為解決礦山鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程智控系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中存在的數(shù)據(jù)傳輸速率低、現(xiàn)場(chǎng)信息感知受限等問題,通過融合高精度傳感器和先進(jìn)算法,研發(fā)了高效傳輸和深度感知技術(shù),提高了鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程智控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性,初步解決了智能化技術(shù)難以常態(tài)化作業(yè)的關(guān)鍵難題;針對(duì)部分設(shè)備駕駛員對(duì)智能化設(shè)備出現(xiàn)的“排斥”現(xiàn)象,通過設(shè)計(jì)并實(shí)施系統(tǒng)化的培訓(xùn)體系和多元化的激勵(lì)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備駕駛員和智能化技術(shù)相互賦能的效果。
文章來源:《智能礦山》2025年第1期理事單位特刊“學(xué)術(shù)園地”專欄
作者簡(jiǎn)介:王明星,高級(jí)工程師,現(xiàn)任內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司副總經(jīng)理,主要從事煤炭開采、機(jī)電、智能化建設(shè)等方面的研究工作。E-mail:12109819@ceic.com
作者單位:內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司
引用格式:王明星.鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程智控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)踐[J].智能礦山,2025,6(1):82-87.
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露天礦山鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控是采剝環(huán)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)無人化的核心技術(shù),常態(tài)化運(yùn)行是煤礦智能化可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。煤礦作業(yè)面環(huán)境復(fù)雜,工作面分散,粉塵、噪聲、震動(dòng)等惡劣條件對(duì)鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控技術(shù)提出了極高要求,需要解決周圍環(huán)境感知不精準(zhǔn)、安全風(fēng)險(xiǎn)較高、效率較低等一系列技術(shù)難點(diǎn)。
鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)
鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)基于遙控端操作臺(tái),實(shí)時(shí)對(duì)鏟裝設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控作業(yè),包括建立傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析、自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行、遠(yuǎn)程操控操作以及實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋等多個(gè)方面,核心部分由設(shè)備端、遙控端與服務(wù)端3部分組成,鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)
(1)設(shè)備端
通過加裝智控中心、攝像頭、雷達(dá)等模塊式硬件,采集發(fā)送鏟裝設(shè)備姿態(tài),現(xiàn)場(chǎng)各視角視頻、現(xiàn)場(chǎng)音頻,并進(jìn)行壓縮發(fā)送、視頻切換,電氣化改造實(shí)現(xiàn)PLC信息接收與控制,液壓電液設(shè)備控制等功能,設(shè)備端集成模塊如圖2所示。
圖2 設(shè)備端集成模塊
(2)遙控端
通過全方位界面交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)音視頻流解壓播放、視頻切換、AI智能化功能、車輛狀態(tài)展示、控制狀態(tài)展示、手柄按鍵操作信號(hào)采集發(fā)送、操作臺(tái)指示燈控制等功能,遙控端操作界面如圖3所示。通過設(shè)計(jì)可覆蓋整個(gè)礦山作業(yè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),包括通信設(shè)備部署和連接方式,實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)或公網(wǎng)上流媒體數(shù)據(jù)傳輸和交互信息傳輸功能。
圖3 遙控端操作界面
(3)服務(wù)端
通過設(shè)計(jì)可覆蓋整個(gè)礦山作業(yè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),包括通信設(shè)備部署和連接方式,實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)或公網(wǎng)上流媒體數(shù)據(jù)傳輸和交互信息傳輸功能。
鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用難點(diǎn)
2.1 數(shù)據(jù)獲取和傳輸
采集各傳感器和監(jiān)測(cè)裝置信息,實(shí)現(xiàn)采礦設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境條件和采礦過程參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),此為鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控技術(shù)的關(guān)鍵。傳輸系統(tǒng)在露天礦環(huán)境中,受極端天氣和振動(dòng)等多種復(fù)雜環(huán)境素影響,電鏟作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度>500mg/m3,噪聲>100dB,震動(dòng)頻率為100次以上?,F(xiàn)有抗干擾通信技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取和傳輸方面存在以下3個(gè)方面的不足。
(1)抗干擾能力不足
在高濃度粉塵、強(qiáng)噪音和頻繁震動(dòng)的作業(yè)環(huán)境下,傳感器、攝像頭等硬件設(shè)備的正常運(yùn)行受到極大干擾,出現(xiàn)粉塵覆蓋傳感器設(shè)備,數(shù)據(jù)精度和可靠性降低。
(2)傳輸速率不高
由于礦山偏遠(yuǎn)地理位置和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)薄弱,現(xiàn)有傳輸速率低,視頻傳輸需要大帶寬,會(huì)出現(xiàn)視頻流、傳感器等大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延>100ms,無法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理需求。
(3)傳輸系統(tǒng)可靠性欠佳
當(dāng)設(shè)備故障或通信中斷,可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷,人工介入維修,恢復(fù)耗時(shí)較長(zhǎng),影響生產(chǎn)效率,缺乏有效的故障恢復(fù)機(jī)制。
2.2 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息傳輸
(1)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息感知受限
與傳統(tǒng)作業(yè)時(shí)設(shè)備駕駛員從環(huán)境中獲得直接的感知信息相比,遠(yuǎn)程操控依賴于顯示器畫面、聲音反饋等現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況參數(shù),容易出現(xiàn)感知受限等情況,對(duì)作業(yè)效率甚至作業(yè)安全造成影響。
(2)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息未三維展示
現(xiàn)有遠(yuǎn)程操控技術(shù)僅通過攝像頭獲取二維畫面顯示作業(yè)環(huán)境,難以準(zhǔn)確反映三維空間,特別是在物料和光照條件不斷變化時(shí),會(huì)出現(xiàn)地形、距離等信息難以判斷的情況,增加作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、影響作業(yè)效率。
鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新
3.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)穩(wěn)定采集和高效傳輸
針對(duì)抗干擾能力不足、數(shù)據(jù)傳輸速率低、系統(tǒng)可靠性有待提升等數(shù)據(jù)采集和傳輸問題,從3個(gè)維度提出解決方案。
(1)提升抗干擾能力
在信號(hào)處理方面,引入先進(jìn)的數(shù)字濾波器、自適應(yīng)濾波器等算法,濾除噪音和干擾,提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性;通過采用防塵、防水、防震外殼材料,確保硬件設(shè)備在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行;通過應(yīng)用智能傳感器技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、濕度和振動(dòng)等工作環(huán)境關(guān)鍵參數(shù),并通過數(shù)據(jù)反饋及時(shí)做出調(diào)整,進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力。
(2)提高數(shù)據(jù)傳輸速率
通過優(yōu)化通信協(xié)議,采用BUDP協(xié)議替代傳統(tǒng)的TCP協(xié)議,減少數(shù)據(jù)包重傳和確認(rèn)操作,加快數(shù)據(jù)傳輸速率;通過優(yōu)化正交頻分復(fù)用OFDM、多輸入多輸出MIMO調(diào)制解調(diào)技術(shù),并行傳輸和多信道傳輸?shù)确绞剑瑢?shí)現(xiàn)在有限頻譜帶寬中傳輸更多數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸效率,確保鏟裝設(shè)備在遠(yuǎn)程操控中滿足低時(shí)延、高效率的實(shí)時(shí)控制效果。
(3)增強(qiáng)傳輸系統(tǒng)可靠性
針對(duì)傳輸系統(tǒng)可靠性問題,采取冗余設(shè)計(jì)和故障恢復(fù)機(jī)制,在關(guān)鍵設(shè)備增加了備用通道和備用存儲(chǔ)器,當(dāng)主通道發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)切換到備用通道,確保數(shù)據(jù)傳輸不受影響。采用心跳檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài),若出現(xiàn)異常情況,系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行故障診斷和處理,保障設(shè)備正常運(yùn)行,降低設(shè)備故障率,縮短故障處理時(shí)間,提高整體生產(chǎn)效率。超低延時(shí)系統(tǒng)適配或切換4G/5G/WiFi等不同網(wǎng)絡(luò),編解碼算法時(shí)延為50ms,縮短60%。無需拼接板卡進(jìn)行視頻拼接,節(jié)省了流量占用,提供穩(wěn)定的高速數(shù)據(jù)傳輸和低時(shí)延控制指令傳輸,實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操控。保證駕駛員遠(yuǎn)程操控鏟裝設(shè)備時(shí)音視頻數(shù)圖同傳,滿足超低時(shí)延畫面的清晰流暢,提升遠(yuǎn)程作業(yè)效率。
3.2 AI智能化輔助技術(shù)
針對(duì)常規(guī)遠(yuǎn)程操控技術(shù)容易造成駕駛員感知受限安全風(fēng)險(xiǎn)以及作業(yè)效率低等問題,通過結(jié)合AI、AR等技術(shù),研發(fā)出系列智能化功能輔助駕駛員,推動(dòng)智能化設(shè)備從“能動(dòng)能用”走向“實(shí)用好用”,為常態(tài)化運(yùn)行提供技術(shù)保障,主要包括以下4個(gè)方面的技術(shù)應(yīng)用。
(1)人員識(shí)別技術(shù)
基于計(jì)算機(jī)視覺和毫米波雷達(dá),構(gòu)建高精度、高可靠性的監(jiān)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)視覺通過深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練,自動(dòng)學(xué)習(xí)并提取圖像中的行人形狀、大小和紋理等,分類和定位圖像中行人關(guān)鍵特征;毫米波雷達(dá)穿透塵土和低能見度環(huán)境,捕捉人員及機(jī)械運(yùn)動(dòng)信息。通過數(shù)據(jù)融合兩類傳感器的多維數(shù)據(jù),提升識(shí)別精度和穩(wěn)定性,實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)并預(yù)防潛在碰撞,人員識(shí)別技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景如圖4所示。
圖4 人員識(shí)別技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景
(2)鏟斗落點(diǎn)識(shí)別技術(shù)
目前,鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控顯示界面未能有效顯示環(huán)境深度信息,缺乏立體視覺元素,駕駛員難以精準(zhǔn)判斷屏幕上各物體與鏟裝設(shè)備的實(shí)際距離關(guān)系,增加操作難度、安全風(fēng)險(xiǎn)。鏟斗落點(diǎn)識(shí)別技術(shù)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備鏟斗空間位置,并將其垂直落點(diǎn)模擬顯示在主畫面中,為駕駛員精準(zhǔn)定位目標(biāo)位置提供輔助。
利用圖像處理-3D點(diǎn)云融合技術(shù),通過激光雷達(dá)獲取鏟斗及其下方地面信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù),融合主視角攝像頭獲取的彩色畫面信息,經(jīng)過測(cè)量標(biāo)定以及計(jì)算后,通過數(shù)學(xué)模型和算法將激光雷達(dá)坐標(biāo)系下的點(diǎn)轉(zhuǎn)換到主視角相機(jī)坐標(biāo)系下的參數(shù),實(shí)現(xiàn)兩者的精確融合,最終在主畫面中模擬出挖掘機(jī)鏟斗投影在地面的落點(diǎn)位置。
鏟斗落點(diǎn)識(shí)別流程包括數(shù)據(jù)采集、圖像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合,通過計(jì)算模型生成鏟斗落點(diǎn)的實(shí)時(shí)投影。激光雷達(dá)通過發(fā)射激光并接收反射信號(hào)實(shí)時(shí)捕捉鏟斗下方地面及周圍空間的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù);攝像頭提供現(xiàn)場(chǎng)彩色圖像,用于捕捉周圍物體的輪廓和與鏟斗的相對(duì)關(guān)系。通過預(yù)先建立的標(biāo)定參數(shù),系統(tǒng)將激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和攝像頭提供的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合匹配,將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖像中的投影位置。最后經(jīng)過實(shí)時(shí)計(jì)算輸出,系統(tǒng)將鏟斗的落點(diǎn)位置和地面的起伏信息以網(wǎng)格的形式投影到主畫面,實(shí)時(shí)反饋給駕駛員,鏟斗落點(diǎn)識(shí)別技術(shù)使用效果如圖5所示。
圖5 鏟斗落點(diǎn)識(shí)別技術(shù)使用效果
(3)地形側(cè)剖面掃描技術(shù)
通過從側(cè)面觀察并模擬設(shè)備行進(jìn)方向的視點(diǎn),展現(xiàn)出周圍地形的三維結(jié)構(gòu)與高度差異,使駕駛員能夠清晰地洞察到前方的地形狀況以及與障礙物的相對(duì)距離。
利用IMU姿態(tài)傳感器獲取設(shè)備的姿態(tài)信息,根據(jù)姿態(tài)信息將設(shè)備旋轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)角度構(gòu)建側(cè)剖面視角。利用激光雷達(dá)掃描設(shè)備前方地形與障礙物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),根據(jù)虛擬視點(diǎn)渲染技術(shù)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制在圖像上,將設(shè)備的三維位置與目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)映射,通過虛擬相機(jī)的視角生成點(diǎn)云圖像,展示出設(shè)備前方地形的三維結(jié)構(gòu)。
通過IMU姿態(tài)解算來獲得設(shè)備的姿態(tài)信息,即利用慣性測(cè)量單元中的加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)來確定設(shè)備在三維空間中的精確姿態(tài),通過擴(kuò)展卡爾曼濾波器實(shí)時(shí)估算設(shè)備姿態(tài),并修正陀螺儀漂移誤差,保持姿態(tài)估算的高精度。用數(shù)據(jù)融合算法,整合激光雷達(dá)實(shí)時(shí)獲取設(shè)備工作環(huán)境點(diǎn)云數(shù)據(jù)與IMU姿態(tài)數(shù)據(jù),為虛擬視點(diǎn)渲染提供精確的三維空間信息。系統(tǒng)將三維環(huán)境通過透視投影的方式轉(zhuǎn)換為二維圖像,并根據(jù)設(shè)備的姿態(tài)數(shù)據(jù)調(diào)整視角和視圖矩陣,確保實(shí)時(shí)顯示圖像符合實(shí)際操作環(huán)境的視覺效果。為了使視覺效果更直觀,在圖像上繪制水平線以作參考,地形側(cè)剖面掃描技術(shù)使用效果如圖6所示。
圖6 地形側(cè)剖面掃描技術(shù)使用效果
(4)斗齒監(jiān)測(cè)技術(shù)
鏟裝設(shè)備在露天礦山進(jìn)行采掘過程中,鏟斗前端的斗齒易發(fā)生脫齒和斷齒情況,通過斗齒監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確的缺齒報(bào)警,能夠有效避免因斗齒進(jìn)入破碎機(jī)中引發(fā)整條采掘-破碎生產(chǎn)線停工造成的重大經(jīng)濟(jì)損失。
通過圖像-點(diǎn)云融合技術(shù),用相機(jī)和激光雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并提取斗齒的像素和點(diǎn)云數(shù)據(jù),并在像素空間和點(diǎn)云空間進(jìn)行處理,通過訓(xùn)練好的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定斗齒的狀態(tài)信息以判斷斗齒是否存在缺齒情況,并通過多模態(tài)數(shù)據(jù)融合,減少因單一數(shù)據(jù)源引起的誤判。
通過攝像頭獲取斗齒的圖像數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用圖像-點(diǎn)云融合技術(shù)將數(shù)據(jù)融合在同一坐標(biāo)系,結(jié)合相機(jī)信息與雷達(dá)信息,全面判斷斗齒狀態(tài),使用多模態(tài)數(shù)據(jù)融合算法,提取出關(guān)鍵特征信息。同時(shí)通過深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具,利用大量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練,使其學(xué)習(xí)到斗齒的典型特征,例如形狀、長(zhǎng)度、寬度、輪廓等狀態(tài)信息,結(jié)合圖像-點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取關(guān)鍵特征信息后,判斷斗齒狀態(tài)信息(缺齒或完好),并通過閾值設(shè)定觸發(fā)報(bào)警提醒。駕駛員可以通過遠(yuǎn)程操控的畫面反饋,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斗齒的狀態(tài),斗齒監(jiān)測(cè)技術(shù)使用效果如圖7所示。
圖7 斗齒監(jiān)測(cè)技術(shù)使用效果
鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)應(yīng)用效果
升級(jí)后的鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程智控系統(tǒng)已在內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司旗下的元寶山、蒙東礦業(yè)、白音華和錫林河4座露天礦的7臺(tái)電鏟完成實(shí)際應(yīng)用。基于5G網(wǎng)絡(luò)條件,構(gòu)建了遠(yuǎn)控電鏟多源模態(tài)感知的體系,提高了遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,以及電鏟作業(yè)環(huán)境安全保障和遠(yuǎn)程操控效率。
(1)鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程智控技術(shù)應(yīng)用前,依靠人工實(shí)現(xiàn)裝載作業(yè),駕駛員需在強(qiáng)振、高粉塵、極寒或極熱環(huán)境中實(shí)施作業(yè),作業(yè)環(huán)境惡劣;采用4班3倒工作制,每班8h,交接班過程接送人員上下礦耗時(shí)1h/次,按3次/天的換班頻率需通勤耗時(shí)3h/天,有效縮短了工作時(shí)間。
(2)鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程智控技術(shù)應(yīng)用后,駕駛員無需處在惡劣環(huán)境中作業(yè),可通過遠(yuǎn)程操作裝載,改善了工作環(huán)境,提高了作業(yè)安全性;駕駛員無需上下礦,可節(jié)省通勤時(shí)間3h/天,按500元/h裝載成效計(jì)算,單臺(tái)電鏟每年可降本約55萬元,提升了綜合效率并降低了生產(chǎn)成本。
(3)以元寶山露天煤礦為例,自遠(yuǎn)控電鏟和無人礦卡開展常態(tài)化協(xié)同作業(yè)以來,累計(jì)作業(yè)超過13700h,
對(duì)比傳統(tǒng)模式下天氣狀況良好、爆破情況良好等作業(yè)環(huán)境條件理想的運(yùn)行效率基準(zhǔn)值356.6m·(km·h-1),遠(yuǎn)控電鏟+無人礦卡協(xié)同作業(yè)運(yùn)行效率從平均253.5m·(km·h-1)提升到304.9m·(km·h-1),平均由71%提升至85%,最高作業(yè)效率為484.5m·(km·h-1)。
結(jié)語
礦山復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)需求的特殊情況以及現(xiàn)有鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控技術(shù)難點(diǎn),以實(shí)際礦山作業(yè)需求為依托,通過5G、AR、自動(dòng)化等技術(shù),深入優(yōu)化了現(xiàn)有遠(yuǎn)程操控系統(tǒng),鏟裝設(shè)備遠(yuǎn)程智控技術(shù)滿足礦山復(fù)雜工作場(chǎng)景和實(shí)際作業(yè)需求,初步解決了智能化技術(shù)難以實(shí)際作業(yè)以及運(yùn)行效率偏低的問題。實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)備從“能用”到“好用”的升級(jí),解決安全隱患、降低管理成本、提升生產(chǎn)效率。
END
編輯丨李莎
審核丨趙瑞
煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)成立于2015年,擁有科技期刊21種。其中,SCI收錄1種,Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種,是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地,也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。
《智能礦山》
Journal of Intelligent Mine
月刊CN 10-1709/TN,ISSN 2096-9139,聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。
主編:王國法院士
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