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摘要:設(shè)備全生命周期信息集成實(shí)現(xiàn)從設(shè)備的選型采購、組裝調(diào)試到運(yùn)維、保養(yǎng)直至報(bào)廢的全信息集成、共享與增量更新,滿足設(shè)備生產(chǎn)廠家、礦山設(shè)備使用者對(duì)礦山設(shè)備全生命周期集成與評(píng)價(jià)需求。構(gòu)建了礦山特種設(shè)備全生命周期信息表達(dá)模型,并結(jié)合針對(duì)產(chǎn)品家族生命周期的信息集成建模架構(gòu)(I2MAfPFL)模型,實(shí)現(xiàn)了礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成。結(jié)合信息表達(dá)和信息集成模型,開發(fā)了全生命周期管理系統(tǒng),并在霍爾辛赫煤礦進(jìn)行了應(yīng)用,為礦山生產(chǎn)設(shè)備智能協(xié)同管控與調(diào)度、礦山設(shè)備健康態(tài)勢分析與預(yù)測預(yù)警等提供了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:礦山特種設(shè)備;全生命周期;信息表達(dá)模型;信息集成模型;信息集成與管理系統(tǒng)
0引言
礦山特種設(shè)備是指涉及生命安全、危險(xiǎn)性較大的承壓類(如空氣壓縮機(jī)、鍋爐、壓力管道)和機(jī)械類(如采掘設(shè)備、提升設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備)兩大類型設(shè)備。礦山特種設(shè)備工作環(huán)境具有作業(yè)空間受限、潮濕陰暗和存在瓦斯等特點(diǎn)。通過研發(fā)特種設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng),可增強(qiáng)使用單位判識(shí)特種設(shè)備重特大事故及防范事故的能力,同時(shí)也可為礦山生產(chǎn)設(shè)備的智能管控與調(diào)度以及礦山設(shè)備態(tài)勢分析服務(wù),從而形成智慧化的礦山服務(wù)體系。結(jié)合十三五國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng),本文研究了礦山特種設(shè)備全生命周期管理與故障診斷的信息表達(dá)模型、信息集成模型和故障診斷方法,開發(fā)了礦山特種設(shè)備全生命周期信息管理系統(tǒng),解決了礦山物聯(lián)網(wǎng)中多物態(tài)的信息集成與數(shù)據(jù)的有效利用問題,為礦山設(shè)備的智能管控與調(diào)度、事故防范打下了基礎(chǔ)。本文研究內(nèi)容在霍爾辛赫煤礦進(jìn)行了示范應(yīng)用。
1礦山特種設(shè)備全生命周期信息表達(dá)模型
礦山特種設(shè)備全生命周期信息表達(dá)模型用于解決設(shè)備、部件和監(jiān)測傳感器的信息表達(dá)和關(guān)聯(lián)。為此,將設(shè)備從設(shè)計(jì)制造、安裝調(diào)試、運(yùn)維保養(yǎng)到報(bào)廢再利用劃分為4個(gè)階段,定義各個(gè)階段需要表達(dá)和集成的信息類型,構(gòu)建相應(yīng)數(shù)據(jù)表,再將每個(gè)階段數(shù)據(jù)表以數(shù)據(jù)鏈表方式進(jìn)行關(guān)聯(lián),從而可實(shí)現(xiàn)從設(shè)備到部件再到監(jiān)測傳感器的信息表達(dá)與耦合。以礦井提升機(jī)在設(shè)計(jì)制造階段的信息構(gòu)建為例。礦井提升機(jī)由工作機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)裝置、潤滑系統(tǒng)、檢測及操縱系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)組成。首先建立設(shè)備設(shè)計(jì)制造信息表,然后根據(jù)設(shè)備的基礎(chǔ)信息和所包含的子系統(tǒng)信息,依次向下劃分為子系統(tǒng)信息表和傳感器監(jiān)測信息表,由此實(shí)現(xiàn)信息表達(dá)所需的屬性關(guān)聯(lián)。根據(jù)羅列的礦井提升機(jī)設(shè)計(jì)制造信息表數(shù)據(jù)成員名稱和數(shù)據(jù)類型,按照系統(tǒng)-部件-傳感器耦合方式,各信息表進(jìn)行尋訪與關(guān)聯(lián),如圖1所示。
2礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成模型
礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成模型用于實(shí)現(xiàn)礦山特種設(shè)備的全信息集成、共享與增量更新,滿足設(shè)備生產(chǎn)廠家、礦山設(shè)備使用者對(duì)礦山設(shè)備全生命周期集成與評(píng)價(jià)需求。信息集成是將監(jiān)測信息批量集成到文件的方法。在工業(yè)領(lǐng)域,為了滿足顧客大規(guī)模定制需求,提出了一種針對(duì)產(chǎn)品家族生命周期的信息集成建模架構(gòu)(I2MAfPFL),該模型從產(chǎn)品家族的綜合角度構(gòu)建了信息集成體系。I2MAfPFL模型可適用于礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成,但需結(jié)合礦山特種設(shè)備的特點(diǎn)和應(yīng)用場景進(jìn)行調(diào)整。礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成模型來源于I2MAfPFL,由單元信息模型、狀態(tài)空間模型和進(jìn)化空間模型組成。(1)單元信息模型單元信息模型將信息表示為物理層、邏輯層、表示層和應(yīng)用層。其中物理層以屬性元數(shù)據(jù)、邏輯數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)等方式表示,實(shí)現(xiàn)了對(duì)特種設(shè)備原始數(shù)據(jù)的描述;邏輯層實(shí)現(xiàn)知識(shí)關(guān)系映射、設(shè)備結(jié)構(gòu)與部件關(guān)系等;表示層為屬性、數(shù)據(jù)、規(guī)則、應(yīng)用關(guān)系表示方法;應(yīng)用層為對(duì)外體現(xiàn)的靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、文檔、圖片等。(2)狀態(tài)空間模型狀態(tài)空間模型基于多視圖思想,采用設(shè)備類別維、結(jié)構(gòu)部件維、生命周期維三維空間模型描述與耦合方法,構(gòu)建礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成模型,并實(shí)現(xiàn)模型的演化,如圖2所示。圖2中,M(i,j,k)為i設(shè)備的j部件在k階段的狀態(tài)。(3)進(jìn)化空間模型進(jìn)化空間模型根據(jù)設(shè)備生命周期演化特點(diǎn),在設(shè)備的不同運(yùn)行階段,通過引入不同的數(shù)學(xué)分析模型,滿足了設(shè)備定制化和評(píng)價(jià)分析的需求,如圖3所示。信息表達(dá)模型通過建立數(shù)據(jù)鏈表實(shí)現(xiàn)了從設(shè)備到部件、監(jiān)測傳感器的信息表達(dá)與關(guān)聯(lián)。信息集成模型主要實(shí)現(xiàn)信息的編碼與描述,包括靜態(tài)信息、動(dòng)態(tài)信息等。其中,單元信息模型按照物理層到應(yīng)用層順序,對(duì)每一層信息進(jìn)行了描述;狀態(tài)空間模型通過多視圖思想,將時(shí)間引入信息表達(dá)模型中;進(jìn)化空間模型則通過引入數(shù)學(xué)分析模型,為模型重構(gòu)服務(wù)。
3礦山特種設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)
礦山特種設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦山特種設(shè)備的智能互聯(lián)及信息集成,并統(tǒng)一到云服務(wù)平臺(tái)當(dāng)中,打通了設(shè)備、用戶、生產(chǎn)者和管理者之間的聯(lián)系,滿足了礦山定制化的評(píng)價(jià)分析需求。系統(tǒng)功能主要包括:①信息采集管理主要負(fù)責(zé)按照特種設(shè)備的信息模型構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及分布式信息采集設(shè)備的注冊(cè)、分配、使用管理和新設(shè)備標(biāo)識(shí)碼的生成等;②前期管理包括采購、調(diào)試、入庫、領(lǐng)用等環(huán)節(jié),主要涉及設(shè)備基本信息登記、存儲(chǔ)、采集、更新等;③庫存管理包括設(shè)備的庫存狀態(tài)管理、技改需求管理以及通用或特種配件管理等;④運(yùn)維管理包括日常巡檢、維護(hù)、預(yù)防性維修等,可動(dòng)態(tài)更新;⑤狀態(tài)診斷包括故障診斷和剩余壽命預(yù)測。礦山特種設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)整體界面如圖4所示,設(shè)備信息的大數(shù)據(jù)展示界面如圖5所示。管理系統(tǒng)通過引入機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等算法,可實(shí)現(xiàn)礦山特種設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)和智能化診斷分析要求。如引入分類算法、遷移學(xué)習(xí),可實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)知故障感知;如引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)、退化狀態(tài)健康指示器、粒子濾波,可實(shí)現(xiàn)設(shè)備剩余壽命預(yù)測等,如圖6所示。(1)設(shè)備故障感知為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障感知,系統(tǒng)采用了一種將特征表示學(xué)習(xí)與機(jī)器預(yù)測學(xué)習(xí)相結(jié)合的端到端學(xué)習(xí)算法。算法基于特征選擇的方法,首先利用基于分類網(wǎng)絡(luò)的修正平均影響值(MIVs)和類內(nèi)、類間判別分析(WBDA)的互補(bǔ)性,通過計(jì)算特征對(duì)分類網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)來選擇特征變量,從而實(shí)現(xiàn)面向分類網(wǎng)絡(luò)的變量初選。然后,引入類間排序WBDA的概念,計(jì)算簇內(nèi)和簇間樣本的相似度,實(shí)現(xiàn)二次特征選擇。最后,利用多核支持向量機(jī)(SVM)對(duì)設(shè)備故障狀態(tài)進(jìn)行分類,算法如圖7所示。以動(dòng)篩系統(tǒng)軸承監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,MIVs-WBDA算法與AutoEncoder、主成分分析(PCA)、MIVs、補(bǔ)償距離評(píng)估技術(shù)(CDET)、WBDA、因子分析(FA)、局部保持投影(LPP)、鄰域保持嵌入(NPE)、概率主成分分析(PPCA)在不同特征維度下的故障分類準(zhǔn)確性如圖8所示。由圖8可見,在維度為3的情況下,MIVs-WBDA算法就可以達(dá)到99.2%的分類準(zhǔn)確度。(2)設(shè)備剩余壽命預(yù)測為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備剩余壽命預(yù)測,先構(gòu)建基于卷積自編碼網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備部件退化狀態(tài)健康指示器,獲得部件的退化曲線,這里采用面向回歸的卷積自編碼網(wǎng)絡(luò),如圖9所示。再構(gòu)建一種基于粒子濾波算法的雙指數(shù)模型,實(shí)際監(jiān)測部件的損耗值模型構(gòu)建之后,利用粒子濾波算法進(jìn)行參數(shù)的更新,從而獲得監(jiān)測設(shè)備的剩余壽命。粒子濾波的參數(shù)要通過前期測量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和調(diào)整。在忽略工況評(píng)估模型基礎(chǔ)上,利用測試數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備剩余周期預(yù)測。某一工況條件下設(shè)備預(yù)測結(jié)果如圖10所示。結(jié)合全生命周期管理系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù),通過引入智能化診斷分析算法,可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的不同診斷需求。
4結(jié)語
礦山特種設(shè)備的全生命周期管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦山特種設(shè)備的智能互聯(lián)及信息集成,并統(tǒng)一到云服務(wù)平臺(tái)當(dāng)中。該系統(tǒng)基于多視圖思想,采用設(shè)備類別維、結(jié)構(gòu)部件維、生命周期維三維空間模型描述與耦合方法,構(gòu)建礦山特種設(shè)備全生命周期信息集成模型;打通了設(shè)備、用戶、生產(chǎn)者和管理者之間的聯(lián)系,滿足了礦山定制化的評(píng)價(jià)分析;基于可重構(gòu)的柔性化技術(shù),滿足管理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)和智能化診斷分析要求。系統(tǒng)的實(shí)施為霍爾辛赫煤礦特種設(shè)備的安全管理提供了保障,為礦山生產(chǎn)設(shè)備智能協(xié)同管控與調(diào)度、礦山設(shè)備健康態(tài)勢分析與預(yù)測預(yù)警等提供了基礎(chǔ),滿足了日常業(yè)務(wù)操作要求和各級(jí)政府部門的管理監(jiān)督要求。
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作者:張海軍 王剛 單位:山煤國際能源集團(tuán)煤業(yè)管理公司晉北分公司 中國礦業(yè)大學(xué)礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室