基于機電一體化的礦山機械工程優(yōu)化方法分析

陳國斌

（廣東工業(yè)大學華立學院，廣東 廣州 511325）

礦山機械工程水平對于礦產行業(yè)具有重要推動作用，隨著對工程領域的投資逐漸加大，機械化水平不斷提高，施工設備配置對于整個工程進度、質量和效益的影響也不斷增大。礦山機械工程主要包括開采、裝備和運輸三個主要環(huán)節(jié)，三個環(huán)節(jié)相互關聯，需要合理有序地利用礦產資源，以達到安全高效的礦山工程標準[1]。由于礦山機械設備體積大、噸位重，對其進行制造、使用和維護都具有一定復雜度，因此如何采用有效的方法優(yōu)化礦山機械工程的技術水平，成為工程領域的主要課題。機電一體化是對機械技術和信息技術的綜合應用，對設備的自動化發(fā)展起到重要的推動作用，近年來，機電一體化廣泛應用于工程領域，很多領域工程開始從單一模式向機電一體化轉變，利用機電一體化模式能夠有效降低工程成本，提高產業(yè)的信息化和智能化水平。因此本文基于機電一體化對礦山機械工程的優(yōu)化方法進行分析，利用機電一體化的技術優(yōu)勢，提高礦山機械工程的運行水平，推動整個礦產行業(yè)的信息化發(fā)展。

1 構建礦山機械工程數據庫

（1）礦山機械工程需求分析。為實現礦山機械工程的機電一體化，需要構建信息數據庫，根據確認的用戶用途，分析應用信息和執(zhí)行具體操作。構建信息數據庫前，應對礦山機械工程進行需求分析，主要包括對信息的采集和整理，確定具體目標、內容和應用方式。礦山機械工程需求，具體又可分為前期準備工作、地下作業(yè)環(huán)境、作業(yè)實施進度、地質條件變化和采礦生產連續(xù)性等內容，對信息形式、操作規(guī)劃和安全性作出了相應要求。在需求分析階段，需要將收集的信息進行整理，將圖形、視頻等文件轉化為可操作的信息，方便對礦山機械工程需求的表達。礦山機械工程涵蓋的信息數據主要由裝備、出礦和運輸數據等組成，根據上述數據，將數據庫定義為三大模塊：管理、查詢和統計，可實現相應的操作功能。對礦山機械工程進行需求分析，主要是為了提供信息數據來源，同時查詢和管理不同機械設備的工作參數，實現對礦山機械工程的統一管理，根據設置的不同的權限范圍，確保信息數據的安全性。確定需求分析后，可根據相關參數進行篩選，將符合要求的信息進行整合輸出。

（2）礦山機械工程信息數據處理?；跈C電一體化的礦山機械工程數據庫設計，能夠實現對礦山設備的信息化管理，根據對功能需求分析，將數據庫劃分為總模塊和若干分模塊，每個模塊具有相應的功能。通過對機械設備輸入模糊查詢，通過訪問數據庫，從大范圍的信息中進行選擇，將結果直觀顯示在輸出界面，即查詢出符合條件的設備信息列表，得到設備的主要參數信息，滿足用戶需求。對礦山機械工程的設備實體信息的處理，主要用來表示設備的基本信息，包括型號、廠家名稱、長寬高度、整機重量、最大工作壓力和最高工作速率等一系列參數信息，在需求的基礎上正確反映數據實體之間的關系，減少數據冗余度，提供有效的信息數據，保持信息與實體的一致性。數據庫中的數據具有實時性，能夠跟隨設備工作狀態(tài)進行更新和調整，以保持數據信息的完整性。通過對礦山機械工程的數據進行采集與處理，從而完成對設備的故障診斷和作業(yè)參數優(yōu)化的控制，進而實現設備應用自動化。

2 構建礦山機械工程優(yōu)化模型

（1）確定影響因素制約條件。礦山機械工程優(yōu)化需要以現有技術條件為基礎，采用高效的采礦方法，實現良好的經濟、社會和環(huán)境效益。

通過對現有技術資料進行分析，礦山機械工程主要受到以下影響因素的制約。生產礦量制約，需要滿足礦產日產重量要求；礦石流量速率制約，運輸速率大于裝備速率，裝備速率大于開采速率，保證礦產資源不滯留；采礦設計制約，機械設備的關鍵零部件設計要符合國家標準和要求，比如炮孔、工作面和運輸通道尺寸和規(guī)格等；資源利用率制約，礦產機械工程在運行過程中不出現設備閑置和空載狀態(tài)；其他條件制約，包括用水用電等條件。在優(yōu)化礦山機械工程時，理論上需要考慮所有的影響因素，但會造成運算量的增大，因此在實際優(yōu)化設計中，選取主要的影響因素，達到整體優(yōu)化的目的。本文選取的主要制約因素為：工作面、運輸通道尺寸規(guī)格，生產礦量，礦石流量和設備利用率。

（2）建立數學模型。礦山機械工程的優(yōu)化配置是一個具有復雜約束條件的問題，將其分為開采、裝備和運輸三大環(huán)節(jié)來分析。礦產資源規(guī)模G以礦山每年生產礦石重量來表示，將礦山機械設備的綜合生產能力設為x，具體開采能力為x1、裝備能力為x2、運輸能力為x3，礦產資源規(guī)模與綜合生產能力的關系可表示為：

其中，a表示綜合能力修正系數；b表示實際調整值。由于礦山機械工程中的開采、裝備和運輸具有一定的順序，開采環(huán)節(jié)制約裝備環(huán)節(jié)，裝備環(huán)節(jié)制約運輸環(huán)節(jié)，因此還需要設置礦山機械工程生產能力的約束條件為：x1≥x2≥x3。設備的單項生產能力x1、x2、x3具體表示為：

其中，d表示工作天數；s表示機械設備數量；h表示鉆孔量；z表示單位長度崩礦量；α表示炮孔利用率；β表示設備利用率。機械設備的日生產成本P為：

其中，λ表示成本修正系數；n表示設備數量；p表示單項成本；t表示工作時間。根據以上數學模型，確立目標函數為：

通過對目標函數的求解，使在滿足礦山生產能力的條件下，得到礦山機械工程優(yōu)化配置，保證設備充分發(fā)揮效率。

（3）設置模型算法參數。結合實際礦山機械工程，從以下幾方面對模型中的算法參數進行設定。種群規(guī)模，種群數量過多導致計算時間較長，綜合考慮時間和空間特性，將種群規(guī)模大小設置為120個；交叉率，交叉率影響全局搜索的速度，本文將其設定為0.6；變異率，進行局部優(yōu)化時，變異率增加進化速度，本文將其初始值設定為0.05；終止條件，本文采用最佳適應度不再改進的標準來確定停止運行。

3 實驗結果與分析

（1）優(yōu)化結果。在信息數據分析和構建優(yōu)化模型的基礎上，為檢驗本文優(yōu)化方法對實際礦山機械工程應用的有效性，以某礦產機械工程為對象進行測試，檢測滿足礦山生產能力的條件下的機械設備配置情況。具體優(yōu)化結果見表1。

表1 礦山機械工程優(yōu)化結果

由表1可知，機械設備的生產能力能達到良好的效果，費用總和相對比較適宜，并且富余系數滿足開采＞裝備＞運輸的約束要求，說明本文提出的優(yōu)化方法具有一定可行性，實現了對礦山機械工程配置的優(yōu)化，能夠滿足日常生產的設計要求。

（2）對比測試。為驗證本文基于機電一體化的礦山機械工程優(yōu)化方法的有效性，將本文設計方法設定為實驗組，以現行傳統方法為對照組，進行對比測試，從運行效率方面評價本文方法的效果，對比測試結果見圖1。

圖1 礦山機械工程運行效率對比

由圖1的對比測試結果可知，本文提出的優(yōu)化方法比傳統方法具有更高的運行效率，因此可被應用于實際的礦山機械工程中。

4 結束語

本文基于機電一體化對礦山機械工程優(yōu)化方法進行研究與分析，提出了進行信息數據分析和構建制約因素模型的優(yōu)化方法，經過實驗驗證和對比分析，本文的方法能夠達到良好的礦山生產能力，同時降低工程成本，有效提高礦山機械設備的運行效率，保證礦山工程的安全實施和高效開采，對于促進礦山機械工程的機電一體化發(fā)展具有理論指導意義。由于礦山機械工程和機電一體化的應用具有一定復雜性，本文的研究還存在不足之處。后續(xù)研究應擴大礦山機械設備的類型，并相應進行匹配，在充分采集設備數據的基礎上，確定目標函數準確反映礦山機械工程的運行質量，提高優(yōu)化方法的適用性，以滿足更多類型的礦山工程應用條件，更好地實現低能源消耗，以促進我國礦產行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。