CN113098441B - 一种基于粒子滤波算法的电磁波优化模型 - Google Patents

Abstract

本发明基于粒子滤波算法领域，特别涉及基于粒子滤波算法的电磁波优化模型，包括以下步骤：首先对煤矿巷道的横截面积、巷道空气中的粉尘颗粒及雾气颗粒的浓度和性质、电磁波的传播频率等进行一定的限定，其次对井下电磁波传输模型进行改进，通过粒子滤波算法经过数次迭代得出三个参数的拟合值，所述巷道截面尺寸的改变随着极化方向的不同，对传播特性的影响也不尽相同，加大巷道的横截面积，减小电磁波的衰减，粉尘浓度尽量小。本发明在煤矿井下电磁波优化模型中引入更多的描述参数，建立一个更适合煤矿井下电磁波传输的优化模型，对有效防止煤矿瓦斯事故的发生，保障煤矿工人安全具有重要意义,使得该模型可以更贴合电磁波在井下的真实传播情况。

Description

一种基于粒子滤波算法的电磁波优化模型

技术领域

本发明基于粒子滤波算法领域，特别涉及基于粒子滤波算法的电磁波优化模型。

背景技术

实际煤矿井下环境中，无线传输受工作频率、导体、井壁反射、现场电磁干扰等各种复杂因素的影响，电磁波在传输中存在不同程度的衰减，目前较为普遍的是基于接收信号指示强度的电磁波传输衰减模型，但是该模型只有一个参数，对煤矿井下电磁波的传输衰减模型描述并不精确。本文引入更多的描述参数，建立一个更适合煤矿井下电磁波传输的优化模型，拟合出电磁波的传输情况。

发明内容

为了解决现有技术缺乏利用深度学习技术在煤矿井下电磁波衰减严重，同时应急电源能量关于电磁波衰减严重问题，提出了一种基于粒子滤波算法的电磁波优化模型，使得该模型可以更贴合电磁波在井下的真实传播情况。

本发明的技术方案如下：一种基于粒子滤波算法的电磁波优化模型，包括以下步骤：

首先对煤矿巷道的横截面积、巷道空气中的粉尘颗粒及雾气颗粒的浓度和性质、电磁波的传播频率等进行一定的限定，其次对井下电磁波传输模型进行改进，通过粒子滤波算法经过数次迭代得出α、多径衰减系数μ、误差矫正因子τ，三个参数的拟合值。

进一步地，所述巷道截面尺寸的改变随着极化方向的不同，对传播特性的影响也不尽相同，加大巷道的横截面积。

进一步地，减小电磁波的衰减，粉尘浓度尽量小。

进一步地，所述粒子滤波算法中，井下电磁波基本传输模型

其中P为未知点接收到的功率；P₀为参考点接收到的功率；S₀为发射机到参考点的距离；α为电磁波传输衰减因子。

进一步地，所述粒子滤波算法中，在井下电磁波基本传输模型上改进井下电磁波传输模型为：

进一步地，所述改进井下电磁波传输模型进行参数拟合，具体步骤如下：

S61)计划使用20个粒子，迭代500次，根据先验概率初始化粒子

i＝1，2，3～20；

S62)重要性采样：从重要性概率密度中采样粒子

计算粒子权重

k＝1，2，3～500，并进行归一化；

S63)重采样：重采样过程中权重大的按一定的规则相应地多复制几个粒子，权重小的粒子可能会舍弃，最终粒子总数相同；

S64)循环2、3步骤500次；

S65)输出：根据500次的粒子滤波过程，得到三个输出值:

最后根据粒子滤波算法得到上述三个参数的估计值，进而得到改进的井下电磁波传输模型。

本发明有益之处在于：

由于在煤矿井下电磁波衰减严重，需要引入更多的描述参数，建立一个更适合煤矿井下电磁波传输的优化模型，拟合出电磁波的传输情况，本发明模型更贴合电磁波在井下的真实传播情况。

本发明在矿井作业由于应急设备经常由于能源不足而常伴又事故发生，所以还提供了另一种方案，设计了一种改进的矿用应急电源，在已有的蓄电池充放电管理系统的基础上设计了改进的应用电源，确保在电力故障情况下控制系统能够快速可靠地将风机切换到后备供电电源，瓦斯探测仪能够及时地把检测数据传回地面进行处理。

具体的，对应急电源进行了整体的研究与设计，通过各种常用方案的比较，确定采用IGBT全桥逆变式拓扑结构；采用全数字SPWM调制技术实现逆变器控制，建立了对称规则采样法生成SPWM波的数学模型；采用增量式数字PI调节器实现输出电压的稳定调节。

(1)IGBT全桥逆变式拓扑结构

逆变主电路作为应急电源的核心部分，其设计的合理性直接影响电源波形的质量。全桥电路输出电流电压幅值是半桥电路的两倍，但波形基本相同。所以相对半桥而言全桥电路的输出功率较大。本设计采用IGBT全桥逆变式拓扑结构。

(2)采用全数字SPWM调制技术实现逆变器控制，建立了对称规则采样法生成SPWM波的数学模型；

(3)采用增量式数字PI调节器实现输出电压的稳定调节。

逆变系统是一个控制系统，无论是单相还是三相电压型系统，都是通过调节一个或几个参考值来达到稳定系统输出电压的目的。其中P为比例调节用于纠正误差，I为积分调节用于消除系统的稳态误差，进而增强系统稳定性。

上述技术方案有益之处在于不仅能可靠保证在电力故障时控制系统能快速将风机切换到备用电源，保证风机的持续运转，还能给其他监测设备如瓦斯探测仪供电以及井下应急救援系统供电，对有效防止煤矿瓦斯事故的发生，保障煤矿工人安全具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的粒子滤波算法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种基于粒子滤波算法的电磁波优化模型，包括以下步骤：

首先对煤矿巷道的横截面积、巷道空气中的粉尘颗粒及雾气颗粒的浓度和性质、电磁波的传播频率等进行一定的限定，其次对井下电磁波传输模型进行改进，通过粒子滤波算法经过数次迭代得出α、多径衰减系数μ、误差矫正因子τ，三个参数的拟合值。

所述巷道截面尺寸的改变随着极化方向的不同，对传播特性的影响也不尽相同，加大巷道的横截面积，减小电磁波的衰减，粉尘浓度尽量小。

进一步地，所述粒子滤波算法中，井下电磁波基本传输模型

其中P为未知点接收到的功率；P₀为参考点接收到的功率；S₀为发射机到参考点的距离；α为电磁波传输衰减因子。

所述粒子滤波算法中，在井下电磁波基本传输模型上改进井下电磁波传输模型为：

进一步地，所述改进井下电磁波传输模型进行参数拟合，具体步骤如下：

S61)计划使用20个粒子，迭代500次，根据先验概率初始化粒子

i＝1，2，3～20；

S62)重要性采样：从重要性概率密度中采样粒子

计算粒子权重

k＝1，2，3～500，并进行归一化；

S63)重采样：重采样过程中权重大的按一定的规则相应地多复制几个粒子，权重小的粒子可能会舍弃，最终粒子总数相同；

S64)循环2、3步骤500次；

S65)输出：根据500次的粒子滤波过程，得到三个输出值:

最后根据粒子滤波算法得到上述三个参数的估计值，进而得到改进的井下电磁波传输模型。

本发明在煤矿井下电磁波衰减严重，一种基于粒子滤波算法的电磁波优化模型，使得该模型可以更贴合电磁波在井下的真实传播情况。

本发明在矿井作业由于应急设备经常由于能源不足而常伴又事故发生，所以还提供了另一种方案，设计了一种改进的矿用应急电源，在已有的蓄电池充放电管理系统的基础上设计了改进的应用电源，确保在电力故障情况下控制系统能够快速可靠地将风机切换到后备供电电源，瓦斯探测仪能够及时地把检测数据传回地面进行处理。

具体的，对应急电源进行了整体的研究与设计，通过各种常用方案的比较，确定采用IGBT全桥逆变式拓扑结构；采用全数字SPWM调制技术实现逆变器控制，建立了对称规则采样法生成SPWM波的数学模型；采用增量式数字PI调节器实现输出电压的稳定调节。

(1)IGBT全桥逆变式拓扑结构

逆变主电路作为应急电源的核心部分，其设计的合理性直接影响电源波形的质量。全桥电路输出电流电压幅值是半桥电路的两倍，但波形基本相同。所以相对半桥而言全桥电路的输出功率较大。本设计采用IGBT全桥逆变式拓扑结构。

(2)采用全数字SPWM调制技术实现逆变器控制，建立了对称规则采样法生成SPWM波的数学模型；

(3)采用增量式数字PI调节器实现输出电压的稳定调节。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于粒子滤波算法的电磁波优化模型，其特征在于，包括以下步骤：

首先对煤矿巷道的横截面积、巷道空气中的粉尘颗粒及雾气颗粒的浓度和性质、电磁波的传播频率等进行一定的限定，其次对井下电磁波传输模型进行改进，通过粒子滤波算法经过数次迭代得出电磁波传输衰减因子α、多径衰减系数μ、误差矫正因子τ三个参数的拟合值；

其中，所述粒子滤波算法中，井下电磁波基本传输模型：

其中，P为未知点接收到的功率；P0为参考点接收到的功率；S0为发射机到参考点的距离；α为电磁波传输衰减因子；

其中，所述粒子滤波算法中，在井下电磁波基本传输模型上改进井下电磁波传输模型为：

其中，μ为多径衰减系数，τ为误差矫正因子。

2.根据权利要求1所述的一种基于粒子滤波算法的电磁波优化模型，其特征在于，所述巷道截面尺寸的改变随着极化方向的不同，对传播特性的影响也不尽相同，加大巷道的横截面积。

3.根据权利要求2所述的一种基于粒子滤波算法的电磁波优化模型，其特征在于，所述改进井下电磁波传输模型进行参数拟合，具体步骤如下：

S61)计划使用20个粒子，迭代500次，根据先验概率初始化粒子{α₀ ⁽ⁱ⁾}，i＝1，2，3-20；

S62)重要性采样：从重要性概率密度中采样粒子α_k ⁽ⁱ⁾，计算粒子权重w_k ⁽ⁱ⁾，k＝1，2，3-500并进行归一化；

S63)重采样：重采样过程中权重大的按一定的规则相应地多复制几个粒子，权重小的粒子可能会舍弃，最终粒子总数相同；

S64)循环2、3步骤500次；

S65)输出：根据500次的粒子滤波过程，得到三个输出值：

S67)根据粒子滤波算法得到上述三个参数的估计值，进而得到改进的井下电磁波传输模型：

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