［摘 要］文章針對(duì)目前褐煤煤質(zhì)參數(shù)檢測(cè)技術(shù)存在的延時(shí)高、實(shí)時(shí)性低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)和應(yīng)用一套基于近紅外技術(shù)的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)詳細(xì)分析褐煤的化學(xué)和物理特性，選取代表性樣本，并在現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，明確了系統(tǒng)功能以及技術(shù)規(guī)格要求。研究成果總結(jié)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的探討，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)的研究和完善提供了方向和依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］近紅外；褐煤；快速檢測(cè)；光譜；燃料管理；燃燒調(diào)整；燃燒優(yōu)化

［中圖分類號(hào)］TM621.2 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0147–03

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格要求

在設(shè)計(jì)褐煤煤質(zhì)參數(shù)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，首要任務(wù)是確保近紅外技術(shù)的應(yīng)用范圍與精準(zhǔn)度符合褐煤在線檢測(cè)的要求?；诤置夯瘜W(xué)組成的復(fù)雜性，系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確分辨不同化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率，這要求光譜儀器擁有高分辨率，在1 600～2 400 nm 的波段內(nèi)，分辨率必須高達(dá)1 nm 或更佳。光譜儀器需裝備穩(wěn)定性極高的光源，以保證在連續(xù)運(yùn)行中光源強(qiáng)度的一致性，從而降低檢測(cè)誤差。

為保障數(shù)據(jù)采集的精確性和實(shí)時(shí)性，檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)配備高速數(shù)據(jù)采集卡，采樣率應(yīng)不低于10 kS/s，以便快速捕獲褐煤通過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)。同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸線路需采用高速串行接口，如光纖通訊，確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的實(shí)時(shí)性和完整性，防止任何可能的信號(hào)衰減或干擾。

考慮到檢測(cè)環(huán)境可能面臨的高溫、濕度等惡劣條件，所有設(shè)備及其接口均應(yīng)具備一定的防護(hù)等級(jí)，如IP65 級(jí)別的防塵防水功能，以保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行不受外界環(huán)境影響。此外，系統(tǒng)的抗震抗沖擊能力也須達(dá)到相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)可能的震動(dòng)或沖擊。

軟件方面，考慮到實(shí)時(shí)性的要求，系統(tǒng)應(yīng)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如RT-Linux，以處理高速采集到的數(shù)據(jù)。軟件算法需使用先進(jìn)的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，如偏最小二乘法（PLS）進(jìn)行多變量校正，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜光譜數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析解碼，并具有良好的可擴(kuò)展性，便于后續(xù)升級(jí)或增添新的檢測(cè)參數(shù)。

用戶界面則應(yīng)注重人性化設(shè)計(jì)，要求實(shí)現(xiàn)直觀的操作流程和清晰的展示效果，確保非專業(yè)人員亦能便捷地進(jìn)行操作和解析結(jié)果。同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)支持遠(yuǎn)程診斷與升級(jí)功能，以便快速響應(yīng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的異常，保障長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理需求

在構(gòu)建褐煤在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程中，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的需求至關(guān)重要，關(guān)乎系統(tǒng)能否準(zhǔn)確反映褐煤樣本的即時(shí)煤質(zhì)參數(shù)。為了保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)采用了高速、高效的數(shù)據(jù)采集卡，以保障大量數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)的快速處理。檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)用了先進(jìn)的多核處理器和專用的數(shù)據(jù)處理算法，可在毫秒級(jí)別完成對(duì)近紅外光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理，如多項(xiàng)式擬合、峰值分析和基線校正等，這些處理步驟對(duì)于后續(xù)的成分分析至關(guān)重要。

此外，系統(tǒng)融入了機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如支持向量機(jī)（SVM）和隨機(jī)森林（RF），綜合運(yùn)用這些算法不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)褐煤樣本中各成分含量的實(shí)時(shí)精確預(yù)測(cè)，還可以通過(guò)不斷學(xué)習(xí)新樣本提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。同時(shí)，系統(tǒng)引入了多變量校準(zhǔn)技術(shù)，通過(guò)PLS等數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)計(jì)量學(xué)的處理，從而有效提升近紅外光譜數(shù)據(jù)分析的精度。

在軟件層面，開(kāi)發(fā)了基于C++ 的高性能數(shù)據(jù)處理模塊，該模塊可與硬件系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接，并支持并行計(jì)算和數(shù)據(jù)流管道技術(shù)，從而最大化地利用硬件資源，確保數(shù)據(jù)處理的高效率和低延遲。同時(shí)，引入了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)機(jī)制以應(yīng)對(duì)高速數(shù)據(jù)流，確保即使在數(shù)據(jù)量突增的情況下也不會(huì)丟失重要信息。

考慮到系統(tǒng)可能遇到的各種異常情況，還設(shè)計(jì)了一套異常檢測(cè)和處理框架，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常數(shù)據(jù)的識(shí)別、記錄和自動(dòng)校正，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理全程進(jìn)行了優(yōu)化，從數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)到分析處理，每一個(gè)環(huán)節(jié)都充分利用了先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法，確保了褐煤煤質(zhì)參數(shù)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的高效和可靠。通過(guò)對(duì)仿真模型的測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)樣本數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，系統(tǒng)證明了其在大規(guī)模應(yīng)用中的有效性，數(shù)據(jù)處理速度和準(zhǔn)確性均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)褐煤資源的優(yōu)化利用和高效管理具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1.3 用戶界面與操作性設(shè)計(jì)

針對(duì)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，用戶界面的設(shè)計(jì)直接影響最終用戶對(duì)系統(tǒng)操作的便捷性與實(shí)際應(yīng)用的效率。在用戶界面設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，遵循人機(jī)工程學(xué)和用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則，通過(guò)對(duì)實(shí)際操作需求的深入理解，在提升視覺(jué)效果的同時(shí)，注重交互邏輯的合理性。系統(tǒng)界面支持簡(jiǎn)體中文和英文兩種語(yǔ)言，滿足不同用戶的使用需求。

在交互設(shè)計(jì)方面，依據(jù)褐煤檢測(cè)的特定工藝流程，構(gòu)建了直觀的操作流程圖，并通過(guò)模擬操作試驗(yàn)，優(yōu)化用戶路徑規(guī)刋，減少用戶操作步驟。考慮到實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新的可視化界面，包括但不限于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形圖、歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析圖和智能預(yù)警信號(hào)指示圖，這些可視化工具的設(shè)計(jì)利用了顏色、形狀和動(dòng)態(tài)效果，以提高數(shù)據(jù)的辨識(shí)度和用戶的識(shí)別效率。界面上還設(shè)有快速反饋機(jī)制，一旦檢測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的安全范圍，系統(tǒng)能即刻發(fā)出警報(bào)，并通過(guò)郵件或短信形式將警報(bào)發(fā)送給責(zé)任人員，以便于快速響應(yīng)和處置異常情況。

對(duì)于用戶界面的實(shí)際編碼工作，采用了模塊化設(shè)計(jì)理念，使得界面具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和易維護(hù)性。整個(gè)界面布局采取響應(yīng)式設(shè)計(jì)，自動(dòng)適配不同分辨率的顯示設(shè)備，確保了在各種終端設(shè)備上的用戶體驗(yàn)一致性。此外，界面設(shè)計(jì)考慮輔助殘疾人用戶更便捷的使用本系統(tǒng)進(jìn)行操作，設(shè)置了語(yǔ)音提示和觸摸反饋功能。

在數(shù)據(jù)輸入方面，系統(tǒng)支持手動(dòng)輸入和自動(dòng)獲取兩種方式，其中自動(dòng)獲取方式通過(guò)連接近紅外光譜儀器實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)輸入后，界面將展示預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，并提供豐富的編輯工具，包括數(shù)據(jù)標(biāo)定、峰值檢測(cè)及數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均等功能，以便用戶做進(jìn)一步分析。為了便于數(shù)據(jù)管理和追溯，系統(tǒng)具備高效的數(shù)據(jù)檢索與導(dǎo)出功能，支持多種數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)出，包括CSV 和Excel，確保與其他數(shù)據(jù)分析軟件的兼容性。

綜上所述，用戶界面與操作性設(shè)計(jì)綜合了實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性與易用性，為操作人員提供了高效便捷的數(shù)據(jù)檢測(cè)平臺(tái)，從而顯著提高了檢測(cè)工作的整體效率。該設(shè)計(jì)通過(guò)模擬實(shí)際操作情景進(jìn)行不斷迭代優(yōu)化，以達(dá)到最符合現(xiàn)場(chǎng)操作人員實(shí)際應(yīng)用需求的效果。

2 系統(tǒng)組成與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)與選擇

針對(duì)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)褐煤煤質(zhì)參數(shù)的需求，硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)直接關(guān)系到系統(tǒng)穩(wěn)定性、檢測(cè)精度和長(zhǎng)期運(yùn)行效能。綜合分析化學(xué)成分和物理構(gòu)造，挑選了最能體現(xiàn)褐煤特性的近紅外光譜儀器，以獲取涵蓋較廣波長(zhǎng)范圍的光譜信息。儀器具備高靈敏度的探測(cè)器，其信噪比達(dá)到3 000 ∶ 1，適用于檢測(cè)靈敏度要求極高的場(chǎng)合。同時(shí)，選用了穩(wěn)定性強(qiáng)、響應(yīng)速度快的光源，確保長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)中的穩(wěn)定發(fā)光性能。

為了確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)性，配備先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集卡，采樣率可達(dá)2 MS/s ；數(shù)據(jù)接口采用高速USB3.0，確保數(shù)據(jù)傳輸不受瓶頸限制。結(jié)合機(jī)械部件，如穩(wěn)固的支架和精準(zhǔn)的樣品輸送機(jī)構(gòu)，形成一套完整的硬件采集系統(tǒng)，全面適應(yīng)礦場(chǎng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境。

在輔助設(shè)備方面，采用了先進(jìn)的溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保持設(shè)備在最佳工作狀態(tài)，同時(shí)引入了高效率的除塵凈化系統(tǒng)，預(yù)防粉塵對(duì)光學(xué)組件造成損害并保障操作人員的健康安全。此外，針對(duì)可能存在的工業(yè)干擾問(wèn)題，特別設(shè)計(jì)了電磁屏蔽裝置，有效隔離外界電磁干擾，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的高可靠性。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅對(duì)技術(shù)規(guī)格參數(shù)有嚴(yán)格要求，還對(duì)硬件的耐腐蝕、抗震動(dòng)、防爆等性能提出了高標(biāo)準(zhǔn)，所有硬件材料均選用符合上述條件的工業(yè)級(jí)品質(zhì)。經(jīng)過(guò)實(shí)地考察和工程師的嚴(yán)謹(jǐn)測(cè)試，該硬件設(shè)計(jì)可耐受煤礦潮濕、粉塵、振動(dòng)等極端工作環(huán)境，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

在系統(tǒng)集成方面，依照模塊化設(shè)計(jì)原則，采用可拆卸的組件設(shè)計(jì)，既方便維護(hù)、升級(jí)，也便于將來(lái)的功能擴(kuò)展。還針對(duì)性地開(kāi)發(fā)了一套適配程序，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)其他檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)對(duì)接，以及與中控室監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)縫鏈接。

2.2 軟件開(kāi)發(fā)架構(gòu)描述

在設(shè)計(jì)近紅外在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)架構(gòu)時(shí)，采納了模塊化的設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)具有靈活性、擴(kuò)展性和維護(hù)性。軟件架構(gòu)劃分為數(shù)據(jù)采集模塊、預(yù)處理模塊、光譜分析模塊、褐煤參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份模塊。數(shù)據(jù)采集模塊開(kāi)發(fā)了自動(dòng)觸發(fā)機(jī)制，當(dāng)近紅外光譜儀器監(jiān)測(cè)到褐煤帶入檢測(cè)區(qū)時(shí)，系統(tǒng)便自動(dòng)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)本進(jìn)入即開(kāi)始的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過(guò)高穩(wěn)定性連接接口控制儀器運(yùn)行，保障了數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

預(yù)處理模塊中嵌入了多種算法，包括用于背景噪聲的移除、信號(hào)強(qiáng)度的歸一化以及光譜數(shù)據(jù)的平滑處理等，以確保輸入到后續(xù)分析模塊的數(shù)據(jù)質(zhì)量。這一處理是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模塊來(lái)完成的，該模塊配置多項(xiàng)性能指標(biāo)，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理的最優(yōu)化。

光譜分析模塊是實(shí)現(xiàn)褐煤質(zhì)參數(shù)估算的核心，利用先進(jìn)的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如偏最小二乘回歸（PLSR）、支持向量機(jī)（SVM）和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN），對(duì)預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)褐煤的熱值、含水量、灰分和揮發(fā)分等關(guān)鍵指標(biāo)。針對(duì)性地設(shè)計(jì)了算法節(jié)流機(jī)制，可根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)算負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整計(jì)算資源，確保了在高吞吐率檢測(cè)場(chǎng)景下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

褐煤參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，采用了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流技術(shù)，能夠?qū)⒐庾V分析模塊的分析結(jié)果即時(shí)展現(xiàn)在用戶界面上。此外，該模塊還整合了報(bào)警系統(tǒng)，能夠在參數(shù)異常時(shí)發(fā)出警示，為工作人員提供即時(shí)的決策支持。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份模塊提供了一個(gè)安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境，不僅可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存，還能夠在遇到系統(tǒng)故障時(shí)迅速恢復(fù)至最近的工作狀態(tài)，最大程度提高系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)的完整性。

綜合上述功能模塊，軟件開(kāi)發(fā)的整體架構(gòu)為多層次、可擴(kuò)展的框架設(shè)計(jì)。在高層提供了用戶友好的操作界面，在中層實(shí)現(xiàn)了褐煤參數(shù)的實(shí)時(shí)分析和預(yù)警，在底層保證了穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。此軟件架構(gòu)不僅提高了檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，也大幅增加了檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)健性和用戶體驗(yàn)。

2.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸方案

在褐煤在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建中，數(shù)據(jù)采集與傳輸方案是實(shí)現(xiàn)高效能源管理的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需確保高精度和高頻率的褐煤煤質(zhì)參數(shù)獲取，而數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)則需保障從采集點(diǎn)到分析終端的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性。

針對(duì)褐煤參數(shù)的復(fù)雜性和檢測(cè)環(huán)境的多變性，本研究采用先進(jìn)的近紅外光譜傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這些傳感器配備了寬頻譜的光源和高靈敏度的探測(cè)器，能準(zhǔn)確采集褐煤組分特定波長(zhǎng)的吸收光譜。同時(shí)，光譜傳感器集成了高速A/D 轉(zhuǎn)換器，使得光信號(hào)能夠快速準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，提高了數(shù)據(jù)采集的效率和精度。

在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用了基于工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸協(xié)議，保障了高帶寬和低延時(shí)的數(shù)據(jù)通訊。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和抗干擾能力，系統(tǒng)使用了冗余設(shè)計(jì)，包括雙路傳輸和自動(dòng)切換機(jī)制。該機(jī)制能夠在傳輸鏈路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳輸路線切換到備用鏈路，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和系統(tǒng)的高可用性。

2.4 系統(tǒng)集成與調(diào)試流程

褐煤在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的集成是對(duì)各硬件組件和軟件模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)的過(guò)程，要確保系統(tǒng)從整體上達(dá)到預(yù)定的性能標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)時(shí)響應(yīng)需求。在系統(tǒng)集成階段，首先對(duì)內(nèi)置的近紅外光譜儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，以適應(yīng)不同褐煤樣本的檢測(cè)。這一過(guò)程中，通過(guò)選取已知參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)樣本，對(duì)光譜儀器的波長(zhǎng)準(zhǔn)確性和響應(yīng)靈敏度進(jìn)行校正，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。隨后進(jìn)行的是各輔助設(shè)備的安裝和調(diào)試，如供給系統(tǒng)和傳送帶，其穩(wěn)定運(yùn)作對(duì)于確保樣本輸送的連細(xì)性至關(guān)重要。

系統(tǒng)軟件部分則專注于數(shù)據(jù)處理與用戶交互功能的實(shí)現(xiàn)，軟件開(kāi)發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)，易于后期維護(hù)和升級(jí)。在數(shù)據(jù)處理模塊，算法優(yōu)化是提高檢測(cè)精度的關(guān)鍵，包括基線校正、光譜去噪、特征波長(zhǎng)選擇和定量分析模型建立等步驟。采用先進(jìn)的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，如PLSR 和主成分分析（PCA）來(lái)處理光譜數(shù)據(jù)，這些算法能夠有效地從復(fù)雜的光譜數(shù)據(jù)中提取相關(guān)特征，建立褐煤參數(shù)與光譜信號(hào)之間的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)集成測(cè)試中，運(yùn)用多個(gè)批次褐煤樣本進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性，測(cè)量的褐煤參數(shù)包括水分、灰分、揮發(fā)分等關(guān)鍵指標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)并應(yīng)用基于近紅外技術(shù)的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)褐煤煤質(zhì)參數(shù)的高效、精確測(cè)量。本研究成果具有較高的理論研究?jī)r(jià)值，可推動(dòng)褐煤化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中也可顯示出顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效果。

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