礦井主通風機安全隱患預警智能決策系統研發

岳巧珍，龔曉燕

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

礦井主通風機正常運行是井下安全通風的重要保障[1]。目前，主通風機安全管理主要停留在實際運行參數監測和超限閾值報警，如李喆、張國棟[2-3]等人采用PLC技術開發的主通風機監控系統，雖然能監測流量、風壓、振動等參數，但無法判斷出故障類型、發生部位及原因，無法對主通風機實時監測數據進行挖據分析，及時判別出故障事件，并提供有效處理對策，使得主通風機運行存在很大安全隱患。煤安監涵(2016)目標任務中，煤礦主通風機監控系統升級改造技術方案是其重要組成部分，實現監測信息融合共享[4]、故障事件判別及智能決策支持[5-6]是目前亟待解決的煤礦設備升級改造技術難題。為此，在對主通風機安全隱患類型、發生原因、判斷預警準則、安全評價指標及處理對策分析基礎上，利用智能決策支持建立基于Web的主通風機安全隱患預警及處理智能決策系統技術方案，并開發系統軟件，以期為主通風機智能化和信息化管理平臺水平的提高提供技術支持和軟件工具。

1 安全隱患預警及處理對策

1.1 安全隱患類型及原因分析

主通風機長期處于高負荷運行的條件下，工作環境十分惡劣，導致其內部零件存在復雜且不確定性的安全隱患問題[7-8]。對全國各大煤礦主通風機實際運行信息及故障事件進行調研、收集及分析歸類，得到主通風機主要安全隱患類型有：機械故障、電氣故障、工況不合理性以及外界因素引起故障，其中機械故障占總故障的比例較大，易發生位置為葉輪、聯軸器以及葉片處；其次為電氣故障，導致產生的因素有電機過載、堵轉以及接地。對各類隱患類型之間邏輯關系進行分析，建立主通風機事故樹模型如圖1所示。

T-主通風機安全隱患；M1-機械故障；M2-電氣故障；M3-工況不合理性；M4-外界因素引起故障；M11-主軸故障；M12-軸承故障；M13-葉輪故障；M14-聯軸器故障；M15-風門絞車故障；M21-電機故障；M22-變頻器故障；M23-供電故障；X1-主軸不平衡故障；X2-主軸不對中故障；X3-主軸彎曲變形故障；X4-主軸斷裂故障；X5-軸承保持架故障；X6-軸承缺油故障；X7-軸承磨損；X8-軸承潤滑故障；X9-軸承滾珠故障；X10-葉片振動；X11-葉片斷裂；X12-葉輪連接栓失效；X13-葉輪與機殼相碰；X14-聯軸器與軸連接松動；X15-聯軸器內部零件失效；X16-聯軸器安裝不正；X17-風門限位失效；X18-風門開關不到位；X19-風門鋼絲繩斷裂；X20-風門絞車過卷；X21-電機過載故障；X22-電機堵轉故障；X23-電機接地故障；X24-電機相間短路故障；X25-電機缺相故障；X26-電機散熱故障；X27-變頻器保險燒壞；X28-變頻器過電流電壓故障；X29-突然斷電故障；X30-高壓跳閘故障；X31-經濟性低；X32-穩定性低；X33-喘振和旋轉失速；X41-基礎松動；X42-天氣原因引起風機故障；X43-人為操作故障

1.2 安全隱患預警及處理方法建立

安全隱患預警及處理對策：對主通風機實時在線監測參數、超限報警閾值和歷史故障事件進行收集歸類，分析每類安全隱患類型涉及的實時參數、預警臨界閾值、形成原因和機理、故障事件發生前的實時預警準則及有效處理對策，建立了安全隱患實時預警。同時，分析安全隱患存在時出現的各種征兆，人工判斷的預警準則，日常人工檢查的三級維護管理機制，建立安全隱患人工預警方法，并采用產生式規則對主通風機安全隱患預警及處理對策進行知識表達。

安全性評價預警及處理對策：隨時掌握主通風設備系統及各零部件安全程度，可以為主通風機安全管理提供理論依據。建立主通風機系統安全可靠度計算模型和安全評價預警指標體系、各零部件發生安全隱患比例計算模型及預警方法、運行穩定-經濟性綜合評價模型及預警方法，并根據系統和零部件不同安全等級，建立了相應的處理對策。

2 基于Web的系統總體框架

2.1 基于任務流機制的IDSS結構模型

系統主要功能模塊：在對主通風機安全隱患預警、安全評價預警及處理對策分析基礎上，確定了系統主要功能模塊為系統幫助模塊、實時預警及對策模塊、人工預警及對策模塊、安全評價及預警模塊和預警記錄及分析報告模塊。分析各功能模塊調用、知識推理及智能決策支持過程和任務流調用邏輯關系，建立了基于任務流調用機制的IDSS結構模型。

任務流控制機制：該機制為總體控制和具體子系統內部控制的雙任務流控制機制，利用這種控制機制可以調節各子系統以及各功能模塊和相應子功能之間的順序流程，從而有效地實現各功能。

智能決策支持：用戶進入主界面后需要先選擇想要實現的目標任務，然后根據任務流控制機制對不同功能模塊進行調用，通過基于智能決策支持的推理模型和決策知識庫進行知識推理和調用，從模型庫中選擇相應的預警及處理模型、安全評價預警等模型類，然后利用知識庫、數據庫等對最終的結果進行知識表達，實現安全隱患預警及處理時智能決策支持的目的。

2.2 基于Web的IDSS系統總體框架

通過對Web平臺和B/S結構模式特點[9]分析，建立了基于Web的系統總體信息框架，如圖2所示。該架構分為Web瀏覽器層、Web服務器層和Web信息庫層3部分，其中Web瀏覽器層包括礦領導PC端和移動端、技術主任和管理員PC端以及現場工作人員PC端。Web服務器層是系統核心部分，在該層集成所有實際運行中功能和邏輯判斷。Web信息庫層包括知識庫系統、模型庫系統及數據庫系統，主要存儲管理系統監測數據以及任務調用過程中的各種信息數據、案例庫、推理規則知識以及數據映射知識等信息資源。

圖2 基于Web的IDSS系統總體信息框架

3 系統需求分析及實現

3.1 系統需求分析及設計

系統用例：結合系統主要功能和煤礦不同用戶對系統的實際使用需求，從礦領導、技術主管、現場工作人員以及系統維護人員使用角度出發[10-11]，建立了如圖3所示的系統用例圖。

圖3 系統用例圖

用戶需求：①礦領導可以通過手機或PC端及時了解掌握主通風運行狀況、隱患預警及處理情況；當發生一級安全隱患時，移動端將以短信的形式快速便捷地把主通風機狀況傳達給礦領導，以便礦領導及時下達命令。②技術主管和系統維護人員都可進入系統各功能模塊，隨時查看主通風機運行狀況。技術主管與現場技術人員產生關聯，解決技術上的難題、提出技術革新方案和修訂煤礦制度條例。存在一級隱患時，立即將情況上報領導，上層領導根據主通風機實際運行狀況，給技術主管下達任務，技術主管將有效解決方案傳遞給現場工作人員進行隱患事件高效處理及銷警。系統維護人員負責系統正常運行及維護管理，隨時完善擴展系統，對系統進行升級等。③現場工作人員可以隨時查看主通風機實時運行狀況、預警準則及處理對策、煤礦規章制度條例等文件；下載和遞交人工日檢表、預警檢查表等文檔；完成人工日檢和預警、事故處理和銷警等工作。存在二級隱患時，及時上報技術主管，并確定解決方案及時處理事故。

3.2 系統實現

系統界面設計：根據以上系統總體信息框架和不同客戶使用需求，設計人工智能人機交互界面，主界面設計如圖4所示，該主界面主要被分為5個區域，即隱患預警及處理對策實時顯示區，安全隱患處理顯示區，系統安全評價指標、可靠度及預警顯示區，零部件隱患比例顯示區及功能模塊菜單欄。①隱患預警及處理對策實時顯示區，實時顯示主通風機當前運行狀況，當存在安全隱患時，會在相應部件位置處發出報警信號，點擊報警位置，可查看導致隱患發生的原因及處理對策；②安全隱患處理顯示區，顯示主通風機已存在安全隱患事件及處理信息，包含隱患發生的部件名稱、隱患類型、預警時間、銷警時間、處理方法及結果；③系統安全評價指標、可靠度及預警顯示區，以柱狀圖形式顯示某月或年的主通風機系統可靠度值以及安全狀況，并對穩定-經濟性綜合評價結果進行顯示；④零部件隱患比例顯示區，以餅狀圖的形式對主通風機零部件按月或年所發生的安全隱患比例進行直觀顯示，對隱患嚴重的零部件進行重點維護；⑤功能模塊菜單欄中包括：系統幫助、實時預警及處理對策、人工預警及處理對策、安全評價及預警、預警記錄及分析報告，點擊所需功能按鈕可實現系統各功能模塊間的跳轉操作。

圖4 系統主界面設計

信息庫系統設計：信息庫系統包含知識庫系統、模型庫系統、數據庫系統3個部分。知識庫系統包括預警及處理對策案例庫、文檔知識庫以及預警決策知識庫等；模型庫系統包括預警及處理對策模型庫、安全評價及預警模型庫以及設備維護管理模型庫等；數據庫系統包括實際運行參數數據、預警及處理、評價及預警等數據。案例庫結構見表2。

表2 安全隱患預警及處理對策案例庫

3.3 系統開發及應用

利用Java、SQL Server 2005對系統集成框架、運行界面、各功能模塊及信息庫系統進行了設計開發[14]。目前該系統已在南梁煤礦進行了實際安裝運行。列舉隱患預警及處理對策實際運行界面如圖5所示。圖5(a)為實時運行參數界面，實時動態顯示了參數變化及運行變化曲線；圖5(b)所示實時工況曲線界面，可實時掌握運行工況是否在安全性和經濟綜合的良好范圍內；圖5(c)所示實時預警及處理對策界面，當存在安全隱患時，進入實時預警及處理對策的界面，獲得隱患發生的原因及處理對策等信息。

圖5 南梁煤礦“隱患預警及處理對策”實際運行界面

4 結論

在分析確定主通風機安全隱患預警及處理對策、安全評價及預警理論分析方法基礎上，建立了基于任務流機制的IDSS結構模型及Web的系統總體信息框架；分析了各種不同用戶實際使用需求和活動模型，設計開發了軟件系統，并針對南梁煤礦實際情況，對軟件系統進行了二次開發和實際安裝測試應用，達到了預期效果。該系統可以及時發現主通風機實時運行時存在的安全隱患并進行預警，同時提供相應處理對策；在人工檢查中，如遇到技術問題，可以檢索安全隱患人工預警及處理對策案例庫，為人工日常管理檢查提供依據；根據系統及零部件安全狀況對應的柱狀和餅狀圖，用戶可實時掌握主通風機整體安全狀況及零部件關鍵隱患，以便采取有效處理措施，將隱患解決在萌芽狀態。