基于燃油數(shù)據(jù)的露天礦卡車工作狀態(tài)研究

蔡 利

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

運(yùn)輸作業(yè)是露天煤礦開采的重要環(huán)節(jié)，運(yùn)輸成本占開采總成本的1/2～2/3，露天礦超大型礦用卡車運(yùn)輸作業(yè)中的燃油消耗更是占到了運(yùn)輸成本的40%左右，露天礦常用的運(yùn)輸卡車載重大，型號(hào)多且體積龐大，油箱容積非常大，最大的油箱容積可以達(dá)到幾噸，所以提高露天礦用卡車燃油效率，避免偷油、漏油等非正常燃油消耗現(xiàn)象成為燃油成本及運(yùn)輸成本控制的重點(diǎn)。同時(shí)露天礦用卡車燃油消耗也是工作狀態(tài)和工況的直接反應(yīng)，加強(qiáng)露天礦用卡車燃油消耗數(shù)字化監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)輸、精細(xì)管理和能耗管控的重要手段[1－3]，同時(shí)還可以識(shí)別偷油、漏油等非正常燃油消耗行為。以露天礦用卡車實(shí)時(shí)燃油數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)時(shí)辨別露天礦用卡車的工作狀態(tài)，監(jiān)督露天礦用卡車的正常工作，并且可以快速發(fā)現(xiàn)露天礦用卡車偷油、漏油等現(xiàn)象，并及時(shí)報(bào)警，有利于提升露天礦區(qū)運(yùn)輸效率，減少大型露天礦用卡車燃油非正常消耗。

1 礦山概況

準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司黑岱溝露天煤礦是我國(guó)90 年代開發(fā)建設(shè)的現(xiàn)代化大型露天礦，初始設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模12.0 Mt/a，現(xiàn)生產(chǎn)能力達(dá)33 Mt/a，采用拉斗鏟倒堆－單斗卡車綜合工藝。2016 年9 月，國(guó)家能源集團(tuán)以準(zhǔn)能公司為試點(diǎn)，開始建設(shè)“數(shù)字礦山”項(xiàng)目，其核心是實(shí)現(xiàn)降本增效，提高露天礦山精細(xì)化數(shù)字化管理。燃油監(jiān)控系統(tǒng)改造是“數(shù)字礦山”項(xiàng)目其中的一個(gè)子項(xiàng)目，通過(guò)在露天礦用卡車油箱內(nèi)部安裝液位儀的燃油監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控露天礦用卡車運(yùn)輸作業(yè)過(guò)程中的燃油消耗情況。黑岱溝露天煤礦擁有大型運(yùn)輸卡車83 臺(tái)，通過(guò)在現(xiàn)有露天礦用卡車燃油監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)大型運(yùn)輸卡車精確油耗計(jì)量，提高單班核算準(zhǔn)確度，為卡車油耗控制及預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 露天礦用卡車工作狀態(tài)

露天礦用卡車作業(yè)過(guò)程中，油耗指標(biāo)是不斷波動(dòng)的，可以利用露天礦用卡車的燃油實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析其工作狀態(tài)，首先要確定露天礦用卡車燃油消耗變化與其工作狀態(tài)的關(guān)系，進(jìn)而以燃油消耗為主要影響因素對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行分類。

2.1 露天礦用卡車燃油消耗影響因素

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率影響因素公式：

式中：Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率；kW；Pf為滾動(dòng)阻力功率；kW；Pw為空氣阻力功率；kW；Pi為坡度阻力功率；kW；Pj為慣性加速阻力功率；kW。

露天煤礦實(shí)際開采過(guò)程中，大型礦用卡車通常只是進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)輸，路徑較為簡(jiǎn)單，包括將采場(chǎng)中的剝離物進(jìn)行裝載，通過(guò)特定路線運(yùn)輸?shù)脚磐翀?chǎng)進(jìn)行排棄，然后空車返回原始位置或者到達(dá)新的作業(yè)位置，還包括將采場(chǎng)中的煤進(jìn)行裝載，運(yùn)輸?shù)狡扑檎净蛘哌x煤廠，然后空車返回原始位置或者到達(dá)新的作業(yè)位置。露天煤礦礦用卡車工作中，基于安全考慮，露天礦用卡車被限制在較低的速度行駛，礦區(qū)內(nèi)時(shí)速一般不超過(guò)30 km/h，且多為勻速行駛，所以空氣阻力和慣性加速度功率對(duì)于礦用卡車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率影響較小[4]。運(yùn)輸作業(yè)過(guò)程中，不同車型礦用卡車主要在上、下坡的時(shí)候有較大的功率差別。

另外，露天礦用卡車在工作流程上還有一些明顯的行業(yè)特征：①在采裝作業(yè)區(qū)等待時(shí)，車輛處于怠速工況是不熄火的；②當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，交接班時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火[5-6]。這2 種情況下車輛雖然靜止，但是仍有燃油消耗。

2.2 露天礦用卡車工作狀態(tài)劃分

以露天礦用卡車的燃油消耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行分析。露天礦用卡車的工作狀態(tài)劃分主要根據(jù)其燃油消耗的程度進(jìn)行分類。根據(jù)燃油消耗增減情況，將露天礦用卡車分成燃油消耗和車輛加油2 種狀態(tài)。

1）燃油消耗。露天礦燃油消耗主要存在正常消耗和非正常消耗2 個(gè)方面。在正常消耗時(shí)，由于車輛在不同工作狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)功率不同，相應(yīng)的油耗也不同，根據(jù)上述對(duì)露天礦用卡車燃油消耗影響因素的分析可知，在上坡、下坡和怠速停車時(shí)，燃油消耗都是不同的。因此將露天礦用卡車正常燃油消耗分為：上坡行駛、下坡行駛以及怠速停車。露天礦用卡車燃油的非正常消耗主要包括偷油和漏油2 種情況，此2 種情況下燃油消耗比正常行駛時(shí)消耗速度要快，燃油消耗速率明顯增高，因此將這2 種情況合并成非正常消耗。

2）車輛加油。露天礦用卡車加油狀態(tài)也記錄在燃油變化之中，露天礦用卡車的加油主要是在加油站或者通過(guò)油槽車，這是除人工倒油等特殊情況外唯一的卡車燃油增加的情況。

3）停止?fàn)顟B(tài)。露天礦用卡車停止?fàn)顟B(tài)通常是在卡車點(diǎn)檢、檢修或者意外停止時(shí)，在該狀態(tài)下露天礦用卡車停止工作，無(wú)燃油消耗。

綜上所述，露天礦用卡車的工作狀態(tài)中共有上坡行駛、水平行駛、下坡行駛、怠速停止、加油、停止工作幾個(gè)狀態(tài)，燃油消耗過(guò)高即為燃油非正常消耗狀態(tài)。

3 露天礦用卡車油位數(shù)據(jù)

露天礦用卡車的油位檢測(cè)裝置為電容式液位傳感器，其原理是偵測(cè)液位變化時(shí)所引起的微小電容量差值變化，并將該電容變化轉(zhuǎn)化為油箱液面變化。

3.1 電容液位傳感器存在的問(wèn)題

1）該裝置一般設(shè)置于油箱正中心位置，當(dāng)車輛傾斜的時(shí)會(huì)保持液面中心基本保持不變，但是在露天礦道路較為顛簸時(shí)，車輛行駛時(shí)液面晃動(dòng)幅度較大，此時(shí)液面中心點(diǎn)的上下波動(dòng)也較為明顯。

2）采用電容式液位傳感器，當(dāng)液面變動(dòng)速度較快時(shí)，電容的變化跟不上液面的變化速度，導(dǎo)致在系統(tǒng)上會(huì)出現(xiàn)一定的偏差及延遲。

3）該檢測(cè)裝置以分鐘為周期采集檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄⒔Y(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)中心，但是露天礦的地形限制會(huì)導(dǎo)致部分檢測(cè)信息無(wú)法傳輸至數(shù)據(jù)中心，或因裝置問(wèn)題導(dǎo)致部分時(shí)間點(diǎn)漏檢，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。綜上所述，由于測(cè)量原理和裝置精度問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致卡車油耗監(jiān)測(cè)結(jié)果存在小幅度的偏差，黑岱溝露天煤礦4 月10 日1#礦用卡車燃油油箱液面變化如圖1。

從圖1 中可以看出，整個(gè)液位變化的總體趨勢(shì)是不變的，也可以看出上坡行駛和下坡行駛的狀態(tài)，但是由于數(shù)據(jù)波動(dòng)，對(duì)于時(shí)間較短的怠速停止等環(huán)節(jié)體現(xiàn)不明顯。并且還有部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失的情況。

圖1 黑岱溝露天煤礦4 月10 日1#礦用卡車燃油油箱液面變化圖

在這種情況下，進(jìn)行露天礦有指導(dǎo)的數(shù)據(jù)挖掘首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使液面變化趨近于真實(shí)情況，進(jìn)而獲得準(zhǔn)確的露天礦用卡車工作狀態(tài)。

3.2 卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波是一種最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法?？柭鼮V波不要求信號(hào)和噪聲都是平穩(wěn)過(guò)程的假設(shè)條件。只要對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)每個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)擾動(dòng)和觀測(cè)誤差的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)作適當(dāng)?shù)募俣?，通過(guò)對(duì)含有噪聲的觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，就能在平均的意義上求得誤差最小的真實(shí)信號(hào)的估計(jì)值。因此，自從卡爾曼濾波理論問(wèn)世以來(lái)，在通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、航空航天、環(huán)境污染控制、工業(yè)控制、雷達(dá)信號(hào)處理等場(chǎng)景下得到了廣泛應(yīng)用[7-8]。采用卡爾曼濾波的方式對(duì)露天礦用卡車油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

首先，將露天礦用卡車的液面變化系統(tǒng)用線性隨機(jī)微分方程來(lái)描述：

式中：X（t）為系統(tǒng)t 時(shí)刻狀態(tài)；mm；U（t）為t 時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)控制量；mm；W（t）為t 時(shí)刻噪聲；mm；A、B為系統(tǒng)參數(shù)。

系統(tǒng)測(cè)量值表示為：

式中：Z（t）為t 時(shí)刻系統(tǒng)測(cè)量值；mm；V（t）為t時(shí)刻測(cè)量噪聲；mm；H 為測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模后根據(jù)下述過(guò)程進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算，由Matlab 執(zhí)行完成，卡爾曼濾波計(jì)算過(guò)程計(jì)算過(guò)程如圖2。利用卡爾曼濾波方法對(duì)黑岱溝露天煤礦某礦用卡車4 月10 日燃油消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，某礦用卡車4 月10 日數(shù)據(jù)卡爾曼濾波處理結(jié)果如圖3。

圖2 卡爾曼濾波計(jì)算過(guò)程

圖3 某礦用卡車4 月10 日數(shù)據(jù)卡爾曼濾波處理結(jié)果

4 基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的露天礦用卡車工作狀態(tài)識(shí)別

露天礦用卡車的工作狀態(tài)識(shí)別是以卡爾曼濾波進(jìn)行處理過(guò)后的一系列時(shí)間序列數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。在之前討論過(guò)卡車工作狀態(tài)的分類，且在上一部分對(duì)經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列上的工作狀態(tài)劃分，由此獲得一組有指導(dǎo)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，還需要選擇適合處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)有指導(dǎo)的模式來(lái)識(shí)別模型并進(jìn)行預(yù)測(cè)[9]。

4.1 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，從輸入層到隱含層再到輸出層，層與層之間是全連接的，每層之間的節(jié)點(diǎn)是無(wú)連接的。但這種普通的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于時(shí)間序列卻無(wú)能無(wú)力。在時(shí)間序列中預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的狀態(tài)，一般需要用到前面的狀態(tài)，因?yàn)闋顟B(tài)是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)可以很好的解決一個(gè)序列當(dāng)前的輸出與前面的輸出相關(guān)的情況，具體的表現(xiàn)形式為網(wǎng)絡(luò)模型會(huì)對(duì)前面的信息進(jìn)行記憶并應(yīng)用于當(dāng)前輸出的計(jì)算中，即隱藏層之間的節(jié)點(diǎn)不再無(wú)連接而是有連接的，并且隱藏層的輸入不僅包括輸入層的輸出還包括上一時(shí)刻隱藏層的輸出[10]，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決具有時(shí)間維度變化的預(yù)測(cè)問(wèn)題，本文提出了一種基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的露天礦用卡車狀態(tài)識(shí)別模型，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)時(shí)間序列上發(fā)生的情況進(jìn)行積累和傳遞，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4。

由圖4 可知，網(wǎng)絡(luò)模型在t 時(shí)刻接收到輸入xt之后，隱藏層的值是St，輸出值是Ot。關(guān)鍵是Ot的值不僅僅取決于St，同時(shí)還取決于上一時(shí)刻隱藏層輸出St－1。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算公式如下：

圖4 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

式中：U 為輸入矩陣；V 為輸出矩陣；W 為傳遞矩陣。

露天礦用卡車工作狀態(tài)識(shí)別主要依賴于燃油變化的時(shí)間序列，因此設(shè)定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層為油量、油量變化率、5 個(gè)時(shí)間區(qū)段均方差和3 個(gè)節(jié)點(diǎn)；輸出層為礦用卡車工作狀態(tài)節(jié)點(diǎn)1 個(gè)；并且設(shè)計(jì)隱藏層節(jié)點(diǎn)為4 個(gè)，分別為A1、A2、A3、A4。露天礦用卡車神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5。其中x1為油量、x2為油量變化。s 為工作狀態(tài)，設(shè)置工作狀態(tài)有上坡行駛、下坡行駛、停車、怠速停止、加油、非正常消耗6 種情況。

圖5 露天礦用卡車循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

利用Matlab 進(jìn)行編程建立循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并以黑岱溝露天煤礦1#號(hào)礦用卡車2019 年4 月10日、17 日和18 日3 d 的燃油消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波處理，并進(jìn)行狀態(tài)劃分，以此為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，輸入到建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行訓(xùn)練。通過(guò)訓(xùn)練獲得循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并以4 月21 日數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證過(guò)程中首先對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波處理，輸入到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行狀態(tài)劃分，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較如圖6。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤黑岱溝露天煤礦1#號(hào)小松930E礦用卡車4 月21 日在不同時(shí)間段內(nèi)的工作狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，并與循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型對(duì)比，可以看出構(gòu)建的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以較好的判斷其工作狀態(tài)。

圖6 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較

5 結(jié)論

1）通過(guò)改造露天礦用卡車燃油監(jiān)控軟硬件系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)露天礦用卡車燃油實(shí)時(shí)監(jiān)控及分析，并對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，同時(shí)可以準(zhǔn)確判斷卡車的偷油、漏油等事件，并及時(shí)報(bào)警，減少露天礦燃油的非正常消耗，提高油耗精細(xì)化管理水平。

2）根據(jù)油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷露天礦用卡車除正常行駛之外的怠速停車和停止工作狀態(tài)，為露天礦運(yùn)輸調(diào)度優(yōu)化提供基礎(chǔ)。