煤化工廠煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

譚興富 鄔金亮 徐虎彪

摘 要 提出基于多傳感器的煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。基于多傳感器的組成結(jié)構(gòu)及自身優(yōu)勢(shì)，將其安裝到洗選機(jī)械設(shè)備中，通過多傳感器獲取不同環(huán)境下的設(shè)備運(yùn)行信號(hào)，再將信號(hào)輸送到建立的設(shè)備信號(hào)采集模型中，完成對(duì)煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化的記錄及分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行信號(hào)采集；構(gòu)建特征分析模型提取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征，再通過增量式學(xué)習(xí)機(jī)制對(duì)設(shè)備運(yùn)行特征數(shù)據(jù)集開展動(dòng)態(tài)聚類，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)辨識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用筆者所提方法進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，其結(jié)果假陽率低、真陽率高，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞 多傳感器 煤炭洗選機(jī)械 狀態(tài)監(jiān)測(cè) 特征提取 采集模型 動(dòng)態(tài)聚類

中圖分類號(hào) TP212? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A? ?文章編號(hào) 1000?3932（2024）01?0128?05

近年來，煤礦資源開采智能化已成為我國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新戰(zhàn)略［1，2］。煤礦領(lǐng)域通常使用煤炭洗選機(jī)械設(shè)備對(duì)煤炭洗選進(jìn)行加工，它不僅可以有效提升煤礦資源利用率，同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)也有重要作用，可見煤炭洗選機(jī)械設(shè)備的智能化程度是反映煤炭加工設(shè)備智能化趨勢(shì)的重要指標(biāo)［3］。隨著對(duì)高質(zhì)量煤炭需求的日漸增多，煤炭洗選加工率超過50%，導(dǎo)致煤炭洗選機(jī)械設(shè)備的使用頻率逐漸增高。在這種高頻率使用下，煤炭洗選機(jī)械設(shè)備極易出現(xiàn)運(yùn)行故障等多種問題，為此需對(duì)煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

研究學(xué)者們對(duì)煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了諸多研究。文獻(xiàn)［4］以大數(shù)據(jù)技術(shù)為主，結(jié)合大數(shù)據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)，建立了一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)［5］針對(duì)煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)效性差的問題，將系統(tǒng)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了能量采集模塊、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)模塊，每個(gè)模塊所具備的功能不同，如能量采集模塊主要對(duì)煤炭洗選機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)能量進(jìn)行采集，并將采集的能量供給設(shè)備電路，達(dá)到節(jié)省電能的目的。文獻(xiàn)［6］對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)開展了詳細(xì)分析，提出了一種設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端，利用監(jiān)測(cè)終端對(duì)設(shè)備中的環(huán)境溫度、電路電流等實(shí)施監(jiān)測(cè)和測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果輸入到物聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信，最后依據(jù)接收的通信數(shù)據(jù)信息完成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

然而，隨著煤炭洗選機(jī)械設(shè)備復(fù)雜程度的不斷遞增，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征數(shù)據(jù)也越來越復(fù)雜，導(dǎo)致目前的研究方法存在監(jiān)測(cè)可靠性低的問題。為此，筆者提出一種基于多傳感器的煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。

1 基于多傳感器的煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

1.1 基于多傳感器的煤炭洗選機(jī)械設(shè)備

1.1.1 多傳感器組成

多傳感器［7］主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基礎(chǔ)電路3部分組成，具有將外界信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，它可以對(duì)機(jī)械設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行采集和監(jiān)控，也可以進(jìn)行傳輸和處理。由于煤炭洗選機(jī)械設(shè)備的電信號(hào)極易被放大、濾波、存儲(chǔ)，所以需要將多傳感器安裝到設(shè)備中，并將其與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，以便采集設(shè)備信息數(shù)據(jù)。

1.1.2 多傳感器安裝

多傳感器在設(shè)備中的安裝位置會(huì)對(duì)信號(hào)的獲取產(chǎn)生較大影響，所以需要作出以下設(shè)置：

a. 任意選擇一個(gè)煤炭洗選機(jī)械設(shè)備，并將該設(shè)備作為新設(shè)備；

b. 將多傳感器中的振動(dòng)傳感器和聲發(fā)射傳感器安裝在設(shè)備中間，從而利用振動(dòng)傳感器獲取機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)方向，利用聲發(fā)射傳感器對(duì)設(shè)備的距離進(jìn)行檢測(cè)；≥

c. 采用機(jī)械設(shè)備反復(fù)進(jìn)行洗選工藝操作，利用多傳感器獲取設(shè)備中的信號(hào)。

1.2 構(gòu)建煤炭洗選機(jī)械設(shè)備信號(hào)采集模型

多傳感器安裝完畢后，可以獲取不同方向、不同距離的設(shè)備運(yùn)行信息，并以此建立信號(hào)采集模型（圖1）［8，9］。將獲取的信息數(shù)據(jù)輸送到模型中，利用模型對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的任何運(yùn)行狀態(tài)變化情況進(jìn)行記錄和分析，從而實(shí)現(xiàn)煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行信號(hào)的采集。

圖1中，t軸表示監(jiān)測(cè)時(shí)間；x軸表示信號(hào)采集維數(shù)，維數(shù)決定設(shè)備的特征提取能力；y軸表示煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在t時(shí)刻，利用該模型采集到的x維設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)可記錄為（x，y，t）。

根據(jù)圖1模型對(duì)煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行記錄，即可完成運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)采集。

2 煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

2.1 運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)特征提取

基于多傳感器，完成煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集后［10］，根據(jù)建立的特征分析模型即可提取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征。特征分析模型表達(dá)式為：

C（m，n）=cum{x（t），x（t），x（t），x（t）｝，m≥0，n≤p-1（1）

其中，C（m，n）為動(dòng)態(tài)特征量，cum為累積量，x（t）為狀態(tài)信號(hào)值，x（t）為監(jiān)測(cè)信號(hào)值，p為動(dòng)態(tài)特征總維度。

基于多目標(biāo)檢測(cè)方法［11，12］對(duì)煤炭洗選機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，再利用該模型對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的動(dòng)態(tài)特征分析，從而取得煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析的均勻譜。

依據(jù)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)特征［13，14］，完成設(shè)備的非平衡數(shù)據(jù)多目標(biāo)檢測(cè)，從中取得設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)維形態(tài)檢測(cè)輸出參數(shù)，相關(guān)方程為：

其中，Φ、Ω、Λ為設(shè)備的運(yùn)維形態(tài)檢測(cè)參數(shù)，diag［·］為對(duì)角矩陣，e為矩陣參數(shù)，γ為運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)值，L為維數(shù)，w為特征估計(jì)量。

設(shè)置煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)維形態(tài)分布矩陣為T，從中提取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征量后即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征的提取。

2.2 基于增量式學(xué)習(xí)的煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

基于提取的煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行特征向量，建立特征集合，再采用增量式學(xué)習(xí)機(jī)制對(duì)設(shè)備運(yùn)行特征數(shù)據(jù)集開展動(dòng)態(tài)聚類［15，16］，從而實(shí)現(xiàn)煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

特征集合狀態(tài)不同，與之對(duì)應(yīng)的流形結(jié)構(gòu)也不相同。為提升聚類結(jié)果的準(zhǔn)確性，在特征集合中隨機(jī)選取若干特征數(shù)據(jù)建立訓(xùn)練樣本集，使用LSTM算法對(duì)樣本實(shí)施維數(shù)約簡(jiǎn)［17，18］，并將訓(xùn)練樣本集在低維嵌入空間中的中心點(diǎn)坐標(biāo)用作機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)依據(jù)。

筆者采用增量式學(xué)習(xí)方法對(duì)特征集合中的訓(xùn)練樣本點(diǎn)開展動(dòng)態(tài)聚類，其具體流程如下：

a. 在每一類特征集合訓(xùn)練樣本中加入一個(gè)低維坐標(biāo)作為標(biāo)記，并采用平均歐式距離計(jì)算獲取樣本聚類中心坐標(biāo)點(diǎn)；

b. 若出現(xiàn)新增的樣本點(diǎn)，則需要采用LTSA算法計(jì)算其相應(yīng)的低維坐標(biāo)，并及時(shí)更新流形結(jié)構(gòu)。

LTSA算法的計(jì)算步驟為：

a. 設(shè)特征數(shù)據(jù)中的新增樣本點(diǎn)為r（N代表樣本點(diǎn)數(shù)量），以k近鄰規(guī)則對(duì)鄰域矩陣更新；

b. 采用奇異值分解方法對(duì)更新后的矩陣實(shí)施分解處理，取得設(shè)備的局部幾何坐標(biāo)，再利用LTSA算法建立新的矩陣；

c. 通過Rayleigh?Ritz子空間對(duì)矩陣中的特征向量不斷更新計(jì)算，其最終更新結(jié)果就是機(jī)械設(shè)備的全局坐標(biāo)映射。

根據(jù)以上操作流程，對(duì)中心點(diǎn)坐標(biāo)與低維坐標(biāo)距離進(jìn)行計(jì)算，按照距離相似度準(zhǔn)則判斷煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)類別［19］。相似度測(cè)度函數(shù)表達(dá)式如下：

其中，C為中心點(diǎn)向量坐標(biāo)，t為嵌入坐標(biāo)，β為樣本點(diǎn)的歐氏距離，d為距離。

基于增量式學(xué)習(xí)的煤炭洗選機(jī)械設(shè)備特征數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)的動(dòng)態(tài)聚類流程如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證基于多傳感器的煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的整體有效性，需要對(duì)該方法開展對(duì)比測(cè)試。

選取一款煤炭洗選機(jī)械設(shè)備作為本次實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，如圖3所示。

除了測(cè)試目標(biāo)外，傳感器附近其他金屬物的

存在以及不適當(dāng)?shù)陌惭b位置，將有礙于正確測(cè)試。目前，主流的3種傳感器安裝方式及其安裝效果如圖4所示。由于安裝方式1沒有角度遮擋死區(qū)，故筆者選擇圖4中的安裝方式1安裝傳感器。

對(duì)煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)假陰性及假陽性兩種虛假結(jié)果。假陰性表示將監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行正常狀態(tài)判定為異常狀態(tài)；假陽性表示將監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行異常狀態(tài)判定為正常狀態(tài)。其中假陽性對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性影響較大，極易隱藏安全隱患，為此需對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確判別。采用假陽率作為衡量指標(biāo)，其計(jì)算式如下：

其中，F(xiàn)為假陽率，T為真陽率，n為異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)判定為正常狀態(tài)，n為異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)判定為異常狀態(tài)，n為正常狀態(tài)監(jiān)測(cè)判定為正常狀態(tài)，n為正常狀態(tài)監(jiān)測(cè)判定為異常狀態(tài)。

方案一為筆者所提方法，方案二采用文獻(xiàn)［4］方法，所得煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

由圖5a可知，方案二假陽率較高，采用方案一后假陽率明顯下降，可見方案一所得監(jiān)測(cè)結(jié)果更加可靠。圖5b中，方案二所得結(jié)果的真陽率較低，說明方案二的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度不佳；采用方案一后，真陽率顯著提升，可見方案一的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度更高。這是因?yàn)榉桨敢徊捎迷隽渴綄W(xué)習(xí)機(jī)制對(duì)提取的設(shè)備運(yùn)行特征數(shù)據(jù)集實(shí)施了動(dòng)態(tài)聚類，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的辨識(shí)，以此提升了整體監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率，使得方案一對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)具備更高的可靠性。

煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)維形態(tài)譜峰及譜密度的維數(shù)決定著設(shè)備運(yùn)行特征提取能力，維數(shù)低，說明特征提取能力不足，維數(shù)高，則極易出現(xiàn)擬合問題，所以為了驗(yàn)證設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)特征提取效果，設(shè)置設(shè)備運(yùn)維形態(tài)最佳譜峰及譜密度的維數(shù)為30，采用方案一和方案二對(duì)運(yùn)維形態(tài)維數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將結(jié)果與設(shè)置的最佳維數(shù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證筆者所提方法的可靠性，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯谡w測(cè)試中，方案二所得結(jié)果與最佳維數(shù)相差較大，而方案一結(jié)果基本與設(shè)定值一致，誤差較小且均在允許范圍內(nèi)，可忽略不計(jì)?？梢?，采用筆者所提方法后，煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的特征提取能力得到了提升、特征提取效果變好。

提取結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語

煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)效果的不佳會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障，影響整體運(yùn)行效果，針對(duì)這一問題，提出基于多傳感器的煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。該方法將多傳感器安裝到煤礦洗選設(shè)備中，結(jié)合建立的信號(hào)采集模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信號(hào)采集?；诓杉Y(jié)果，提取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征，再利用增量式學(xué)習(xí)機(jī)制對(duì)提取的特征數(shù)據(jù)集開展動(dòng)態(tài)聚類，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用筆者所提方法后，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)具備更高的可靠性和準(zhǔn)確性，煤炭洗選機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的特征提取能力得到了提升、特征提取效果變好。

參 考 文 獻(xiàn)

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