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        基于數(shù)據(jù)挖掘的準(zhǔn)能露天煤礦礦用運(yùn)輸卡車工況監(jiān)控系統(tǒng)

        2019-08-05 01:45:06范永維額爾德木吐焦曉亮莫祥倫
        煤礦安全 2019年6期
        關(guān)鍵詞:運(yùn)輸系統(tǒng)露天煤礦礦用

        范永維,額爾德木吐,焦曉亮,莫祥倫

        (1.神華準(zhǔn)能集團(tuán)公司 科學(xué)技術(shù)研究院,內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300;2.神華準(zhǔn)能集團(tuán)公司 信息中心,內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

        伴隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展,信息技術(shù)對(duì)人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大的影響。信息技術(shù)在露天礦開采中同樣有較為廣泛的應(yīng)用。露天煤礦4個(gè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)分別是:穿爆、采裝、運(yùn)輸、排卸,其中運(yùn)輸?shù)闹饕蝿?wù)是將地表非礦物巖土運(yùn)送到排土場(chǎng),以及將露天煤礦采出的原煤運(yùn)送到選礦廠2部分,并且運(yùn)輸成本在開采成本中占比較大,由此可見運(yùn)輸是露天煤礦開采中的重要環(huán)節(jié),對(duì)露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的監(jiān)管尤為重要[1]。

        露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的監(jiān)控主要是礦用運(yùn)輸車輛的監(jiān)控。礦用運(yùn)輸車輛的監(jiān)控的目的一方面是為了保障安全生產(chǎn),特別是輪胎安全[2];另一方面可以通過運(yùn)輸車輛的監(jiān)控減少燃油的非正常消耗[3]。過去對(duì)露天礦運(yùn)輸系統(tǒng)的監(jiān)管主要通過人員巡查的方式,這種方式監(jiān)管效率低下,且需有大量的監(jiān)管人員參與其中,人力成本巨大[4]。在信息技術(shù)成熟的背景下,采用信息技術(shù)進(jìn)行露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的監(jiān)管可以達(dá)到全天候、所有工作車輛的全覆蓋監(jiān)管,大大提高了監(jiān)管效率,并節(jié)省人力成本。并且在信息技術(shù)支持下的露天煤礦運(yùn)輸監(jiān)管系統(tǒng)可以采集到大量的運(yùn)輸車輛工況數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)挖掘可有效指導(dǎo)露天礦車輛運(yùn)行,進(jìn)一步提高露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性,并有效降低露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的能源消耗[5]。

        1 系統(tǒng)需求分析

        露天煤礦礦用卡車監(jiān)控系統(tǒng)的目的是為了保障安全生產(chǎn)、降低能耗,為露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的工作人員提供實(shí)時(shí)的信息顯示,并且為管理人員提供監(jiān)控信息和決策支持。

        礦用運(yùn)輸車輛工況監(jiān)控內(nèi)容主要有3個(gè)方面。首先要監(jiān)控的是車輛基本狀態(tài)如,速度、載重及位置信息;其次在露天開采運(yùn)輸中,輪胎安全運(yùn)行與節(jié)約成本,保證安全生產(chǎn)密切相關(guān),露天煤礦礦用卡車多采用220 t級(jí)別的卡車,而且礦用運(yùn)輸車輛常年往返于巖土所構(gòu)成的礦區(qū)道路,由于工作時(shí)間長(zhǎng),在溫度較高和有精銳巖石扎入輪胎的情況下極易發(fā)生爆胎事故,卡車輪胎監(jiān)測(cè),可以確保輪胎運(yùn)行在最佳的工況環(huán)境下,延長(zhǎng)輪胎壽命,提高輪胎維修效率,提高車輛出動(dòng)率,節(jié)約維護(hù)成本;最后露天礦偷油、漏油、計(jì)量不準(zhǔn)確(跑、冒、滴、漏)等現(xiàn)象頻繁,造成燃油大量的非生產(chǎn)消耗,燃油成本居高不下,甚至影響正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng),燃油作為消耗性成本具有消耗后不可追溯再現(xiàn)的特點(diǎn),燃油管理時(shí)效性較強(qiáng)。通過上述分析可將露天煤礦礦用卡車的監(jiān)控分為3個(gè)子系統(tǒng):①礦用運(yùn)輸車輛的基本工作狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng);②礦用卡車輪胎監(jiān)控子系統(tǒng);③礦用卡車的燃油監(jiān)控子系統(tǒng)。

        露天煤礦卡車工況監(jiān)控系統(tǒng)的使用者有終端卡車司機(jī)和管理人員2類。終端卡車司機(jī)需要全方面的了解本車的工作狀態(tài),以便實(shí)時(shí)的進(jìn)行工作調(diào)整。另一方面管理人員需要實(shí)時(shí)監(jiān)控所有工作車輛的工作狀態(tài),并且根據(jù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行工作指導(dǎo)。由此可見,卡車終端需要有供司機(jī)參考的實(shí)時(shí)信息顯示系統(tǒng),并且中心管理部門需要有相應(yīng)的管理平臺(tái)。

        2 系統(tǒng)構(gòu)成

        準(zhǔn)能集團(tuán)卡車工況系統(tǒng)構(gòu)架如圖1,整個(gè)露天礦礦用卡車工況監(jiān)控系統(tǒng)主要由7個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。其中車載數(shù)據(jù)終端、基本車況監(jiān)控子系統(tǒng)、輪胎監(jiān)控子系統(tǒng)和燃油監(jiān)控子系統(tǒng)依附于礦用卡車上,管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)依附于管理中心硬件設(shè)備,并通過通信系統(tǒng)將2部分連接起來。

        1)基本車況監(jiān)控子系統(tǒng)。主要采集車輛自身的基本工作信息,信息采集的內(nèi)容主要有行車速度、載重量、發(fā)動(dòng)機(jī)、剎車系統(tǒng)等信息,此類信息主要來自于車輛自身的采集,通過車輛電器系統(tǒng)獲取該類信息,并將該類信息導(dǎo)入車載終端。

        2)燃油監(jiān)控子系統(tǒng)。主要是監(jiān)測(cè)卡車油箱的耗油情況。該系統(tǒng)主要由安裝在油箱內(nèi)部安裝液位計(jì)以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。通過液位計(jì)實(shí)時(shí)采集油箱內(nèi)部的燃油消耗情況,并通過有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄⒃撔畔魉椭淋囕d終端。

        圖1 準(zhǔn)能集團(tuán)卡車工況系統(tǒng)構(gòu)架

        3)輪胎監(jiān)控子系統(tǒng)。主要目的是監(jiān)控輪胎內(nèi)部的壓力和溫度情況。該系統(tǒng)通過安裝在輪胎內(nèi)部的壓力和溫度傳感器采集輪胎內(nèi)部的壓力和溫度信息,該裝置通過橡膠膠粘在內(nèi)胎內(nèi)壁,并通過無線傳輸?shù)姆绞綄⑿盘?hào)傳出來。由于輪胎壁較厚,需要近距離設(shè)置無線接收設(shè)備,所以在每個(gè)輪胎軸則分別安裝1個(gè)無線采集終端,并通過有線的方式傳輸至車載終端。

        4)車載終端。車載終端的主要功能是集成上述3個(gè)子系統(tǒng)所采集的信息顯示給駕駛員,并且將該信息傳輸至管理中心,并接受來自管理中心信息。車載終端主要由車載顯示終端和傳輸天線構(gòu)成。

        5)管理平臺(tái)。管理平臺(tái)是包含數(shù)據(jù)庫的信息中心,該中心將采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并顯示,將信息實(shí)時(shí)的存入數(shù)據(jù)庫之中,方便管理人員統(tǒng)計(jì)檢查,并將決策信息傳輸至車載終端,同時(shí)與數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)相連。

        6)數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)。主要為運(yùn)輸系統(tǒng)提供決策支持,通過實(shí)時(shí)分析獲取的車輛工況信息,獲得安全情況和生產(chǎn)情況回應(yīng),通過與管理平臺(tái)聯(lián)動(dòng)指導(dǎo)運(yùn)輸車輛工作。

        3 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用

        根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘是否有目標(biāo)分為有目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘和無目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘2種,有目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘是通過設(shè)置挖掘目標(biāo),通過采用一定的挖掘方法獲得挖掘結(jié)果;而無目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘是通過分析多條數(shù)項(xiàng),尋找數(shù)據(jù)項(xiàng)之間關(guān)聯(lián)[6]。在露天煤礦礦用卡車工況監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)要以有目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘?yàn)橹?,通過設(shè)置安全等目標(biāo)進(jìn)行定向數(shù)據(jù)挖掘,并且輔以無目標(biāo)的數(shù)據(jù)挖掘,挖掘礦用卡車工況數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的內(nèi)在聯(lián)系,指導(dǎo)運(yùn)輸系統(tǒng)工作。

        輪胎安全運(yùn)行是露天煤礦礦用卡車工作的前提,由于露天煤礦礦用卡車載重巨大,對(duì)輪胎的性能要求也較高,如果一旦出現(xiàn)了輪胎爆炸等事故發(fā)生會(huì)對(duì)造成重大的安全生產(chǎn)事故。胎溫胎壓的監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)獲取輪胎的工作參數(shù),推斷輪胎工作狀況。目前,輪胎安全工作的保障是通過設(shè)置輪胎工作的安全限值,一旦輪胎工作指標(biāo)超過該值即時(shí)停止輪胎工作[7-8]。但是該種方法容易造成車輛將車輛停留在運(yùn)輸路途中,影響正常運(yùn)輸系統(tǒng),并且也不利于維修人員的維修工作。為數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種輪胎安全預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘方法,在輪胎參數(shù)超過限值之前將其行駛到修理中心。

        在輪胎工作過程中,輪胎的參數(shù)由正常到超出限值的狀態(tài)的變化過程中有1個(gè)相對(duì)固定的理化過程,可由相關(guān)參數(shù)的時(shí)間序列變化推測(cè)出未來輪胎的安全狀態(tài)。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好解決具有時(shí)間維度變化的預(yù)測(cè)問題,設(shè)計(jì)了一種基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輪胎運(yùn)行狀態(tài)安全判定模型[9-10]。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)時(shí)間序列上發(fā)生的情況進(jìn)行積累和傳遞??ㄜ囕喬グ踩A(yù)警的參數(shù)主要有輪胎的溫度和壓力2個(gè)值,那么設(shè)定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值層為溫度和壓強(qiáng),輸出層為輪胎安全性,并且設(shè)計(jì)隱藏層為1,節(jié)點(diǎn)為4,卡車輪胎安全循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖2。其中x1為時(shí)間、x2為車速、x3為載重、x4為溫度,x5為壓強(qiáng),x6為油耗。s為安全性,設(shè)置安全性有4個(gè)等級(jí)分別是無風(fēng)險(xiǎn),低風(fēng)險(xiǎn),高風(fēng)險(xiǎn),危險(xiǎn)4個(gè)級(jí)別。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為 5,A1、A2、A3、A4、A5為隱含層節(jié)點(diǎn)。

        圖2 卡車輪胎安全循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

        采用c++進(jìn)行編程建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),在獲取數(shù)據(jù)中選取10 000條數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,輸入到建立的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中并進(jìn)行訓(xùn)練。通過訓(xùn)練獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),并輸入1 d單一輪胎工作數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,從試驗(yàn)結(jié)果看,循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率在81.2%,并且對(duì)于危險(xiǎn)的預(yù)警更為準(zhǔn)確,并且將真實(shí)危險(xiǎn)的范圍有效覆蓋,確保了危險(xiǎn)情況的及時(shí)應(yīng)對(duì)。在無風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)上的預(yù)測(cè)精度相似。

        4 結(jié)語

        露天煤礦礦用卡車工況監(jiān)控系統(tǒng)是露天煤礦信息化的重要組成部分,是聯(lián)系生產(chǎn)一線與管理部門的有效手段。準(zhǔn)能集團(tuán)露天礦礦用卡車監(jiān)控系統(tǒng)主要由硬件平臺(tái)和各系統(tǒng)2大部分構(gòu)成,其中特別增加了數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)挖掘子系統(tǒng)通過設(shè)置不同的數(shù)據(jù)挖掘算法,充分使用已獲得的卡車工況數(shù)據(jù),為露天礦運(yùn)輸系統(tǒng)管理者的決策提供有效的數(shù)據(jù)保障和支持。該系統(tǒng)在準(zhǔn)煤集團(tuán)建設(shè)并已經(jīng)進(jìn)入設(shè)備調(diào)試階段,目前系統(tǒng)工作穩(wěn)定,使用效果良好。

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