露天礦用卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)

楊福卿，趙理想，楊玉坤，陸 翔，周 偉，才慶祥

（1.昆明煤炭設計研究院，云南 昆明 650011；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116）

中國近水平大型露天煤礦主要開采工藝多為單斗-卡車工藝，其中重型卡車運輸事故是露天礦主要事故之一，60%的事故是由于重型卡車的機械問題所導致的[1]。其中由輪胎問題所導致的露天礦運輸生產(chǎn)事故較多，并且事故較為嚴重，影響范圍較廣。由此可見，卡車運輸安全是露天煤礦開采安全保障的重要環(huán)節(jié)之一。輪胎安全運行與節(jié)約成本，保證安全生產(chǎn)密切相關[2]。目前露天礦對輪胎壓力監(jiān)測的方式是定時、定期人工測量，或依據(jù)經(jīng)驗觀測輪胎的變形情況，感性確定輪胎壓力是否符合標準[3]。這些檢測方法需要定期的將車輛行駛至維修廠進行檢測，不利于生產(chǎn)成本的節(jié)約。同時，輪胎的壓力是動態(tài)變化的，隨著負載量、行駛速度、連續(xù)工作時間、氣候、輪胎溫度的變化而變化[4]。露天礦車輛運行時間一般較長，由于長時間的運行，輪胎溫度升高時，胎內(nèi)氣壓會產(chǎn)生一定變化，胎內(nèi)壓力升高，胎溫會越來越高，達到一定溫度時就會有爆胎的危險[5]。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測雖可監(jiān)測輪胎壓力、溫度，并可同時監(jiān)測輪胎物理損壞情況，但僅僅依靠人工表面檢查并不足以確保輪胎始終運行在最佳運行狀態(tài)下[6]。針對現(xiàn)有露天礦用卡車輪胎監(jiān)控問題，開發(fā)1 套輪胎管理和監(jiān)控的自動化軟硬件設備，該套設備可以實現(xiàn)“溫度、壓力、加速度、速度和位置”等信息的實時采集，并在后臺通過采集的數(shù)據(jù)進行露天礦用卡車輪胎安全實時預警，達到對露天礦礦用卡車輪胎的全面監(jiān)控和預警，減少因輪胎所導致的生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)硬件和軟件

1.1 硬件構(gòu)架與功能

露天礦卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)建設的目標是實時監(jiān)測、顯示和存儲輪胎工作參數(shù)，并能對危險情況進行報警，以減少露天礦由于輪胎原因所導致的成本和事故。系統(tǒng)需要實時采集并存儲輪胎狀態(tài)信息；將輪胎狀態(tài)信息顯示給駕駛員和中心管理員；具有報警功能。系統(tǒng)硬件構(gòu)架如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)架

系統(tǒng)包含車載端、數(shù)據(jù)中心、固定應用端和移動應用端4 個部分。所有采集數(shù)據(jù)來自車載端，車輛與地面通信需要采用無線信息傳播的方式，通過無線傳播將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集服務器，數(shù)據(jù)采集服務器通過有線傳播的方式將數(shù)據(jù)傳播至數(shù)據(jù)倉庫。數(shù)據(jù)倉庫為整個企業(yè)提供數(shù)據(jù)服務，所以數(shù)據(jù)倉庫是共用數(shù)據(jù)倉庫。數(shù)據(jù)倉庫在存儲輪胎實時數(shù)據(jù)的同時將該數(shù)據(jù)通過有線傳輸?shù)姆绞綄⑿畔鬏斨凉潭☉媒K端，通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸至移動應用終端，分別在固定終端和移動終端進行數(shù)據(jù)分析和顯示。

1.2 車載設備布設

車載端包含數(shù)據(jù)采集和上傳功能的同時需要將數(shù)據(jù)實時的顯示給駕駛員。由于每個輪胎狀態(tài)不同，并且重型卡車輪胎結(jié)構(gòu)有別于普通汽車，沒有輪胎內(nèi)胎，采取密閉充氣的方式保持輪胎彈性，因此需要對每一個輪胎分別檢測。系統(tǒng)中采用集溫度和壓力一體化的檢測設備，為保證信號穩(wěn)定傳輸，設置車載新詞處理單元，通過車載的信息采集處理單元與輪胎內(nèi)檢測設備無線通訊，實時收集每個輪胎信息。車載智能終端與信息采集處理單元有線通信，將信息通過無線通信傳輸至數(shù)據(jù)采集服務器的同時將信息顯示在顯示器上。車載端設備設置如圖2。

圖2 車載端設備設置

1.3 系統(tǒng)軟件

露天礦用卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)具有5 個模塊，分別是用戶管理、車載設備、輪胎工況、預警分析和車輛工況。用戶管理模塊主要是對登錄系統(tǒng)的用戶進行分類及管理；車載設備模塊主要進行車載設備的登記及管理；輪胎工況模塊根據(jù)采集胎溫、胎壓等信息進行實時統(tǒng)計分析；預警分析模塊根據(jù)實時采集的胎溫、胎壓信息進行安全狀態(tài)預警；車輛工況模塊集車輛軌跡、報警統(tǒng)計及情況展示等功能。

幾個模塊集成于系統(tǒng)管理中心，并與數(shù)據(jù)庫相連，數(shù)據(jù)庫包含數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)督和數(shù)據(jù)標準化等幾個部分，通過幾個部分對進入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行管理。系統(tǒng)管理中心同時與應用端相連，為應用端提供實時數(shù)據(jù)。露天礦用卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)應用端有車載端、固定應用端和移動應用端3 個應用系統(tǒng)。其中車載端和移動端應用是以信息顯示為主，固定端直接集成于系統(tǒng)管理中心。

2 預警流程和預警方法及預警效果

露天礦輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的目的是實時掌握輪胎的狀態(tài)，防止由于輪胎問題所導致的生產(chǎn)事故。因此，露天礦用卡車輪胎安全狀態(tài)預警是該系統(tǒng)的重要功能，該預警功能主要集成于管理中心，管理中心通過與數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交換對采集到的輪胎信息進行安全預警分析，并將預警結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)倉庫進行記錄，然后再將預警信息傳輸至車載端和移動端。

輪胎狀態(tài)的預警主要分為2 個部分，一部分直接根據(jù)系統(tǒng)給出的缺省值判定輪胎壓力或溫度是否存在危險。另一部分的報警是根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行的，但是對當前狀態(tài)的報警表示已經(jīng)發(fā)生了危險情況，發(fā)生危險情況在采取措施會導致無法避免部分事故的發(fā)生。系統(tǒng)在給定預警值判斷的基礎上，基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡構(gòu)建了基于壓力、溫度及其變化速率的輪胎安全狀態(tài)預警方法。系統(tǒng)報警缺省值見表1。

表1 系統(tǒng)報警缺省值

輪胎危險的發(fā)生主要是爆胎和燃燒，與車輛輪胎的溫和胎壓有直接關系。除此之外，車輛輪胎的胎溫和胎壓的變化率對車輛輪胎的危險也具有一定的相關性。及時胎溫和胎壓較低，但是太溫和胎壓變化率維持較高水平則可能輪胎發(fā)生扎胎等危險情況。因此將胎溫、胎壓以及胎溫變化率和胎壓變化率作為輪胎安全預警的輸入數(shù)據(jù)。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡是神經(jīng)網(wǎng)絡中模型的一個重要類別，適用于具有依賴性而且是順序模式的輸入數(shù)據(jù)，可以很好的處理時間序列、信息性字符串等數(shù)據(jù)。這主要是由于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡在設計中傳遞矩陣會受到上一時刻傳遞矩陣的影響，因此循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡對時間維度變化的預測問題較為靈敏[7-8]，輪胎壓力、溫度以及胎溫、胎壓變化率都是隨時間變化的，而且具有時間序列上的連續(xù)性。因此，設計了1 種基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡的輪胎運行狀態(tài)安全判定模型。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡可以對時間序列上發(fā)生的情況進行積累和傳遞，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖3。

由圖3 可見，這個網(wǎng)絡在t 時刻接收到輸入xt之后，隱藏層的值是St，輸出值是Ot。關鍵一點是，Ot的值不僅僅取決于St，還取決于St-1，計算方法：

圖3 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

式中：U 為輸入矩陣；V 為輸出矩陣；W 為傳遞矩陣；g、f 為激活函數(shù)。

隱藏層節(jié)點St的取值采用Xavier 初始值，具體形式為：

式中：n 為隱藏層節(jié)點數(shù)。

g 為激活函數(shù)，具體形式為：

f 為激活函數(shù)，（fx）具體形式為：

卡車輪胎安全預警的參數(shù)主要有輪胎的溫度、壓力、溫度變化速率和壓力變化速率4 個輸入值，輸出值為輪胎安全性。卡車輪胎預警神經(jīng)網(wǎng)絡如圖4。

圖4 卡車輪胎預警神經(jīng)網(wǎng)絡

其中：X1為溫度，℃；X2為溫度變化速度，t/s；X3為壓力，Pa；x4為壓力變化速度，Pa/s。Ot為安全性，為離散值，取值為1、2、3，設置安全性有3 個等級分別是無風險，危險提醒，危險報警，3 個級別。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層節(jié)點經(jīng)驗公式計算，隱含層節(jié)點數(shù)為4，A1、A2、A3、A4為隱含層節(jié)點。

在預警模塊中構(gòu)建基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡的輪胎安全狀態(tài)預警模型。通過采集到的1 000 組歷史數(shù)據(jù)對該模型進行訓練，其中后200 組數(shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù)進行模型驗證。預警模型結(jié)果與真實值對比如圖5。在圖5 中：深色點是真實的判斷結(jié)果，淺色點表示判斷錯的點。200 組數(shù)據(jù)共有19 組數(shù)據(jù)預測錯誤，準確率91%，具有較好的預測能力。

圖5 預警模型結(jié)果與真實值對比

4 結(jié)語

通過露天礦用卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設計，不僅實現(xiàn)了露天礦用卡車輪胎的實時監(jiān)控，而且實現(xiàn)了通過監(jiān)控數(shù)據(jù)對輪胎狀況的預警，使露天礦卡車工作更加安全。采用卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)可以實時遠程監(jiān)控車輛輪胎的狀態(tài)，并將該數(shù)據(jù)傳送至駕駛員處。在指導駕駛員安全行駛的同時可以通過預測方法對車輛輪胎的安全進行預警?？ㄜ囕喬ケO(jiān)控系統(tǒng)的應用可實現(xiàn)對卡車輪胎狀態(tài)高效、實時的監(jiān)控，同時節(jié)省大量的車輛檢查時間進而提高了設備的利用率，并且輪胎安全預警模塊可有效減少輪胎危險狀態(tài)的發(fā)生，進而減少由于輪胎所導致的生產(chǎn)事故，為露天礦安全生產(chǎn)提供有力保障。