李亮亮

（霍州煤電集團(tuán)山西汾河焦煤股份有限公司，山西 洪洞 041600）

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

目前，只能被動(dòng)了解工作面輸送機(jī)的運(yùn)行形態(tài)，生產(chǎn)實(shí)際中，可通過調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)的液壓機(jī)構(gòu)判斷輸送機(jī)的推進(jìn)距離，但推進(jìn)距離與機(jī)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(jī)與采煤機(jī)的不協(xié)調(diào)運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。 因此，急需一種全新的方法實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)運(yùn)行形態(tài)的提前預(yù)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)工作面智能化開采提供便利。

1 機(jī)器學(xué)習(xí)理論

機(jī)器學(xué)習(xí)作為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的重要研究方法，已經(jīng)實(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的提前預(yù)測(cè)，其類似于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 計(jì)算機(jī)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(shí)用性、強(qiáng)大的自學(xué)能力、數(shù)據(jù)處理規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)，在解決工程問題時(shí)，可將具有時(shí)序性的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，進(jìn)而得到基于時(shí)間序列的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

對(duì)應(yīng)井下復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，采煤機(jī)割煤路徑隨時(shí)間發(fā)生變化，割煤路徑可能為非線性運(yùn)動(dòng)，且割煤作業(yè)易導(dǎo)致煤層底板破壞，致使刮板輸送機(jī)形態(tài)發(fā)生不規(guī)則的變化。 因此基于機(jī)器學(xué)習(xí)理論對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行時(shí)間序列上的預(yù)測(cè)較為合理。

2 刮板輸送機(jī)運(yùn)行形態(tài)監(jiān)測(cè)方法

刮板輸送機(jī)運(yùn)行形態(tài)監(jiān)測(cè)方法主要采用核方法，基于SLT（小樣本統(tǒng)計(jì)）理論和優(yōu)化理論可以得到最佳的優(yōu)化結(jié)果，其實(shí)質(zhì)是通過內(nèi)積核函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高維的映射，進(jìn)而得到合理的前饋算法，該方法在圖像處理、故障識(shí)別和預(yù)測(cè)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(duì)圍巖的破壞性，導(dǎo)致工作面推進(jìn)期間，刮板輸送機(jī)的工作姿態(tài)呈現(xiàn)多樣性，且多具有隨機(jī)性和模糊性的特點(diǎn)。 因此，通過有效的方法建立合理的模型對(duì)于監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)具有現(xiàn)實(shí)意義，本項(xiàng)研究主要通過該方法實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)運(yùn)行形態(tài)的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。

一般而言，刮板輸送機(jī)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(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 但由于刮板輸送機(jī)并非為一體化的剛體構(gòu)件組成，其是由多個(gè)固定長(zhǎng)度的構(gòu)件通過中部槽剛體連接而成；因此刮板輸送機(jī)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(jī)的運(yùn)行形態(tài)不合理，需要根據(jù)底板的實(shí)際形態(tài)判斷設(shè)備的運(yùn)行形態(tài)。

為了提高模型的準(zhǔn)確性，需要以實(shí)際檢測(cè)得到的底板形態(tài)作為基本參數(shù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而提高計(jì)算的計(jì)算速度和準(zhǔn)確性。

刮板輸送機(jī)預(yù)測(cè)流程工藝圖如圖1 所示，首先根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分、測(cè)試及歸一化處理；隨后便可以運(yùn)行模型，模型運(yùn)行中，將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和處理過后的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差判斷，當(dāng)誤差判斷結(jié)果小于5%時(shí)（是），則輸出預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)束運(yùn)行；當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果大于5%時(shí)（否），則需要返回，重新連接權(quán)重，運(yùn)行模型，再進(jìn)行誤差判斷，直至誤差值降低至5%以下，輸出預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖1 刮板輸送機(jī)預(yù)測(cè)流程工藝

考慮到實(shí)際數(shù)據(jù)較多，直接使用核方法時(shí)結(jié)果誤差較大，因此，首先使用滾動(dòng)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建數(shù)據(jù)處理的循環(huán)，減少了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，間接提高了核方法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 滾動(dòng)預(yù)測(cè)模型中的數(shù)據(jù)處理循環(huán)主要通過for函數(shù)實(shí)現(xiàn)，將采煤機(jī)截割三次后底板的形態(tài)作為一組，將計(jì)算得到的結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)值，然后不斷循環(huán)計(jì)算，得到最終的計(jì)算結(jié)果。

3 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

結(jié)合回坡底煤礦礦井實(shí)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(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)距離1 m，統(tǒng)計(jì)不同測(cè)點(diǎn)處刮板輸送機(jī)的運(yùn)行形態(tài)，得到圖2 所示的結(jié)果。 從圖2 中可以看出，真實(shí)測(cè)量值和理論預(yù)測(cè)值變化規(guī)律相近，隨著測(cè)點(diǎn)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(shì)。 由于數(shù)據(jù)過于密集，且實(shí)際測(cè)量值和理論測(cè)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(jī)形態(tài)真實(shí)測(cè)量值和理論預(yù)測(cè)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(wú)規(guī)律變化，致使刮板輸送機(jī)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(cè)點(diǎn)位置40 m處，為1.8%，平均誤差為0.58%，說(shuō)明了理論預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。

圖2 刮板輸送機(jī)真實(shí)測(cè)量值與理論預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖3 真實(shí)測(cè)量值與理論預(yù)測(cè)值誤差分析

本研究實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工況下刮板輸送機(jī)運(yùn)行形態(tài)的監(jiān)測(cè)，得到了準(zhǔn)確、 可靠的刮板輸送機(jī)運(yùn)行形態(tài)，間接提高了工作面的生產(chǎn)效率。基于機(jī)器學(xué)習(xí)理論的遠(yuǎn)程三維形態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握11-109 工作面刮板輸送機(jī)的運(yùn)行信息，并及時(shí)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(shí)也為采煤機(jī)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(yǔ)

考慮到工作面回采期間刮板輸送機(jī)運(yùn)行形態(tài)難以預(yù)測(cè)的問題，以機(jī)器學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，借助該方法、滾動(dòng)預(yù)測(cè)模型等手段，對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行形態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究。 通過對(duì)比分析刮板輸送機(jī)真實(shí)測(cè)量值與理論預(yù)測(cè)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(jī)器學(xué)習(xí)理論預(yù)測(cè)刮板輸送機(jī)運(yùn)行形態(tài)的可行性，高準(zhǔn)確率、快速地計(jì)算預(yù)測(cè)，在實(shí)際工程中更加適用。 實(shí)際工程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)刮板輸送機(jī)工作異常狀態(tài)，為調(diào)整刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)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。