深度學習下煤礦機電設備檢測技術(shù)探究

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摘要：針對傳統(tǒng)煤礦機電設備檢測存在工人勞動強度大、檢測誤差較大、檢測技術(shù)手段落后等問題，通過將當前的人工智能技術(shù)與機電設備檢測應用相融合，提出了基于深度學習的煤礦機電設備檢測新技術(shù)和新方法，利用深度學習技術(shù)建立機電設備檢測專家?guī)旌凸收蠋欤行岣吡嗣旱V機電設備檢測的準確度和結(jié)果的可信度，將這套系統(tǒng)應用于礦井提升機領(lǐng)域，結(jié)果表明，該套系統(tǒng)實現(xiàn)了對設備故障的自動識別、快速反應和及時報警，實現(xiàn)了機電設備檢測過程的無人化、智能化，最終提高了煤礦企業(yè)的安全管理水平，推動了智慧礦山建設。

關(guān)鍵詞：深度學習人工智能機電設備礦山智能化

引言

煤礦機電設備是保證煤礦高效安全生產(chǎn)的重要工具。隨著我國對能源需求的不斷增大，對于煤炭的開采量也會加大，煤礦井下有大量的用于開采、輸送、通風和排水的機械設備，數(shù)量相當龐大。為了保證煤礦安全生產(chǎn)，需要對機電設備進行定期檢查，以發(fā)現(xiàn)設備的故障并及時進行維修，從而避免煤礦事故發(fā)生，保證煤礦的生產(chǎn)量[1]。近年來，煤礦事故頻頻發(fā)生，2020年全國煤礦發(fā)生事故123起，死亡人數(shù)達到228人，其中大部分的煤礦事故是由于安全基礎(chǔ)工作薄弱、設備故障不能及時查明并排除最終釀成災禍的。所以利用人工智能技術(shù)準確識別托輥故障和煤礦井下局部高溫環(huán)境工況，將采集到的數(shù)據(jù)進行融合分析判斷，及時發(fā)現(xiàn)潛在隱患報警并進行排除，將會有效避免煤礦事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的煤礦機電設備的檢測主要是采用人工進行，并且主要是依靠工人的經(jīng)驗和簡單檢測裝置進行測量，最終檢測結(jié)果的可信度不高，且容易導致檢測結(jié)果錯誤的問題，最終有可能引發(fā)煤礦事故[2]。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的利用人工進行設備檢測的方式暴露出很多弊端，迫切要求對機電設備的檢測實現(xiàn)智能化和智慧化。為此，本文首次提出了利用人工智能技術(shù)搭建煤礦機電設備智能檢測系統(tǒng)方案，將人工智能技術(shù)融入煤礦機電設備的智能檢測，通過對煤礦機電設備常見故障進行分析，提出利用人工智能技術(shù)進行設備檢測的可能性和可行性，隨后分析了人工智能技術(shù)用于設備故障檢測的關(guān)鍵技術(shù)方案，通過現(xiàn)場應用得出人工智能技術(shù)設備檢測的效果和結(jié)論。

1煤礦機電設備常見故障類型

煤礦機電設備的故障需要根據(jù)設備自身結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和實際的工作狀況進行分析，常見的設備故障類型[3]分別是設備性能參數(shù)的下降，振動的異常、聲響異常，磨損殘留物的劇烈增加，排氣成分的變化，過熱現(xiàn)象，裂紋的形成與擴展，電壓和電流的劇烈變化等。具體的故障類型和詳細的表現(xiàn)形式總結(jié)如下：首先是設備的損壞型故障，包括設備的斷裂、裂開、點蝕、燒蝕、變形、拉傷、龜裂、壓痕等。隨后是設備的退化型故障，包括設備的老化、變質(zhì)、剝落、異常磨損等，然后是設備的松脫型故障，包括松動和脫落等，還有設備的失調(diào)型故障，壓力過高或過低、行程失調(diào)、間隙過大或過小、干涉等；設備的堵塞與滲漏型的故障，堵塞、漏水、漏氣、滲油等；最后是性能衰退或功能失效型故障模式，如功能失效、性能衰退、過熱等[4]。設備發(fā)生故障后需要對設備的故障進行分析，傳統(tǒng)的人工分析方式主要是依靠經(jīng)驗，憑借以往對于相同設備或類似設備出現(xiàn)運行異常問題，首先分析故障的表現(xiàn)形式，隨后對故障可能的原因進行羅列，并且對故障的原因逐個進行檢查和分析，最終篩選出實際的故障并進行維修。在設備檢測過程中該方式耗費的時間較長，同時需要的勞動力成本較大，某個煤礦用于機電設備的檢測和故障診斷的工人數(shù)量超過幾百人，所以迫切要求采用先進的智能化檢測技術(shù)取代傳統(tǒng)的人工檢測，以提高檢測準確度和速度，有利于提高煤礦生產(chǎn)效率。

2基于深度學習的煤礦機電設備檢測方案

2.1基于神經(jīng)網(wǎng)絡的煤礦機電設備故障診斷原理

神經(jīng)網(wǎng)絡是一種模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡行為特征進行分布并進行信息處理的算法數(shù)學模型，主要包括輸入層、中間層和輸出層三層布置，通過建立各個節(jié)點之間的聯(lián)系使得整個系統(tǒng)更加復雜，處理信息更加準確。目前神經(jīng)網(wǎng)絡廣泛應用于機器學習領(lǐng)域，如對帶式輸送機托輥的故障檢測與診斷、帶式輸送機異物的識別與跑偏的識別等[5]。對于常用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，其本身并不需要分析兩種元素之間的對應關(guān)系，只需要設置對應的輸入層和隱藏層，通過自主學習自動識別大量的輸入和輸出的對應關(guān)系，實現(xiàn)輸入-輸出的模式映射關(guān)系。如圖1所示為BP神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖，包括三層結(jié)構(gòu)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡包括三層結(jié)構(gòu)，分別是輸入層、隱藏層和輸出層，是一種按誤差傳播算法訓練的多層前饋網(wǎng)絡，學習的主要規(guī)格是使用最速下降法，通過不斷自動調(diào)整網(wǎng)絡的權(quán)重，使得網(wǎng)絡的誤差平方和最小，從而達到優(yōu)化。圖2所示為神經(jīng)網(wǎng)絡BP神經(jīng)網(wǎng)絡的學習過程與故障診斷機理示意圖。采用如圖2所示的BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，首先需要獲取到足夠多的樣本參數(shù)，通過現(xiàn)場實際獲取到的大量樣本參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練樣本。只有數(shù)據(jù)足夠多，才能夠保證訓練出的樣本更加符合實際工況，輸入模型中的外部測試數(shù)據(jù)與模型中已有的樣本特征進行比對，最終輸出故障診斷的結(jié)果。

2.2基于機器學習的故障庫和專家?guī)煜到y(tǒng)設計

針對傳統(tǒng)的利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行機電設備故障檢測需要大量的模型進行訓練，要求樣本具有足夠多的數(shù)據(jù)，為了得到最終合理的結(jié)果，工作量較大，為此提出了利用深度學習技術(shù)開發(fā)出故障專家系統(tǒng)識別煤礦機電設備故障，目前國內(nèi)利用專家系統(tǒng)的案例并不多，尤其是在煤礦井下機電設備檢測方面，通過搭建煤礦井下機電設備故障專家系統(tǒng)實現(xiàn)快速檢測和識別。專家系統(tǒng)是作為一種“基于知識”的人工智能診斷系統(tǒng)，主要通過自身的知識和經(jīng)驗，對所對應的模擬人類專家的一些決策過程解決需要專家處理的復雜問題，進行推理和判斷。如圖3所示為專家系統(tǒng)流程圖。專家系統(tǒng)主要由知識庫、推理機、綜合數(shù)據(jù)庫、解釋程序和知識獲取程序五部分組成，通過人機交互界面實現(xiàn)用戶、專家與整個專家系統(tǒng)的交互，包括對專家系統(tǒng)進行輸入專業(yè)知識和解釋定義知識概念和功能等。從圖3中可知，在故障診斷系統(tǒng)中引入了知識庫管理和維護模塊、測量模塊，通過傳感器采集故障信號，利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法對故障信號進行初步提取和過濾，并對某些關(guān)鍵特征信號進行加強，最后收錄到數(shù)據(jù)庫中，通過推理機得到故障類型和診斷結(jié)果，作為知識庫管理和維護模塊的參考輸入，豐富完善故障知識庫，實現(xiàn)故障自學習、自動診斷。

3現(xiàn)場應用案例與效果

將本次設計的這套新型機電設備智能檢測系統(tǒng)布置在煤礦井下，利用傳感器將所有機電設備連接到中央控制器，通過現(xiàn)場接線和調(diào)試，建立煤礦井下機電設備智能檢測系統(tǒng)人機操作界面。利用該套系統(tǒng)可以實現(xiàn)對機電設備的智能實時在線監(jiān)控，并且當設備發(fā)生故障時會及時進行報警，事故發(fā)現(xiàn)率高達98.95%，報警響應時間＜8s，大大降低了傳統(tǒng)的設備檢測成本，提高了設備的檢測效率，從而有效避免煤礦事故的發(fā)生，保證煤礦安全高效生產(chǎn)。

4結(jié)語

針對傳統(tǒng)的煤礦機電設備檢測存在工人勞動強度大、檢測技術(shù)落后、檢測誤報率較高等問題，本文通過對煤礦機電設備常見故障進行分析，利用人工智能技術(shù)搭建了煤礦機電設備智能檢測系統(tǒng)方案，實現(xiàn)對煤礦機電設備的故障檢測和運行檢測，提出了一種新的檢測方法和手段，通過現(xiàn)場應用表明：該套智能檢測方案響應速度快、設備檢測準確度高、可在線進行監(jiān)控、減少了人為參與，不再受工作人員經(jīng)驗的限制，降低了傳統(tǒng)人工檢測的成本，有效避免煤礦事故發(fā)生，保證煤礦開采的安全運行。

參考文獻

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[2]王利欣.人工智能技術(shù)在煤炭行業(yè)的應用與探討[J].電子世界，2021（9）：12-13.

[3]徐平安.人工智能技術(shù)在煤礦中的應用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2014（4）：109-111.

[4]吳喆峰.“煤礦大腦”人工智能技術(shù)在煤炭行業(yè)生產(chǎn)中的應用研究[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2020，38（10）：39-42.

[5]李保飛，文澤鈺.人工智能在煤礦機電設備中的應用[J].中國新通信，2021，23（14）：40-41.

[6]張成.5G技術(shù)在煤礦智能化中的應用展望[J].數(shù)字化用戶，2019，25（39）：43-44.

作者:王靜 單位:山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局