試論虛擬現實技術在煤礦機電設備管理中的應用

曹豪

陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司 陜西 神木 719300

引言

煤礦開采技術經歷了炮采、普采和綜采等階段，目前，綜合機械化采煤技術已廣泛應用于我國煤礦的開采。機械化開采率已經達到了95%以上，所采用的機電設備種類多、數量多，且長期處于復雜的環境中，日常運維管理難度大。對設備的精細化管理和系統運行態勢的把控變得越來越困難，主要面臨以下幾方面問題：一是系統研發廠家多，標準不統一，造成監控采集的數據多樣化，無法統一分析；二是現有的采集數據不完整，分析手段不完善；三是應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勢。因此，在煤礦在日常機電設備管理中運用虛擬現實技術具有重要的意義。

1 煤礦機電自動化與信息化改革的要求

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

2 虛擬現實技術在煤礦機電設備管理的應用

2.1 煤礦機電設備與信息化融合的實現形式

煤炭企業生產設備朝著大型化、集約化、自動化方向迅速發展，對生產設備的狀態監測、故障診斷、維修以及管理提出了越來越高的要求，傳統的設備檢修方式已難以適應現代煤炭企業安全生產的要求。為了提高生產設備的使用率，降低維護成本和檢修費用，需要對生產設備進行有效管理，虛擬現實技術就是一種有效的管理方法和手段。

應用虛擬現實技術的煤礦機電設備管理信息系統承載設備采購、倉儲、維護、維修等設備管理全業務環節的信息化，實現設備信息的物模型化，設備實時狀態采集、設備故障預警、設備維修記錄、設備安全評分等，具有完善的設備及其歷史信息跟蹤功能。利用科學的管理手段，全面實現物聯網的設備智能管理，將設備維修由現在的事后維修和定期預防性維修，實現設備生產維修、狀態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 機電設備模型的建立

機電設備模型采用層次結構方式建模，通過對通用設備對象結構化設計，建立統一的標準模型。在系統設備歸屬關系、網絡連接關系、應用承載關系等關系的基礎上，按照業務的依賴關系，擴展關聯模型，同時將設備運行涉及的軟、硬件資源進行關系化建模，更有效的用于設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，是利用計算機技術生成的一個逼真三維仿真模型，集成資產信息、環境信息、監控信息等各類信息數據的虛擬環境，用戶可以通過其自然技能直觀的了解與虛擬環境對應的實際環境的具體情況。三維仿真通常使用三維建模技術、立體合成顯示技術、交互技術、系統集成技術等技術來實現。端到端泛在可視化是可視化的更高階段，能夠實現物理到邏輯、資源到業務的端到端的可視化，并且針對泛在式物聯網，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、配置、關系、事件、指標、工單、甚至文檔等各類信息，將原本散落在各系統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。

設備的三維仿真還原機電設備模型，同時接入機電設備的生產運行數據，利用三維空間拓撲關系，還原機電設備各部件結構關系、運行聯動、數據再現等功能。采用層次結構方式建模，通過機電設備通用數據對象結構化設計，建立統一的模型標準。擴展關系模型，在系統設備歸屬關系、網絡連接關系、應用承載關系等關系的基礎上，擴展業務的依賴關系，將業務正常運行涉及的軟硬件資源進行關系化建模，更有效的用于二次系統的故障分析和問題定位[2]。

2.3 機電設備管理數據分析

信息采集是展示和數據分析的來源，采集的廣度和深度，直接決定對資源運行狀態判斷的精度，只有通過全面的數據采集，才能實現硬件、軟件、安全等運行狀況的監視，進而通過分析和全息化的展示，對機電設備整體業務運行趨勢進行精準把握。

在信息采集全面化、數據模型標準化的基礎上，建立能夠在設備、業務等不同維度，使用健康度算法等不同手段的智能分析中心。數據分析對底層的各類數據源進行采集，匯聚到大數據平臺。建設統一的數據分析平臺，包含統一集中監視、智能輔助分析、運行指揮管理、智能遠程運維、全息指標管控五個部分，以保證數據分析平臺具有系統性、實用性、高效性、可擴展性，有效的提升自動化運維管控能力。初期通過對數據及信息的計算進行簡單的自動分析工作，結合人工分析支撐日常工作，隨后逐步將知識和經驗固化為系統中的算法模型，并且通過機器學習的能力，進行較為復雜的智能分析。最終根據不同的運維場景，提供可視化的展示，實現對運行態勢的精準把控，達到提前發現隱患，防患于未然。

2.3.1 機電設備健康度分析。傳統情況下，運維人員需要手工調用報警相關的模塊的眾多采集指標和歷史數據進行比對分析。如果和業務相關的模塊及采集指標數量較多，將會耗費大量的人力和時間。日常生產中一旦產生故障，往往需要花費數個小時甚至數天的時間人工排査。而智能分析對于給定的設備及設備所依賴的各模塊和采集指標的監控數據匯總，在設備出現故障時從上述數據中自動快速進行故障定位。通過對比監控數據在業務故障時間點前后和歷史上同期時間點的表現，并對這些表現進行聚類和排序分析來集中呈現。結合設備日常運行、維護、維修等資料在設備故障發生時可自動檢索相關資料，提高設備檢修和運維能力。

2.3.2 機電設備故障預警預測分析。設備的健康準則是指設備的各類組件都是健康的，并且其自身之間采集的指標在設定的限值范圍內，并且其所依賴設備也是健康的。基于歷史數據預測被監視機電設備的趨勢和可能的故障點，根據各設備相關關鍵指標和系統通過訓練的故障模型，通過對運維故障經驗的總結，提出基于場景的預警預測方案，自動預測未來設備劣化趨勢的情況，以便提前通知運維進行處理。

2.3.3 業務關聯分析。每臺設備都有其依賴的關聯業務，這些業務包括軟件模塊和硬件設施等資源。當業務依賴的設備發生故障時，該業務可能受到影響。通過構建設備對業務的依賴關系、業務對生產的依賴關系、業務對安全的依賴關系、生產對設備的依賴關系、生產對銷售的依賴關系等多重依賴關系，并且預設設備、業務、生產、安全、銷售等健康模型準則，對設備故障及其關聯關系進行分析。從發生故障的業務開始分析，依據業務關系模型和網絡拓撲關系模型，查找該業務關聯的所有對象（包括：其他設備、設備組件、軟件、環境等），根據所有關聯對象進一步搜索對象的運行狀態、告警事件信息，形成故障發生前后的時間序列運行事件數據信息集合，便于全方位分析故障業務的影響范圍。

2.3.4 智能多維分析。隨著設備和運維技術的發展，衍生出新的智能分析手段，對機電設備運行管理產生的大數據分析進行嘗試，它能夠實現“故障根原分析及預測”，它通過自動化的手段，基于異常事件觸發，監視采集到的多個維度的數據進行鉆取、關聯，極大簡化多維數據分析過程，減少投入的人力成本，提高分析效率。

2.4 虛擬現實技術的應用

通過前面的設備建模、基礎信息和運行數據的采集、故障數據的分析，運用虛擬現實技術，將采集的數據和數據分析結果，利用數據可視化技術，進行數據的展示，同時運用虛擬現實技術，采用AR/VR等終端技術，進行設備信息的全息展示。集成資產信息、環境信息、監控信息等各類信息數據的虛擬現實，用戶可以直觀的了解與虛擬環境對應的實際環境的具體情況。端到端泛在可視化是可視化的更高階段，能夠實現物理到邏輯、資源到業務的端到端的可視化，集成端到端的資產、配置、關系、事件、指標、工單、甚至文檔等各類信息，將原本散落在各系統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。

在設備故障維修和日常運維過程中，利用虛擬現實技術可以結合實景，采用信息疊加、圖層疊加等方式，直觀的提供設備的當前實時運行數據，構建起實際設備與虛擬數據之間的關聯，建立運維保障的數據支撐。同時在故障維修過程中可結合設備分解模型、故障排查邏輯、維修指引等功能，逐步引導維修人員進行設備故障點的排查和維修。

2.5 機電設備管理體系

通過虛擬現實技術，提高公司設備資產管理的集成度，提升員工業務能力，優化公司業務流程，以適應企業快速發展和變革的需要。滿足日常設備管理業務的各項功能要求，實現設備管理的科學化、扁平化、信息集成化及業務的基本統一，做到相關業務數據完整、準確、及時、安全、可靠；

其次，以設備狀態監控、設備故障預警、設備維修管理、成本控制等相關控制為核心，實現業務流程的合理控制，加強企業設備業務的監控職能，降低成本，逐步強化集約管理，提高整個企業的設備管理水平；

再次，采用虛擬現實技術，將技術人員的經驗進行固化和流程化，降低設備運維和故障維修的經驗依賴性，采用標準化的作業流程，降低操作技術難度，提升運維和故障維修的效果。

在上述基礎上，以設備安全管理為業務主線，逐步貫穿統一企業的各種業務數據，利用系統建立各管理層面決策所需的分析依據和決策評價體系、評價指標，為相關業務決策提供數據支持，并逐步實現決策支持，最終增強企業的核心競爭力[3]。

3 結束語

總而言之，虛擬現實技術提出煤礦機電設備管理的新思路，準確地把握每臺設備的運行狀態和變化趨勢，及時發現設備故障和存在的安全隱患，在多個維度集中分析設備的運行數據，實現設備運維和故障維修的標準化、網絡化、規范化，進而實現機電設備的綜合管理。很好促進機電設備管理的快速發展，通過提高設備的工作效率，進而提升煤礦安全生產效率，保障煤礦安全生產，促進我國煤礦生產可持續發展。