基于大數(shù)據(jù)的礦山機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用體現(xiàn)

摘要：在數(shù)字時(shí)代的浪潮中，礦山工作已逐漸變得機(jī)械化。機(jī)電管理已經(jīng)躍升為礦山開發(fā)建設(shè)的核心任務(wù)。在如此復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中，如何利用機(jī)電設(shè)備保障礦工們的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全，已成為各大礦山企業(yè)研究的焦點(diǎn)問題。鑒于礦山機(jī)電設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)尚處于起步階段，為充分發(fā)揮智能監(jiān)控系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢，有必要對其基礎(chǔ)理論和相關(guān)應(yīng)用技術(shù)展開進(jìn)一步探索及分析?；诖?，本文將對現(xiàn)代礦山智能監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡要闡述，并對系統(tǒng)的基本構(gòu)成和特性加以分析。通過對比智能監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)之間的差異，提出基于大數(shù)據(jù)的礦山機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用策略，為礦山開采生產(chǎn)管理提供堅(jiān)實(shí)支持。

關(guān)鍵詞：機(jī)電設(shè)備；設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)；大數(shù)據(jù)；技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號：F2"文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.01.010

隨著科技的不斷進(jìn)步，礦山開采相關(guān)的機(jī)器設(shè)備不斷更新?lián)Q代，以適應(yīng)日益復(fù)雜的需求。在這樣一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的領(lǐng)域，現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備的引入為工作提供了強(qiáng)大的支持。雖然國外先進(jìn)技術(shù)設(shè)備在一定程度上提升了工作效率，但它們并不能完全適應(yīng)我國礦山企業(yè)的實(shí)際需求。因此，如何結(jié)合我國實(shí)際情況研發(fā)和制造相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備成為了礦山行業(yè)亟待解決的難題。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建礦山機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)，有望在根本層面上提升機(jī)電設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

1"發(fā)展現(xiàn)狀分析

隨著我國礦山行業(yè)的快速發(fā)展，礦山機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用顯得愈發(fā)重要。然而，該系統(tǒng)在我國的使用效率仍需持續(xù)提升。已有研究表明，現(xiàn)有的礦山機(jī)電設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)或多或少都存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，制約著礦山的安全生產(chǎn)和正常運(yùn)行。自20世紀(jì)80年代末期以來，我國便開始了在礦山機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域的研究與探索。一方面，我們積極學(xué)習(xí)并借鑒了國外專家學(xué)者的成功經(jīng)驗(yàn)；另一方面，我們結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況，開展了一系列具有針對性的研究工作。將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到智能監(jiān)控系統(tǒng)中，能為系統(tǒng)提供更強(qiáng)大的技術(shù)支持，不僅確保了系統(tǒng)的多功能性和可擴(kuò)展性，還實(shí)現(xiàn)了成本的有效控制以及數(shù)據(jù)分析性能的顯著提升。盡管無人化操作已經(jīng)應(yīng)用于礦山行業(yè)的機(jī)電設(shè)備，整體運(yùn)行效率有所提高，但內(nèi)部設(shè)備之間仍然存在信息流通不暢等問題。這不僅制約了效率的進(jìn)一步提升，而且存在誘發(fā)安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，當(dāng)下迫切需要運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，深入研究并開發(fā)以大數(shù)據(jù)為核心的礦山機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)。

Chen等設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)煤礦機(jī)電設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括礦側(cè)監(jiān)測子系統(tǒng)、礦側(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、局側(cè)數(shù)據(jù)分析與存儲模塊和煤礦機(jī)電設(shè)備監(jiān)管平臺四個(gè)部分。實(shí)現(xiàn)了煤礦通風(fēng)機(jī)、排水泵、空壓機(jī)、提升機(jī)等主要機(jī)電設(shè)備的在線監(jiān)測和設(shè)備故障分析。Meng利用Maya對礦山大型設(shè)備進(jìn)行建模，通過VS編程，在Unity中進(jìn)行交互控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的虛擬裝配與維護(hù)以及采煤工作面的虛擬仿真漫游功能。試驗(yàn)表明，該仿真系統(tǒng)的訓(xùn)練和使用有效提高了設(shè)備的實(shí)際裝配和維護(hù)能力，同時(shí)降低了成本，具有顯著的實(shí)際應(yīng)用效果。Zhou針對當(dāng)前煤礦機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)日益復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯和功能需求，提出了一種設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。Qing等基于ASP".NET技術(shù)，以C"#為開發(fā)語言，Oracle10g數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域、跨省多部門信息的在線管理、信息共享和報(bào)表處理，提高了煤礦企業(yè)機(jī)電設(shè)備管理效率，降低了管理成本。Liu等基于千兆以太網(wǎng)通道通信，構(gòu)建了18個(gè)生產(chǎn)礦井和大部分礦井的機(jī)電管理平臺。實(shí)現(xiàn)了機(jī)電管理運(yùn)行信息的充分共享和協(xié)同交流，便于領(lǐng)導(dǎo)、單位和部門進(jìn)行信息交流、查詢和服務(wù)。Yang等分析了邊緣計(jì)算對數(shù)據(jù)安全和非煤礦山安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)智能分析的技術(shù)需求，提出了非煤礦山安全風(fēng)險(xiǎn)的邊緣計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集匯總、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、視頻智能分析、數(shù)據(jù)安全管控等功能。Jerzy等提出了一種基于人機(jī)交互（"HCI"）的系統(tǒng)，使用濃度水平測量功能來增加機(jī)器和設(shè)備操作人員的安全性。Ray等提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)（"Internet"of"Things，"IoT"）的智能地下礦山開挖現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對危險(xiǎn)的氣體濃度水平或不舒適的溫度和濕度值進(jìn)行預(yù)警，從而確保安全的工作環(huán)境。

2"基于大數(shù)據(jù)的礦山機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)分析

礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)承擔(dān)著監(jiān)測礦山環(huán)境、保障安全生產(chǎn)的重要職責(zé)，該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器、傳輸線路等部分組成。計(jì)算機(jī)和總線技術(shù)在近年來應(yīng)用廣泛，不僅推動(dòng)了設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展，還顯著提升了其應(yīng)用性能，為我國礦山安全生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)屏障。目前，市場上的智能監(jiān)控系統(tǒng)主要呈現(xiàn)兩種主流形式。

第一種形式是基于公共線加分站的智能監(jiān)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)位于地面，是中心站核心，通過公共線與井下分站連接，分站經(jīng)由專用電纜與傳感器緊密關(guān)聯(lián)，整體線路的設(shè)計(jì)具有一定的復(fù)雜性。該系統(tǒng)能夠滿足當(dāng)前礦山行業(yè)的基本監(jiān)管需求，但在實(shí)際應(yīng)用中的操作復(fù)雜度較高，對后續(xù)的維護(hù)管理工作帶來了一定的挑戰(zhàn)。

第二種形式是基于總線的智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)同樣將計(jì)算機(jī)看作地面主機(jī)核心，所有傳感器都通過總線結(jié)構(gòu)按照一定的規(guī)律鋪設(shè)連接，并且具有根據(jù)主線進(jìn)行靈活擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，安裝與維護(hù)較為方便。但該系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣存在局限性。盡管系統(tǒng)中的傳感器集中布置，但在實(shí)際操作中，其對機(jī)電設(shè)備的集中控制與管理能力卻顯得不足，需要根據(jù)機(jī)電設(shè)備的安裝情況設(shè)置一系列分站，以確保能夠全面監(jiān)控和管理。

3"案例分析

3.1"基于大數(shù)據(jù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1"硬件設(shè)計(jì)

大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用對提升系統(tǒng)運(yùn)行效率和監(jiān)控質(zhì)量具有重要意義。為了確保內(nèi)部系統(tǒng)監(jiān)控工作的有序進(jìn)行，選取了中央處理器、無線傳感器、巷道讀卡器等設(shè)備作為基礎(chǔ)配置。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的運(yùn)用，數(shù)據(jù)處理和傳輸效率得到了顯著提升，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。同時(shí)，結(jié)合過往經(jīng)驗(yàn)對硬件設(shè)備的位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可以更好地發(fā)揮其在工作中的性能優(yōu)勢。

在中央處理器的選擇上，選用了LY公司的Atmeler中央處理器，既融合了PIC的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備出色的外部接口拓展性。該處理器在接收無線傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，能夠與其他硬件設(shè)備的串行外圍接口實(shí)現(xiàn)高效配合，確保數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性和快速性。同時(shí)，采用了高效的單周期模式，支持多種電源接口和IO口，為數(shù)據(jù)處理提供了便利。此外，在監(jiān)測讀卡器的選擇中，穩(wěn)定性和觸電能力是兩個(gè)關(guān)鍵要素。經(jīng)過綜合考量，Neasd讀卡器內(nèi)置的NY2012芯片在待機(jī)時(shí)長和數(shù)據(jù)讀取上符合技術(shù)要求。

常見故障類型包括電氣故障和機(jī)械故障，對礦山機(jī)電設(shè)備故障的深入分析和研究，可以更好地了解故障的原因，從而采取針對性的預(yù)防和應(yīng)對措施。為了有效應(yīng)對這些故障，可以根據(jù)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行特征，安裝適宜的無線傳感器，甚至可以對無線傳感器進(jìn)行一對一的設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如表1所示。這樣就可以在故障發(fā)生初期就及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，從而避免故障的擴(kuò)大化，提高設(shè)備的運(yùn)行效率。

3.1.2"軟件設(shè)計(jì)

為了充分發(fā)揮礦山機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)除了要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)外，還要考慮軟件的配置，以實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)分析和智能監(jiān)控。在這個(gè)信息爆炸的時(shí)代，運(yùn)用大數(shù)據(jù)和信息融合技術(shù)已成為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。這不僅提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析能力，增強(qiáng)了決策的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)也有助于部門員工更迅速地發(fā)現(xiàn)潛在問題，并采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施，從而最大程度地降低故障的影響范圍和危險(xiǎn)程度，有助于提升整體的工作效率和安全性。無線傳感器和讀卡器承擔(dān)著監(jiān)測和發(fā)送設(shè)備數(shù)據(jù)的任務(wù)，中央處理器在接收到數(shù)據(jù)后再利用大數(shù)據(jù)和信息融合技術(shù)進(jìn)行高效處理。

3.2"實(shí)驗(yàn)研究

利用云計(jì)算技術(shù)算法整合相關(guān)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析，并明確系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，得到的礦山開采生產(chǎn)期間的機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)計(jì)算公式如公式（1）所示：

R（G）=Pe（G×e）+qR（G÷e）（1）

式中，R代表機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)，在計(jì)算分析中如果R≥0，表示礦山機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)；如果R＜0，表示設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)異常。Pe指標(biāo)表示機(jī)電設(shè)備工作異常的概率，qR表示設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的概率。G為設(shè)備在正常運(yùn)行下的具體參數(shù)；e為實(shí)際運(yùn)行參數(shù)。

根據(jù)最終的測試結(jié)果，沒有應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的系統(tǒng)1在五組測試中的運(yùn)行精準(zhǔn)度分別為：第一組81.36%，第二組84.65%，第三組84.16%，第四組79.54%，第五組80.12%。而應(yīng)用了大數(shù)據(jù)技術(shù)的系統(tǒng)2的五組測試結(jié)果分別為：第一組95.68%，第二組97.41%，第三組94.85%，第四組97.69%，第五組98.88%。系統(tǒng)2五組的測試結(jié)果在90%以上，與系統(tǒng)1均低于90%的數(shù)據(jù)相比可以看出，智能監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)后分析精準(zhǔn)度出現(xiàn)明顯提高，監(jiān)控成效顯著提升。因此，礦山企業(yè)應(yīng)審時(shí)度勢，抓住發(fā)展機(jī)遇，不斷推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，針對其生產(chǎn)狀況和規(guī)模，合理配置相關(guān)軟硬件設(shè)施，優(yōu)化整合礦山機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和質(zhì)量。

3.3"應(yīng)用措施

在礦山這一特殊領(lǐng)域中，機(jī)電設(shè)備的安全與穩(wěn)定性至關(guān)重要，直接關(guān)聯(lián)到企業(yè)的運(yùn)營與發(fā)展。鑒于此，巡回檢查工作的重要性不容忽視?？紤]到地質(zhì)與水文環(huán)境的獨(dú)特性，智能監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用成為解決機(jī)電設(shè)備安全故障問題的有效途徑。此系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求制定定期或不定期的巡檢制度。定期巡檢需實(shí)時(shí)展開，而非常規(guī)的巡檢則應(yīng)聚焦于關(guān)鍵點(diǎn)與難點(diǎn)，巡檢完成后，其結(jié)果將錄入信息數(shù)據(jù)庫。工作人員通過對數(shù)據(jù)庫記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來判斷礦山機(jī)電設(shè)備的工作狀況，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)并采取預(yù)防措施，防止因設(shè)備故障引發(fā)的生產(chǎn)事故。

此外，為確保智能監(jiān)控系統(tǒng)的有效運(yùn)行，有必要設(shè)立專人負(fù)責(zé)制度。智能監(jiān)控系統(tǒng)包括地面監(jiān)控總站和井下分站兩部分，系統(tǒng)的安裝監(jiān)理工作具有一定的特殊性，管理人員需根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加以設(shè)計(jì)。由于井下分站工作人員與地面的信息傳遞存在延遲現(xiàn)象，無法及時(shí)傳遞機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)，因此需要建立負(fù)責(zé)機(jī)制，要求負(fù)責(zé)人需定期向總站匯報(bào)信息，一旦發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時(shí)處置，并追究相關(guān)責(zé)任人的責(zé)任，從而避免責(zé)任推諉。

4"結(jié)束語

當(dāng)前我國礦山機(jī)電設(shè)備管理工作正在向智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型，大數(shù)據(jù)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，特別是在優(yōu)化設(shè)計(jì)礦山機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)方面發(fā)揮著重要作用。研究表明，通過將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于智能監(jiān)控系統(tǒng)可以提高設(shè)備的自動(dòng)化管理水平，減輕工作人員的壓力，解決了傳統(tǒng)礦山企業(yè)在管理運(yùn)行過程中面臨的一系列問題。此外，企業(yè)應(yīng)不斷優(yōu)化專業(yè)技術(shù)人才培訓(xùn)體系，提升培養(yǎng)質(zhì)量，助力實(shí)現(xiàn)更高效、安全和可持續(xù)的礦山運(yùn)營。

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