礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性預(yù)測研究

張佳哲

（晉能控股煤業(yè)集團安全督查大隊八中隊，山西 大同 037003）

礦井的通風(fēng)系統(tǒng)受通風(fēng)線路、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)變化、巷道變形、運行參數(shù)等因素的影響，使通風(fēng)量發(fā)生改變，進而威脅到井下的正常生產(chǎn)。同煤集團某礦井現(xiàn)使用的通風(fēng)系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)采集實效性差、設(shè)備老化、監(jiān)控不到位等問題，還有通風(fēng)系統(tǒng)本身是一個不斷變化的動態(tài)系統(tǒng)，為了提高通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，找到影響因素，建立實時監(jiān)控通風(fēng)系統(tǒng)運行狀態(tài)的可靠性預(yù)測系統(tǒng)，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[1-3]，結(jié)合智能軟件應(yīng)用技術(shù)，設(shè)計符合功能要求的現(xiàn)場監(jiān)測控制系統(tǒng)，通過構(gòu)建仿真模型，將預(yù)測值和真實值進行對比，判斷系統(tǒng)的可靠性。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)

同煤集團大斗溝煤礦礦井采用中央并列式通風(fēng)方式，通風(fēng)方法為抽出式，主斜井、副斜井、進風(fēng)立井進風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)。礦井主井進風(fēng)量為1527 m3/min，副井進風(fēng)量為5380 m3/min，礦井總進風(fēng)量為9874 m3/min，總回風(fēng)量為10 298 m3/min，主通風(fēng)機的總排風(fēng)量為10 550 m3/min，外部漏風(fēng)率為2.39%，內(nèi)部漏風(fēng)率為5.5%。

1.2 通風(fēng)設(shè)備

主扇為2 臺ANN-3240/1800B 型防爆對旋軸流式通風(fēng)機，1 臺工作，1 臺備用。每臺通風(fēng)機選用1 臺型號為YKK800-6 的交流異步電動機，功率為3550 kW，電壓為10 kV，額定轉(zhuǎn)速為990 r/min，風(fēng)量約為12 000 m3/min，負壓約為600 Pa。

1.3 通風(fēng)路線

① 進風(fēng)立井→1040 北翼輔運大巷→2103 皮帶順槽檢修聯(lián)巷→一采區(qū)皮帶巷→2102 皮帶順槽→8102 工作面→5102 回風(fēng)順槽→一采區(qū)3#聯(lián)巷→一采區(qū)回風(fēng)巷→井底回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷→回風(fēng)立井→地面；

② 副斜井→一采區(qū)輔運巷→一采區(qū)輔皮聯(lián)巷（2102 皮帶順槽檢修聯(lián)巷）→2102 皮帶順槽→8102 工作面→5102 回風(fēng)順槽→一采區(qū)3#聯(lián)巷→一采區(qū)回風(fēng)巷→井底回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷→回風(fēng)立井→地面。

2 通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價指標(biāo)

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)的有效度

通風(fēng)系統(tǒng)的有效度是可靠性評價的關(guān)鍵指標(biāo)[4]，主要包括對系統(tǒng)、裝置以及元器件的有效度評價。瞬時有效度是指在一定的環(huán)境中，任意時間點上通風(fēng)機可以正常運轉(zhuǎn)的概率，穩(wěn)定有效度是指存在其對應(yīng)的極限值。

2.2 平均正常通風(fēng)時間以及失效時間

平均正常通風(fēng)時間是指通風(fēng)系統(tǒng)開始運行時到通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)失效問題所經(jīng)歷的時間長度平均值。平均通風(fēng)失效時間是指通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時到通風(fēng)系統(tǒng)恢復(fù)正常運行時所經(jīng)歷的時間長度平均值。

2.3 維修率以及故障率

可維修性是指在通風(fēng)系統(tǒng)不能正常運行時，針對通風(fēng)系統(tǒng)進行檢測發(fā)現(xiàn)故障問題并采取措施進行維修確保系統(tǒng)正常運行。通過分析數(shù)據(jù)，通風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的平均正常通風(fēng)時間和平均通風(fēng)失效時間在統(tǒng)計學(xué)上符合指數(shù)分布，其指數(shù)分別對應(yīng)故障率和維修率。

根據(jù)實際數(shù)據(jù)將礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性級別分為5 級[5]，見表1。

表1 可靠性級別

3 可靠性預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋控制網(wǎng)絡(luò)，一般包括輸入層、隱含層和輸出層。輸入信號從輸入層傳輸?shù)诫[含層再傳輸?shù)捷敵鰧樱恳粚拥纳窠?jīng)元狀態(tài)只影響下一層的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值的變化與誤差成正比，通過計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使誤差函數(shù)的斜率接近于目標(biāo)值。如果實際輸出與期望輸出存在一定的誤差，則誤差信號反向傳輸?shù)缴弦粚?，通過不斷修正神經(jīng)元的權(quán)值和閾值，向輸入層傳播計算結(jié)果，再正向傳輸?shù)捷敵鰧印０瓷鲜龇椒▽φ`差進行修正，使其達到期望的要求，多層網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)束。

3.1 總體架構(gòu)

根據(jù)礦井對通風(fēng)系統(tǒng)的實際需求，建立可靠性預(yù)測系統(tǒng)，主要包括可靠性預(yù)測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及通風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)3 部分，其總體架構(gòu)如圖1。

圖1 總體架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為可靠性預(yù)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為后續(xù)系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)主要是實時監(jiān)控通風(fēng)機的運行數(shù)據(jù)，并接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，確保通風(fēng)機的正常運行?？煽啃灶A(yù)測系統(tǒng)是通過上位機對數(shù)據(jù)進行分析計算，通過評價方法，提高子系統(tǒng)的計算能力。通過3 個子系統(tǒng)的相互配合和綜合分析，對通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進行及時處理，確保系統(tǒng)安全[6]。

3.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，主要架構(gòu)如圖2，主要包括各類傳感器設(shè)備和微處理器數(shù)據(jù)處理兩部分。

圖2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計

3.3 監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控子系統(tǒng)以PLC 為核心控制器，實現(xiàn)對各單元的監(jiān)測控制，在確保系統(tǒng)安全可靠的前提下，通過PLC 進行指令傳達和下發(fā)，實現(xiàn)對通風(fēng)機啟停、變頻等控制任務(wù)。主要架構(gòu)如圖3。

圖3 監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計

3.4 預(yù)測子系統(tǒng)設(shè)計

預(yù)測子系統(tǒng)主要采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使網(wǎng)絡(luò)的性能得以提高，同時實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化和更新。根據(jù)采集子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)以及監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測的通風(fēng)機運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，對數(shù)據(jù)進行綜合分析，經(jīng)PLC 自動控制系統(tǒng)和組態(tài)軟件之間的數(shù)據(jù)交換，對系統(tǒng)進行預(yù)測評估。

4 預(yù)測系統(tǒng)驗證

在Matlab 仿真軟件中搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，采用工具箱函數(shù)實現(xiàn)編程[7]。試驗共選取有代表性的25 組數(shù)據(jù)，其中15 組訓(xùn)練數(shù)據(jù)，5 組驗證數(shù)據(jù)，5 組檢驗系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)。

采用Matlab 中Newff 函數(shù)搭建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，得到如圖4 所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差曲線圖?？梢钥闯觯到y(tǒng)在經(jīng)過19 次訓(xùn)練后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達到最小收斂值，得出仿真模型預(yù)測值與真實值之間的對比見表2。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差曲線

表2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對通風(fēng)系統(tǒng)可靠性級別的預(yù)測值

從實驗數(shù)據(jù)中可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能反映通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性級別，通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性為3 級，系統(tǒng)比較可靠，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立預(yù)測系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

5 結(jié)論

（1）以大斗溝煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)為研究對象，研究通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，建立BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測系統(tǒng)可靠性的級別。

（2）通過Matlab 仿真，結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能反映通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性級別，通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性為3 級，系統(tǒng)比較可靠，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立預(yù)測系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。