礦山特種設(shè)備下故障診斷淺析

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摘要：設(shè)備全生命周期信息集成實現(xiàn)從設(shè)備的選型采購、組裝調(diào)試到運維、保養(yǎng)直至報廢的全信息集成、共享與增量更新，滿足設(shè)備生產(chǎn)廠家、礦山設(shè)備使用者對礦山設(shè)備全生命周期集成與評價需求。構(gòu)建了礦山特種設(shè)備全生命周期信息表達模型，并結(jié)合針對產(chǎn)品家族生命周期的信息集成建模架構(gòu)（I2MAfPFL）模型，實現(xiàn)了礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成。結(jié)合信息表達和信息集成模型，開發(fā)了全生命周期管理系統(tǒng)，并在霍爾辛赫煤礦進行了應(yīng)用，為礦山生產(chǎn)設(shè)備智能協(xié)同管控與調(diào)度、礦山設(shè)備健康態(tài)勢分析與預(yù)測預(yù)警等提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：礦山特種設(shè)備；全生命周期；信息表達模型；信息集成模型；信息集成與管理系統(tǒng)

0引言

礦山特種設(shè)備是指涉及生命安全、危險性較大的承壓類（如空氣壓縮機、鍋爐、壓力管道）和機械類（如采掘設(shè)備、提升設(shè)備、運輸設(shè)備）兩大類型設(shè)備。礦山特種設(shè)備工作環(huán)境具有作業(yè)空間受限、潮濕陰暗和存在瓦斯等特點。通過研發(fā)特種設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)，可增強使用單位判識特種設(shè)備重特大事故及防范事故的能力，同時也可為礦山生產(chǎn)設(shè)備的智能管控與調(diào)度以及礦山設(shè)備態(tài)勢分析服務(wù)，從而形成智慧化的礦山服務(wù)體系。結(jié)合十三五國家重點研發(fā)專項，本文研究了礦山特種設(shè)備全生命周期管理與故障診斷的信息表達模型、信息集成模型和故障診斷方法，開發(fā)了礦山特種設(shè)備全生命周期信息管理系統(tǒng)，解決了礦山物聯(lián)網(wǎng)中多物態(tài)的信息集成與數(shù)據(jù)的有效利用問題，為礦山設(shè)備的智能管控與調(diào)度、事故防范打下了基礎(chǔ)。本文研究內(nèi)容在霍爾辛赫煤礦進行了示范應(yīng)用。

1礦山特種設(shè)備全生命周期信息表達模型

礦山特種設(shè)備全生命周期信息表達模型用于解決設(shè)備、部件和監(jiān)測傳感器的信息表達和關(guān)聯(lián)。為此，將設(shè)備從設(shè)計制造、安裝調(diào)試、運維保養(yǎng)到報廢再利用劃分為4個階段，定義各個階段需要表達和集成的信息類型，構(gòu)建相應(yīng)數(shù)據(jù)表，再將每個階段數(shù)據(jù)表以數(shù)據(jù)鏈表方式進行關(guān)聯(lián)，從而可實現(xiàn)從設(shè)備到部件再到監(jiān)測傳感器的信息表達與耦合。以礦井提升機在設(shè)計制造階段的信息構(gòu)建為例。礦井提升機由工作機構(gòu)、制動系統(tǒng)、機械傳動裝置、潤滑系統(tǒng)、檢測及操縱系統(tǒng)、保護系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)組成。首先建立設(shè)備設(shè)計制造信息表，然后根據(jù)設(shè)備的基礎(chǔ)信息和所包含的子系統(tǒng)信息，依次向下劃分為子系統(tǒng)信息表和傳感器監(jiān)測信息表，由此實現(xiàn)信息表達所需的屬性關(guān)聯(lián)。根據(jù)羅列的礦井提升機設(shè)計制造信息表數(shù)據(jù)成員名稱和數(shù)據(jù)類型，按照系統(tǒng)-部件-傳感器耦合方式，各信息表進行尋訪與關(guān)聯(lián)，如圖1所示。

2礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成模型

礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成模型用于實現(xiàn)礦山特種設(shè)備的全信息集成、共享與增量更新，滿足設(shè)備生產(chǎn)廠家、礦山設(shè)備使用者對礦山設(shè)備全生命周期集成與評價需求。信息集成是將監(jiān)測信息批量集成到文件的方法。在工業(yè)領(lǐng)域，為了滿足顧客大規(guī)模定制需求，提出了一種針對產(chǎn)品家族生命周期的信息集成建模架構(gòu)（I2MAfPFL），該模型從產(chǎn)品家族的綜合角度構(gòu)建了信息集成體系。I2MAfPFL模型可適用于礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成，但需結(jié)合礦山特種設(shè)備的特點和應(yīng)用場景進行調(diào)整。礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成模型來源于I2MAfPFL，由單元信息模型、狀態(tài)空間模型和進化空間模型組成。（1）單元信息模型單元信息模型將信息表示為物理層、邏輯層、表示層和應(yīng)用層。其中物理層以屬性元數(shù)據(jù)、邏輯數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)等方式表示，實現(xiàn)了對特種設(shè)備原始數(shù)據(jù)的描述；邏輯層實現(xiàn)知識關(guān)系映射、設(shè)備結(jié)構(gòu)與部件關(guān)系等；表示層為屬性、數(shù)據(jù)、規(guī)則、應(yīng)用關(guān)系表示方法；應(yīng)用層為對外體現(xiàn)的靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、文檔、圖片等。（2）狀態(tài)空間模型狀態(tài)空間模型基于多視圖思想，采用設(shè)備類別維、結(jié)構(gòu)部件維、生命周期維三維空間模型描述與耦合方法，構(gòu)建礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成模型，并實現(xiàn)模型的演化，如圖2所示。圖2中，M（i，j，k）為i設(shè)備的j部件在k階段的狀態(tài)。（3）進化空間模型進化空間模型根據(jù)設(shè)備生命周期演化特點，在設(shè)備的不同運行階段，通過引入不同的數(shù)學(xué)分析模型，滿足了設(shè)備定制化和評價分析的需求，如圖3所示。信息表達模型通過建立數(shù)據(jù)鏈表實現(xiàn)了從設(shè)備到部件、監(jiān)測傳感器的信息表達與關(guān)聯(lián)。信息集成模型主要實現(xiàn)信息的編碼與描述，包括靜態(tài)信息、動態(tài)信息等。其中，單元信息模型按照物理層到應(yīng)用層順序，對每一層信息進行了描述；狀態(tài)空間模型通過多視圖思想，將時間引入信息表達模型中；進化空間模型則通過引入數(shù)學(xué)分析模型，為模型重構(gòu)服務(wù)。

3礦山特種設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)

礦山特種設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)實現(xiàn)了礦山特種設(shè)備的智能互聯(lián)及信息集成，并統(tǒng)一到云服務(wù)平臺當(dāng)中，打通了設(shè)備、用戶、生產(chǎn)者和管理者之間的聯(lián)系，滿足了礦山定制化的評價分析需求。系統(tǒng)功能主要包括：①信息采集管理主要負責(zé)按照特種設(shè)備的信息模型構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及分布式信息采集設(shè)備的注冊、分配、使用管理和新設(shè)備標(biāo)識碼的生成等；②前期管理包括采購、調(diào)試、入庫、領(lǐng)用等環(huán)節(jié)，主要涉及設(shè)備基本信息登記、存儲、采集、更新等；③庫存管理包括設(shè)備的庫存狀態(tài)管理、技改需求管理以及通用或特種配件管理等；④運維管理包括日常巡檢、維護、預(yù)防性維修等，可動態(tài)更新；⑤狀態(tài)診斷包括故障診斷和剩余壽命預(yù)測。礦山特種設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)整體界面如圖4所示，設(shè)備信息的大數(shù)據(jù)展示界面如圖5所示。管理系統(tǒng)通過引入機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等算法，可實現(xiàn)礦山特種設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)和智能化診斷分析要求。如引入分類算法、遷移學(xué)習(xí)，可實現(xiàn)設(shè)備預(yù)知故障感知；如引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、退化狀態(tài)健康指示器、粒子濾波，可實現(xiàn)設(shè)備剩余壽命預(yù)測等，如圖6所示。（1）設(shè)備故障感知為了實現(xiàn)設(shè)備故障感知，系統(tǒng)采用了一種將特征表示學(xué)習(xí)與機器預(yù)測學(xué)習(xí)相結(jié)合的端到端學(xué)習(xí)算法。算法基于特征選擇的方法，首先利用基于分類網(wǎng)絡(luò)的修正平均影響值（MIVs）和類內(nèi)、類間判別分析（WBDA）的互補性，通過計算特征對分類網(wǎng)絡(luò)的貢獻來選擇特征變量，從而實現(xiàn)面向分類網(wǎng)絡(luò)的變量初選。然后，引入類間排序WBDA的概念，計算簇內(nèi)和簇間樣本的相似度，實現(xiàn)二次特征選擇。最后，利用多核支持向量機（SVM）對設(shè)備故障狀態(tài)進行分類，算法如圖7所示。以動篩系統(tǒng)軸承監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，MIVs-WBDA算法與AutoEncoder、主成分分析（PCA）、MIVs、補償距離評估技術(shù)（CDET）、WBDA、因子分析（FA）、局部保持投影（LPP）、鄰域保持嵌入（NPE）、概率主成分分析（PPCA）在不同特征維度下的故障分類準(zhǔn)確性如圖8所示。由圖8可見，在維度為3的情況下，MIVs-WBDA算法就可以達到99.2%的分類準(zhǔn)確度。（2）設(shè)備剩余壽命預(yù)測為了實現(xiàn)設(shè)備剩余壽命預(yù)測，先構(gòu)建基于卷積自編碼網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備部件退化狀態(tài)健康指示器，獲得部件的退化曲線，這里采用面向回歸的卷積自編碼網(wǎng)絡(luò)，如圖9所示。再構(gòu)建一種基于粒子濾波算法的雙指數(shù)模型，實際監(jiān)測部件的損耗值模型構(gòu)建之后，利用粒子濾波算法進行參數(shù)的更新，從而獲得監(jiān)測設(shè)備的剩余壽命。粒子濾波的參數(shù)要通過前期測量數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練和調(diào)整。在忽略工況評估模型基礎(chǔ)上，利用測試數(shù)據(jù)可實現(xiàn)設(shè)備剩余周期預(yù)測。某一工況條件下設(shè)備預(yù)測結(jié)果如圖10所示。結(jié)合全生命周期管理系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，通過引入智能化診斷分析算法，可實現(xiàn)設(shè)備的不同診斷需求。

4結(jié)語

礦山特種設(shè)備的全生命周期管理系統(tǒng)實現(xiàn)了礦山特種設(shè)備的智能互聯(lián)及信息集成，并統(tǒng)一到云服務(wù)平臺當(dāng)中。該系統(tǒng)基于多視圖思想，采用設(shè)備類別維、結(jié)構(gòu)部件維、生命周期維三維空間模型描述與耦合方法，構(gòu)建礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成模型；打通了設(shè)備、用戶、生產(chǎn)者和管理者之間的聯(lián)系，滿足了礦山定制化的評價分析；基于可重構(gòu)的柔性化技術(shù)，滿足管理系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)和智能化診斷分析要求。系統(tǒng)的實施為霍爾辛赫煤礦特種設(shè)備的安全管理提供了保障，為礦山生產(chǎn)設(shè)備智能協(xié)同管控與調(diào)度、礦山設(shè)備健康態(tài)勢分析與預(yù)測預(yù)警等提供了基礎(chǔ)，滿足了日常業(yè)務(wù)操作要求和各級政府部門的管理監(jiān)督要求。

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作者:張海軍 王剛 單位:山煤國際能源集團煤業(yè)管理公司晉北分公司 中國礦業(yè)大學(xué)礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合實驗室