摘要：煤礦井下作業(yè)環(huán)境高度復(fù)雜，多數(shù)大規(guī)模機電設(shè)備在同一時刻作業(yè)，發(fā)生設(shè)備重大故障相互干擾的概率較高。因此，本文從機電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測著手，簡單介紹煤礦機電設(shè)備智能化維護研究現(xiàn)狀，論述維護方法與實現(xiàn)路徑，探析機電設(shè)備智能化維護發(fā)展趨勢，以供參考。

關(guān)鍵詞：煤礦；機電；設(shè)備；智能化；維護

DOI：10.12433/zgkjtz.20240716

近年來，煤礦行業(yè)智能化發(fā)展趨勢顯著，智能化機電設(shè)備成為實現(xiàn)智慧礦山建設(shè)的基石，機電設(shè)備智能化維護是智慧礦山建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全面發(fā)展，大量先進技術(shù)被引入機電設(shè)備維護領(lǐng)域，為煤礦機電設(shè)備智能化維護提供了充足的技術(shù)支持，相關(guān)研究成果也不斷涌現(xiàn)?；诖耍骄棵旱V機電設(shè)備智能化維護研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢具有重要的現(xiàn)實意義。

一、煤礦機電設(shè)備智能化維護研究現(xiàn)狀

（一）機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

在無線射頻技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)飛速發(fā)展過程中，煤礦機電設(shè)備傳感終端由有線傳輸發(fā)展為無線傳輸，形成了異構(gòu)傳感數(shù)據(jù)格式。部分學(xué)者運用ZigBee技術(shù)，將傳感器與多種機電裝置緊密結(jié)合，構(gòu)建了適用于煤礦開采區(qū)域工作設(shè)備監(jiān)測點定位的無線通訊管理系統(tǒng)，在一定程度上降低了煤礦機電設(shè)備智能化維護成本。部分學(xué)者聚焦井下機電設(shè)備群在同一時刻作業(yè)數(shù)據(jù)采集頻率、傳感器終端并發(fā)量迅速增加的情況，研究數(shù)據(jù)集成網(wǎng)關(guān)和非阻塞傳輸框架下異構(gòu)傳感終端數(shù)據(jù)的統(tǒng)一解析，為煤礦機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸提供了支撐。

（二）機電設(shè)備維護策略研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，煤礦機電設(shè)備自動化水平持續(xù)提高，相應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，迫切要求更新設(shè)備維護形式。在現(xiàn)有事后維護、預(yù)防性維護、定期維護、預(yù)知性維護、可靠性維護、基于狀態(tài)的維護等策略基礎(chǔ)上，部分學(xué)者提出基于條件的智能化維護策略，即基于系統(tǒng)當(dāng)前條件，實時收集評估信息，打造智能化維護決策模型，預(yù)先設(shè)定模型約束條件，例如，維護費用、機電設(shè)備可用性、維護時間等，實現(xiàn)自適應(yīng)維護決策。但現(xiàn)有研究過程較復(fù)雜，無法滿足多機電設(shè)備構(gòu)成的煤礦開采系統(tǒng)維護需求。

（三）機電設(shè)備維護操作研究現(xiàn)狀

人工智能時代，煤礦開采行業(yè)對機電設(shè)備維護的質(zhì)量要求不斷提升，機器人因自動化低風(fēng)險操作成為煤礦機電設(shè)備維護操作研究的重點。從二十世紀(jì)九十年代開始，相關(guān)學(xué)者就投入到煤礦機電設(shè)備維護機器人研究中。部分學(xué)者從煤礦機電設(shè)備運行狀態(tài)探測著手，研究地下煤礦開采環(huán)境內(nèi)機器人搭載氣體檢測、紅外圖像等傳感器探測機電設(shè)備運行狀態(tài)并經(jīng)光纖傳輸信息的方法；部分學(xué)者致力于開發(fā)適用于煤礦機電設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測與井下巷道三維地圖設(shè)備定位的機器人，旨在將煤礦主巷道三維地圖融入機器人運行監(jiān)測體系，提高基于機器人的機電設(shè)備維護操作準(zhǔn)確性。但現(xiàn)有機器人研究成果適用性試驗表明其遠(yuǎn)不能達到煤礦行業(yè)對機電設(shè)備智能化維護的標(biāo)準(zhǔn)要求，機器人極易因車輪著地點變化而出現(xiàn)空間位置姿態(tài)異變，最終出現(xiàn)頻繁傾翻問題。

二、煤礦機電設(shè)備智能化維護方法與實現(xiàn)

（一）構(gòu)建機電設(shè)備狀態(tài)管理模型

根據(jù)機電設(shè)備故障發(fā)生前兆現(xiàn)象，借助物聯(lián)網(wǎng)智能化情境感知技術(shù)，構(gòu)建機電設(shè)備狀態(tài)管理模型。模型創(chuàng)建時，多選用本體建模工具Protege，將煤礦機電設(shè)備引入本體模型內(nèi)，借助頂層本體完成模型種類的定義，包括Sensor（傳感器）、Location（當(dāng)?shù)貐^(qū)域設(shè)備）、Local_equipment（位置）、Run_state（運行狀態(tài)）、Time（時間），進而根據(jù)抽象衍生類，進行預(yù)置實例（溫度指示實例、色梯實例等）、實時實例（傳感器傳遞機電設(shè)備標(biāo)簽顯示實時狀態(tài)）的設(shè)置。

在煤礦機電設(shè)備狀態(tài)管理模型內(nèi)相關(guān)實體確定后，以O(shè)WL文件存儲資源知識庫實時測點，借助若干機電設(shè)備運行參數(shù)指標(biāo)采集信息、動靜態(tài)信息對比結(jié)果，生成基于Java開源語義工具的查詢文件，自動查詢、解析、推理OWL數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)由單一測點獲得特定時刻特定區(qū)域煤礦機電設(shè)備狀態(tài)信息。例如，在某煤礦一巷道采區(qū)采煤工作面通風(fēng)機運行指標(biāo)發(fā)生異變時，將通過地面監(jiān)控軟件顯示紅色或黃色預(yù)警信號，此時本體模型（機電設(shè)備狀態(tài)管理模型）將根據(jù)預(yù)警級別提取巷道通風(fēng)機風(fēng)速傳感器預(yù)警信號，并讀取直接生成的文件信息，自動顯示特定時刻巷道采空區(qū)通風(fēng)機運行狀態(tài)，同時以日志的形式推送通風(fēng)機在特定工作地點的運行情況，為維護決策提供依據(jù)。

（二）設(shè)計機電設(shè)備智能化維護系統(tǒng)

煤礦機電設(shè)備智能化維護系統(tǒng)是設(shè)備智能化維護的核心，主要借助物聯(lián)網(wǎng)智能化設(shè)備，對煤礦井下機電設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控管理，包括運輸設(shè)備（帶式運輸機、破碎機、電動機車等）、采掘設(shè)備（采煤機、掘進機等）、提升設(shè)備（礦用提升絞車、提升機等）、給排水設(shè)備（渣漿泵、給水泵、離心泵等）、支持機械設(shè)備（金屬頂梁、液壓支架等）?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦機電設(shè)備智能化維護系統(tǒng)本質(zhì)上是將全部井下、地面設(shè)備與人員融合到一個網(wǎng)絡(luò)空間，充分利用機電設(shè)備監(jiān)測溫度、濕度、壓力等信息，實現(xiàn)物與物互聯(lián)、人與人互聯(lián)、人與物互聯(lián)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦機電設(shè)備智能化維護系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)庫層。其中，感知層為系統(tǒng)底層，對系統(tǒng)運行效率與智能化程度具有直接影響。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，感知層多選擇無線傳輸模塊組成無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)運行無線射頻設(shè)備、智能傳感器設(shè)備，自動采集信息。網(wǎng)絡(luò)層主要包括互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)與局域網(wǎng)。面對煤礦井下作業(yè)惡劣環(huán)境與復(fù)雜巷道分布，井下通信不僅需要借助無線采集分站處理井下布線已知靜止（相對固定）設(shè)備，還要借助人員便攜智能終端、定位終端連接位置不固定的運動設(shè)備。業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)核心，需借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)封裝系統(tǒng)服務(wù)功能，并將索引機制添加到基礎(chǔ)注冊服務(wù)內(nèi)，以滿足感知層需求，自動調(diào)用不同數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息，例如，溫度信息、歷史信息等。數(shù)據(jù)庫層是多類別數(shù)據(jù)的集成，主要依托前期構(gòu)建的機電設(shè)備狀態(tài)管理模型，協(xié)同專家知識模型庫，推動物聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息共享。

（三）搭建機電設(shè)備智能化維護系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境

機電設(shè)備智能化維護系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境為“互聯(lián)網(wǎng)+”無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，需利用“無線網(wǎng)卡+AP”（Access Point，無線接入點）組網(wǎng)。在組網(wǎng)環(huán)境內(nèi)，準(zhǔn)備無線射頻電子標(biāo)簽、傳感器（溫度/瓦斯/風(fēng)速/設(shè)備開關(guān)/流量/車輛參數(shù)）等設(shè)備，為系統(tǒng)實現(xiàn)提供硬件支撐。

在硬件環(huán)境搭建的基礎(chǔ)上，利用融合Visual Basic與C++的C#語言，創(chuàng)建問題解決目標(biāo)對象，明確對象后，梳理問題，解決全流程中的行為目標(biāo)，并對目標(biāo)進行封裝，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢、巷道車輛狀態(tài)顯示、機電設(shè)備狀態(tài)實時顯示、巷道設(shè)備自動維護調(diào)試等功能。例如，系統(tǒng)界面顯示色梯顏色變化，自動關(guān)聯(lián)傳感器，推送對應(yīng)機電設(shè)備運行的實時參數(shù)信息（包括瓦斯抽放管內(nèi)溫度、水泵流量、支架壓力等）以及關(guān)于設(shè)備運行工作狀態(tài)的判斷，及時發(fā)出警報，為掘進機、副井提升機、裝載機、皮帶運輸機等設(shè)備智能化維護提供支撐。

三、煤礦機電設(shè)備智能化維護發(fā)展趨勢

（一）整體性

未來的煤礦機電設(shè)備智能化維護將發(fā)展為一個統(tǒng)一整體，有機整合設(shè)備異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)接入、描述、分布式存儲環(huán)節(jié)，突破信息壁壘。其中，煤礦機電設(shè)備異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入描述主要立足RDF（Resource Description Framework，資源描述框架）框架，從資源主體、謂語、賓語三個角度進行描述，例如，數(shù)據(jù)資源Data E采集編號為41052314215001的設(shè)備，采集位置在煤礦機電設(shè)備的54號位，則數(shù)據(jù)的資源描述框架表示方法如表1所示。

如表1所示，資源描述框架可借助類、屬性值對煤礦機電設(shè)備進行描述，明晰數(shù)據(jù)資源邏輯，為后期原數(shù)據(jù)交換提供依據(jù)。

面對增長的煤礦機電設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，未來的煤礦機電設(shè)備異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一描述與存儲集合需由基于成熟關(guān)系型數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換為分布式數(shù)據(jù)庫，即通過設(shè)計若干B+樹索引結(jié)構(gòu)，將煤礦機電設(shè)備監(jiān)測狀態(tài)描述數(shù)據(jù)分類型存儲在對應(yīng)索引結(jié)構(gòu)中，并在存儲模型內(nèi)應(yīng)用哈希函數(shù)。此時，借助查詢哈希值的方式可以實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)庫內(nèi)煤礦機電設(shè)備運行數(shù)據(jù)的在線獲得。

（二）模型化

針對當(dāng)前煤礦綜采設(shè)備群維護不足的問題，未來的煤礦機電設(shè)備維護將以煤礦綜采設(shè)備群構(gòu)成的開采系統(tǒng)為研究目標(biāo)，考慮機會維護、生產(chǎn)停機、突發(fā)性故障、設(shè)備折舊等干擾因素，打造適應(yīng)煤礦綜采設(shè)備群的維護決策模型，并經(jīng)遺傳算法求解優(yōu)化、策略對比，推導(dǎo)維護決策安排。從某種程度上看，煤礦綜采設(shè)備群構(gòu)成的生產(chǎn)系統(tǒng)可視為串聯(lián)系統(tǒng)，綜采設(shè)備群布置可簡化為“采煤機→液壓支架→刮板輸送機→皮帶運輸機”，整個過程中，根據(jù)設(shè)備故障率判斷是否需要維護無法完全規(guī)避機電設(shè)備潛在故障引發(fā)安全風(fēng)險，且基于故障率對一臺設(shè)備進行維護時其余機電設(shè)備不停機將引發(fā)安全風(fēng)險問題。

針對維護與開采作業(yè)引發(fā)的時間沖突，可基于煤礦綜采設(shè)備群維護決策模型推出維護與開采計劃聯(lián)合決策優(yōu)化方法，先考慮煤礦開采準(zhǔn)備費用、庫存費用、正常班次采煤費用、缺貨懲處費用與勞動力改變費用，結(jié)合前期煤礦開采周期編制的開采計劃（包括主采煤計劃、掘進計劃以及運輸生產(chǎn)計劃、排水生產(chǎn)計劃、通風(fēng)生產(chǎn)計劃、提升生產(chǎn)計劃、供電生產(chǎn)計劃等輔助生產(chǎn)作業(yè)計劃）構(gòu)建煤礦開采計劃獨立決策模型，再與維護決策模型融合構(gòu)建維護與生產(chǎn)計劃聯(lián)合決策模型，最終經(jīng)模擬算法求解優(yōu)化，實現(xiàn)最優(yōu)維護與煤礦綜采計劃聯(lián)合決策。

（三）無人化

在機器人驅(qū)動技術(shù)、地形識別與自主行走技術(shù)、煤礦機電設(shè)備目標(biāo)檢測識別技術(shù)發(fā)展的進程中，未來的煤礦機電設(shè)備維護將朝著無人化方向發(fā)展。由具備較高地形感知能力、障礙克服能力的井下維護機器人克服煤礦綜采運輸巷道積水、液壓支座障礙、煤石散落、地面鋪設(shè)線纜等干擾因子，并在內(nèi)置地形感知系統(tǒng)支持下完成相應(yīng)機電設(shè)備的識別標(biāo)示、匹配、巡視檢查與維護。

在實現(xiàn)維護時，井下維護機器人可以經(jīng)激光掃描獲得視覺信息自行計算地形參數(shù)，并構(gòu)建井下巷道面層危險等級劃分函數(shù)，自動識別井下巷道危險等級。在識別井下巷道危險等級的基礎(chǔ)上，井下維護機器人可利用已有地形信息完善巡檢維護路徑規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)，在同一時刻規(guī)劃出發(fā)節(jié)點到結(jié)束節(jié)點的最短路徑，確保行走路線安全。在巡檢維護操作期間，井下維護機器人應(yīng)經(jīng)機器學(xué)習(xí)方法自動構(gòu)建煤礦井下設(shè)備識別與匹配模型，在行進期間自動精準(zhǔn)匹配煤礦機電設(shè)備與目標(biāo)型號，完成井下機電設(shè)備類別劃分，分類別執(zhí)行維護任務(wù)，確保維護的精準(zhǔn)度。

四、結(jié)語

綜上所述，煤礦綜采項目需要眾多機電設(shè)備，各個機電設(shè)備的安全穩(wěn)定運行是煤礦綜采任務(wù)順利完成的關(guān)鍵。煤礦機電設(shè)備維護環(huán)節(jié)涉及的數(shù)據(jù)類型眾多，現(xiàn)有基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的機電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)分析管理無法滿足海量數(shù)據(jù)分析利用要求，因此，未來的煤礦機電設(shè)備維護應(yīng)基于資源描述框架整合接入、描述、分布式存儲，朝著無人化、模型化方向發(fā)展。

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作者簡介：杜善營（1979），山東省棗莊市人，工程師，主要研究方向為機電技術(shù)管理。