基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的礦用鋼絲繩壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)研究

摘 要：為提高礦用鋼絲繩壽命預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，發(fā)揮鋼絲繩在礦用作業(yè)中的效能，本文提出基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的礦用鋼絲繩壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法。根據(jù)礦用鋼絲繩的使用環(huán)境、所受載荷類型，建立礦用鋼絲繩的應(yīng)力模型。在應(yīng)力模型和檢測(cè)平臺(tái)的支持下，在極限學(xué)習(xí)機(jī)的前端輸入原始信號(hào)，使用非線性激活函數(shù)進(jìn)行隱藏層節(jié)點(diǎn)的輸出計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果識(shí)別鋼絲繩斷絲特征，從無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)中提取與鋼絲繩壽命相關(guān)的特征，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)礦用鋼絲繩壽命的目標(biāo)。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法的鋼絲繩剩余使用壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的偏差較小，可以滿足壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的需求。

關(guān)鍵詞：極限學(xué)習(xí)機(jī)；斷絲特征；預(yù)測(cè)方法；精準(zhǔn)；壽命；礦用鋼絲繩" " "中圖分類號(hào)：TP 37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

由于礦井環(huán)境的復(fù)雜性和鋼絲繩工作條件的嚴(yán)苛性，其壽命預(yù)測(cè)成為了一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前的壽命預(yù)測(cè)方法依賴經(jīng)驗(yàn)公式或定期檢測(cè)，該方法不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且預(yù)測(cè)精度有限，難以滿足現(xiàn)代礦業(yè)生產(chǎn)對(duì)安全性和效率的高要求。

鄧賽幫等[1]通過(guò)建立BCM支架的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析并結(jié)合頻率響應(yīng)分析，獲取結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。利用功率譜密度作為激勵(lì)信號(hào)，顯著提高了計(jì)算效率，并能精確捕捉固有頻率附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象。盡管頻率響應(yīng)分析能有效預(yù)測(cè)振動(dòng)引起的疲勞，但隨機(jī)振動(dòng)載荷的復(fù)雜性和不確定性仍給預(yù)測(cè)精度帶來(lái)挑戰(zhàn)。關(guān)榮鑫等[2]通過(guò)先進(jìn)的試驗(yàn)與仿真方法，系統(tǒng)分析了不同工藝處理（例如滲碳淬火、噴丸等）下，齒輪表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及其對(duì)彎曲疲勞性能的作用機(jī)制。但殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確測(cè)量和分布預(yù)測(cè)仍是技術(shù)難點(diǎn)，影響試驗(yàn)和仿真結(jié)果的可靠性。

針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，本文將基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的應(yīng)用，以某礦用鋼絲繩為例，對(duì)其壽命預(yù)測(cè)方法展開(kāi)全面的研究。

1 建立礦用鋼絲繩應(yīng)力模型

為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用鋼絲繩壽命的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，需要深入探究影響其壽命的許多因素，其中使用環(huán)境及所受載荷的復(fù)雜性尤為關(guān)鍵。通過(guò)數(shù)據(jù)收集，獲取了鋼絲繩的關(guān)鍵材料屬性，例如彈性模量、橫截面積及線密度等，此部分參數(shù)直接關(guān)聯(lián)鋼絲繩的力學(xué)性能和承載能力[3]。同時(shí)，采集幾何尺寸（例如直徑、股數(shù)的精確測(cè)量數(shù)據(jù)），這些數(shù)據(jù)為深入分析鋼絲繩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、理解其在復(fù)雜工況下的受力行為提供了不可或缺的基礎(chǔ)。通過(guò)綜合考量這些多維度的數(shù)據(jù)信息，能夠更全面、更準(zhǔn)確地把握礦用鋼絲繩的壽命特征

在此基礎(chǔ)上，針對(duì)工作環(huán)境中的實(shí)際載荷條件，例如最大工作載荷、工作周期等。為了準(zhǔn)確評(píng)估鋼絲繩在礦用作業(yè)過(guò)程中的受力狀態(tài)，結(jié)合彈性力學(xué)原理，利用拉伸載荷與橫截面積的比值計(jì)算礦用作業(yè)過(guò)程中鋼絲繩所承受的拉應(yīng)力F。在彈性范圍內(nèi)，鋼絲繩的應(yīng)力與其應(yīng)變（即相對(duì)伸長(zhǎng)量）之間的關(guān)系可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的彈性模量E來(lái)描述。針對(duì)受到彎曲的鋼絲繩，其受力情況更復(fù)雜。由于彎曲過(guò)程中外側(cè)纖維的伸長(zhǎng)量大于內(nèi)側(cè)，因此外側(cè)纖維將承受更大的拉應(yīng)力。根據(jù)受力過(guò)程中鋼絲繩的實(shí)際彎曲半徑、鋼絲繩半徑，構(gòu)建鋼絲繩外側(cè)纖維的拉應(yīng)力模型，模型如公式（1）所示。

式中：f為礦用鋼絲繩應(yīng)力模型；ΔL為礦用鋼絲繩伸長(zhǎng)量；L0為礦用鋼絲繩原始長(zhǎng)度。

按照上述方式，完成礦用鋼絲繩應(yīng)力模型的構(gòu)建工作。

2 基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的鋼絲繩斷絲特征識(shí)別

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為了提高礦用鋼絲繩的安全監(jiān)測(cè)水平，搭建了一個(gè)集鋼絲繩自動(dòng)傳送、高清攝像、均勻照明與嵌入式智能處理終端于一體的無(wú)損檢測(cè)平臺(tái)[4]。該平臺(tái)利用高強(qiáng)度傳送裝置確保鋼絲繩平穩(wěn)移過(guò)井口，通過(guò)高清攝像系統(tǒng)捕捉細(xì)微變化，結(jié)合均勻照明系統(tǒng)消除陰影干擾，優(yōu)化視覺(jué)條件。平臺(tái)的核心在于嵌入式智能處理終端，它能實(shí)時(shí)處理圖像數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)識(shí)別斷絲、磨損等缺陷，并即時(shí)反饋檢測(cè)結(jié)果，以該方式實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)。檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在礦用鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，引入先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)能夠顯著提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。從無(wú)損檢測(cè)設(shè)備（例如磁通量檢測(cè)器、聲發(fā)射傳感器等高精度儀器）中獲取的鋼絲繩原始信號(hào)蘊(yùn)含豐富的狀態(tài)信息，包括但不限于斷絲、磨損、腐蝕等潛在問(wèn)題。為了從這些復(fù)雜的信號(hào)中準(zhǔn)確提取斷絲特征，引入極限學(xué)習(xí)機(jī)進(jìn)行鋼絲繩斷絲特征的識(shí)別。極限學(xué)習(xí)機(jī)是一種單隱藏層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、學(xué)習(xí)速度快、泛化能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在模式識(shí)別、信號(hào)處理等領(lǐng)域展現(xiàn)巨大潛力。極限學(xué)習(xí)機(jī)的隱藏層節(jié)點(diǎn)的權(quán)重和偏置是隨機(jī)生成并固定的，只有輸出權(quán)重需要學(xué)習(xí)。根據(jù)給定訓(xùn)練集，設(shè)定類別標(biāo)簽（二分類或多分類標(biāo)簽），在極限學(xué)習(xí)機(jī)的前端輸入原始信號(hào)，使用非線性激活函數(shù)計(jì)算隱藏層節(jié)點(diǎn)的輸出，如公式（2）所示。

式中：h為隱藏層節(jié)點(diǎn)的輸出；g為激活函數(shù)；w為隱藏節(jié)點(diǎn)的輸入權(quán)重；j為第j個(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)；x為樣本類別；i為第i個(gè)輸入樣本；b為偏置值。

將所有隱藏節(jié)點(diǎn)的輸出組合，得到鋼絲繩斷絲特征矩陣，如公式（3）所示。

式中：H為鋼絲繩斷絲特征矩陣；G為學(xué)習(xí)目標(biāo)；N為矩陣列數(shù)；L為隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)。

利用ELM，采用求解最小二乘法輸出權(quán)重，得到輸出特征矩陣的標(biāo)簽向量[5]。該過(guò)程如公式（4）所示。

式中：K為輸出特征矩陣的標(biāo)簽向量；J為目標(biāo)矩陣；β為輸出權(quán)重；T為標(biāo)簽數(shù)量。

將輸出特征矩陣的標(biāo)簽向量K與標(biāo)簽數(shù)量T相乘得到輸出值M。根據(jù)輸出結(jié)果，確定新樣本的類別（例如是否有斷絲），通過(guò)此種方式，完成基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的鋼絲繩斷絲特征識(shí)別。

3 礦用鋼絲繩壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)

從無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)中提取與鋼絲繩壽命相關(guān)的特征，例如斷絲數(shù)量、斷絲長(zhǎng)度、磁通量變化、聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度等。

利用極限學(xué)習(xí)機(jī)中的線性回歸模型，假設(shè)輸出（壽命）是輸入特征（特征向量）的線性組合，加上一個(gè)誤差項(xiàng)，那么線性回歸模型輸出如公式（5）所示。

式中：y為線性回歸模型輸出；χ為線性組合系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)最小化預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的誤差訓(xùn)練模型。得到的誤差度量是鋼絲繩斷絲的均方誤差，如公式（6）所示。

式中：MSN為鋼絲繩斷絲的均方誤差；n為最小化預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的誤差。

按照上述步驟，完成對(duì)模型的訓(xùn)練后，在模型的輸入端，錄入新的礦用鋼絲繩參數(shù)，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)作為樣本錄入數(shù)據(jù)，通過(guò)公式（7）對(duì)錄入數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩剩余壽命的預(yù)測(cè)。

式中：X為鋼絲繩剩余壽命的預(yù)測(cè)值；B為包含所有樣本實(shí)際剩余壽命的向量；γ為實(shí)際剩余壽命的均值向量。

按照上述方式，實(shí)現(xiàn)基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的礦用鋼絲繩壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)。

4 對(duì)比試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本文選擇某采礦單位作為試點(diǎn)，該單位年產(chǎn)量達(dá)到500萬(wàn)t，擁有現(xiàn)代化提升系統(tǒng)數(shù)十套，其中礦用鋼絲繩作為關(guān)鍵部件，年消耗量超過(guò)1000t。隨著開(kāi)采深度增加和作業(yè)強(qiáng)度提高，鋼絲繩的故障率及更換頻率也顯著增加，年均因鋼絲繩問(wèn)題導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間達(dá)到120h以上，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百萬(wàn)元。此外，該單位現(xiàn)有鋼絲繩壽命預(yù)測(cè)方法較落后，依賴人工檢測(cè)和經(jīng)驗(yàn)判斷，預(yù)測(cè)精度不高，難以滿足高效、安全生產(chǎn)的需求。對(duì)試點(diǎn)單位內(nèi)常規(guī)使用的礦用鋼絲繩規(guī)格進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

該礦采用的現(xiàn)有預(yù)測(cè)方法主要依賴人工定期檢查，缺乏精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)分析。據(jù)事故調(diào)查，斷裂的鋼絲繩原預(yù)計(jì)壽命為10個(gè)月，但實(shí)際僅使用了8個(gè)月便發(fā)生斷裂，導(dǎo)致井下作業(yè)暫停48h，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)50萬(wàn)元，并險(xiǎn)些造成人員傷亡。

此次事件凸顯了現(xiàn)有預(yù)測(cè)方法存在的主觀性強(qiáng)、精度低等問(wèn)題。現(xiàn)有檢查難以全面捕捉鋼絲繩內(nèi)部的細(xì)微損傷和潛在缺陷，而缺乏科學(xué)模型的支持，更無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其剩余壽命。

4.2 試驗(yàn)步驟

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用鋼絲繩壽命的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)。收集礦用鋼絲繩的歷史使用數(shù)據(jù)，包括安裝時(shí)間、使用條件（例如載荷、環(huán)境、使用頻次等）、定期檢查記錄、更換原因及時(shí)間等。對(duì)樣本進(jìn)行篩選，以確保試驗(yàn)樣本的代表性和差異性，選取具有代表性的礦用鋼絲繩樣本，確保樣本間具有一定的差異性，為確保預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，當(dāng)應(yīng)用本文方法時(shí)，按照表2的內(nèi)容設(shè)計(jì)極限學(xué)習(xí)機(jī)的訓(xùn)練參數(shù)。

完成上述設(shè)計(jì)后，引進(jìn)文獻(xiàn)[1]提出的基于頻率響應(yīng)分析的壽命預(yù)測(cè)方法、文獻(xiàn)[2]提出的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，將其作為對(duì)照組方法1、對(duì)照組方法2，同時(shí)應(yīng)用3種方法對(duì)多根礦用鋼絲繩壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

為保證試驗(yàn)結(jié)果的客觀性，在預(yù)測(cè)后，采用人工磨損試驗(yàn)對(duì)礦用鋼絲繩進(jìn)行處理，得到其實(shí)際剩余使用壽命。人工磨損中，準(zhǔn)備1臺(tái)能夠模擬礦用鋼絲繩實(shí)際工作條件的磨損試驗(yàn)機(jī)。該設(shè)備應(yīng)能夠施加可控的拉力加載、精確模擬的摩擦力以及鋼絲繩在井下作業(yè)時(shí)常有的彎曲、扭轉(zhuǎn)等動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。在試驗(yàn)中，將選定的礦用鋼絲繩樣本安裝到磨損試驗(yàn)機(jī)上，確保樣本安裝牢固且能夠按照預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行磨損。隨后，對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行細(xì)致調(diào)試，確保所有參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確無(wú)誤，以最大程度還原實(shí)際工作環(huán)境。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)后，按照預(yù)定的加載條件和磨損方式開(kāi)始對(duì)鋼絲繩進(jìn)行磨損，記錄試驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，特別是當(dāng)鋼絲繩達(dá)到其預(yù)估壽命界限時(shí)的磨損次數(shù)，這一數(shù)據(jù)點(diǎn)將作為衡量鋼絲繩真實(shí)壽命的重要依據(jù)，與之前的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而全面評(píng)估預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)驗(yàn)證礦用鋼絲繩壽命預(yù)測(cè)方法的可靠性時(shí)，將預(yù)測(cè)的壽命與實(shí)際人工磨損試驗(yàn)后獲得的鋼絲繩壽命進(jìn)行直接比對(duì)，此結(jié)果能夠直觀反映預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。如果預(yù)測(cè)壽命與實(shí)際磨損壽命高度吻合，就表明該預(yù)測(cè)方法具有較高的可靠性，能夠準(zhǔn)確反映鋼絲繩在特定工況下的使用壽命。排除外界因素的影響，統(tǒng)計(jì)鋼絲繩壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表3。

由表3可以清晰地觀察到，采用本文精心設(shè)計(jì)的方法對(duì)礦用鋼絲繩的剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值之間的偏差被顯著控制在了一個(gè)極小的范圍內(nèi)。此成果不僅體現(xiàn)了本文方法的高精度和可靠性，更驗(yàn)證了其在滿足壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)需求方面的卓越性能。相比之下，文獻(xiàn)[1]與[2]中提及的對(duì)照組預(yù)測(cè)方法在相同條件下進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)時(shí)，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)之間卻出現(xiàn)了較大的偏差，該偏差使對(duì)應(yīng)的方法難以作為評(píng)估鋼絲繩剩余壽命的最終依據(jù)。因此，本文提出的方法在鋼絲繩壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)，其卓越的性能為礦用設(shè)備的安全管理、維護(hù)決策以及資源優(yōu)化配置提供了更精準(zhǔn)、更可靠的預(yù)測(cè)工具，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和實(shí)踐意義。

5 結(jié)語(yǔ)

在礦業(yè)生產(chǎn)中，礦用鋼絲繩作為提高系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)運(yùn)輸?shù)V石、設(shè)備和人員的重要任務(wù)。據(jù)某大型礦山的實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在目前預(yù)測(cè)方法下，鋼絲繩的平均更換周期為6個(gè)月，而實(shí)際使用壽命往往因各種因素波動(dòng)較大，導(dǎo)致資源浪費(fèi)和安全隱患。極限學(xué)習(xí)機(jī)以其學(xué)習(xí)速度快、泛化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。在礦用鋼絲繩壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域，極限學(xué)習(xí)機(jī)能夠通過(guò)學(xué)習(xí)大量歷史數(shù)據(jù)中的非線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩壽命的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。針對(duì)此方面問(wèn)題，本文引進(jìn)極限學(xué)習(xí)機(jī)，通過(guò)建立礦用鋼絲繩應(yīng)力模型、斷絲特征識(shí)別，開(kāi)展了礦用鋼絲繩壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法的設(shè)計(jì)研究。旨在通過(guò)此次設(shè)計(jì)，顯著提高礦業(yè)生產(chǎn)的安全性和效率，降低維護(hù)成本，為礦業(yè)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步和應(yīng)用，礦用鋼絲繩壽命預(yù)測(cè)將更精確、更高效，推動(dòng)礦山行業(yè)向智能化、綠色化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧賽幫，劉向征，姜葉潔，等.基于頻率響應(yīng)分析的BCM支架隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].客車技術(shù)與研究，2024，46（4）：39-43.

[2]關(guān)榮鑫，職彥鋒，王東飛，等.殘余應(yīng)力對(duì)SAE9310鋼航空齒輪彎曲疲勞壽命的影響[J].鍛壓技術(shù)，2024，49（8）：255-262.

[3]王鑫，閆軍，吳桐，等.基于修正Manson-Halford模型的破碎機(jī)銷軸疲勞分析[J].現(xiàn)代制造工程，2024（8）：1-8，34.

[4]張弦，王鵬，張昌明，等.諧波減速器精度退化失效及相關(guān)競(jìng)爭(zhēng)失效可靠度評(píng)估研究[J].振動(dòng)與沖擊，2024，43（15）：277-287.

[5]董昊良，李化建，楊志強(qiáng)，等.高速鐵路無(wú)砟軌道現(xiàn)澆道床混凝土凍融破壞機(jī)理及壽命預(yù)測(cè)[J].鐵道學(xué)報(bào)，2024，46（8）：112-120.