一种基于聚类算法的四柱式液压支架工况评估方法与流程

1.本发明属于煤矿工作面设备监测及自动化控制技术领域，具体涉及一种基于聚类算法的四柱式液压支架工况评估方法。


背景技术：

2.作为采煤工作面顶板支撑、煤壁防护、采空区矸石隔绝的重要设备，液压支架主动承载形成支护应力场，与采场上覆岩层和前方煤壁内采动应力场动态平衡，最终达到围岩稳定支护的作用。
3.针对俯采倾斜复杂条件工作面，需要选择合适的液压支架架型。四柱支撑掩护式液压支架底板比压较小、移架相对更容易、沿工作面走向支架稳定性更强、顶梁合力调节范围较大，对于顶板较软的俯采工作面其适应性更强，但同时由于前后支柱载荷差别大，很难同时发挥四柱的优势，支撑效率低，而且当工作面顶板有可能沿煤壁切顶或控制区的顶板合力作用点靠前时，容易出现拔后柱现象，损坏立柱，因此，需要实时监测支架的支护工况，评估其工作状态，对于工作性能较低的支架需及时调整初撑力，以保证支架的适应性及可靠性。
4.目前，由于四柱式液压支架结构相对于两柱式液压支架结构更为复杂，支架工况、工作状态的监测、评估手段研究尚不足。申请号为202010183118.8的中国发明专利申请公开了一种确定四柱式液压支架工作状态的方法，根据获取的支架姿态、位置数据及液压支架多个主体结构件所受的压力确定支架顶梁合力作用点及其作用点，从而确定支架工作状态。该方法虽然可以定量计算出四柱液压支架的顶梁合力及其作用点，但需要预先测量的变量较多。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种基于聚类算法的四柱式液压支架工况评估方法，预先需要测量的变量较少，仅通过常规立柱压力的监测获取支架工作状态即可进行支架工况的评估。
6.为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
7.一种基于聚类算法的四柱式液压支架工况评估方法，包括：
8.步骤s1：实时监测四柱式液压支架前后立柱压力；
9.步骤s2：采集一段时间内的液压支架前后立柱压力数据，并进行数据预处理；
10.步骤s3：将步骤s2处理后的前后立柱压力数据作为输入变量，利用聚类算法，得到以前立柱压力为横轴，以后立柱压力为纵轴的立柱压力聚类图；
11.步骤s4：针对步骤s3得到的立柱压力聚类图，结合支架顶梁受载情况对立柱压力聚类图进行区域划分；其中，不同区域表示不同支架工况；
12.步骤s5：统计立柱压力聚类图中不同工况的压力数据量，计算不同工况压力数据点在步骤s2所采集的取数据点的占比情况；
13.步骤s6：根据步骤s5得到的不同工况下数据点占步骤s2所采集的数据点的百分比，按照最大百分比确定该段时间内支架所处工况，得到当前液压支架的工况评估结果。
14.可选地，步骤s1包括：实时监测四柱式液压支架前后立柱中的前左立柱和后右立柱的压力；或者，
15.实时监测四柱式液压支架前后立柱中的前右立柱和后左立柱的压力。
16.可选地，步骤s2中，所述步骤所述数据预处理包括对时间戳一致的前后立柱压力数据进行归一化处理，以使步骤s3中得到的所述立柱压力聚类图中的横纵坐标的范围为0～1。
17.可选地，所述步骤s3中得到的立柱压力聚类图为正方形立柱压力聚类图。
18.可选地，步骤s3中所述的聚类算法，为需预先设定聚类类别的k均值聚类算法；或者，为勿需预先设定聚类类别的meanshift聚类算法。
19.可选地，步骤s4中所述的结合支架顶梁受载情况对立柱压力聚类图进行区域划分包括：
20.根据支架顶梁不同合力作用点位置，将立柱压力聚类图划分为以下几个区域：支架受力状态良好区域、支架受力轻微偏前区域、支架受力轻微偏后区域、支架受力均衡但初撑力不足区域、支架受力相对偏后区域、支架受力相对偏前区域、支架受力极端偏前区域及支架受力极端偏后区域；其中，
21.支架受力状态良好区域由式(1)中六条直线所围成的区域构成；
[0022][0023]
支架受力轻微偏前区域由式(2)中三条直线所围成的区域构成；
[0024][0025]
支架受力轻微偏后区域由式(3)中三条直线所围成的区域构成；
[0026][0027]
支架受力均衡但初撑力不足区域由式(4)中六条直线所围成的区域构成；
[0028]
[0029]
支架受力相对偏后区域由式(5)中四条直线所围成的区域构成；
[0030][0031]
支架受力相对偏前区域由式(6)中四条直线所围成的区域构成；
[0032][0033]
支架受力极端偏前区域由式(7)中四条直线所围成的区域构成；
[0034][0035]
支架受力极端偏后区域由式(8)中三条直线所围成的区域构成；
[0036][0037]
本发明提供的基于聚类算法的四柱式液压支架工况评估方法，通过采集液压支架前后立柱压力数据，采用聚类分析算法对支架前后立柱压力组合进行聚类，结合液压支架顶梁受载情况对支架前后立柱压力聚类结果进行区域划分，区域即工况，从而得到不同支架工况，通过统计不同工况支架压力的数据量，得到不同工况的支架压力占比情况，从而评估出该液压支架的工作状态。由此，本方案预先需要测量的变量较少，仅通过常规立柱压力的监测获取支架工作状态即可进行支架工况的评估；从而可以实现对液压支架工况的实时监测、分析和预警，及时定位支架支护和顶板管理当中存在的问题，对于保障综采工作面顶板安全具有重要作用。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0039]
图1是本发明基于聚类算法的四柱式液压支架工况评估方法一实施例具体流程示意图；
[0040]
图2是本发明立柱压力聚类图区域划分示意图；
[0041]
图3是本发明一实施例立柱压力聚类结果示意图；
[0042]
图4是本发明另一实施例立柱压力聚类结果示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0044]
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
参看图1所示，本发明实施例提供的基于聚类算法的四柱式液压支架工况评估方法具体流程为：
[0046]
步骤s1：实时监测四柱式液压支架前后立柱压力；
[0047]
步骤s2：采集一段时间内的液压支架前后立柱压力数据，并进行数据预处理；
[0048]
步骤s3：将步骤s2处理后的前后立柱压力数据作为输入变量，利用聚类算法，得到以前立柱压力为横轴，以后立柱压力为纵轴的立柱压力聚类图；
[0049]
步骤s4：针对步骤s3得到的立柱压力聚类图，结合支架顶梁受载情况对立柱压力聚类图进行区域划分；其中，不同区域表示不同支架工况；
[0050]
步骤s5：统计立柱压力聚类图中不同工况的压力数据量，计算不同工况压力数据点在步骤s2所采集的取数据点的占比情况；
[0051]
步骤s6：根据步骤s5得到的不同工况下数据点占步骤s2所采集的数据点的百分比，按照最大百分比确定该段时间内支架所处工况，得到当前液压支架的工况评估结果。
[0052]
本发明实施例提供的基于聚类算法的四柱式液压支架工况评估方法，通过采集液压支架前后立柱压力数据，采用聚类分析算法对支架前后立柱压力组合进行聚类，结合液压支架顶梁受载情况对支架前后立柱压力聚类结果进行区域划分，区域即工况，从而得到不同支架工况，通过统计不同工况支架压力的数据量，得到不同工况的支架压力占比情况，从而评估出该液压支架的工作状态。由此，本方案预先需要测量的变量较少，仅通过常规立柱压力的监测获取支架工作状态即可进行支架工况的评估；从而可以实现对液压支架工况的实时监测、分析和预警，及时定位支架支护和顶板管理当中存在的问题，对于保障综采工作面顶板安全具有重要作用。
[0053]
其中，步骤s1包括：实时监测四柱式液压支架前后立柱中的前左立柱和后右立柱的压力。
[0054]
或者，所述步骤s1包括：实时监测四柱式液压支架前后立柱中的前右立柱和后左立柱的压力。
[0055]
本实施例中，根据四柱式液压支架的特点，通过分别选择四柱式液压支架前后立柱中的前左立柱和后右立柱进行压力实时监测，或者，选择四柱式液压支架前后立柱中的前右立柱和后左立柱的压力实时监测，在一定程度上可以保证液压支架立柱压力监测和分析的有效性。、
[0056]
步骤s2中，所述步骤所述数据预处理包括对时间戳一致的前后立柱压力数据进行归一化处理，以使步骤s3中得到的所述立柱压力聚类图中的横纵坐标的范围为0～1。
[0057]
由于前后立柱压力数据经过归一化处理，得到的所述立柱压力聚类图中，横纵坐标的范围均是0到1，即可得到一个正方形立柱压力聚类图。因此，作为一可选实施例，在所述步骤s3中得到的立柱压力聚类图为正方形立柱压力聚类图。
[0058]
步骤s3中所述的聚类算法，可选择需预先设定聚类类别的k均值聚类算法，也可选
择勿需预先设定聚类类别的meanshift聚类算法，即是否预先设定聚类类别对后续划分区域不影响。
[0059]
作为一可选实施例，步骤s4中所述的结合支架顶梁受载情况对立柱压力聚类图进行区域划分包括：
[0060]
根据支架顶梁不同合力作用点位置，将立柱压力聚类图划分为以下几个区域：支架受力状态良好区域q1、支架受力轻微偏前区域q2、支架受力轻微偏后区域q3、支架受力均衡但初撑力不足区域q4、支架受力相对偏后区域q5、支架受力相对偏前区域q6、支架受力极端偏前区域q7及支架受力极端偏后区域q8；其中，若压力数据点位于支架受力状态良好区域q1，则为支架受力状态良好工况；若压力数据点位于支架受力轻微偏前区域q2，则为支架受力轻微偏前工况；若压力数据点位于支架受力轻微偏后区域q3，则为支架受力轻微偏后工况；若压力数据点位于支架受力均衡但初撑力不足区域q4，则为支架受力初撑力不足工况；若压力数据点位于支架受力相对偏后区域q5，则为支架受力相对偏后工况；若压力数据点位于支架受力相对偏前区域q6，则为支架受力相对偏前工况；若压力数据点位于支架受力极端偏前区域q7，则为支架受力极端偏前工况；若压力数据点位于支架受力极端偏后区域q8，则为支架受力极端偏后工况。
[0061]
支架受力状态良好区域q1由式(1)中六条直线所围成的区域构成；
[0062][0063]
支架受力轻微偏前区域q2由式(2)中三条直线所围成的区域构成；
[0064][0065]
支架受力轻微偏后区域q3由式(3)中三条直线所围成的区域构成；
[0066][0067]
支架受力均衡但初撑力不足区域q4由式(4)中六条直线所围成的区域构成；
[0068][0069]
支架受力相对偏后区域q5由式(5)中四条直线所围成的区域构成；
[0070][0071]
支架受力相对偏前区域q6由式(6)中四条直线所围成的区域构成；
[0072][0073]
支架受力极端偏前区域q7由式(7)中四条直线所围成的区域构成；
[0074][0075]
支架受力极端偏后区域q8由式(8)中三条直线所围成的区域构成；
[0076][0077]
可以理解的是，y1和y2为线性函数的因变量，x为自变量，线性函数的图像为一条具有斜率的直线。
[0078]
为了帮助理解本发明实施例的技术方案及其技术效果，根据图1所示的流程对支架工况评估的一些实施例中，示例性地，采用meanshift聚类算法对某矿四柱液压支架前后立柱压力数据进行了聚类分析，获得了如图3所示的立柱压力聚类图，从图中可以看出，数据基本落在q1、q4和q7区域内，落在q1区域内共计155个，落在q4区域内共计29个，落在q7区域内共计7个，本次共采集数据191个。支架受力状态良好工况占比81.2％，支架受力初撑力不足工况占比15.1％，支架受力极端偏前工况占比3.7％。因此，根据最大百分比确定该段时间内支架所处工况为：该段时间内支架工装状态良好。
[0079]
根据图1所示的流程对支架工况评估的另一些实施例中，采用meanshift聚类算法对某矿四柱液压支架前后立柱压力数据进行了聚类分析，获得了如图4所示的立柱压力聚类图，从图中可以看出，数据基本落在q1、q4、q6、q7和q8区域内，落在q1区域内共计40个，落在q4区域内共计19个，落在q6区域内共计10个，落在q7区域内共计218个，落在q8区域内共计1个，本次攻共计集数据288个。支架受力状态良好工况占比13.9％，支架受力初撑力不足工况占比6.6％，支架受力相对偏前工况占比3.5％，支架受力极端偏前工况占比75.6％，支架受力极端偏后工况占比0.4％。因此，根据最大百分比确定该段时间内支架所处工况为：该段时间内支架顶梁合力作用点极端偏前。
[0080]
综上，本发明可以低成本、高效、直观、实时地划分和评估支架工况，实现对液压支架工况的实时监测、分析和预警，及时定位支架支护和顶板管理当中存在的问题，对于保障综采工作面顶板安全具有重要作用。
[0081]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0082]
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0083]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read
‑
only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0084]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。