煤礦動態(tài)軌道衡數(shù)據(jù)采集與處理

陳 建，鄭傳行，陳建中

（貴州財經(jīng)學(xué)院信息學(xué)院，貴州貴陽 550004）

煤礦動態(tài)軌道衡數(shù)據(jù)采集與處理

陳 建，鄭傳行，陳建中

（貴州財經(jīng)學(xué)院信息學(xué)院，貴州貴陽 550004）

研究了煤礦動態(tài)軌道衡中稱重傳感器安裝、數(shù)據(jù)采集以及信號處理方法，目的是實現(xiàn)礦山惡劣環(huán)境下的高精度煤礦動態(tài)稱重。提出輪計重的稱重方式，并對稱重傳感器采取交錯式安裝以實現(xiàn)準(zhǔn)確的方向判別，采集并提取出有效稱重信號后，結(jié)合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法進(jìn)行重量的計算。實驗結(jié)果表明，該方法實現(xiàn)了“準(zhǔn)”、“快”、“省”的稱重目標(biāo)。

動態(tài)軌道衡;數(shù)據(jù)采集;稱重傳感器;經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解

由于惡劣的礦山檢測環(huán)境導(dǎo)致系統(tǒng)測量精度低、可靠性差，煤礦動態(tài)軌道衡一直沒有成熟產(chǎn)品。目前鐵路軌道衡或公路動態(tài)衡多采用軸計重方式［1－2］，即過車時對前后軸分別采集數(shù)據(jù)并計算重量。這種方式對運行環(huán)境、硬件設(shè)備等要求很高，在基礎(chǔ)條件好、車輛運行穩(wěn)定條件下能得到較好的測量效果。但是，礦山環(huán)境中由于存在礦車沖擊大、軌道不平、輪軸變形、運行不穩(wěn)以及硬件資源有限等各種不利因素，采用軸計重方式易導(dǎo)致車輛誤判等問題，無法達(dá)到準(zhǔn)確的基本計量要求。

礦車非停車狀態(tài)下的動態(tài)衡稱重，與停車狀態(tài)下的靜態(tài)衡稱重相比，必須體現(xiàn)快速的優(yōu)點，這是因為動態(tài)衡的稱重設(shè)備一般安裝在井口附近，如果稱重過程緩慢會導(dǎo)致礦車在井口積壓，甚至引起礦車向礦井中回灌倒車，將會帶來嚴(yán)重安全隱患。

要在惡劣礦山環(huán)境下利用有限系統(tǒng)資源 （存儲容量、計算速度、傳輸速度等）實現(xiàn)既準(zhǔn)又快的測量目標(biāo)，則系統(tǒng)資源節(jié)省問題的考慮至關(guān)重要。大量實驗表明，現(xiàn)有的各種鐵路軌道衡或公路動態(tài)衡稱重方法［3－5］，不僅對運行環(huán)境要求高，而且算法復(fù)雜、系統(tǒng)資源損耗大，在煤礦動態(tài)軌道衡中應(yīng)用時效果不佳。

綜上所述，“準(zhǔn)”（計量準(zhǔn)確）、“快”（速度快）、“省”（系統(tǒng)資源節(jié)?。┦敲旱V動態(tài)軌道衡計量的三大要求，是實現(xiàn)高精度稱重的重點與難點。

1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

在煤礦動態(tài)軌道衡中，稱重傳感器將重量外力變換為電信號后，數(shù)據(jù)采集器對信號進(jìn)行采集、濾波、零點校正、上下衡判別并截取有效稱重信號，該過程稱為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理。

1.1 稱重傳感器的交錯式安裝實現(xiàn)準(zhǔn)確判車

分別對礦車每一個輪的運行采集數(shù)據(jù)并計算重量，各輪重量相加得到整車重量，稱為輪計重方式。該方式具有采集樣本數(shù)據(jù)多、判車準(zhǔn)確等優(yōu)點，同時能夠有效處理礦車偏載、輪軸變形、運行不穩(wěn)等各種不利因素帶來的影響，在礦山環(huán)境下將比軸計重方式獲得更高的稱重精度。

煤礦動態(tài)軌道衡應(yīng)用中要求對出井方向礦車稱重，而對入井方向的礦車不稱重或進(jìn)行除皮操作，故礦車運行方向的準(zhǔn)確判斷是實現(xiàn)精確稱重的前提?，F(xiàn)有的煤礦動態(tài)衡多采用紅外對射探測器或獨立的方向傳感器對運行方向進(jìn)行判斷，需安裝的設(shè)備繁雜、施工難度大，且在礦山環(huán)境下使用容易出錯。此外，由于本方法采取輪計重方式，對于礦車振動等原因引起的車輪反復(fù)現(xiàn)象，現(xiàn)有的設(shè)備很難準(zhǔn)確識別，常會導(dǎo)致重復(fù)稱重。因此，提出稱重傳感器的交錯式安裝方法，系統(tǒng)不需要安裝紅外對射探測器或獨立的方向傳感器就能對礦車方向作出正確判別，對于反復(fù)倒車亦能準(zhǔn)確判斷。具體安裝見圖1，在平行的兩條輕軌之間分別安裝稱重傳感器1與2，并將2個傳感器沿礦車運動方向一前一后錯開一定位置L，下面將通過圖2示意進(jìn)行論證:L的正確選取是實現(xiàn)準(zhǔn)確判車的關(guān)鍵。論述中，將車輪踏上傳感器的動作稱為上衡，離開傳感器的動作稱為下衡。

圖1 稱重傳感器的交錯式安裝

圖2 軸變形礦車的方向判別

首先，L長度不能太小。若礦車無軸變形，即圖2中礦車軸變形的偏移角α=0，則礦車從左向右運行時，同一軸上的輪1將比輪2先上衡，系統(tǒng)根據(jù)兩輪上衡先后作出方向的正確判斷。然而，實際礦車常存在嚴(yán)重的軸變形，即礦車軸變形的偏移角α≠0。設(shè)兩輕軌之間的軌距為H，則同一軸上兩輪由于軸變形在運行方向上產(chǎn)生了距離差a= Htanα，當(dāng)?shù)V車運行至傳感器處，若兩傳感器錯位長度L＜a=Htanα，則輪2會先上衡，系統(tǒng)將根據(jù)兩輪上衡先后判斷礦車從右向左運行，從而導(dǎo)致了誤判，因此，L需滿足:L＞a=Htanα。

其次，L長度也不能太大。由于系統(tǒng)采集的有效稱重數(shù)據(jù)來源于同軸兩輪在傳感器上同時在衡時的數(shù)據(jù)，故必須保證同軸兩輪在傳感器上有足夠的同時在衡時間，即保證兩傳感器的重疊區(qū)域足夠長，理論與實驗證明兩傳感器的重疊長度不能小于250mm（由于篇幅問題證明略），而如果L過大將導(dǎo)致兩傳感器的重疊長度太短。

根據(jù)前述理論分析結(jié)合實踐經(jīng)驗，實際安裝中L可按公式（1）進(jìn)行計算:

式中，H為兩輕軌之間的軌距;α為礦車軸變形的最大偏移角;e為安全系數(shù) （1＜e＜2）。

1.2 上衡前的數(shù)據(jù)濾波與零點校正

啟動系統(tǒng)并對稱重傳感器輸出的信號進(jìn)行采集，在車輪上衡之前傳感器承重為零，此時的采集稱為零點采集。如果礦車出車時間間隔長，則零點采集在一定時間后將積存大量零重數(shù)據(jù)，給系統(tǒng)的存儲與傳輸帶來困難。另外，系統(tǒng)采集到的尖脈沖噪聲常會導(dǎo)致車輪上衡的誤判。因此，在零點采集過程中對信號進(jìn)行32點均值濾波，這樣既能抑制尖脈沖噪聲帶來的上衡誤判，也能大大減少數(shù)據(jù)的存儲與傳輸量，具體方法為:每連續(xù)采集的34個點，剔除最大最小值點后，把剩余32個點的平均值作為信號有效點進(jìn)行存儲。

系統(tǒng)的零點采集過程，是礦車到來前的系統(tǒng)等待過程，同時也是稱重零點的校正過程。設(shè)定零點校正間隔時間T，若系統(tǒng)持續(xù)零點采集時間達(dá)T后仍未有車輪上衡，則將時間T內(nèi)的零點采集數(shù)據(jù)的平均值作為系統(tǒng)新的稱重零點，并清除在此之前的零點采集數(shù)據(jù)。

1.3 上下衡之間的數(shù)據(jù)記錄

估算礦車重量并設(shè)置上下衡判別閾值h，系統(tǒng)隨時將零點采集的信號有效點與h相比較，若信號大于h，則判斷車輪己上衡，系統(tǒng)停止零點采集并開始記錄稱重數(shù)據(jù)，同時將32點均值濾波改為4點均值濾波，這樣既能抑制尖脈沖噪聲可能造成的車輪下衡誤判，也能獲取盡量多的數(shù)據(jù)點用于稱重。連續(xù)記錄到所采集的信號小于h時，系統(tǒng)判斷車輪已下衡并停止記錄重量數(shù)據(jù)。圖3所示為系統(tǒng)按本步驟記錄到的某車輪上下衡之間信號。

圖3 車輪上下衡間數(shù)據(jù)信號

1.4 車輪有效稱重信號的截取

由于系統(tǒng)的2個稱重傳感器采取了交錯式安裝，對于兩傳感器安裝的非重疊區(qū)域，礦車通過時同一軸上的兩輪將不能同時在衡，對于該區(qū)域內(nèi)的采集數(shù)據(jù)不能用于稱重，必須進(jìn)行截除處理。另外，安裝基礎(chǔ)不穩(wěn)、礦車的輪軸變形等因素，都會在車輪上下衡時造成嚴(yán)重信號沖擊，在圖3上體現(xiàn)為兩端可能出現(xiàn)的尖峰振蕩，該振蕩不屬于重量的穩(wěn)態(tài)信號，故不能用于重量計算，需要截除。

綜合上述對于傳感器錯位以及信號沖擊的考慮，并按照“快”且“省”的算法設(shè)計原則，系統(tǒng)在實際處理中對步驟1.3截取出的上下衡間信號兩端各截除1/4后，得到最終有效輪稱重信號，由圖3信號得到的最終有效輪稱重信號見圖4。

圖4 車輪有效稱重信號

2 基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的稱重信號處理

2.1 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解 （Empirical Mode Decomposition，EMD）是美國國家航空航天局 （NASA）的Huang N E等［6］在1998年首先提出的一種新的信號處理方法，是目前提取短數(shù)據(jù)序列趨勢和均值的最好方法。EMD方法認(rèn)為，任何信號都可分解為若干階本征模函數(shù) （Intrinsic Mode Function，IMF）與一個殘余量，其中IMF要滿足2個條件:整個數(shù)據(jù)集的極大值、極小值的數(shù)目和穿越零點的次數(shù)要相等或最多相差1;極大值點確定的上包絡(luò)線和極小值確定的下包絡(luò)線的均值要始終為零。EMD分解的具體步驟如下:

（1）對于分解的信號y（t），找出y（t）上所有的極值點，用3次樣條曲線連接所有的極大值點，形成y（t）的上包絡(luò)線;連接所有極小值點，形成y（t）下包絡(luò)線。定義上下包絡(luò)線的均值為m（t），y（t）與m（t）的差值設(shè)為（t）=y（t）－m（t）。

（2）如果（t）不滿足IMF的2個條件，則令y（t）=（t），然后重復(fù)步驟 （1），得到（t）;經(jīng)過k次迭代，直至得到（t）滿足IMF的2個條件，定義信號y（t）的第一階IMF分量C1（t）=（t）。

（3）設(shè)r1（t）=y（t）－C1（t），令新信號y（t）=r1（t），重復(fù)步驟（1）、（2），得到二階IMF分量C2（t）;再令r2（t）=y（t）－C2（t）作為新的信號y（t），按此方法繼續(xù)分解，直至標(biāo)準(zhǔn)方差SD的大小在0.2～0.3或殘余量已經(jīng)成為單調(diào)函數(shù)，其中:

這樣原始信號y（t）可以表示成各階IMF與一個殘余量rn（t）的和:

2.2 基于EMD的稱重算法

在系統(tǒng)的計量控制器中，將圖4的有效稱重信號進(jìn)行EMD分解后見圖5，分解得到各階IMF分量 （C1，C2，C3）和殘余量r，各階IMF分量反映的是污染輪重信號的各種額外動態(tài)載荷，而r反映了真實輪重。

因此，把r作為實際重量信號并求取平均值即可得到對應(yīng)車輪的重量分度值。

圖5 有效稱重信號的EMD分解

影響系統(tǒng)測量精度的因素主要有:環(huán)境干擾、輪軸變形、基礎(chǔ)不穩(wěn)、礦車速度以及系統(tǒng)誤差等。當(dāng)系統(tǒng)安裝運行后，如果環(huán)境與系統(tǒng)保持相對穩(wěn)定，則一定時間內(nèi)各種因素對精度的綜合影響可以近似認(rèn)為穩(wěn)定，因此，可以將各種因素的影響綜合考慮并用一個總的誤差校正參數(shù)k進(jìn)行補償，將礦車重量分度值乘以k后得到校正后的真實重量。k的最佳取值很難通過理論推導(dǎo)得到，可通過實驗獲取:系統(tǒng)安裝后，用標(biāo)準(zhǔn)重量的礦車進(jìn)行實驗，對k值以預(yù)設(shè)值為基準(zhǔn)進(jìn)行微調(diào)，選取測量精度相對最高時對應(yīng)的k值。由于環(huán)境的穩(wěn)定是相對的，因此，需要定期對系統(tǒng)k值進(jìn)行實驗校正。

通過上述方法可分別算出礦車每個輪上的重量，將4個輪上重量相加即得整車重量。

3 稱重方法的實驗驗證

在實驗室環(huán)境中，向?qū)嶒灥V車?yán)锾砑訕?biāo)準(zhǔn)稱重砝碼，并讓礦車通過稱重傳感器進(jìn)行測試。實驗礦車凈重的靜態(tài)值為116.5kg，標(biāo)準(zhǔn)砝碼的靜態(tài)值為30.7kg/個，礦車速度1m/s。設(shè)每次實驗中加砝碼后礦車總重量的靜態(tài)值為Ti，對應(yīng)的動態(tài)測量值為Ci，定義該次動態(tài)測量的相對精度A為:

選取上下衡判別閾值h為25，首先對加5個砝碼的礦車進(jìn)行10次實驗，對k值以預(yù)設(shè)值1.3為中心進(jìn)行大小微調(diào)，每次微調(diào)0.01，選取10次實驗測量精度平均值最高時的k=1.28為系統(tǒng)k值，然后再分別對加6～10個砝碼的礦車進(jìn)行10次實驗，表1列出了10次實驗的各項計算平均值。結(jié)果表明，采用上述礦車動態(tài)稱重方法，測量結(jié)果與靜態(tài)重量相比誤差微小，相對測量精度很高。

表1 10次實驗的平均計算結(jié)果

4 結(jié)束語

“準(zhǔn)”、“快”、“省”是煤礦動態(tài)軌道衡計量最重要的要求，這3個指標(biāo)的考慮貫穿了本方法始終，具體描述如下:

（1）交錯式傳感器安裝設(shè)計巧妙，“省”了方向傳感器等設(shè)備，并用最簡單的方法解決了判車不“準(zhǔn)”的問題。

（2）在采集過程中采取均值濾波并定時清零;不再進(jìn)行其他復(fù)雜信號濾波或端點延拓處理;對上下衡的判別采用統(tǒng)一閾值;直接采用EMD分解的殘余量作為實際重量信號，而忽略各階IMF對重量計算的微弱影響。這些措施在保證“準(zhǔn)”的前提下實現(xiàn)了“快”與“省”的目標(biāo)。

（3）綜合考慮多種因素對測量精度的影響，得到一個總的誤差校正參數(shù)k，該方法與分別考慮各種因素的影響并一一進(jìn)行校正的方法相比，既“快”又“準(zhǔn)”。

［1］姚恩濤，季 娟，張 明.兩軸車輛動態(tài)稱重信號分析方法研究［J］.傳感器技術(shù)，2005，24（12）:22－25.

［2］周志鋒，蔡 萍，許 嘉，等.基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的汽車動態(tài)稱重數(shù)據(jù)處理［J］.中國機械工程，2005，16（20）.

［3］許光悅.微機控制動態(tài)軌道衡的模擬量判別車型法［J］.傳感器應(yīng)用技術(shù)，1989，7（1）:11－16.

［4］郭蘭英，梁 波，董安國.汽車動態(tài)稱重的新方法［J］.長安大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2009，29（2）:98－100.

［5］蓋廣洪，呂小俊，張 偉.車輛動態(tài)軸重衡稱重信號的自適應(yīng)濾波方法［P］.中國發(fā)明專利:CN 10 l1054llA，2008.1.

［6］Huang N E，Shen Z，Long SR，et a1.The Empirical Mode Decomposition and the Hilbert Spectrum for Nonlinear and Non－stationary Time Series Analysis［J］.Proceedings of Royal Society A，1998，454（4）:903－995.

Data Collection and Analysis of Dynam ic RailWeighbridge for Coal Mine

CHEN Jian，ZHENG Chuan-xing，CHEN Jian-zhong

（Information School，Guizhou Finance＆Economics Institute，Guiyang 550004，China）

In order to realize high-precision dynamic weighing in underground wicked environment，this paper researched installation ofweight sensor，data collection and single dealtmethod in dynamic railweighbridge for coalmine.Turn weighing was put forward and interlaced installation was applied to realizing accuracy direction judgment.After collecting effective weighing single，weightwas calculated based on experiencemode decomposition method.Test result showed that thismethod was accuracy，fast and economical.

dynamic railweighbridge;data collection;weight sensor;experiencemode decomposition

TD274.2

A

1006-6225（2011）04-0089-04

2010－12－01

貴州省科技廳工業(yè)公關(guān)項目 （黔科合GY字［2010］3078）;貴州省重點技術(shù)創(chuàng)新項目 （黔經(jīng)信辦［2010］713）

陳 建 （1959－），男，貴州貴陽人，碩士，研究員，從事計算機應(yīng)用技術(shù)研究。

［責(zé)任編輯:張銀亮］