摘要：本文針對(duì)煤礦井下作業(yè)的安全問題，提出了機(jī)電設(shè)備的故障檢測(cè)方法。以掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，構(gòu)建了基于循環(huán)深度網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)框架，并對(duì)其內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)和注意力機(jī)制進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)電氣故障、機(jī)械故障和液壓故障進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)，本文提出的方法比其他方法檢測(cè)效果更好，可以提升煤礦井下機(jī)電設(shè)備的作業(yè)安全性。

關(guān)鍵詞：煤礦井下；機(jī)電設(shè)備；掘進(jìn)機(jī)；故障檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TD40""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

煤炭是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源，其附屬產(chǎn)品也是許多領(lǐng)域的必需品，給經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人民生活帶來了極大便利。隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長，煤炭需求量一直維持在高位。為了提升煤炭產(chǎn)量，我國一直大力度發(fā)展煤炭開采技術(shù)，尤其是煤礦井下機(jī)電設(shè)備的引進(jìn)和研發(fā)[1]。掘進(jìn)機(jī)械是煤礦井下的重要設(shè)備，也是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，包括機(jī)械部分、電氣部分、控制部分和輔助部分等[2]。為了確保掘進(jìn)機(jī)械能夠平穩(wěn)高效運(yùn)行，必須對(duì)其可能發(fā)生的故障進(jìn)行有效檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行有針對(duì)性的處理[3]。包括掘進(jìn)機(jī)在內(nèi)的煤礦井下機(jī)電設(shè)備可能發(fā)生的故障種類繁多，對(duì)各種可能故障進(jìn)行準(zhǔn)確分型，采用合理的檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下機(jī)電設(shè)備的有效故障檢測(cè)。

1煤礦井下機(jī)電設(shè)備的故障分類

煤礦井下的機(jī)電設(shè)備種類較多，可適用于不同場(chǎng)景并完成不同任務(wù)。其中應(yīng)用最多的設(shè)備就是掘進(jìn)機(jī)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異，掘進(jìn)機(jī)又可劃分為多個(gè)種類，如框架式掘進(jìn)機(jī)就是比較典型的一種。掘進(jìn)機(jī)工作效率高，適合于煤礦井下作業(yè)，可以快速掘進(jìn)并完成煤炭開采。從結(jié)構(gòu)上看，掘進(jìn)機(jī)是一種典型的繼電設(shè)備，包括機(jī)械部分、電氣部分和液壓控制部分。但是連續(xù)的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)使掘進(jìn)機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)各種故障。為了確定故障具體情況，可以將故障原因進(jìn)行逐級(jí)細(xì)分，如圖1所示。

掘進(jìn)機(jī)的常見故障被劃分為3類，電氣故障、機(jī)械故障和液壓控制故障。其中電氣故障常見于電纜斷裂、電機(jī)故障和電路短路等。持續(xù)作業(yè)下，電纜線路會(huì)被反復(fù)磨損，甚至在某些情況下直接損傷，導(dǎo)致電纜斷裂。持續(xù)的掘進(jìn)作業(yè)也會(huì)加大掘進(jìn)機(jī)的復(fù)合，導(dǎo)致電機(jī)過熱而無法正常工作。點(diǎn)電纜外皮損壞后，就可能引發(fā)電路短路。電氣故障不僅會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)無法正常工作，甚至?xí)l(fā)煤礦井下的火災(zāi)事故。

掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械故障常見于切割頭故障、傳動(dòng)系統(tǒng)故障和結(jié)構(gòu)故障等。切割頭在持續(xù)作業(yè)過程中可能出現(xiàn)卡死或破損，導(dǎo)致無法破壁和采掘煤炭。傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)停機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)無法帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。承載結(jié)構(gòu)故障可能會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)在采掘過程中發(fā)生變形。機(jī)械故障也會(huì)直接導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)停機(jī)，影響煤礦井下的工作效率。

掘進(jìn)機(jī)的液壓控制故障常見于液壓油泄露、液壓油溫度升高或異常以及液壓缸失效等。液壓控制是掘進(jìn)機(jī)的主要控制方式，決定了掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)效率。如果出現(xiàn)液壓故障，就會(huì)影響煤礦井下的作業(yè)效率。

2煤礦井下機(jī)電設(shè)備的故障檢測(cè)方法

2.1故障檢測(cè)方法總體構(gòu)思

根據(jù)上述分析可知，在煤礦井下作業(yè)過程中，掘進(jìn)機(jī)負(fù)荷大、連續(xù)工作時(shí)間長，經(jīng)常會(huì)面臨多種可能出現(xiàn)的故障。為了提升掘進(jìn)機(jī)的安全性，需要對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)。常見的故障檢測(cè)方式是人工檢測(cè)，但是井下條件有限且檢測(cè)人員可能受身體狀況、主觀情緒等的影響，檢測(cè)效果不佳，因此本文采用循環(huán)卷積深度網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障的智能檢測(cè)。

智能檢測(cè)是將各種可能故障的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)庫中，通過傳感器獲得現(xiàn)場(chǎng)的故障信息，將二者進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)的過程由深度網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)來完成。因?yàn)檎麄€(gè)過程都不需要人的參與，所以深度學(xué)習(xí)算法可以自動(dòng)運(yùn)行并完成掘進(jìn)機(jī)故障判斷，從而體現(xiàn)出明顯的自動(dòng)化、智能化屬性特征。

與普通的卷積網(wǎng)絡(luò)相比，循環(huán)卷積網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和逼近能力更強(qiáng)，這也是本文以此為核心算法的原因。本文基于深度學(xué)習(xí)的故障檢測(cè)方法框圖如圖2所示。

從圖2可以看出，將掘進(jìn)機(jī)的故障實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入，送入BERT模型中進(jìn)行處理。處理后的輸入數(shù)據(jù)劃分成新的子類，送入循環(huán)卷積網(wǎng)絡(luò)的輸入層，進(jìn)而送入循環(huán)卷積網(wǎng)絡(luò)的隱含層，再經(jīng)過多頭注意力機(jī)制進(jìn)行篩選并去除冗余數(shù)據(jù)，最終經(jīng)循環(huán)卷積網(wǎng)絡(luò)的輸出層得到故障檢測(cè)的識(shí)別結(jié)果。

2.2循環(huán)深度網(wǎng)絡(luò)的處理過程

循環(huán)深度網(wǎng)絡(luò)比一般的卷積深度網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)大的功能，學(xué)習(xí)性能更強(qiáng)、逼近效果更好，其根本原因是其結(jié)構(gòu)的特殊性。對(duì)大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)來說，都具有典型的三層結(jié)構(gòu)，包括輸入層、中間層和輸出層。其中的中間層也稱之為隱含層，具有數(shù)量豐富的卷積、池化層次結(jié)構(gòu)。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)各種故障類型數(shù)據(jù)作為輸入送入輸入層后，會(huì)經(jīng)過隱含層的各卷積層和池化層進(jìn)行迭代訓(xùn)練以完成學(xué)習(xí)，反復(fù)迭代訓(xùn)練的結(jié)果最終形成輸出，從而形成故障類型的區(qū)分和判斷機(jī)制。這是一種自動(dòng)化的學(xué)習(xí)和遞進(jìn)機(jī)制，隨著數(shù)據(jù)訓(xùn)練豐富程度的提高和訓(xùn)練次數(shù)的增加，循環(huán)深度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確率會(huì)不斷提高，直至達(dá)到理想水平。

對(duì)煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)來說，循環(huán)深度網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)形態(tài)（Hm）、輸入輸出關(guān)系（ym）可以刻畫為公式（1）、公式（2）所示的數(shù)學(xué)模型。

Hm=f（wxxm+whHm-1）（1）

ym=g（wyHm）（2）

式中：f（）為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)的非線性激活函數(shù)；g（）為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)的激活函數(shù)；wx為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)的輸入層到隱含層的權(quán)重；wh為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)的隱含層內(nèi)部的權(quán)重；wy為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)的隱含層到輸出層的權(quán)重。

2.3多頭注意力機(jī)制的引入

在很多情況下，輸入-隱含-輸出的數(shù)據(jù)流傳遞會(huì)帶有大量冗余，這些冗余數(shù)據(jù)及其關(guān)系對(duì)建立準(zhǔn)確機(jī)制是不利的。因此，聚焦于核心問題是深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵所在。為了達(dá)到該目的，需要設(shè)計(jì)注意力機(jī)制，幫助深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)始終將注意力作為核心問題。當(dāng)同時(shí)采取多種屬性的注意力機(jī)制進(jìn)行處理時(shí)，就形成了多頭注意力機(jī)制。

在煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)中，本文引入了多頭注意力機(jī)制對(duì)循環(huán)深度網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，整個(gè)改進(jìn)處理過程包括4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

第一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障特征向量，生成3個(gè)獨(dú)立矩陣，具體描述如公式（3）所示。

（3）

式中：T為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障的特征向量；QT為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障的查詢矩陣；KT為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障的鍵矩陣；VT為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障的值矩陣；wQ為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障的查詢權(quán)重；wK為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障的鍵權(quán)重；wV為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障的值權(quán)重。

第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)多頭注意力機(jī)制的處理原則，根據(jù)

公式（4）計(jì)算出每一個(gè)頭，即headi。

式中：Attention（）為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)中注意力機(jī)制函數(shù)；Same（）為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)中的歸一化函數(shù)；DK為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)鍵矩陣KT的維度。

第三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行反復(fù)多次的注意力機(jī)制處理，得到煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)中的多個(gè)headi。

第四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，將多個(gè)自注意力處理后的頭進(jìn)行融合處理，形成煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)中特征語義向量。融合處理的操作如公式（5）所示。

式中：Multihead_Y為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)中特征語義向量；Fusion（）為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)中融合函數(shù)；w0為煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)中線性變換矩陣。

3煤礦井下機(jī)電設(shè)備故障檢測(cè)試驗(yàn)

上述研究以掘進(jìn)機(jī)為煤礦井下機(jī)電設(shè)備代表進(jìn)行設(shè)備故障分類，包括電氣故障、機(jī)械故障和液壓故障3類。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步提出了基于循環(huán)深度網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)檢測(cè)方法，并對(duì)其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，然后通過試驗(yàn)驗(yàn)證本文工作的有效性。以EBZ260掘進(jìn)機(jī)為具體研究對(duì)象，對(duì)其可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)流程如圖3所示。

本文對(duì)EBZ260掘進(jìn)機(jī)設(shè)置了5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括油泵電機(jī)、截割高速、截割低速、二運(yùn)電機(jī)和噴霧電機(jī)。在監(jiān)測(cè)過程中，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示電流正常，但PT100節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了漏電現(xiàn)象，表現(xiàn)為電流過流，表示油泵電機(jī)存在問題。其他重點(diǎn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)流程如圖4所示。

因?yàn)樵谟捅秒姍C(jī)的PT100節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了漏電現(xiàn)象，所以本文給出其重點(diǎn)保護(hù)的提示，此時(shí)要進(jìn)一步監(jiān)測(cè)油溫、油位和進(jìn)線電壓等參數(shù)。

將本文方法完成掘進(jìn)機(jī)故障檢測(cè)的綜合效果和其他3種方法進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表1。

表1數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的柱狀圖如圖5所示。

表1和圖5的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了本文方法的故障檢測(cè)準(zhǔn)確率明顯高于其他3種方法，對(duì)煤礦井下機(jī)電設(shè)備的保護(hù)具有重要意義。

4結(jié)論

煤礦井下作業(yè)效率關(guān)系到煤炭產(chǎn)量，是煤炭能源供給保障的關(guān)鍵。掘進(jìn)機(jī)等機(jī)電設(shè)備對(duì)煤礦井下作業(yè)十分關(guān)鍵，

可短時(shí)掘進(jìn)并開采大量煤炭，如何保障掘進(jìn)機(jī)持續(xù)高速、高負(fù)荷作業(yè)過程中的安全和穩(wěn)定是一項(xiàng)重要課題。本文先對(duì)掘進(jìn)機(jī)的常見故障進(jìn)行分類，即分為電氣故障、機(jī)械故障和液壓故障，進(jìn)而構(gòu)建基于循環(huán)深度網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)檢測(cè)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法可同時(shí)對(duì)多種故障類型進(jìn)行檢測(cè)和區(qū)分，準(zhǔn)確率較高。

參考文獻(xiàn)

[1]安國斌，閔文. 煤礦井下掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障診斷與維護(hù)措施分析[J]. 設(shè)備管理與維修，2023（12）：120-122.

[2]薛紅波，李福振，蔡先杭.EBQ315巖巷掘進(jìn)機(jī)在陜蒙地區(qū)煤礦大斷面巖巷掘進(jìn)中的應(yīng)用[J]. 工程技術(shù)研究，2022，4（2）：12-16.

[3]孟帥堯，李東利，王付利，等. 基于云平臺(tái)的隧道掘進(jìn)機(jī)故障診斷與處理技術(shù)研究[J]. 建筑機(jī)械（上半月），2022，32（8）：111-119.