試論虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤礦機電設(shè)備管理中的應(yīng)用

曹豪

陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司 陜西 神木 719300

引言

煤礦開采技術(shù)經(jīng)歷了炮采、普采和綜采等階段，目前，綜合機械化采煤技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國煤礦的開采。機械化開采率已經(jīng)達到了95%以上，所采用的機電設(shè)備種類多、數(shù)量多，且長期處于復(fù)雜的環(huán)境中，日常運維管理難度大。對設(shè)備的精細化管理和系統(tǒng)運行態(tài)勢的把控變得越來越困難，主要面臨以下幾方面問題：一是系統(tǒng)研發(fā)廠家多，標(biāo)準不統(tǒng)一，造成監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)多樣化，無法統(tǒng)一分析；二是現(xiàn)有的采集數(shù)據(jù)不完整，分析手段不完善；三是應(yīng)用展示方式不成體系，無法從多個視角很直觀地去掌握運行管理的態(tài)勢。因此，在煤礦在日常機電設(shè)備管理中運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有重要的意義。

1 煤礦機電自動化與信息化改革的要求

煤礦機電設(shè)備運維管理旨在保障機電設(shè)備正常運行、實現(xiàn)機電設(shè)備運行效率的提升，機電設(shè)備信息化具備遠程控制、實時、全方位、全面的要求。煤礦企業(yè)機電設(shè)備的自動化與信息化，重點涵蓋下面幾點要求：一是實現(xiàn)煤礦機電設(shè)備的全方位控制，煤礦機電設(shè)備的信息化應(yīng)實現(xiàn)工藝參數(shù)、電氣、運行、開停等的有效控制。二是結(jié)合對煤礦機電設(shè)備的信息化管理，可以對收集的動態(tài)運行參數(shù)和靜態(tài)設(shè)備信息予以整合，通過機電設(shè)備自動化與信息化技術(shù)的應(yīng)用，可以確保機電設(shè)備的順利運行。三是在機電設(shè)備信息采集全面化、數(shù)據(jù)模型標(biāo)準化的基礎(chǔ)上，建立能夠在設(shè)備、業(yè)務(wù)等不同維度，使用健康度算法等不同手段的智能分析中心。最終實現(xiàn)對運行態(tài)勢的精準把控，達到提前發(fā)現(xiàn)隱患，防患于未然。四是日益復(fù)雜的機電設(shè)備系統(tǒng)更需要信息化手段進行故障維修和日常運維的技術(shù)指導(dǎo)，將個人的經(jīng)驗延伸為系統(tǒng)知識體系，適用于所有操作和運維人員通過系統(tǒng)的知識體系逐步將故障分解排查、運維定期定量，保障機電設(shè)備系統(tǒng)的正常運行[1]。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤礦機電設(shè)備管理的應(yīng)用

2.1 煤礦機電設(shè)備與信息化融合的實現(xiàn)形式

煤炭企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備朝著大型化、集約化、自動化方向迅速發(fā)展，對生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、維修以及管理提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的設(shè)備檢修方式已難以適應(yīng)現(xiàn)代煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)的要求。為了提高生產(chǎn)設(shè)備的使用率，降低維護成本和檢修費用，需要對生產(chǎn)設(shè)備進行有效管理，虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是一種有效的管理方法和手段。

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的煤礦機電設(shè)備管理信息系統(tǒng)承載設(shè)備采購、倉儲、維護、維修等設(shè)備管理全業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的信息化，實現(xiàn)設(shè)備信息的物模型化，設(shè)備實時狀態(tài)采集、設(shè)備故障預(yù)警、設(shè)備維修記錄、設(shè)備安全評分等，具有完善的設(shè)備及其歷史信息跟蹤功能。利用科學(xué)的管理手段，全面實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備智能管理，將設(shè)備維修由現(xiàn)在的事后維修和定期預(yù)防性維修，實現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)維修、狀態(tài)維修和健康管理模式評價，提高可靠性，降低故障性停機比率，減少事后維護的成本，提高工作效率。

2.2 機電設(shè)備模型的建立

機電設(shè)備模型采用層次結(jié)構(gòu)方式建模，通過對通用設(shè)備對象結(jié)構(gòu)化設(shè)計，建立統(tǒng)一的標(biāo)準模型。在系統(tǒng)設(shè)備歸屬關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系、應(yīng)用承載關(guān)系等關(guān)系的基礎(chǔ)上，按照業(yè)務(wù)的依賴關(guān)系，擴展關(guān)聯(lián)模型，同時將設(shè)備運行涉及的軟、硬件資源進行關(guān)系化建模，更有效的用于設(shè)備的故障分析和問題定位。

三維仿真可視化是可視化的第二個階段，是利用計算機技術(shù)生成的一個逼真三維仿真模型，集成資產(chǎn)信息、環(huán)境信息、監(jiān)控信息等各類信息數(shù)據(jù)的虛擬環(huán)境，用戶可以通過其自然技能直觀的了解與虛擬環(huán)境對應(yīng)的實際環(huán)境的具體情況。三維仿真通常使用三維建模技術(shù)、立體合成顯示技術(shù)、交互技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等技術(shù)來實現(xiàn)。端到端泛在可視化是可視化的更高階段，能夠?qū)崿F(xiàn)物理到邏輯、資源到業(yè)務(wù)的端到端的可視化，并且針對泛在式物聯(lián)網(wǎng)，提供能夠延伸到最后一公里的可視化能力。集成端到端的資產(chǎn)、配置、關(guān)系、事件、指標(biāo)、工單、甚至文檔等各類信息，將原本散落在各系統(tǒng)或文件中的信息進行有機整合，為全息智能運行管控提供有力的支撐。

設(shè)備的三維仿真還原機電設(shè)備模型，同時接入機電設(shè)備的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，利用三維空間拓撲關(guān)系，還原機電設(shè)備各部件結(jié)構(gòu)關(guān)系、運行聯(lián)動、數(shù)據(jù)再現(xiàn)等功能。采用層次結(jié)構(gòu)方式建模，通過機電設(shè)備通用數(shù)據(jù)對象結(jié)構(gòu)化設(shè)計，建立統(tǒng)一的模型標(biāo)準。擴展關(guān)系模型，在系統(tǒng)設(shè)備歸屬關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系、應(yīng)用承載關(guān)系等關(guān)系的基礎(chǔ)上，擴展業(yè)務(wù)的依賴關(guān)系，將業(yè)務(wù)正常運行涉及的軟硬件資源進行關(guān)系化建模，更有效的用于二次系統(tǒng)的故障分析和問題定位[2]。

2.3 機電設(shè)備管理數(shù)據(jù)分析

信息采集是展示和數(shù)據(jù)分析的來源，采集的廣度和深度，直接決定對資源運行狀態(tài)判斷的精度，只有通過全面的數(shù)據(jù)采集，才能實現(xiàn)硬件、軟件、安全等運行狀況的監(jiān)視，進而通過分析和全息化的展示，對機電設(shè)備整體業(yè)務(wù)運行趨勢進行精準把握。

在信息采集全面化、數(shù)據(jù)模型標(biāo)準化的基礎(chǔ)上，建立能夠在設(shè)備、業(yè)務(wù)等不同維度，使用健康度算法等不同手段的智能分析中心。數(shù)據(jù)分析對底層的各類數(shù)據(jù)源進行采集，匯聚到大數(shù)據(jù)平臺。建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分析平臺，包含統(tǒng)一集中監(jiān)視、智能輔助分析、運行指揮管理、智能遠程運維、全息指標(biāo)管控五個部分，以保證數(shù)據(jù)分析平臺具有系統(tǒng)性、實用性、高效性、可擴展性，有效的提升自動化運維管控能力。初期通過對數(shù)據(jù)及信息的計算進行簡單的自動分析工作，結(jié)合人工分析支撐日常工作，隨后逐步將知識和經(jīng)驗固化為系統(tǒng)中的算法模型，并且通過機器學(xué)習(xí)的能力，進行較為復(fù)雜的智能分析。最終根據(jù)不同的運維場景，提供可視化的展示，實現(xiàn)對運行態(tài)勢的精準把控，達到提前發(fā)現(xiàn)隱患，防患于未然。

2.3.1 機電設(shè)備健康度分析。傳統(tǒng)情況下，運維人員需要手工調(diào)用報警相關(guān)的模塊的眾多采集指標(biāo)和歷史數(shù)據(jù)進行比對分析。如果和業(yè)務(wù)相關(guān)的模塊及采集指標(biāo)數(shù)量較多，將會耗費大量的人力和時間。日常生產(chǎn)中一旦產(chǎn)生故障，往往需要花費數(shù)個小時甚至數(shù)天的時間人工排査。而智能分析對于給定的設(shè)備及設(shè)備所依賴的各模塊和采集指標(biāo)的監(jiān)控數(shù)據(jù)匯總，在設(shè)備出現(xiàn)故障時從上述數(shù)據(jù)中自動快速進行故障定位。通過對比監(jiān)控數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)故障時間點前后和歷史上同期時間點的表現(xiàn)，并對這些表現(xiàn)進行聚類和排序分析來集中呈現(xiàn)。結(jié)合設(shè)備日常運行、維護、維修等資料在設(shè)備故障發(fā)生時可自動檢索相關(guān)資料，提高設(shè)備檢修和運維能力。

2.3.2 機電設(shè)備故障預(yù)警預(yù)測分析。設(shè)備的健康準則是指設(shè)備的各類組件都是健康的，并且其自身之間采集的指標(biāo)在設(shè)定的限值范圍內(nèi)，并且其所依賴設(shè)備也是健康的?；跉v史數(shù)據(jù)預(yù)測被監(jiān)視機電設(shè)備的趨勢和可能的故障點，根據(jù)各設(shè)備相關(guān)關(guān)鍵指標(biāo)和系統(tǒng)通過訓(xùn)練的故障模型，通過對運維故障經(jīng)驗的總結(jié)，提出基于場景的預(yù)警預(yù)測方案，自動預(yù)測未來設(shè)備劣化趨勢的情況，以便提前通知運維進行處理。

2.3.3 業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)分析。每臺設(shè)備都有其依賴的關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)包括軟件模塊和硬件設(shè)施等資源。當(dāng)業(yè)務(wù)依賴的設(shè)備發(fā)生故障時，該業(yè)務(wù)可能受到影響。通過構(gòu)建設(shè)備對業(yè)務(wù)的依賴關(guān)系、業(yè)務(wù)對生產(chǎn)的依賴關(guān)系、業(yè)務(wù)對安全的依賴關(guān)系、生產(chǎn)對設(shè)備的依賴關(guān)系、生產(chǎn)對銷售的依賴關(guān)系等多重依賴關(guān)系，并且預(yù)設(shè)設(shè)備、業(yè)務(wù)、生產(chǎn)、安全、銷售等健康模型準則，對設(shè)備故障及其關(guān)聯(lián)關(guān)系進行分析。從發(fā)生故障的業(yè)務(wù)開始分析，依據(jù)業(yè)務(wù)關(guān)系模型和網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系模型，查找該業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)的所有對象（包括：其他設(shè)備、設(shè)備組件、軟件、環(huán)境等），根據(jù)所有關(guān)聯(lián)對象進一步搜索對象的運行狀態(tài)、告警事件信息，形成故障發(fā)生前后的時間序列運行事件數(shù)據(jù)信息集合，便于全方位分析故障業(yè)務(wù)的影響范圍。

2.3.4 智能多維分析。隨著設(shè)備和運維技術(shù)的發(fā)展，衍生出新的智能分析手段，對機電設(shè)備運行管理產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)分析進行嘗試，它能夠?qū)崿F(xiàn)“故障根原分析及預(yù)測”，它通過自動化的手段，基于異常事件觸發(fā)，監(jiān)視采集到的多個維度的數(shù)據(jù)進行鉆取、關(guān)聯(lián)，極大簡化多維數(shù)據(jù)分析過程，減少投入的人力成本，提高分析效率。

2.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

通過前面的設(shè)備建模、基礎(chǔ)信息和運行數(shù)據(jù)的采集、故障數(shù)據(jù)的分析，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，進行數(shù)據(jù)的展示，同時運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，采用AR/VR等終端技術(shù)，進行設(shè)備信息的全息展示。集成資產(chǎn)信息、環(huán)境信息、監(jiān)控信息等各類信息數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實，用戶可以直觀的了解與虛擬環(huán)境對應(yīng)的實際環(huán)境的具體情況。端到端泛在可視化是可視化的更高階段，能夠?qū)崿F(xiàn)物理到邏輯、資源到業(yè)務(wù)的端到端的可視化，集成端到端的資產(chǎn)、配置、關(guān)系、事件、指標(biāo)、工單、甚至文檔等各類信息，將原本散落在各系統(tǒng)或文件中的信息進行有機整合，為全息智能運行管控提供有力的支撐。

在設(shè)備故障維修和日常運維過程中，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以結(jié)合實景，采用信息疊加、圖層疊加等方式，直觀的提供設(shè)備的當(dāng)前實時運行數(shù)據(jù)，構(gòu)建起實際設(shè)備與虛擬數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，建立運維保障的數(shù)據(jù)支撐。同時在故障維修過程中可結(jié)合設(shè)備分解模型、故障排查邏輯、維修指引等功能，逐步引導(dǎo)維修人員進行設(shè)備故障點的排查和維修。

2.5 機電設(shè)備管理體系

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，提高公司設(shè)備資產(chǎn)管理的集成度，提升員工業(yè)務(wù)能力，優(yōu)化公司業(yè)務(wù)流程，以適應(yīng)企業(yè)快速發(fā)展和變革的需要。滿足日常設(shè)備管理業(yè)務(wù)的各項功能要求，實現(xiàn)設(shè)備管理的科學(xué)化、扁平化、信息集成化及業(yè)務(wù)的基本統(tǒng)一，做到相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)完整、準確、及時、安全、可靠；

其次，以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備故障預(yù)警、設(shè)備維修管理、成本控制等相關(guān)控制為核心，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的合理控制，加強企業(yè)設(shè)備業(yè)務(wù)的監(jiān)控職能，降低成本，逐步強化集約管理，提高整個企業(yè)的設(shè)備管理水平；

再次，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將技術(shù)人員的經(jīng)驗進行固化和流程化，降低設(shè)備運維和故障維修的經(jīng)驗依賴性，采用標(biāo)準化的作業(yè)流程，降低操作技術(shù)難度，提升運維和故障維修的效果。

在上述基礎(chǔ)上，以設(shè)備安全管理為業(yè)務(wù)主線，逐步貫穿統(tǒng)一企業(yè)的各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)建立各管理層面決策所需的分析依據(jù)和決策評價體系、評價指標(biāo)，為相關(guān)業(yè)務(wù)決策提供數(shù)據(jù)支持，并逐步實現(xiàn)決策支持，最終增強企業(yè)的核心競爭力[3]。

3 結(jié)束語

總而言之，虛擬現(xiàn)實技術(shù)提出煤礦機電設(shè)備管理的新思路，準確地把握每臺設(shè)備的運行狀態(tài)和變化趨勢，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和存在的安全隱患，在多個維度集中分析設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備運維和故障維修的標(biāo)準化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)范化，進而實現(xiàn)機電設(shè)備的綜合管理。很好促進機電設(shè)備管理的快速發(fā)展，通過提高設(shè)備的工作效率，進而提升煤礦安全生產(chǎn)效率，保障煤礦安全生產(chǎn)，促進我國煤礦生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。