煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

柴 曉 凡

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)晉城有限公司，山西 晉城048000）

0 引 言

當(dāng)前我國科技水平正處于新的發(fā)展階段，各種自動化、智能化的設(shè)備已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。由于煤礦生產(chǎn)的特殊性、復(fù)雜性和危險性，導(dǎo)致煤礦行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平長期落后于其他行業(yè)，隨著科技的發(fā)展，智能化技術(shù)日益深入人心，煤礦智能化開采被專家和學(xué)者作為未來煤礦的發(fā)展目標(biāo)而提出[3]。煤礦開采過程中機(jī)電設(shè)備的重要性不言而喻，智能化煤礦更需要實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的智能化?？梢?，研究煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化管理關(guān)鍵技術(shù)，對于早日實現(xiàn)煤礦智能化開采意義重大[4-5]。

1 智能化礦山的概念

1.1 智能化礦山的定義及內(nèi)涵

智能化礦山是基于信息化技術(shù)、礦山開采技術(shù)、遙感技術(shù)等學(xué)科融合形成的高度智能化的系統(tǒng)。智能化礦山可分為三個階段，第一階段是實現(xiàn)礦山生產(chǎn)的數(shù)字化，是運(yùn)用傳感器、計算機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備和技術(shù)，使煤礦生產(chǎn)的信息以數(shù)字化的形式直觀的呈現(xiàn)在人們眼前；第二階段是實現(xiàn)礦山生產(chǎn)的虛擬化，是將礦山實時的場景以虛擬的動畫和圖片顯示出來，更有助于對生產(chǎn)狀況的了解；第三階段是實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控開采，該階段可實現(xiàn)礦山無人化工作，技術(shù)人員只需在室內(nèi)操作計算機(jī)系統(tǒng)，便可完成一系列的生產(chǎn)流程。智能化礦山利用人工智能實現(xiàn)智能化的感知、學(xué)習(xí)、決策和執(zhí)行，在開采過程中，通過智能化系統(tǒng)分析、計算不同的工藝流程的開采技術(shù)參數(shù)，并進(jìn)行分析決策，使開采資源得到最優(yōu)化的配置，實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的協(xié)同開采，達(dá)到節(jié)能減排、安全高效及綠色開采的目標(biāo)。智慧礦山是以礦山的數(shù)字化為基礎(chǔ)構(gòu)建的，其技術(shù)特征如圖1 所示。

圖1 智慧礦山技術(shù)特征

1.2 智能煤礦的構(gòu)成

煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)錯綜復(fù)雜，智慧煤礦涉及多達(dá)90多個子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)可分為3 大類：

1）智能化生產(chǎn)系統(tǒng)。智能化生產(chǎn)系統(tǒng)包含主生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化和輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化，主生產(chǎn)系統(tǒng)智能化是指采掘工作面的智能化，實現(xiàn)以遠(yuǎn)程遙控為目標(biāo)的無人采掘工作面，輔助生產(chǎn)系統(tǒng)智能化包含遠(yuǎn)程遙控智能化運(yùn)輸系統(tǒng)，智能化通風(fēng)、排水、供電、提升系統(tǒng)等。

2）智能化安全管理體系。安全是煤礦生產(chǎn)的重中之重，安全不能得到保障則談不上智能化生產(chǎn)。因此，智能化煤礦的重要組成部分之一便是智能化安全管理體系，智能化安全管理體系可通過計算機(jī)集成系統(tǒng)實現(xiàn)井下危險源的辨識、監(jiān)測、報警和處置，并在出現(xiàn)危險源預(yù)警時，設(shè)計出最優(yōu)的避災(zāi)路線，實時發(fā)送給井下工作人員。智能化安全管理體系包含智能化防滅火系統(tǒng)、智能化監(jiān)控系統(tǒng)、智能化人員和設(shè)備定位系統(tǒng)等。

3）智能化后勤保障體系。智能化后勤保障體系包含礦井設(shè)計和開采時的地質(zhì)勘探、測量、通風(fēng)、排水等信息化的技術(shù)性后勤保障，也包含辦公、生活和考勤系統(tǒng)的智能化。

智能化煤礦是一個美好的愿景，也是一個逐步實現(xiàn)的過程，需要經(jīng)歷不同的階段，未來智能化煤礦的應(yīng)用，可從根本上改變煤礦工人的勞作方式，達(dá)到安全和環(huán)保的生產(chǎn)目標(biāo)，智能化煤礦的情景邏輯如圖2所示。

圖2 智能化煤礦情景邏輯

2 煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化關(guān)鍵技術(shù)

智能化礦山與數(shù)字化礦山的不同之處在于智能化礦山綜合運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù)，這些技術(shù)是構(gòu)成智能化礦山的關(guān)鍵和技術(shù)架構(gòu)，礦山的智能化程度直接受這些技術(shù)的影響和制約，煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化管理也是如此。

2.1 基于互聯(lián)網(wǎng)+的物聯(lián)網(wǎng)平臺

智能化礦山數(shù)據(jù)的傳輸和采集需要通過基于互聯(lián)網(wǎng)+的物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)，基于互聯(lián)網(wǎng)+的物聯(lián)網(wǎng)平臺使煤礦生產(chǎn)信息及時傳輸和交換，對智能化煤礦的穩(wěn)定可靠具有重要影響。同時物聯(lián)網(wǎng)需具備綜合協(xié)同功能，將不同子系統(tǒng)的生產(chǎn)信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理，并協(xié)調(diào)各生產(chǎn)工藝之間的關(guān)系，對危險區(qū)域進(jìn)行預(yù)測預(yù)警，并實時傳遞至井下作業(yè)面，保證作業(yè)人員安全。

2.2 大數(shù)據(jù)處理及人工智能技術(shù)

由于煤礦開采時作業(yè)空間狹小、作業(yè)設(shè)備多、危險因素多，煤礦生產(chǎn)過程中可產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這就給數(shù)據(jù)的管理和分析帶來了一定的挑戰(zhàn)。因此，智能化煤礦需采用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，來發(fā)現(xiàn)危險和指導(dǎo)生產(chǎn)。例如，采煤工作面產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包含，采煤機(jī)的運(yùn)行速度、傾角、截割阻力，刮板輸送機(jī)的鏈條張拉力、運(yùn)輸速度，液壓支架的支護(hù)阻力、移架順序等，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)便可將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化的分析，判斷有無異常。人工智能技術(shù)的應(yīng)用使大數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，并分析數(shù)據(jù)結(jié)果，做出最優(yōu)決策，以友好的圖像、圖表等呈現(xiàn)給決策者，對數(shù)據(jù)的挖掘和處理更加智能和便捷。

2.3 云計算技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理及人工智能技術(shù)將煤礦的生產(chǎn)數(shù)據(jù)連接起來，并進(jìn)行處理和分析，然而科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要與時俱進(jìn)，若一直沿用某幾種固定的計算模型，可導(dǎo)致生產(chǎn)技術(shù)逐步落后，達(dá)不到智能化生產(chǎn)目標(biāo)。同時，煤礦的智能化生產(chǎn)也可利用其他煤礦的數(shù)據(jù)和資源進(jìn)行類似分析，云計算技術(shù)便提供了云端的海量數(shù)據(jù)和最優(yōu)、最新的計算模型。云計算技術(shù)可使煤礦數(shù)據(jù)與云端先進(jìn)的計算模型和方法相結(jié)合，實現(xiàn)智能化煤礦多維數(shù)據(jù)的高能力計算和分析。

3 礦井機(jī)電設(shè)備健康智能化管理系統(tǒng)

3.1 機(jī)電設(shè)備健康智能化管理系統(tǒng)的構(gòu)成

煤礦機(jī)電設(shè)備的智能化主要標(biāo)志之一是建立機(jī)電設(shè)備健康智能管理系統(tǒng)，機(jī)電設(shè)備的健康預(yù)測與管理最早應(yīng)用在軍工、航天等領(lǐng)域。目前，在煤礦中的應(yīng)用還處于初級階段，主要對一些簡單的設(shè)備進(jìn)行智能化健康管理，智能化健康管理涉及到機(jī)電設(shè)備的全生命周期。智能化健康管理的流程包括：機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的智能化采集、健康檔案的建立、健康預(yù)測和健康恢復(fù)等。如圖3 所示，煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化管理系統(tǒng)由本地監(jiān)測終端和井上調(diào)度中心兩大部分組成，本地監(jiān)測終端通過傳感器對機(jī)電設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，井上調(diào)度中心則對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析和處理，進(jìn)行健康評估，并給出維修、維護(hù)方案。

圖3 煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化管理系統(tǒng)

3.2 煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化診斷

由煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化管理系統(tǒng)的構(gòu)成可知，本地監(jiān)測終端擔(dān)負(fù)著機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，數(shù)據(jù)采集是否可靠有效，直接決定智能化健康管理系統(tǒng)能否可起到應(yīng)有的作用。如對于旋轉(zhuǎn)類機(jī)電設(shè)備其故障主要來源于軸承、電機(jī)等部位，而對于控制系統(tǒng)其故障主要集中于液壓閥、傳感系統(tǒng)等。因此，在這些重要部位布置傳感器采集這類元件的數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)經(jīng)智能化模型和關(guān)聯(lián)矩陣處理分析，進(jìn)行故障診斷和識別。煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化診斷系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化診斷系統(tǒng)

3.3 煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化維修決策數(shù)據(jù)庫

在煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化診斷的基礎(chǔ)上，對機(jī)電設(shè)備的健康表征和健康狀況進(jìn)行劃分，建立機(jī)電設(shè)備健康數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建健康標(biāo)尺。如圖5 所示，煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化決策數(shù)據(jù)庫包括，設(shè)計階段的固化維修維護(hù)模型、使用階段的調(diào)整維修策略及專家數(shù)據(jù)庫。智能化數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建可實現(xiàn)煤礦機(jī)電設(shè)備全壽命周期的健康管理與預(yù)測，并給出最優(yōu)的維修方案，實現(xiàn)煤礦機(jī)電設(shè)備的智能化健康管理。

圖5 煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化維修決策數(shù)據(jù)庫

4 結(jié) 論

1）給出了智慧礦山的定義和內(nèi)涵，指出智慧礦山的三大組成部分即：智能生產(chǎn)系統(tǒng)、智能化安全管理體系、智能化后勤保障體系。

2）總結(jié)了實現(xiàn)煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化管理的關(guān)鍵技術(shù)，從機(jī)電設(shè)備健康智能化管理系統(tǒng)的構(gòu)成、煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化診斷和煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化維修決策數(shù)據(jù)庫的建立等，對煤礦機(jī)電設(shè)備健康智能化管理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。