張佳哲

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全督查大隊(duì)八中隊(duì)，山西 大同 037003）

礦井的通風(fēng)系統(tǒng)受通風(fēng)線路、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)變化、巷道變形、運(yùn)行參數(shù)等因素的影響，使通風(fēng)量發(fā)生改變，進(jìn)而威脅到井下的正常生產(chǎn)。同煤集團(tuán)某礦井現(xiàn)使用的通風(fēng)系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)采集實(shí)效性差、設(shè)備老化、監(jiān)控不到位等問題，還有通風(fēng)系統(tǒng)本身是一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，為了提高通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，找到影響因素，建立實(shí)時(shí)監(jiān)控通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的可靠性預(yù)測(cè)系統(tǒng)，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[1-3]，結(jié)合智能軟件應(yīng)用技術(shù)，設(shè)計(jì)符合功能要求的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，通過構(gòu)建仿真模型，將預(yù)測(cè)值和真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比，判斷系統(tǒng)的可靠性。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)

同煤集團(tuán)大斗溝煤礦礦井采用中央并列式通風(fēng)方式，通風(fēng)方法為抽出式，主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)。礦井主井進(jìn)風(fēng)量為1527 m3/min，副井進(jìn)風(fēng)量為5380 m3/min，礦井總進(jìn)風(fēng)量為9874 m3/min，總回風(fēng)量為10 298 m3/min，主通風(fēng)機(jī)的總排風(fēng)量為10 550 m3/min，外部漏風(fēng)率為2.39%，內(nèi)部漏風(fēng)率為5.5%。

1.2 通風(fēng)設(shè)備

主扇為2 臺(tái)ANN-3240/1800B 型防爆對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，1 臺(tái)工作，1 臺(tái)備用。每臺(tái)通風(fēng)機(jī)選用1 臺(tái)型號(hào)為YKK800-6 的交流異步電動(dòng)機(jī)，功率為3550 kW，電壓為10 kV，額定轉(zhuǎn)速為990 r/min，風(fēng)量約為12 000 m3/min，負(fù)壓約為600 Pa。

1.3 通風(fēng)路線

① 進(jìn)風(fēng)立井→1040 北翼輔運(yùn)大巷→2103 皮帶順槽檢修聯(lián)巷→一采區(qū)皮帶巷→2102 皮帶順槽→8102 工作面→5102 回風(fēng)順槽→一采區(qū)3#聯(lián)巷→一采區(qū)回風(fēng)巷→井底回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷→回風(fēng)立井→地面；

② 副斜井→一采區(qū)輔運(yùn)巷→一采區(qū)輔皮聯(lián)巷（2102 皮帶順槽檢修聯(lián)巷）→2102 皮帶順槽→8102 工作面→5102 回風(fēng)順槽→一采區(qū)3#聯(lián)巷→一采區(qū)回風(fēng)巷→井底回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷→回風(fēng)立井→地面。

2 通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)的有效度

通風(fēng)系統(tǒng)的有效度是可靠性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)[4]，主要包括對(duì)系統(tǒng)、裝置以及元器件的有效度評(píng)價(jià)。瞬時(shí)有效度是指在一定的環(huán)境中，任意時(shí)間點(diǎn)上通風(fēng)機(jī)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)的概率，穩(wěn)定有效度是指存在其對(duì)應(yīng)的極限值。

2.2 平均正常通風(fēng)時(shí)間以及失效時(shí)間

平均正常通風(fēng)時(shí)間是指通風(fēng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)到通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)失效問題所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)度平均值。平均通風(fēng)失效時(shí)間是指通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)到通風(fēng)系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)度平均值。

2.3 維修率以及故障率

可維修性是指在通風(fēng)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行時(shí)，針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)故障問題并采取措施進(jìn)行維修確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。通過分析數(shù)據(jù)，通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的平均正常通風(fēng)時(shí)間和平均通風(fēng)失效時(shí)間在統(tǒng)計(jì)學(xué)上符合指數(shù)分布，其指數(shù)分別對(duì)應(yīng)故障率和維修率。

根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)將礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性級(jí)別分為5 級(jí)[5]，見表1。

表1 可靠性級(jí)別

3 可靠性預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋控制網(wǎng)絡(luò)，一般包括輸入層、隱含層和輸出層。輸入信號(hào)從輸入層傳輸?shù)诫[含層再傳輸?shù)捷敵鰧?，每一層的神?jīng)元狀態(tài)只影響下一層的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值的變化與誤差成正比，通過計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使誤差函數(shù)的斜率接近于目標(biāo)值。如果實(shí)際輸出與期望輸出存在一定的誤差，則誤差信號(hào)反向傳輸?shù)缴弦粚?，通過不斷修正神經(jīng)元的權(quán)值和閾值，向輸入層傳播計(jì)算結(jié)果，再正向傳輸?shù)捷敵鰧?。按上述方法?duì)誤差進(jìn)行修正，使其達(dá)到期望的要求，多層網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)束。

3.1 總體架構(gòu)

根據(jù)礦井對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際需求，建立可靠性預(yù)測(cè)系統(tǒng)，主要包括可靠性預(yù)測(cè)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及通風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)3 部分，其總體架構(gòu)如圖1。

圖1 總體架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為可靠性預(yù)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為后續(xù)系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)主要是實(shí)時(shí)監(jiān)控通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，確保通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行?？煽啃灶A(yù)測(cè)系統(tǒng)是通過上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，通過評(píng)價(jià)方法，提高子系統(tǒng)的計(jì)算能力。通過3 個(gè)子系統(tǒng)的相互配合和綜合分析，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行及時(shí)處理，確保系統(tǒng)安全[6]。

3.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，主要架構(gòu)如圖2，主要包括各類傳感器設(shè)備和微處理器數(shù)據(jù)處理兩部分。

圖2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3 監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控子系統(tǒng)以PLC 為核心控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)各單元的監(jiān)測(cè)控制，在確保系統(tǒng)安全可靠的前提下，通過PLC 進(jìn)行指令傳達(dá)和下發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)啟停、變頻等控制任務(wù)。主要架構(gòu)如圖3。

圖3 監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4 預(yù)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

預(yù)測(cè)子系統(tǒng)主要采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使網(wǎng)絡(luò)的性能得以提高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化和更新。根據(jù)采集子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)以及監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，經(jīng)PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)和組態(tài)軟件之間的數(shù)據(jù)交換，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。

4 預(yù)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證

在Matlab 仿真軟件中搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，采用工具箱函數(shù)實(shí)現(xiàn)編程[7]。試驗(yàn)共選取有代表性的25 組數(shù)據(jù)，其中15 組訓(xùn)練數(shù)據(jù)，5 組驗(yàn)證數(shù)據(jù)，5 組檢驗(yàn)系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)。

采用Matlab 中Newff 函數(shù)搭建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，得到如圖4 所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差曲線圖?？梢钥闯?，系統(tǒng)在經(jīng)過19 次訓(xùn)練后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最小收斂值，得出仿真模型預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的對(duì)比見表2。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差曲線

表2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)可靠性級(jí)別的預(yù)測(cè)值

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能反映通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性級(jí)別，通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性為3 級(jí)，系統(tǒng)比較可靠，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立預(yù)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

5 結(jié)論

（1）以大斗溝煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，研究通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，建立BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)可靠性的級(jí)別。

（2）通過Matlab 仿真，結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能反映通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性級(jí)別，通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性為3 級(jí)，系統(tǒng)比較可靠，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立預(yù)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。