李亮亮

（霍州煤電集團山西汾河焦煤股份有限公司，山西 洪洞 041600）

近年來，礦井機械化水平得到飛速發(fā)展，但對于設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測和預(yù)測卻很薄弱，尤其是對煤礦大量應(yīng)用的刮板輸送機的運行形態(tài)監(jiān)測卻較少。 部分學(xué)者已對礦井設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測進行了相關(guān)研究，主要集中研究了采煤機和刮板輸送機協(xié)同運行狀態(tài)的監(jiān)測，通過采煤機單機的姿態(tài)和位置間接分析刮板輸送機的運行形態(tài)，均取得了良好的研究結(jié)果[1-4]。 但是在實際工程中，采煤機與刮板輸送機雖然是協(xié)同運行，地質(zhì)條件的復(fù)雜性往往導(dǎo)致采煤機和刮板輸送機運行不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。

目前，只能被動了解工作面輸送機的運行形態(tài)，生產(chǎn)實際中，可通過調(diào)節(jié)刮板輸送機的液壓機構(gòu)判斷輸送機的推進距離，但推進距離與機械設(shè)備的具體姿態(tài)位置有一定偏差，經(jīng)常導(dǎo)致刮板輸送機與采煤機的不協(xié)調(diào)運行，無法實現(xiàn)設(shè)備的安全可靠運行。 因此，急需一種全新的方法實現(xiàn)刮板輸送機運行形態(tài)的提前預(yù)測，為實現(xiàn)工作面智能化開采提供便利。

1 機器學(xué)習(xí)理論

機器學(xué)習(xí)作為計算機領(lǐng)域的重要研究方法，已經(jīng)實現(xiàn)了多學(xué)科、多領(lǐng)域、交叉式應(yīng)用，其本質(zhì)是通過計算機算法解析大量數(shù)據(jù)，得出具有一定規(guī)律的數(shù)值，通過已知的規(guī)律實現(xiàn)數(shù)據(jù)的提前預(yù)測，其類似于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 計算機如同大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在特定信息處理方式下，使得類似于大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特定程序?qū)崿F(xiàn)信息的自主學(xué)習(xí)，其更像函數(shù)中的映射關(guān)系，即輸入與輸出的關(guān)系。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有良好的實用性、強大的自學(xué)能力、數(shù)據(jù)處理規(guī)模大等優(yōu)點，在解決工程問題時，可將具有時序性的大量數(shù)據(jù)進行批量處理，進而得到基于時間序列的預(yù)測數(shù)據(jù)。

對應(yīng)井下復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，采煤機割煤路徑隨時間發(fā)生變化，割煤路徑可能為非線性運動，且割煤作業(yè)易導(dǎo)致煤層底板破壞，致使刮板輸送機形態(tài)發(fā)生不規(guī)則的變化。 因此基于機器學(xué)習(xí)理論對刮板輸送機進行時間序列上的預(yù)測較為合理。

2 刮板輸送機運行形態(tài)監(jiān)測方法

刮板輸送機運行形態(tài)監(jiān)測方法主要采用核方法，基于SLT（小樣本統(tǒng)計）理論和優(yōu)化理論可以得到最佳的優(yōu)化結(jié)果，其實質(zhì)是通過內(nèi)積核函數(shù)對數(shù)據(jù)進行高維的映射，進而得到合理的前饋算法，該方法在圖像處理、故障識別和預(yù)測上具有良好的應(yīng)用。

采煤過程中，巷道底板巖層性質(zhì)已知，但是工作面地形的復(fù)雜性及采煤工藝對圍巖的破壞性，導(dǎo)致工作面推進期間，刮板輸送機的工作姿態(tài)呈現(xiàn)多樣性，且多具有隨機性和模糊性的特點。 因此，通過有效的方法建立合理的模型對于監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)具有現(xiàn)實意義，本項研究主要通過該方法實現(xiàn)刮板輸送機運行形態(tài)的監(jiān)測和預(yù)測。

一般而言，刮板輸送機位于底板位置，底板巖層的形態(tài)變化直接影響刮板輸送機的運行狀態(tài)。 但由于刮板輸送機并非為一體化的剛體構(gòu)件組成，其是由多個固定長度的構(gòu)件通過中部槽剛體連接而成；因此刮板輸送機并不完全平行于底板，完全以平行底板形態(tài)判斷刮板輸送機的運行形態(tài)不合理，需要根據(jù)底板的實際形態(tài)判斷設(shè)備的運行形態(tài)。

為了提高模型的準確性，需要以實際檢測得到的底板形態(tài)作為基本參數(shù)，對參數(shù)進行歸一化處理，進而提高計算的計算速度和準確性。

刮板輸送機預(yù)測流程工藝圖如圖1 所示，首先根據(jù)實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行劃分、測試及歸一化處理；隨后便可以運行模型，模型運行中，將預(yù)測數(shù)據(jù)和處理過后的數(shù)據(jù)進行誤差判斷，當誤差判斷結(jié)果小于5%時（是），則輸出預(yù)測結(jié)果，結(jié)束運行；當預(yù)測結(jié)果大于5%時（否），則需要返回，重新連接權(quán)重，運行模型，再進行誤差判斷，直至誤差值降低至5%以下，輸出預(yù)測結(jié)果。

圖1 刮板輸送機預(yù)測流程工藝

考慮到實際數(shù)據(jù)較多，直接使用核方法時結(jié)果誤差較大，因此，首先使用滾動預(yù)測模型構(gòu)建數(shù)據(jù)處理的循環(huán)，減少了實測數(shù)據(jù)誤差對預(yù)測結(jié)果的影響，間接提高了核方法計算結(jié)果的準確性。 滾動預(yù)測模型中的數(shù)據(jù)處理循環(huán)主要通過for函數(shù)實現(xiàn)，將采煤機截割三次后底板的形態(tài)作為一組，將計算得到的結(jié)果作為標準預(yù)測值，然后不斷循環(huán)計算，得到最終的計算結(jié)果。

3 預(yù)測結(jié)果分析

結(jié)合回坡底煤礦礦井實際生產(chǎn)狀況及環(huán)境，在11-109 工作面相鄰的40 m范圍內(nèi)布置40 個測點，每個測點距離1 m，統(tǒng)計不同測點處刮板輸送機的運行形態(tài)，得到圖2 所示的結(jié)果。 從圖2 中可以看出，真實測量值和理論預(yù)測值變化規(guī)律相近，隨著測點距離的增加，雖然呈現(xiàn)多鋒狀態(tài)，但是整體處于增加的趨勢。 由于數(shù)據(jù)過于密集，且實際測量值和理論測量值較相近，因此很難看出兩者之間的誤差，故繪制圖3 所示的誤差分析圖。 從圖3 中可以看出，刮板輸送機形態(tài)真實測量值和理論預(yù)測值有一定誤差，整體起伏較大，這是由于工作面的回采造成圍巖的非線性變形造成的，因此底板的變形也表現(xiàn)為非線性的無規(guī)律變化，致使刮板輸送機形態(tài)出現(xiàn)多樣性，但是整體誤差值較小，最大誤差值出現(xiàn)在測點位置40 m處，為1.8%，平均誤差為0.58%，說明了理論預(yù)測結(jié)果的準確性、可靠性。

圖2 刮板輸送機真實測量值與理論預(yù)測值對比

圖3 真實測量值與理論預(yù)測值誤差分析

本研究實現(xiàn)了復(fù)雜工況下刮板輸送機運行形態(tài)的監(jiān)測，得到了準確、 可靠的刮板輸送機運行形態(tài)，間接提高了工作面的生產(chǎn)效率?；跈C器學(xué)習(xí)理論的遠程三維形態(tài)監(jiān)測，及時掌握11-109 工作面刮板輸送機的運行信息，并及時調(diào)整設(shè)備，避免了設(shè)備彎曲角度過大造成的損壞，同時也為采煤機下滾筒的調(diào)高提供了可靠信息，保證了工作面的平整性。

4 結(jié)語

考慮到工作面回采期間刮板輸送機運行形態(tài)難以預(yù)測的問題，以機器學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，借助該方法、滾動預(yù)測模型等手段，對刮板輸送機運行形態(tài)進行了監(jiān)測研究。 通過對比分析刮板輸送機真實測量值與理論預(yù)測值，得到兩者之間的平均誤差值僅為0.58%，最大誤差值為1.8%，證明了基于機器學(xué)習(xí)理論預(yù)測刮板輸送機運行形態(tài)的可行性，高準確率、快速地計算預(yù)測，在實際工程中更加適用。 實際工程中及時發(fā)現(xiàn)刮板輸送機工作異常狀態(tài)，為調(diào)整刮板輸送機、采煤機滾筒及液壓支架等設(shè)備工作狀態(tài)提供了可靠信息，提高了工作面生產(chǎn)的安全性。