露天礦用卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)

楊福卿，趙理想，楊玉坤，陸 翔，周 偉，才慶祥

（1.昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650011；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

中國(guó)近水平大型露天煤礦主要開(kāi)采工藝多為單斗-卡車工藝，其中重型卡車運(yùn)輸事故是露天礦主要事故之一，60%的事故是由于重型卡車的機(jī)械問(wèn)題所導(dǎo)致的[1]。其中由輪胎問(wèn)題所導(dǎo)致的露天礦運(yùn)輸生產(chǎn)事故較多，并且事故較為嚴(yán)重，影響范圍較廣。由此可見(jiàn)，卡車運(yùn)輸安全是露天煤礦開(kāi)采安全保障的重要環(huán)節(jié)之一。輪胎安全運(yùn)行與節(jié)約成本，保證安全生產(chǎn)密切相關(guān)[2]。目前露天礦對(duì)輪胎壓力監(jiān)測(cè)的方式是定時(shí)、定期人工測(cè)量，或依據(jù)經(jīng)驗(yàn)觀測(cè)輪胎的變形情況，感性確定輪胎壓力是否符合標(biāo)準(zhǔn)[3]。這些檢測(cè)方法需要定期的將車輛行駛至維修廠進(jìn)行檢測(cè)，不利于生產(chǎn)成本的節(jié)約。同時(shí)，輪胎的壓力是動(dòng)態(tài)變化的，隨著負(fù)載量、行駛速度、連續(xù)工作時(shí)間、氣候、輪胎溫度的變化而變化[4]。露天礦車輛運(yùn)行時(shí)間一般較長(zhǎng)，由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，輪胎溫度升高時(shí)，胎內(nèi)氣壓會(huì)產(chǎn)生一定變化，胎內(nèi)壓力升高，胎溫會(huì)越來(lái)越高，達(dá)到一定溫度時(shí)就會(huì)有爆胎的危險(xiǎn)[5]。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)雖可監(jiān)測(cè)輪胎壓力、溫度，并可同時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎物理?yè)p壞情況，但僅僅依靠人工表面檢查并不足以確保輪胎始終運(yùn)行在最佳運(yùn)行狀態(tài)下[6]。針對(duì)現(xiàn)有露天礦用卡車輪胎監(jiān)控問(wèn)題，開(kāi)發(fā)1 套輪胎管理和監(jiān)控的自動(dòng)化軟硬件設(shè)備，該套設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)“溫度、壓力、加速度、速度和位置”等信息的實(shí)時(shí)采集，并在后臺(tái)通過(guò)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行露天礦用卡車輪胎安全實(shí)時(shí)預(yù)警，達(dá)到對(duì)露天礦礦用卡車輪胎的全面監(jiān)控和預(yù)警，減少因輪胎所導(dǎo)致的生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)硬件和軟件

1.1 硬件構(gòu)架與功能

露天礦卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示和存儲(chǔ)輪胎工作參數(shù)，并能對(duì)危險(xiǎn)情況進(jìn)行報(bào)警，以減少露天礦由于輪胎原因所導(dǎo)致的成本和事故。系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)輪胎狀態(tài)信息；將輪胎狀態(tài)信息顯示給駕駛員和中心管理員；具有報(bào)警功能。系統(tǒng)硬件構(gòu)架如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)架

系統(tǒng)包含車載端、數(shù)據(jù)中心、固定應(yīng)用端和移動(dòng)應(yīng)用端4 個(gè)部分。所有采集數(shù)據(jù)來(lái)自車載端，車輛與地面通信需要采用無(wú)線信息傳播的方式，通過(guò)無(wú)線傳播將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過(guò)有線傳播的方式將數(shù)據(jù)傳播至數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)為整個(gè)企業(yè)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，所以數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)是共用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)在存儲(chǔ)輪胎實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同時(shí)將該數(shù)據(jù)通過(guò)有線傳輸?shù)姆绞綄⑿畔鬏斨凉潭☉?yīng)用終端，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸至移動(dòng)應(yīng)用終端，分別在固定終端和移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和顯示。

1.2 車載設(shè)備布設(shè)

車載端包含數(shù)據(jù)采集和上傳功能的同時(shí)需要將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的顯示給駕駛員。由于每個(gè)輪胎狀態(tài)不同，并且重型卡車輪胎結(jié)構(gòu)有別于普通汽車，沒(méi)有輪胎內(nèi)胎，采取密閉充氣的方式保持輪胎彈性，因此需要對(duì)每一個(gè)輪胎分別檢測(cè)。系統(tǒng)中采用集溫度和壓力一體化的檢測(cè)設(shè)備，為保證信號(hào)穩(wěn)定傳輸，設(shè)置車載新詞處理單元，通過(guò)車載的信息采集處理單元與輪胎內(nèi)檢測(cè)設(shè)備無(wú)線通訊，實(shí)時(shí)收集每個(gè)輪胎信息。車載智能終端與信息采集處理單元有線通信，將信息通過(guò)無(wú)線通信傳輸至數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的同時(shí)將信息顯示在顯示器上。車載端設(shè)備設(shè)置如圖2。

圖2 車載端設(shè)備設(shè)置

1.3 系統(tǒng)軟件

露天礦用卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)具有5 個(gè)模塊，分別是用戶管理、車載設(shè)備、輪胎工況、預(yù)警分析和車輛工況。用戶管理模塊主要是對(duì)登錄系統(tǒng)的用戶進(jìn)行分類及管理；車載設(shè)備模塊主要進(jìn)行車載設(shè)備的登記及管理；輪胎工況模塊根據(jù)采集胎溫、胎壓等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析；預(yù)警分析模塊根據(jù)實(shí)時(shí)采集的胎溫、胎壓信息進(jìn)行安全狀態(tài)預(yù)警；車輛工況模塊集車輛軌跡、報(bào)警統(tǒng)計(jì)及情況展示等功能。

幾個(gè)模塊集成于系統(tǒng)管理中心，并與數(shù)據(jù)庫(kù)相連，數(shù)據(jù)庫(kù)包含數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)督和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等幾個(gè)部分，通過(guò)幾個(gè)部分對(duì)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。系統(tǒng)管理中心同時(shí)與應(yīng)用端相連，為應(yīng)用端提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。露天礦用卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用端有車載端、固定應(yīng)用端和移動(dòng)應(yīng)用端3 個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。其中車載端和移動(dòng)端應(yīng)用是以信息顯示為主，固定端直接集成于系統(tǒng)管理中心。

2 預(yù)警流程和預(yù)警方法及預(yù)警效果

露天礦輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的是實(shí)時(shí)掌握輪胎的狀態(tài)，防止由于輪胎問(wèn)題所導(dǎo)致的生產(chǎn)事故。因此，露天礦用卡車輪胎安全狀態(tài)預(yù)警是該系統(tǒng)的重要功能，該預(yù)警功能主要集成于管理中心，管理中心通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換對(duì)采集到的輪胎信息進(jìn)行安全預(yù)警分析，并將預(yù)警結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行記錄，然后再將預(yù)警信息傳輸至車載端和移動(dòng)端。

輪胎狀態(tài)的預(yù)警主要分為2 個(gè)部分，一部分直接根據(jù)系統(tǒng)給出的缺省值判定輪胎壓力或溫度是否存在危險(xiǎn)。另一部分的報(bào)警是根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行的，但是對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的報(bào)警表示已經(jīng)發(fā)生了危險(xiǎn)情況，發(fā)生危險(xiǎn)情況在采取措施會(huì)導(dǎo)致無(wú)法避免部分事故的發(fā)生。系統(tǒng)在給定預(yù)警值判斷的基礎(chǔ)上，基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了基于壓力、溫度及其變化速率的輪胎安全狀態(tài)預(yù)警方法。系統(tǒng)報(bào)警缺省值見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)報(bào)警缺省值

輪胎危險(xiǎn)的發(fā)生主要是爆胎和燃燒，與車輛輪胎的溫和胎壓有直接關(guān)系。除此之外，車輛輪胎的胎溫和胎壓的變化率對(duì)車輛輪胎的危險(xiǎn)也具有一定的相關(guān)性。及時(shí)胎溫和胎壓較低，但是太溫和胎壓變化率維持較高水平則可能輪胎發(fā)生扎胎等危險(xiǎn)情況。因此將胎溫、胎壓以及胎溫變化率和胎壓變化率作為輪胎安全預(yù)警的輸入數(shù)據(jù)。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中模型的一個(gè)重要類別，適用于具有依賴性而且是順序模式的輸入數(shù)據(jù)，可以很好的處理時(shí)間序列、信息性字符串等數(shù)據(jù)。這主要是由于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)中傳遞矩陣會(huì)受到上一時(shí)刻傳遞矩陣的影響，因此循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)間維度變化的預(yù)測(cè)問(wèn)題較為靈敏[7-8]，輪胎壓力、溫度以及胎溫、胎壓變化率都是隨時(shí)間變化的，而且具有時(shí)間序列上的連續(xù)性。因此，設(shè)計(jì)了1 種基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輪胎運(yùn)行狀態(tài)安全判定模型。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3。

由圖3 可見(jiàn)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)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)鍵一點(diǎn)是，Ot的值不僅僅取決于St，還取決于St-1，計(jì)算方法：

圖3 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

式中：U 為輸入矩陣；V 為輸出矩陣；W 為傳遞矩陣；g、f 為激活函數(shù)。

隱藏層節(jié)點(diǎn)St的取值采用Xavier 初始值，具體形式為：

式中：n 為隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)。

g 為激活函數(shù)，具體形式為：

f 為激活函數(shù)，（fx）具體形式為：

卡車輪胎安全預(yù)警的參數(shù)主要有輪胎的溫度、壓力、溫度變化速率和壓力變化速率4 個(gè)輸入值，輸出值為輪胎安全性。卡車輪胎預(yù)警神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖4。

圖4 卡車輪胎預(yù)警神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

其中：X1為溫度，℃；X2為溫度變化速度，t/s；X3為壓力，Pa；x4為壓力變化速度，Pa/s。Ot為安全性，為離散值，取值為1、2、3，設(shè)置安全性有3 個(gè)等級(jí)分別是無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，危險(xiǎn)提醒，危險(xiǎn)報(bào)警，3 個(gè)級(jí)別。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為4，A1、A2、A3、A4為隱含層節(jié)點(diǎn)。

在預(yù)警模塊中構(gòu)建基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輪胎安全狀態(tài)預(yù)警模型。通過(guò)采集到的1 000 組歷史數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行訓(xùn)練，其中后200 組數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。預(yù)警模型結(jié)果與真實(shí)值對(duì)比如圖5。在圖5 中：深色點(diǎn)是真實(shí)的判斷結(jié)果，淺色點(diǎn)表示判斷錯(cuò)的點(diǎn)。200 組數(shù)據(jù)共有19 組數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，準(zhǔn)確率91%，具有較好的預(yù)測(cè)能力。

圖5 預(yù)警模型結(jié)果與真實(shí)值對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)露天礦用卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了露天礦用卡車輪胎的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且實(shí)現(xiàn)了通過(guò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)輪胎狀況的預(yù)警，使露天礦卡車工作更加安全。采用卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控車輛輪胎的狀態(tài)，并將該數(shù)據(jù)傳送至駕駛員處。在指導(dǎo)駕駛員安全行駛的同時(shí)可以通過(guò)預(yù)測(cè)方法對(duì)車輛輪胎的安全進(jìn)行預(yù)警。卡車輪胎監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)卡車輪胎狀態(tài)高效、實(shí)時(shí)的監(jiān)控，同時(shí)節(jié)省大量的車輛檢查時(shí)間進(jìn)而提高了設(shè)備的利用率，并且輪胎安全預(yù)警模塊可有效減少輪胎危險(xiǎn)狀態(tài)的發(fā)生，進(jìn)而減少由于輪胎所導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，為露天礦安全生產(chǎn)提供有力保障。