陳國斌

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣東 廣州 511325）

礦山機械工程水平對于礦產(chǎn)行業(yè)具有重要推動作用，隨著對工程領(lǐng)域的投資逐漸加大，機械化水平不斷提高，施工設(shè)備配置對于整個工程進度、質(zhì)量和效益的影響也不斷增大。礦山機械工程主要包括開采、裝備和運輸三個主要環(huán)節(jié)，三個環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)，需要合理有序地利用礦產(chǎn)資源，以達到安全高效的礦山工程標(biāo)準(zhǔn)[1]。由于礦山機械設(shè)備體積大、噸位重，對其進行制造、使用和維護都具有一定復(fù)雜度，因此如何采用有效的方法優(yōu)化礦山機械工程的技術(shù)水平，成為工程領(lǐng)域的主要課題。機電一體化是對機械技術(shù)和信息技術(shù)的綜合應(yīng)用，對設(shè)備的自動化發(fā)展起到重要的推動作用，近年來，機電一體化廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，很多領(lǐng)域工程開始從單一模式向機電一體化轉(zhuǎn)變，利用機電一體化模式能夠有效降低工程成本，提高產(chǎn)業(yè)的信息化和智能化水平。因此本文基于機電一體化對礦山機械工程的優(yōu)化方法進行分析，利用機電一體化的技術(shù)優(yōu)勢，提高礦山機械工程的運行水平，推動整個礦產(chǎn)行業(yè)的信息化發(fā)展。

1 構(gòu)建礦山機械工程數(shù)據(jù)庫

（1）礦山機械工程需求分析。為實現(xiàn)礦山機械工程的機電一體化，需要構(gòu)建信息數(shù)據(jù)庫，根據(jù)確認(rèn)的用戶用途，分析應(yīng)用信息和執(zhí)行具體操作。構(gòu)建信息數(shù)據(jù)庫前，應(yīng)對礦山機械工程進行需求分析，主要包括對信息的采集和整理，確定具體目標(biāo)、內(nèi)容和應(yīng)用方式。礦山機械工程需求，具體又可分為前期準(zhǔn)備工作、地下作業(yè)環(huán)境、作業(yè)實施進度、地質(zhì)條件變化和采礦生產(chǎn)連續(xù)性等內(nèi)容，對信息形式、操作規(guī)劃和安全性作出了相應(yīng)要求。在需求分析階段，需要將收集的信息進行整理，將圖形、視頻等文件轉(zhuǎn)化為可操作的信息，方便對礦山機械工程需求的表達。礦山機械工程涵蓋的信息數(shù)據(jù)主要由裝備、出礦和運輸數(shù)據(jù)等組成，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)庫定義為三大模塊：管理、查詢和統(tǒng)計，可實現(xiàn)相應(yīng)的操作功能。對礦山機械工程進行需求分析，主要是為了提供信息數(shù)據(jù)來源，同時查詢和管理不同機械設(shè)備的工作參數(shù)，實現(xiàn)對礦山機械工程的統(tǒng)一管理，根據(jù)設(shè)置的不同的權(quán)限范圍，確保信息數(shù)據(jù)的安全性。確定需求分析后，可根據(jù)相關(guān)參數(shù)進行篩選，將符合要求的信息進行整合輸出。

（2）礦山機械工程信息數(shù)據(jù)處理?；跈C電一體化的礦山機械工程數(shù)據(jù)庫設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)對礦山設(shè)備的信息化管理，根據(jù)對功能需求分析，將數(shù)據(jù)庫劃分為總模塊和若干分模塊，每個模塊具有相應(yīng)的功能。通過對機械設(shè)備輸入模糊查詢，通過訪問數(shù)據(jù)庫，從大范圍的信息中進行選擇，將結(jié)果直觀顯示在輸出界面，即查詢出符合條件的設(shè)備信息列表，得到設(shè)備的主要參數(shù)信息，滿足用戶需求。對礦山機械工程的設(shè)備實體信息的處理，主要用來表示設(shè)備的基本信息，包括型號、廠家名稱、長寬高度、整機重量、最大工作壓力和最高工作速率等一系列參數(shù)信息，在需求的基礎(chǔ)上正確反映數(shù)據(jù)實體之間的關(guān)系，減少數(shù)據(jù)冗余度，提供有效的信息數(shù)據(jù)，保持信息與實體的一致性。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有實時性，能夠跟隨設(shè)備工作狀態(tài)進行更新和調(diào)整，以保持?jǐn)?shù)據(jù)信息的完整性。通過對礦山機械工程的數(shù)據(jù)進行采集與處理，從而完成對設(shè)備的故障診斷和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化的控制，進而實現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用自動化。

2 構(gòu)建礦山機械工程優(yōu)化模型

（1）確定影響因素制約條件。礦山機械工程優(yōu)化需要以現(xiàn)有技術(shù)條件為基礎(chǔ)，采用高效的采礦方法，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

通過對現(xiàn)有技術(shù)資料進行分析，礦山機械工程主要受到以下影響因素的制約。生產(chǎn)礦量制約，需要滿足礦產(chǎn)日產(chǎn)重量要求；礦石流量速率制約，運輸速率大于裝備速率，裝備速率大于開采速率，保證礦產(chǎn)資源不滯留；采礦設(shè)計制約，機械設(shè)備的關(guān)鍵零部件設(shè)計要符合國家標(biāo)準(zhǔn)和要求，比如炮孔、工作面和運輸通道尺寸和規(guī)格等；資源利用率制約，礦產(chǎn)機械工程在運行過程中不出現(xiàn)設(shè)備閑置和空載狀態(tài)；其他條件制約，包括用水用電等條件。在優(yōu)化礦山機械工程時，理論上需要考慮所有的影響因素，但會造成運算量的增大，因此在實際優(yōu)化設(shè)計中，選取主要的影響因素，達到整體優(yōu)化的目的。本文選取的主要制約因素為：工作面、運輸通道尺寸規(guī)格，生產(chǎn)礦量，礦石流量和設(shè)備利用率。

（2）建立數(shù)學(xué)模型。礦山機械工程的優(yōu)化配置是一個具有復(fù)雜約束條件的問題，將其分為開采、裝備和運輸三大環(huán)節(jié)來分析。礦產(chǎn)資源規(guī)模G以礦山每年生產(chǎn)礦石重量來表示，將礦山機械設(shè)備的綜合生產(chǎn)能力設(shè)為x，具體開采能力為x1、裝備能力為x2、運輸能力為x3，礦產(chǎn)資源規(guī)模與綜合生產(chǎn)能力的關(guān)系可表示為：

其中，a表示綜合能力修正系數(shù)；b表示實際調(diào)整值。由于礦山機械工程中的開采、裝備和運輸具有一定的順序，開采環(huán)節(jié)制約裝備環(huán)節(jié)，裝備環(huán)節(jié)制約運輸環(huán)節(jié)，因此還需要設(shè)置礦山機械工程生產(chǎn)能力的約束條件為：x1≥x2≥x3。設(shè)備的單項生產(chǎn)能力x1、x2、x3具體表示為：

其中，d表示工作天數(shù)；s表示機械設(shè)備數(shù)量；h表示鉆孔量；z表示單位長度崩礦量；α表示炮孔利用率；β表示設(shè)備利用率。機械設(shè)備的日生產(chǎn)成本P為：

其中，λ表示成本修正系數(shù)；n表示設(shè)備數(shù)量；p表示單項成本；t表示工作時間。根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，確立目標(biāo)函數(shù)為：

通過對目標(biāo)函數(shù)的求解，使在滿足礦山生產(chǎn)能力的條件下，得到礦山機械工程優(yōu)化配置，保證設(shè)備充分發(fā)揮效率。

（3）設(shè)置模型算法參數(shù)。結(jié)合實際礦山機械工程，從以下幾方面對模型中的算法參數(shù)進行設(shè)定。種群規(guī)模，種群數(shù)量過多導(dǎo)致計算時間較長，綜合考慮時間和空間特性，將種群規(guī)模大小設(shè)置為120個；交叉率，交叉率影響全局搜索的速度，本文將其設(shè)定為0.6；變異率，進行局部優(yōu)化時，變異率增加進化速度，本文將其初始值設(shè)定為0.05；終止條件，本文采用最佳適應(yīng)度不再改進的標(biāo)準(zhǔn)來確定停止運行。

3 實驗結(jié)果與分析

（1）優(yōu)化結(jié)果。在信息數(shù)據(jù)分析和構(gòu)建優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，為檢驗本文優(yōu)化方法對實際礦山機械工程應(yīng)用的有效性，以某礦產(chǎn)機械工程為對象進行測試，檢測滿足礦山生產(chǎn)能力的條件下的機械設(shè)備配置情況。具體優(yōu)化結(jié)果見表1。

表1 礦山機械工程優(yōu)化結(jié)果

由表1可知，機械設(shè)備的生產(chǎn)能力能達到良好的效果，費用總和相對比較適宜，并且富余系數(shù)滿足開采＞裝備＞運輸?shù)募s束要求，說明本文提出的優(yōu)化方法具有一定可行性，實現(xiàn)了對礦山機械工程配置的優(yōu)化，能夠滿足日常生產(chǎn)的設(shè)計要求。

（2）對比測試。為驗證本文基于機電一體化的礦山機械工程優(yōu)化方法的有效性，將本文設(shè)計方法設(shè)定為實驗組，以現(xiàn)行傳統(tǒng)方法為對照組，進行對比測試，從運行效率方面評價本文方法的效果，對比測試結(jié)果見圖1。

圖1 礦山機械工程運行效率對比

由圖1的對比測試結(jié)果可知，本文提出的優(yōu)化方法比傳統(tǒng)方法具有更高的運行效率，因此可被應(yīng)用于實際的礦山機械工程中。

4 結(jié)束語

本文基于機電一體化對礦山機械工程優(yōu)化方法進行研究與分析，提出了進行信息數(shù)據(jù)分析和構(gòu)建制約因素模型的優(yōu)化方法，經(jīng)過實驗驗證和對比分析，本文的方法能夠達到良好的礦山生產(chǎn)能力，同時降低工程成本，有效提高礦山機械設(shè)備的運行效率，保證礦山工程的安全實施和高效開采，對于促進礦山機械工程的機電一體化發(fā)展具有理論指導(dǎo)意義。由于礦山機械工程和機電一體化的應(yīng)用具有一定復(fù)雜性，本文的研究還存在不足之處。后續(xù)研究應(yīng)擴大礦山機械設(shè)備的類型，并相應(yīng)進行匹配，在充分采集設(shè)備數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定目標(biāo)函數(shù)準(zhǔn)確反映礦山機械工程的運行質(zhì)量，提高優(yōu)化方法的適用性，以滿足更多類型的礦山工程應(yīng)用條件，更好地實現(xiàn)低能源消耗，以促進我國礦產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。