基于數(shù)據(jù)挖掘的準(zhǔn)能露天煤礦礦用運輸卡車工況監(jiān)控系統(tǒng)

范永維，額爾德木吐，焦曉亮，莫祥倫

（1.神華準(zhǔn)能集團公司 科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300；2.神華準(zhǔn)能集團公司 信息中心，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

伴隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，信息技術(shù)對人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大的影響。信息技術(shù)在露天礦開采中同樣有較為廣泛的應(yīng)用。露天煤礦4個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)分別是：穿爆、采裝、運輸、排卸，其中運輸?shù)闹饕蝿?wù)是將地表非礦物巖土運送到排土場，以及將露天煤礦采出的原煤運送到選礦廠2部分，并且運輸成本在開采成本中占比較大，由此可見運輸是露天煤礦開采中的重要環(huán)節(jié)，對露天煤礦運輸系統(tǒng)的監(jiān)管尤為重要[1]。

露天煤礦運輸系統(tǒng)的監(jiān)控主要是礦用運輸車輛的監(jiān)控。礦用運輸車輛的監(jiān)控的目的一方面是為了保障安全生產(chǎn)，特別是輪胎安全[2]；另一方面可以通過運輸車輛的監(jiān)控減少燃油的非正常消耗[3]。過去對露天礦運輸系統(tǒng)的監(jiān)管主要通過人員巡查的方式，這種方式監(jiān)管效率低下，且需有大量的監(jiān)管人員參與其中，人力成本巨大[4]。在信息技術(shù)成熟的背景下，采用信息技術(shù)進(jìn)行露天煤礦運輸系統(tǒng)的監(jiān)管可以達(dá)到全天候、所有工作車輛的全覆蓋監(jiān)管，大大提高了監(jiān)管效率，并節(jié)省人力成本。并且在信息技術(shù)支持下的露天煤礦運輸監(jiān)管系統(tǒng)可以采集到大量的運輸車輛工況數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘可有效指導(dǎo)露天礦車輛運行，進(jìn)一步提高露天煤礦運輸系統(tǒng)的安全性，并有效降低露天煤礦運輸系統(tǒng)的能源消耗[5]。

1 系統(tǒng)需求分析

露天煤礦礦用卡車監(jiān)控系統(tǒng)的目的是為了保障安全生產(chǎn)、降低能耗，為露天煤礦運輸系統(tǒng)的工作人員提供實時的信息顯示，并且為管理人員提供監(jiān)控信息和決策支持。

礦用運輸車輛工況監(jiān)控內(nèi)容主要有3個方面。首先要監(jiān)控的是車輛基本狀態(tài)如，速度、載重及位置信息;其次在露天開采運輸中，輪胎安全運行與節(jié)約成本，保證安全生產(chǎn)密切相關(guān),露天煤礦礦用卡車多采用220 t級別的卡車，而且礦用運輸車輛常年往返于巖土所構(gòu)成的礦區(qū)道路，由于工作時間長，在溫度較高和有精銳巖石扎入輪胎的情況下極易發(fā)生爆胎事故,卡車輪胎監(jiān)測，可以確保輪胎運行在最佳的工況環(huán)境下，延長輪胎壽命，提高輪胎維修效率，提高車輛出動率，節(jié)約維護(hù)成本；最后露天礦偷油、漏油、計量不準(zhǔn)確（跑、冒、滴、漏）等現(xiàn)象頻繁，造成燃油大量的非生產(chǎn)消耗，燃油成本居高不下，甚至影響正常生產(chǎn)經(jīng)營，燃油作為消耗性成本具有消耗后不可追溯再現(xiàn)的特點，燃油管理時效性較強。通過上述分析可將露天煤礦礦用卡車的監(jiān)控分為3個子系統(tǒng)：①礦用運輸車輛的基本工作狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)；②礦用卡車輪胎監(jiān)控子系統(tǒng)；③礦用卡車的燃油監(jiān)控子系統(tǒng)。

露天煤礦卡車工況監(jiān)控系統(tǒng)的使用者有終端卡車司機和管理人員2類。終端卡車司機需要全方面的了解本車的工作狀態(tài)，以便實時的進(jìn)行工作調(diào)整。另一方面管理人員需要實時監(jiān)控所有工作車輛的工作狀態(tài)，并且根據(jù)實時的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行工作指導(dǎo)。由此可見，卡車終端需要有供司機參考的實時信息顯示系統(tǒng)，并且中心管理部門需要有相應(yīng)的管理平臺。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

準(zhǔn)能集團卡車工況系統(tǒng)構(gòu)架如圖1，整個露天礦礦用卡車工況監(jiān)控系統(tǒng)主要由7個子系統(tǒng)構(gòu)成。其中車載數(shù)據(jù)終端、基本車況監(jiān)控子系統(tǒng)、輪胎監(jiān)控子系統(tǒng)和燃油監(jiān)控子系統(tǒng)依附于礦用卡車上，管理平臺和數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)依附于管理中心硬件設(shè)備，并通過通信系統(tǒng)將2部分連接起來。

1）基本車況監(jiān)控子系統(tǒng)。主要采集車輛自身的基本工作信息，信息采集的內(nèi)容主要有行車速度、載重量、發(fā)動機、剎車系統(tǒng)等信息，此類信息主要來自于車輛自身的采集，通過車輛電器系統(tǒng)獲取該類信息，并將該類信息導(dǎo)入車載終端。

2）燃油監(jiān)控子系統(tǒng)。主要是監(jiān)測卡車油箱的耗油情況。該系統(tǒng)主要由安裝在油箱內(nèi)部安裝液位計以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。通過液位計實時采集油箱內(nèi)部的燃油消耗情況，并通過有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄⒃撔畔魉椭淋囕d終端。

圖1 準(zhǔn)能集團卡車工況系統(tǒng)構(gòu)架

3）輪胎監(jiān)控子系統(tǒng)。主要目的是監(jiān)控輪胎內(nèi)部的壓力和溫度情況。該系統(tǒng)通過安裝在輪胎內(nèi)部的壓力和溫度傳感器采集輪胎內(nèi)部的壓力和溫度信息，該裝置通過橡膠膠粘在內(nèi)胎內(nèi)壁，并通過無線傳輸?shù)姆绞綄⑿盘杺鞒鰜怼Ｓ捎谳喬ケ谳^厚，需要近距離設(shè)置無線接收設(shè)備，所以在每個輪胎軸則分別安裝1個無線采集終端，并通過有線的方式傳輸至車載終端。

4）車載終端。車載終端的主要功能是集成上述3個子系統(tǒng)所采集的信息顯示給駕駛員，并且將該信息傳輸至管理中心，并接受來自管理中心信息。車載終端主要由車載顯示終端和傳輸天線構(gòu)成。

5）管理平臺。管理平臺是包含數(shù)據(jù)庫的信息中心，該中心將采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并顯示，將信息實時的存入數(shù)據(jù)庫之中，方便管理人員統(tǒng)計檢查，并將決策信息傳輸至車載終端，同時與數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)相連。

6）數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)。主要為運輸系統(tǒng)提供決策支持，通過實時分析獲取的車輛工況信息，獲得安全情況和生產(chǎn)情況回應(yīng)，通過與管理平臺聯(lián)動指導(dǎo)運輸車輛工作。

3 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘是否有目標(biāo)分為有目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘和無目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘2種，有目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘是通過設(shè)置挖掘目標(biāo)，通過采用一定的挖掘方法獲得挖掘結(jié)果；而無目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘是通過分析多條數(shù)項，尋找數(shù)據(jù)項之間關(guān)聯(lián)[6]。在露天煤礦礦用卡車工況監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)要以有目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘為主，通過設(shè)置安全等目標(biāo)進(jìn)行定向數(shù)據(jù)挖掘，并且輔以無目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘，挖掘礦用卡車工況數(shù)據(jù)項之間的內(nèi)在聯(lián)系，指導(dǎo)運輸系統(tǒng)工作。

輪胎安全運行是露天煤礦礦用卡車工作的前提，由于露天煤礦礦用卡車載重巨大，對輪胎的性能要求也較高，如果一旦出現(xiàn)了輪胎爆炸等事故發(fā)生會對造成重大的安全生產(chǎn)事故。胎溫胎壓的監(jiān)測可以實時獲取輪胎的工作參數(shù)，推斷輪胎工作狀況。目前，輪胎安全工作的保障是通過設(shè)置輪胎工作的安全限值，一旦輪胎工作指標(biāo)超過該值即時停止輪胎工作[7-8]。但是該種方法容易造成車輛將車輛停留在運輸路途中，影響正常運輸系統(tǒng)，并且也不利于維修人員的維修工作。為數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)設(shè)計一種輪胎安全預(yù)測數(shù)據(jù)挖掘方法，在輪胎參數(shù)超過限值之前將其行駛到修理中心。

在輪胎工作過程中，輪胎的參數(shù)由正常到超出限值的狀態(tài)的變化過程中有1個相對固定的理化過程，可由相關(guān)參數(shù)的時間序列變化推測出未來輪胎的安全狀態(tài)。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好解決具有時間維度變化的預(yù)測問題，設(shè)計了一種基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輪胎運行狀態(tài)安全判定模型[9-10]。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對時間序列上發(fā)生的情況進(jìn)行積累和傳遞?？ㄜ囕喬グ踩A(yù)警的參數(shù)主要有輪胎的溫度和壓力2個值，那么設(shè)定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值層為溫度和壓強，輸出層為輪胎安全性，并且設(shè)計隱藏層為1,節(jié)點為4，卡車輪胎安全循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖2。其中x1為時間、x2為車速、x3為載重、x4為溫度，x5為壓強，x6為油耗。s為安全性，設(shè)置安全性有4個等級分別是無風(fēng)險，低風(fēng)險，高風(fēng)險，危險4個級別。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點經(jīng)驗公式計算，隱含層節(jié)點數(shù)為 5，A1、A2、A3、A4、A5為隱含層節(jié)點。

圖2 卡車輪胎安全循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

采用c++進(jìn)行編程建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在獲取數(shù)據(jù)中選取10 000條數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，輸入到建立的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中并進(jìn)行訓(xùn)練。通過訓(xùn)練獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并輸入1 d單一輪胎工作數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證,從試驗結(jié)果看，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率在81.2%，并且對于危險的預(yù)警更為準(zhǔn)確，并且將真實危險的范圍有效覆蓋，確保了危險情況的及時應(yīng)對。在無風(fēng)險、高風(fēng)險和低風(fēng)險上的預(yù)測精度相似。

4 結(jié)語

露天煤礦礦用卡車工況監(jiān)控系統(tǒng)是露天煤礦信息化的重要組成部分，是聯(lián)系生產(chǎn)一線與管理部門的有效手段。準(zhǔn)能集團露天礦礦用卡車監(jiān)控系統(tǒng)主要由硬件平臺和各系統(tǒng)2大部分構(gòu)成，其中特別增加了數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)通過設(shè)置不同的數(shù)據(jù)挖掘算法，充分使用已獲得的卡車工況數(shù)據(jù)，為露天礦運輸系統(tǒng)管理者的決策提供有效的數(shù)據(jù)保障和支持。該系統(tǒng)在準(zhǔn)煤集團建設(shè)并已經(jīng)進(jìn)入設(shè)備調(diào)試階段，目前系統(tǒng)工作穩(wěn)定，使用效果良好。