一种智能引射系统

本发明涉及矿山有害气体处理领域，具体是一种智能引射系统。

背景技术：

1、煤矿生产过程中，绝大多数矿井采用u型通风方式，这种通风可能造成工作区域聚集有害气体，而有害气体的聚集甚至超限或者工作区域低氧等问题均严重影响工作面的安全生产。现有的矿用引射器的喷腔出口口径都是固定的，且都是被动式引射。

2、一天的温度变化可能会引起大气压的变化，最高大气压与最低大气压可能呈现较大差异性，这种大气压的演化势必会对采空区内的静压以及工作面的静压产生较大影响，此外采空区的气压还会受到温度、周期来压等的影响，当面对因此产生的压差问题使得采空区有害气体大量涌入工作区域等突发情况时，无法及时进行调整，不利于安全生产，威胁井下工作人员的生命安全。

3、目前的引射器或引射系统大多都有上述缺陷，本身不具备超前预测并自动决策的能力，面对突然情况无法及时调整，容易在工作面生产过程中造成“空档”期，不能够保证煤矿生产过程中，井下氧气、瓦斯等气体浓度始终在合理范围。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种智能引射系统，包括引射器、监测模块、气体浓度预测模块、引射流量调整模块、喷腔容纳箱；

2、所述引射器具有多个口径不同的喷腔，这些喷腔水平嵌置于喷腔容纳箱内；

3、所述监测模块用于监测工作区域基本数据，并传输至气体浓度预测模块；

4、所述气体浓度预测模块存储有基于tso-xgboost的气体浓度预测模型；

5、所述气体浓度预测模型以工作区域基本数据为输入，预测未来时间段内气体浓度，并传输至引射流量调整模块；

6、所述引射流量调整模块根据气体浓度，选择待使用的喷腔，并驱动喷腔容纳箱移动，更换喷腔，以调整引射器的引射流量。

7、进一步，所述工作区域基本数据包括瓦斯或者氧气浓度、温度、工作面与采空区间的压差值等；

8、所述工作区域基本数据通过压差传感器、温度传感器、瓦斯或氧气浓度监测器等仪器获得。

9、进一步，所述气体浓度预测模型的输出为未来时间段内瓦斯和/或氧气浓度，输入为工作区域基本数据。

10、进一步，所述喷腔数量为3，分别记为第一档喷腔、第二档喷腔、第三档喷腔；第一档喷腔口径最大，第三档喷腔口径最小。

11、其中，当瓦斯和/或氧气浓度预测值处于0.6-0.8％和/或16％-18％内时，采用第一档喷腔；当瓦斯和/或氧气浓度预测值处于0.4％-0.6％和/或18％-20％内时，采用第二档喷腔；当瓦斯和/或氧气浓度预测值处于0％-0.4％和/或20％及以上时，采用第三档喷腔。当第一档喷腔工作时，报警装置开始报警引起工人注意。

12、进一步，基于tso-xgboost的气体浓度预测模型的构建步骤如下：

13、1)构建xgboost模型，即：

14、

15、

16、

17、……

18、

19、式中，为未来i时刻输入值在第t次迭代中的预测值；为模型在第t-1次迭代时输入值对应的预测值；ft(xi)为第t次迭代模型，t次迭代求和即为i时刻下最终的输出值；

20、2)构建每次迭代的目标函数，即：

21、

22、式中，为损失函数；为正则项；γ表示决策树的叶子结点；t为决策树的叶子数；ωj2为叶子结点权重向量的l2范数；λ为控制决策树复杂程度的超参数；n为时刻数。

23、3)在ft＝0处通过泰勒二阶展开找到最小化的目标函数，此时的目标函数如下所示：

24、

25、式中，参数参数yi为模型输出；为损失函数；

26、4)将第j个叶子结点的模型输入，即工作区域基本数据的预测数据xi放入集合ij＝{i|q(xi)＝j}中，并更新目标函数，得到：

27、

28、式中，为权重；

29、5)对目标函数中的权重ωj求一阶导，得到最优权重ω*j及其对应目标函数obj的值，即：

30、

31、

32、式中，参数参数

33、6)根据残差大小更新个体的位置：通过tso对xgboost预测模型的参数寻优，建立最佳树的结构，步骤包括：

34、6.1)xgboost参数初始化：

35、通过在搜索空间中均匀地随机生成初始鱼群进行位置的迭代更新：

36、

37、式中：为初始化的第i个参数所处位置；rand为在(0，1)范围内均匀分布的随机向量；ub和lb为参数区间的上、下边界；n为待优化参数的个数；

38、6.2)随机选择抛物线形种群法或螺旋形种群法，并利用选择的方法对xgboost预测模型的参数进行寻优：

39、在螺旋形种群法的寻优过程中，金枪鱼群通过形成紧密的螺旋形进行觅食活动；每一条金枪鱼都跟在前一条鱼的后面，相邻的金枪鱼之间共享信息，即：

40、

41、

42、

43、β＝ebl·cos(2πb) (14)

44、

45、式中，是第i个体在第t+1迭代的位置；是第i个体在第t迭代的位置；是第i个体在第t-1迭代的位置；是当前最优个体；α1为控制当前个体向最优个体移动的权重系数；α2为控制当前个体向前一个个体移动的权重系数；β是与最优个体或随机个体相关的开发参量；a为一个常数，用于确定个体跟随最优个体和前一个个体的趋势；t和tmax表示当前迭代次数和最大迭代次数；b是一个0到1之间的随机数；l为中间参数，无特殊含义。

46、当最优个体找不到食物时，盲目跟随最优个体觅食不利于群体觅食；因此，考虑在搜索空间中生成一个随机坐标，作为螺旋搜索的参考点，使每个个体都能在更广阔的空间里探索，并使tso具有全局探索能力，即：

47、

48、式中表示在搜索空间中随机生成的一个坐标点。

49、在抛物线形种群法的寻优过程中，金枪鱼以食物为参考点，形成抛物线形进行觅食，或者金枪鱼在自己周围寻找食物，即：

50、

51、

52、式中，tf为随机数，取值1或-1；p是随迭代次数自适应变化的关键参量；

53、7)判断是否满足终止条件，若不满足，则返回步骤6)，若满足，则输出xgboost模型的最优参数；

54、8)将最优参数输入到xgboost中，得到基于tso-xgboost的气体浓度预测模型。

55、进一步，所述寻优参数包括学习率eta、树最大深度maxdepth、最大迭代次数nestimators。

56、进一步，所述引射器的多个喷腔中心与喷腔容纳箱的中心位于同一直线，这些喷腔等间隔分布；

57、所述喷腔的进气口均小于或等于所述被引射气流管道直径。

58、进一步，所述喷腔容纳箱内每个喷腔位置进气口处均设置法兰安装槽；喷腔进气段均连有法兰环，且法兰环安装于所述法兰安装槽内；

59、当任一喷腔一侧与进气流管道连通，另一侧与吸入室、混合室、扩压室连通时，其他喷腔处于断通状态。

60、进一步，所述吸入室进气口直径大于任一喷腔出气口直径。

61、进一步，还包括电磁调节装置；

62、所述引射流量调整模块控制电磁调节装置工作，进而通过电磁力驱动喷腔容纳箱移动；

63、所述电磁调节装置包括电磁开关阀、电磁调节阀、安装座、电磁箱、电磁杆、滑轮；

64、所述电磁开关阀用于控制电磁调节装置工作；

65、所述电磁调节阀用于调节电磁力；

66、所述安装座用于支撑电磁调节装置，且与喷腔容纳箱下表面焊接；

67、所述滑轮通过螺丝与固定杆连接，两侧与电磁杆焊接；所述固定杆连接滑轮与安装座。

68、所述电磁杆的一头伸入电磁箱固定槽中；

69、所述电磁箱通过固定块固定于引射器底座凹槽中。

70、本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明的有益效果：

71、1)本发明的新型引射系统采用多个喷腔，可以更高效防止工作区域有害气体聚集，降低安全隐患。

72、2)本发明通过电磁装置自动更换不同出口口径的喷腔，该装置与计算机、气体浓度监测器，差压传感器，温度监测器，调节模块，声光报警器等构成系统整体，将传统的人工调节方式转变为电磁力调节。

73、3)本发明引射距离可控，不同喷腔对应不同的引射流量，不同的引射流量对应不同的引射速度，不同的引射速度可以将有害气体引射至回风巷不同位置处。有害气体浓度上升，可切换更大的引射速度，速度越大，引射距离越远，引射位置越深，减少在工作面附近再次聚集几率。

74、4)本发明构建了基于tso-xgboost模型的气体浓度预测模型，通过该手段可以判断未来时间段内工作区域某种气体比如瓦斯、氧气等浓度是否在合理范围并及时控制引射系统提前调整引射流量，保障工作区域该气体浓度始终处于正常水平，提高井下自动化决策的能力。

75、综上所述，本发明增加了引射器的喷腔数量，同时与报警、监测等装置组合成一种引射系统，在此基础上构建tso-xgboost气体浓度预测模型并将模型导入引射系统，可以将之前监测到气体浓度范围存在异常情况再采取措施的被动应对转变为提前预测并及时调整引射流量的主动防范，旨在提高井下作业过程中的自动化决策能力，消除因人为手动调整引射流量等原因造成的矿井下工作区域处“空档”期出现或有害气体突发聚集的状况，在时间维度上始终保持引射工作的存在，保障安全生产。