褐煤煤質(zhì)參數(shù)在線實時檢測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究

［摘 要］文章針對目前褐煤煤質(zhì)參數(shù)檢測技術(shù)存在的延時高、實時性低等問題，設(shè)計和應(yīng)用一套基于近紅外技術(shù)的在線實時檢測系統(tǒng)。通過詳細分析褐煤的化學(xué)和物理特性，選取代表性樣本，并在現(xiàn)有檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，明確了系統(tǒng)功能以及技術(shù)規(guī)格要求。研究成果總結(jié)和實際應(yīng)用價值的探討，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)的研究和完善提供了方向和依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］近紅外；褐煤；快速檢測；光譜；燃料管理；燃燒調(diào)整；燃燒優(yōu)化

［中圖分類號］TM621.2 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0147–03

1 系統(tǒng)設(shè)計要求

1.1 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格要求

在設(shè)計褐煤煤質(zhì)參數(shù)在線實時檢測系統(tǒng)時，首要任務(wù)是確保近紅外技術(shù)的應(yīng)用范圍與精準度符合褐煤在線檢測的要求。基于褐煤化學(xué)組成的復(fù)雜性，系統(tǒng)必須能夠準確分辨不同化學(xué)鍵的振動頻率，這要求光譜儀器擁有高分辨率，在1 600～2 400 nm 的波段內(nèi)，分辨率必須高達1 nm 或更佳。光譜儀器需裝備穩(wěn)定性極高的光源，以保證在連續(xù)運行中光源強度的一致性，從而降低檢測誤差。

為保障數(shù)據(jù)采集的精確性和實時性，檢測系統(tǒng)應(yīng)配備高速數(shù)據(jù)采集卡，采樣率應(yīng)不低于10 kS/s，以便快速捕獲褐煤通過檢測區(qū)域時產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)。同時，數(shù)據(jù)傳輸線路需采用高速串行接口，如光纖通訊，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的實時性和完整性，防止任何可能的信號衰減或干擾。

考慮到檢測環(huán)境可能面臨的高溫、濕度等惡劣條件，所有設(shè)備及其接口均應(yīng)具備一定的防護等級，如IP65 級別的防塵防水功能，以保證系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行不受外界環(huán)境影響。此外，系統(tǒng)的抗震抗沖擊能力也須達到相關(guān)工業(yè)標準，以適應(yīng)可能的震動或沖擊。

軟件方面，考慮到實時性的要求，系統(tǒng)應(yīng)采用實時操作系統(tǒng)，如RT-Linux，以處理高速采集到的數(shù)據(jù)。軟件算法需使用先進的化學(xué)計量學(xué)方法，如偏最小二乘法（PLS）進行多變量校正，以實現(xiàn)對復(fù)雜光譜數(shù)據(jù)的實時分析解碼，并具有良好的可擴展性，便于后續(xù)升級或增添新的檢測參數(shù)。

用戶界面則應(yīng)注重人性化設(shè)計，要求實現(xiàn)直觀的操作流程和清晰的展示效果，確保非專業(yè)人員亦能便捷地進行操作和解析結(jié)果。同時，系統(tǒng)應(yīng)支持遠程診斷與升級功能，以便快速響應(yīng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的異常，保障長時間穩(wěn)定運行。

1.2 實時數(shù)據(jù)處理需求

在構(gòu)建褐煤在線實時檢測系統(tǒng)的過程中，對實時數(shù)據(jù)處理的需求至關(guān)重要，關(guān)乎系統(tǒng)能否準確反映褐煤樣本的即時煤質(zhì)參數(shù)。為了保證數(shù)據(jù)處理的實時性和準確性，本系統(tǒng)采用了高速、高效的數(shù)據(jù)采集卡，以保障大量數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)的快速處理。檢測系統(tǒng)內(nèi)部運用了先進的多核處理器和專用的數(shù)據(jù)處理算法，可在毫秒級別完成對近紅外光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理，如多項式擬合、峰值分析和基線校正等，這些處理步驟對于后續(xù)的成分分析至關(guān)重要。

此外，系統(tǒng)融入了機器學(xué)習(xí)算法，如支持向量機（SVM）和隨機森林（RF），綜合運用這些算法不僅可實現(xiàn)對褐煤樣本中各成分含量的實時精確預(yù)測，還可以通過不斷學(xué)習(xí)新樣本提高預(yù)測的準確性和適應(yīng)性。同時，系統(tǒng)引入了多變量校準技術(shù)，通過PLS等數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)對化學(xué)計量學(xué)的處理，從而有效提升近紅外光譜數(shù)據(jù)分析的精度。

在軟件層面，開發(fā)了基于C++ 的高性能數(shù)據(jù)處理模塊，該模塊可與硬件系統(tǒng)無縫對接，并支持并行計算和數(shù)據(jù)流管道技術(shù)，從而最大化地利用硬件資源，確保數(shù)據(jù)處理的高效率和低延遲。同時，引入了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)機制以應(yīng)對高速數(shù)據(jù)流，確保即使在數(shù)據(jù)量突增的情況下也不會丟失重要信息。

考慮到系統(tǒng)可能遇到的各種異常情況，還設(shè)計了一套異常檢測和處理框架，實現(xiàn)了對異常數(shù)據(jù)的識別、記錄和自動校正，進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理全程進行了優(yōu)化，從數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲到分析處理，每一個環(huán)節(jié)都充分利用了先進的計算技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法，確保了褐煤煤質(zhì)參數(shù)在線實時檢測的高效和可靠。通過對仿真模型的測試和現(xiàn)場樣本數(shù)據(jù)的驗證，系統(tǒng)證明了其在大規(guī)模應(yīng)用中的有效性，數(shù)據(jù)處理速度和準確性均達到了設(shè)計要求，這對于實現(xiàn)褐煤資源的優(yōu)化利用和高效管理具有重要的實際應(yīng)用價值。

1.3 用戶界面與操作性設(shè)計

針對在線實時檢測系統(tǒng)，用戶界面的設(shè)計直接影響最終用戶對系統(tǒng)操作的便捷性與實際應(yīng)用的效率。在用戶界面設(shè)計環(huán)節(jié)，遵循人機工程學(xué)和用戶體驗設(shè)計的原則，通過對實際操作需求的深入理解，在提升視覺效果的同時，注重交互邏輯的合理性。系統(tǒng)界面支持簡體中文和英文兩種語言，滿足不同用戶的使用需求。

在交互設(shè)計方面，依據(jù)褐煤檢測的特定工藝流程，構(gòu)建了直觀的操作流程圖，并通過模擬操作試驗，優(yōu)化用戶路徑規(guī)刋，減少用戶操作步驟。考慮到實時監(jiān)控的需求，設(shè)計了數(shù)據(jù)動態(tài)更新的可視化界面，包括但不限于實時數(shù)據(jù)波形圖、歷史數(shù)據(jù)對比分析圖和智能預(yù)警信號指示圖，這些可視化工具的設(shè)計利用了顏色、形狀和動態(tài)效果，以提高數(shù)據(jù)的辨識度和用戶的識別效率。界面上還設(shè)有快速反饋機制，一旦檢測數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的安全范圍，系統(tǒng)能即刻發(fā)出警報，并通過郵件或短信形式將警報發(fā)送給責任人員，以便于快速響應(yīng)和處置異常情況。

對于用戶界面的實際編碼工作，采用了模塊化設(shè)計理念，使得界面具有較強的擴展性和易維護性。整個界面布局采取響應(yīng)式設(shè)計，自動適配不同分辨率的顯示設(shè)備，確保了在各種終端設(shè)備上的用戶體驗一致性。此外，界面設(shè)計考慮輔助殘疾人用戶更便捷的使用本系統(tǒng)進行操作，設(shè)置了語音提示和觸摸反饋功能。

在數(shù)據(jù)輸入方面，系統(tǒng)支持手動輸入和自動獲取兩種方式，其中自動獲取方式通過連接近紅外光譜儀器實現(xiàn)。數(shù)據(jù)輸入后，界面將展示預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，并提供豐富的編輯工具，包括數(shù)據(jù)標定、峰值檢測及數(shù)據(jù)滑動平均等功能，以便用戶做進一步分析。為了便于數(shù)據(jù)管理和追溯，系統(tǒng)具備高效的數(shù)據(jù)檢索與導(dǎo)出功能，支持多種數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)出，包括CSV 和Excel，確保與其他數(shù)據(jù)分析軟件的兼容性。

綜上所述，用戶界面與操作性設(shè)計綜合了實時性、準確性與易用性，為操作人員提供了高效便捷的數(shù)據(jù)檢測平臺，從而顯著提高了檢測工作的整體效率。該設(shè)計通過模擬實際操作情景進行不斷迭代優(yōu)化，以達到最符合現(xiàn)場操作人員實際應(yīng)用需求的效果。

2 系統(tǒng)組成與實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計與選擇

針對在線實時檢測褐煤煤質(zhì)參數(shù)的需求，硬件設(shè)計環(huán)節(jié)直接關(guān)系到系統(tǒng)穩(wěn)定性、檢測精度和長期運行效能。綜合分析化學(xué)成分和物理構(gòu)造，挑選了最能體現(xiàn)褐煤特性的近紅外光譜儀器，以獲取涵蓋較廣波長范圍的光譜信息。儀器具備高靈敏度的探測器，其信噪比達到3 000 ∶ 1，適用于檢測靈敏度要求極高的場合。同時，選用了穩(wěn)定性強、響應(yīng)速度快的光源，確保長時間連續(xù)作業(yè)中的穩(wěn)定發(fā)光性能。

為了確保數(shù)據(jù)采集的準確和實時性，配備先進的數(shù)據(jù)采集卡，采樣率可達2 MS/s ；數(shù)據(jù)接口采用高速USB3.0，確保數(shù)據(jù)傳輸不受瓶頸限制。結(jié)合機械部件，如穩(wěn)固的支架和精準的樣品輸送機構(gòu)，形成一套完整的硬件采集系統(tǒng)，全面適應(yīng)礦場復(fù)雜多變的工作環(huán)境。

在輔助設(shè)備方面，采用了先進的溫濕度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保持設(shè)備在最佳工作狀態(tài)，同時引入了高效率的除塵凈化系統(tǒng)，預(yù)防粉塵對光學(xué)組件造成損害并保障操作人員的健康安全。此外，針對可能存在的工業(yè)干擾問題，特別設(shè)計了電磁屏蔽裝置，有效隔離外界電磁干擾，確保檢測數(shù)據(jù)的高可靠性。

監(jiān)測系統(tǒng)不僅對技術(shù)規(guī)格參數(shù)有嚴格要求，還對硬件的耐腐蝕、抗震動、防爆等性能提出了高標準，所有硬件材料均選用符合上述條件的工業(yè)級品質(zhì)。經(jīng)過實地考察和工程師的嚴謹測試，該硬件設(shè)計可耐受煤礦潮濕、粉塵、振動等極端工作環(huán)境，確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

在系統(tǒng)集成方面，依照模塊化設(shè)計原則，采用可拆卸的組件設(shè)計，既方便維護、升級，也便于將來的功能擴展。還針對性地開發(fā)了一套適配程序，實現(xiàn)與現(xiàn)場其他檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)對接，以及與中控室監(jiān)控系統(tǒng)的無縫鏈接。

2.2 軟件開發(fā)架構(gòu)描述

在設(shè)計近紅外在線實時檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)架構(gòu)時，采納了模塊化的設(shè)計，以保證系統(tǒng)具有靈活性、擴展性和維護性。軟件架構(gòu)劃分為數(shù)據(jù)采集模塊、預(yù)處理模塊、光譜分析模塊、褐煤參數(shù)的實時監(jiān)控模塊及數(shù)據(jù)存儲和備份模塊。數(shù)據(jù)采集模塊開發(fā)了自動觸發(fā)機制，當近紅外光譜儀器監(jiān)測到褐煤帶入檢測區(qū)時，系統(tǒng)便自動啟動，實現(xiàn)了標本進入即開始的實時檢測，并通過高穩(wěn)定性連接接口控制儀器運行，保障了數(shù)據(jù)的高實時性和準確性。

預(yù)處理模塊中嵌入了多種算法，包括用于背景噪聲的移除、信號強度的歸一化以及光譜數(shù)據(jù)的平滑處理等，以確保輸入到后續(xù)分析模塊的數(shù)據(jù)質(zhì)量。這一處理是通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模塊來完成的，該模塊配置多項性能指標，通過自適應(yīng)調(diào)整實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理的最優(yōu)化。

光譜分析模塊是實現(xiàn)褐煤質(zhì)參數(shù)估算的核心，利用先進的化學(xué)計量學(xué)方法和機器學(xué)習(xí)算法，如偏最小二乘回歸（PLSR）、支持向量機（SVM）和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN），對預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)進行分析，從而準確預(yù)測褐煤的熱值、含水量、灰分和揮發(fā)分等關(guān)鍵指標。針對性地設(shè)計了算法節(jié)流機制，可根據(jù)實時運算負荷動態(tài)調(diào)整計算資源，確保了在高吞吐率檢測場景下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

褐煤參數(shù)的實時監(jiān)控模塊，采用了實時數(shù)據(jù)流技術(shù)，能夠?qū)⒐庾V分析模塊的分析結(jié)果即時展現(xiàn)在用戶界面上。此外，該模塊還整合了報警系統(tǒng)，能夠在參數(shù)異常時發(fā)出警示，為工作人員提供即時的決策支持。

數(shù)據(jù)存儲和備份模塊提供了一個安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫環(huán)境，不僅可實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的長期保存，還能夠在遇到系統(tǒng)故障時迅速恢復(fù)至最近的工作狀態(tài)，最大程度提高系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)的完整性。

綜合上述功能模塊，軟件開發(fā)的整體架構(gòu)為多層次、可擴展的框架設(shè)計。在高層提供了用戶友好的操作界面，在中層實現(xiàn)了褐煤參數(shù)的實時分析和預(yù)警，在底層保證了穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)處理和存儲。此軟件架構(gòu)不僅提高了檢測的效率和準確性，也大幅增加了檢測系統(tǒng)的穩(wěn)健性和用戶體驗。

2.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸方案

在褐煤在線實時檢測系統(tǒng)的構(gòu)建中，數(shù)據(jù)采集與傳輸方案是實現(xiàn)高效能源管理的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計需確保高精度和高頻率的褐煤煤質(zhì)參數(shù)獲取，而數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)則需保障從采集點到分析終端的數(shù)據(jù)傳輸實時性和可靠性。

針對褐煤參數(shù)的復(fù)雜性和檢測環(huán)境的多變性，本研究采用先進的近紅外光譜傳感器進行數(shù)據(jù)采集，這些傳感器配備了寬頻譜的光源和高靈敏度的探測器，能準確采集褐煤組分特定波長的吸收光譜。同時，光譜傳感器集成了高速A/D 轉(zhuǎn)換器，使得光信號能夠快速準確地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，提高了數(shù)據(jù)采集的效率和精度。

在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用了基于工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸協(xié)議，保障了高帶寬和低延時的數(shù)據(jù)通訊。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和抗干擾能力，系統(tǒng)使用了冗余設(shè)計，包括雙路傳輸和自動切換機制。該機制能夠在傳輸鏈路出現(xiàn)問題時，自動將數(shù)據(jù)傳輸路線切換到備用鏈路，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和系統(tǒng)的高可用性。

2.4 系統(tǒng)集成與調(diào)試流程

褐煤在線實時檢測系統(tǒng)的集成是對各硬件組件和軟件模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)的過程，要確保系統(tǒng)從整體上達到預(yù)定的性能標準和實時響應(yīng)需求。在系統(tǒng)集成階段，首先對內(nèi)置的近紅外光譜儀器進行校準，以適應(yīng)不同褐煤樣本的檢測。這一過程中，通過選取已知參數(shù)的標準樣本，對光譜儀器的波長準確性和響應(yīng)靈敏度進行校正，確保數(shù)據(jù)采集的準確性。隨后進行的是各輔助設(shè)備的安裝和調(diào)試，如供給系統(tǒng)和傳送帶，其穩(wěn)定運作對于確保樣本輸送的連細性至關(guān)重要。

系統(tǒng)軟件部分則專注于數(shù)據(jù)處理與用戶交互功能的實現(xiàn)，軟件開發(fā)采用模塊化設(shè)計，易于后期維護和升級。在數(shù)據(jù)處理模塊，算法優(yōu)化是提高檢測精度的關(guān)鍵，包括基線校正、光譜去噪、特征波長選擇和定量分析模型建立等步驟。采用先進的多元統(tǒng)計分析方法，如PLSR 和主成分分析（PCA）來處理光譜數(shù)據(jù)，這些算法能夠有效地從復(fù)雜的光譜數(shù)據(jù)中提取相關(guān)特征，建立褐煤參數(shù)與光譜信號之間的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)集成測試中，運用多個批次褐煤樣本進行連續(xù)測試，以檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性，測量的褐煤參數(shù)包括水分、灰分、揮發(fā)分等關(guān)鍵指標。

3 結(jié)束語

通過設(shè)計并應(yīng)用基于近紅外技術(shù)的在線實時檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對褐煤煤質(zhì)參數(shù)的高效、精確測量。本研究成果具有較高的理論研究價值，可推動褐煤化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展，在實際應(yīng)用中也可顯示出顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)保效果。

參考文獻

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