朱廣賀，朱智強(qiáng)，李 娟

(新疆師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054)

0 引言

煤炭是我國(guó)核心能源，占能源總消費(fèi)的80%，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具備重要戰(zhàn)略地位[1]。近年來，通過各方面協(xié)同合作，煤礦安全生產(chǎn)情況趨于穩(wěn)定，煤礦運(yùn)輸機(jī)械化水準(zhǔn)不斷提升[2]，新型傳送設(shè)備層出不窮。科學(xué)合理地進(jìn)行煤礦傳送設(shè)備管理和故障診斷[3]，對(duì)維護(hù)井下機(jī)械設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)、避免開采時(shí)間延誤起到?jīng)Q定性作用，同時(shí)也能提升開采效率、保障煤礦工作人員的人身安全。

面向機(jī)械故障診斷問題，陳學(xué)東等[4]運(yùn)用多維高斯貝葉斯機(jī)器學(xué)習(xí)方法分析機(jī)械設(shè)備故障，在極大似然分析基礎(chǔ)上，通過馬氏距離計(jì)算關(guān)鍵特征參量，評(píng)估不同特征參量對(duì)故障診斷的影響。但該方法計(jì)算步驟復(fù)雜，無法在最短時(shí)間獲得設(shè)備當(dāng)前信息，故障診斷效率低。高宏力等[5]構(gòu)建深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，引入領(lǐng)域適配正則約束項(xiàng)，采用全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成機(jī)械設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)。但該方法因采用正則約束項(xiàng)導(dǎo)致容錯(cuò)性較差，方法最優(yōu)解收斂性能有待提升。

為解決上述方法中存在的問題，本文在數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)定的、松耦合的煤礦傳送設(shè)備故障點(diǎn)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)分為硬件和軟件設(shè)計(jì)2個(gè)部分，系統(tǒng)硬件運(yùn)用CAN總線編碼器與通信總站完成全局搭建，系統(tǒng)軟件編寫采用Visual Basic和C語言，在遺傳算法基礎(chǔ)上引入多種群機(jī)制，把故障數(shù)據(jù)作為輸入值進(jìn)行故障點(diǎn)定位計(jì)算，在系統(tǒng)中呈現(xiàn)高精度設(shè)備故障定位結(jié)果。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性。

1 煤礦傳送設(shè)備故障點(diǎn)定位系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的煤礦傳送設(shè)備故障點(diǎn)定位系統(tǒng)以觀察設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)為目標(biāo)，防止傳送設(shè)備發(fā)生安全事故、確保煤礦設(shè)備及時(shí)維修以及降低經(jīng)濟(jì)損失。在系統(tǒng)的各保護(hù)開關(guān)內(nèi)安置1個(gè)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network，CAN)總線編碼器，編碼內(nèi)涵蓋保護(hù)開關(guān)類別、地址與狀態(tài)等數(shù)據(jù)[6]。每臺(tái)通信總站負(fù)責(zé)管理120個(gè)保護(hù)開關(guān)，不管何種類型的保護(hù)開關(guān)動(dòng)作均會(huì)被記載于通信總站中，通信總站利用自身的繼電器操控系統(tǒng)，同時(shí)把信息傳遞至上位機(jī)進(jìn)行集中式控制管理。所建系統(tǒng)全局結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦傳送設(shè)備故障點(diǎn)定位系統(tǒng)架構(gòu)

將可編程中斷控制器(programmable interrupt controller，PIC)單片機(jī)當(dāng)作通信總站的終端設(shè)施，利用總線控制器MCP2515與收發(fā)器82C250連接至物理總線，收發(fā)器可加強(qiáng)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送與接收驅(qū)動(dòng)性能，利用RS485-CAN轉(zhuǎn)換器和RS485總線相互連接，再運(yùn)用RS485轉(zhuǎn)換器連接至上位機(jī)[7]，微型計(jì)算機(jī)也能連接在局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在煤礦傳送設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，CAN總線編碼器會(huì)持續(xù)進(jìn)行采樣和計(jì)算，將傳輸機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行循環(huán)顯示。如果設(shè)備發(fā)生故障，CAN總線編碼器會(huì)向通信總站發(fā)出命令，明確指出故障點(diǎn)所屬類型與方位。另外，CAN總線編碼器可利用通信總站將故障數(shù)據(jù)傳遞至上位機(jī)，上位機(jī)運(yùn)用通信單元訪問并控制下位機(jī)。

故障點(diǎn)定位系統(tǒng)硬件中使用PIC16F917芯片，該芯片可靠性強(qiáng)，內(nèi)部資源豐富，具備多種低功耗模式，待機(jī)電流低于0.15 μA[8]。通信總站硬件系統(tǒng)選擇HD7279軟件當(dāng)作鍵盤與電磁鎖的操控芯片，將控制繼電器當(dāng)作通信總站中的鎖控機(jī)構(gòu)，各通信總站中均安設(shè)1個(gè)控制繼電器，確保故障點(diǎn)定位系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

硬件抗干擾是維護(hù)系統(tǒng)可用性的重要部分，要立足于系統(tǒng)偶發(fā)性錯(cuò)誤角度[9]。此過程中，使用光電耦合隔離方法，將系統(tǒng)和輸入輸出電路、其余外部設(shè)施采取電氣隔離，很好地阻止干擾信號(hào)侵入。并且在平行線之間的信息傳輸會(huì)發(fā)生竄擾，布線時(shí)要進(jìn)行抗干擾措施。使用交叉走線抵御長(zhǎng)線傳輸竄擾，并且在版面空間較大時(shí)，增加布線間隔距離，盡可能縮短布線長(zhǎng)度，提升電路抗干擾性。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件運(yùn)行在下位機(jī)和不同的子節(jié)點(diǎn)內(nèi)[10]，下位機(jī)控制軟件采用Visual Basic編程語言，子節(jié)點(diǎn)軟件使用C語言，設(shè)計(jì)傳送設(shè)備無線傳感網(wǎng)絡(luò)接口與故障點(diǎn)定位算法，共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、檢驗(yàn)和信息傳輸?shù)纫幌盗泄收媳O(jiān)測(cè)工作。

下位機(jī)將PIC16F917單片機(jī)作為核心，包含故障診斷、中斷、顯示和通信4個(gè)板塊，為減少下位機(jī)腳本程序運(yùn)行負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)接口程序采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU設(shè)施[11]，編寫底層Modbus通信協(xié)議完成煤礦基站和下位機(jī)軟件之間的通信。下位機(jī)程序整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 下位機(jī)程序整體結(jié)構(gòu)

高級(jí)語言Visual Basic執(zhí)行任務(wù)的過程如圖3所示。

圖3 Visual Basic編程語言軟件流程

首先，利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換模式，調(diào)取下位機(jī)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的故障數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)變換為內(nèi)部信息變量[12]，評(píng)估是否存在故障信息。若含有故障信息，運(yùn)用Visual Basic數(shù)據(jù)接口中的ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象調(diào)用下位機(jī)數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行參數(shù)，將其和故障數(shù)據(jù)作為輸入值進(jìn)行故障點(diǎn)定位計(jì)算，最終輸出故障點(diǎn)定位結(jié)果。

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中借助數(shù)據(jù)挖掘算法中遺傳算法進(jìn)行故障點(diǎn)的定位[13]。利用移民算子挖掘不同種群的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，完成對(duì)種群協(xié)同進(jìn)化；利用人工選擇算子儲(chǔ)存種群進(jìn)化的最優(yōu)個(gè)體，并其看作故障點(diǎn)定位算法的收斂條件。傳送設(shè)備產(chǎn)生故障后，通過故障電流的異常進(jìn)行定位研究。

運(yùn)用二進(jìn)制編碼描述傳送設(shè)備故障的點(diǎn)[14]，考慮系統(tǒng)軟硬件不同的饋線結(jié)構(gòu)差異，設(shè)備故障電流Ij為

(1)

為達(dá)到設(shè)備故障點(diǎn)準(zhǔn)確定位目標(biāo)，確定故障電流越限狀況，設(shè)定系統(tǒng)為單電源供電網(wǎng)絡(luò)，其開關(guān)函數(shù)為

(2)

適應(yīng)度函數(shù)對(duì)遺傳算法是否獲得最優(yōu)解具有關(guān)鍵作用[15]。結(jié)合式(1)和式(2)構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，即

(3)

xi為饋線區(qū)段狀態(tài)值；ω為權(quán)系數(shù)。

本文傳送設(shè)備故障點(diǎn)定位實(shí)現(xiàn)過程及參數(shù)設(shè)置的步驟如下所述：

a.種群初始化。設(shè)定種群個(gè)數(shù)、初始種群個(gè)體數(shù)量和個(gè)體長(zhǎng)度。隨機(jī)產(chǎn)生初始種群P(t)，按照信息交換原理，將其劃分成若干個(gè)種群，即

P(t)={P1(t),P2(t),…,Pn(t)}

(4)

運(yùn)用式(2)推算種群Pi(t)個(gè)體開關(guān)電流，同時(shí)計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度。

b.明確控制參數(shù)。挑選不同控制參數(shù)，確保種群進(jìn)化差異，控制參數(shù)分別是交叉概率Pc與變異概率Pm，將2個(gè)控制參數(shù)的計(jì)算過程定義為

(5)

Pco、Pmo分別為初始交叉概率與變異概率；G為種群個(gè)數(shù)；c、m分別為交叉、變異操作區(qū)間大小；frand為生成隨機(jī)值的函數(shù)。

通過詳細(xì)分析可知，Pc通常在[0.6,0.8]區(qū)間內(nèi)任意產(chǎn)生，Pm通常在[0.02,0.06]區(qū)間內(nèi)任意產(chǎn)生。由此將式(5)變換為

(6)

c.移民算子與人工選擇算子。設(shè)定移民算子，也就是源種群最優(yōu)個(gè)體替代目標(biāo)種群時(shí)，依照高低排序中的最差個(gè)體，人工選擇算子可以挑選出每個(gè)種群內(nèi)的最優(yōu)個(gè)體[16]，同時(shí)將其保存在精華種群，確保不同種群最優(yōu)個(gè)體的安全。

d.收斂分析。多種群遺傳算法憑借精華種群來定義是否完成計(jì)算。精華種群內(nèi)最優(yōu)個(gè)體的代數(shù)超出設(shè)定的閾值，即可停止計(jì)算，證明算法處于收斂階段，得到準(zhǔn)確的煤礦傳送設(shè)備故障點(diǎn)位置，該方法計(jì)算過程如圖4所示。

圖4 多種群遺傳算法計(jì)算過程

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了檢測(cè)本文方法在煤礦傳送設(shè)備診斷中的應(yīng)用性能，對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比方法為文獻(xiàn)[4]的貝葉斯法和文獻(xiàn)[5]的知識(shí)遷移法，分別從CPU均衡度、收斂性能、故障定位精度與效率4方面進(jìn)行仿真分析，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為MATLAB。運(yùn)用SensorsHRM型振動(dòng)傳感器進(jìn)行傳送機(jī)械設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，采集初始頻率為15 kHz，終止頻率為260 kHz，0～1.0 s振動(dòng)數(shù)據(jù)采樣帶寬是1 050 kB，1.0 s處頻率分量是10 kHz。按照以上參變量設(shè)定完成傳送設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，獲得如圖5所示的數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果。

圖5 煤礦傳送設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)挖掘輸出的時(shí)域波形

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先分析故障點(diǎn)定位方法的CPU均衡度水平，用來描述設(shè)備故障點(diǎn)定位時(shí)的信息處理能力。CPU均衡度計(jì)算式為

(7)

n為任務(wù)量；k為最大任務(wù)量;Γnature為系統(tǒng)程序?qū)傩浴?/p>

3種方法的CPU均衡度對(duì)比如圖6所示。

圖6 3種方法故障點(diǎn)定位CPU均衡度對(duì)比

由圖6可知，任務(wù)量較少時(shí)，3種方法CPU均衡度差距并不明顯，伴隨任務(wù)數(shù)量的持續(xù)增加，本文方法CPU均衡度呈線性增加，并未出現(xiàn)異常增幅，且在相同任務(wù)量下均衡度要優(yōu)于其他2個(gè)方法，在大規(guī)模設(shè)備故障采集量下展現(xiàn)出極大的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，證明所建系統(tǒng)完全符合煤礦傳送設(shè)備故障定位的現(xiàn)實(shí)需求，可靠性較強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比故障點(diǎn)定位計(jì)算收斂情況，結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種方法故障點(diǎn)定位迭代收斂對(duì)比

由圖7可以看到，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，本文方法迭代次數(shù)最少，基本沒有陷入局部最優(yōu)，證明系統(tǒng)穩(wěn)定性好，收斂速率快。即便在迭代12次與17次后，知識(shí)遷移法、貝葉斯法也實(shí)現(xiàn)了收斂，但也證明了2種算法在迭代時(shí)多次陷入局部最優(yōu)，具有早熟收斂狀況，很難適用于井下惡劣情況的煤礦傳送設(shè)備故障定位中。

3種方法故障點(diǎn)定位誤差情況如圖8所示。

由圖8可以看到，貝葉斯法、知識(shí)遷移法的故障點(diǎn)定位誤差均高于本文方法，無法準(zhǔn)確描述傳送設(shè)備故障變化特征， 在計(jì)算機(jī)械設(shè)備狀態(tài)時(shí)沒有實(shí)現(xiàn)最優(yōu)分類，定位誤差高。而本文方法通過多種群遺傳算法，計(jì)算故障電流越限狀況與線路故障狀態(tài)，通過不同功能的算子挖掘種群內(nèi)在關(guān)系，存儲(chǔ)種群進(jìn)化個(gè)體，有效降低故障點(diǎn)定位誤差。

圖8 3種方法故障點(diǎn)定位誤差對(duì)比

統(tǒng)計(jì)本文方法與貝葉斯法、知識(shí)遷移法的煤礦傳送設(shè)備故障點(diǎn)定位耗時(shí)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 故障點(diǎn)定位效率分析

由圖9可知，貝葉斯法和知識(shí)遷移法的故障點(diǎn)定位時(shí)間較長(zhǎng)，定位速率緩慢，不能滿足當(dāng)前對(duì)實(shí)時(shí)性需求較高的傳送設(shè)備故障領(lǐng)域，應(yīng)用范圍較小。本文方法故障點(diǎn)定位時(shí)間短，且不會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增多產(chǎn)生過多起伏，表明其計(jì)算穩(wěn)定性強(qiáng)，符合預(yù)期設(shè)備故障點(diǎn)定位目標(biāo)。

3 結(jié)束語

為提升并完善煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)水平，設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)挖掘的煤礦傳送設(shè)備故障點(diǎn)定位系統(tǒng)，便于統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和管理設(shè)備故障。系統(tǒng)通過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)故障的定位。通過數(shù)據(jù)挖掘算法中多種群遺傳算法輸出準(zhǔn)確的故障位置，提升了故障定位的優(yōu)勢(shì)，指導(dǎo)維修人員快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障產(chǎn)生原因與位置，促進(jìn)煤礦事業(yè)良性發(fā)展。