和数据分析模块，所述超声波发射模块置于所述识别底座上，所述超声波接收模块置于所述识别底座上，所述信号处理模块和所述数据分析模块置于所述监测后台上，所述超声波接收模块和所述信号处理模块建立信号交互，所述信号处理模块和所述数据分析模块建立信号交互，所述超声波发射模块：用于根据预设的频率和振幅参数产生高频超声波信号，并通过超声波发射器将高频超声波信号传输至截割面，所述超声波接收模块：用于通过超声波接收器接收从截割面反射回来的高频超声波信号，并将接收到的高频超声波信号传输给所述信号处理模块，所述信号处理模块：用于对接收到的高频超声波信号进行放大、滤波和数字化处理，提取出有用的特征信息，并将处理好的高频超声波信号传输给所述数据分析模块，所述特征信息可以是接收到的高频超声波信号的时域特征、频域特征、能量特征、波形参数或者是峰谷参数，所述数据分析模块：用于采用先进的数据处理算法分析处理后的高频超声波信号数据，实现煤层和岩石的区分，并生成煤岩分布图谱，为工作人员分析煤矿质量提供依据。
5.根据权利要求4所述的一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，其特征在于所述一种基于硬度特性的截割面煤岩识别装置还包括一个距离感知系统，所述距离感知系统包括距离传感器、信号转换器、数据处理器和控制器，所述距离传感器置于所述行星槽的内底面，当所述掘进机截割头进行采煤作业时，所述行星柱会随着所述高强度阻尼器和所述高强度弹簧的伸缩进行移动，所述距离传感器能够采集所述行星柱到所述行星槽内底面的距离，所述距离传感器置于所述行星槽的内底面中部，所述信号转换器置于所述行星槽的内底面，所述数据处理器置于所述行星槽的内底面，所述信号转换器通过数据传输线和所述数据处理器相连接，所述数据处理器通过数据传输线和所述控制器相连接，所述掘进机截割头通过数据线和所述控制器相连接，所述控制器和掘进机控制系统建立信号交互，所述信号转换器能够将所述距离传感器采集到的距离数据的电信号转化为数字信号，所处控制器可以被一个或至少两个应用专用集成电路(asic)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子组件实现，用于执行数据处理装置的指令，所述数据处理器和所述信号转换器进行信息交互，所述数据处理器内存储有计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质被执行时实现以下步骤：对接收到的所述距离传感器采集的距离数据的数字信号分别进行处理，通过预设的距离数据和截割深度之间的正向函数，测算煤层和岩石的截割深度差，通过预设的距离数据和截割时间之间的反向函数，确定岩石层的截割时间，给所述控制器发送执行指令，所述控制器控制所述掘进机截割头根据确定的所述岩石层的截割时间对岩石层进行掘进截割，当截割时间等于确定的岩石层截割时间时，所述控制器控制所述掘进机截割头停止工作，能够确保截割面的平整。
6.根据权利要求4所述的一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，其特征在于所述识别底座的侧面开有密封性检测孔，所述识别底座的侧面置有螺纹密封塞，所述螺纹密封塞内嵌于所述密封性检测孔内；掘进机进行采煤作业时，会产生大量的粉尘，识别底座需要保持密封性以防止粉尘进入识别底座内浓度较高时造成的磨损，影响掘进机的正常工作，因此需要每隔一段时间拔出螺纹密封塞，清理密封性检测孔内的粉尘，并对识别底座内的密封性进行检测，以确定其密封性是否符合要求，保证掘进机的正常采煤作业。
7.根据权利要求4所述的一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，其特征在于所述识别底座为圆柱形结构，所述识别底座的直径大于所述旋转摇臂的直径；所述高强度阻尼器有多个，多个所述高强度阻尼器均匀分布在所述行星槽内，多个高强度的阻尼器和高强度弹簧能够对掘进机截割头提供更好的顶撑和回缩力，更有利于掘进机截割头根据不同硬度特性的煤层和岩石进行截割。
8.根据权利要求4所述的一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，其特征在于所述截割头安装柱为圆柱形结构，所述截割头安装柱的直径小于所述行星柱的直径，所述掘进机截割头的底面直径大于所述行星柱的外径，能够防止遇到岩石时，高强度的阻尼器和高强度弹簧回缩，掘进机截割头随着行星柱的回缩进入行星槽内。
9.根据权利要求4所述的一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，其特征在于所述超声波接收模块包括多个超声波接收器，多个所述超声波接收器均匀地置于所述识别底座上，当超声波信号遇到煤层和岩石时，一部分信号会被反射回来，多个超声波接收器能够同时接收多方向和角度的高频超声波信号，能够提高接收效率，减少信号的漏失，有助于全面探测截割面煤岩的硬度特性。
10.根据权利要求1所述的一种基于硬度特性的截割面煤岩识别方法，其特征在于所述数据分析模块还包括用户界面，所述用户界面用于直观地显示煤岩分布图谱和相关的统计数据，所述数据分析模块可以采用机器学习或模式识别技术对处理后的高频超声波信号数据进行分析。
