矿井主通风机安全隐患预警智能决策系统研发

岳巧珍，龚晓燕

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

矿井主通风机正常运行是井下安全通风的重要保障[1]。目前，主通风机安全管理主要停留在实际运行参数监测和超限阈值报警，如李喆、张国栋[2-3]等人采用PLC技术开发的主通风机监控系统，虽然能监测流量、风压、振动等参数，但无法判断出故障类型、发生部位及原因，无法对主通风机实时监测数据进行挖据分析，及时判别出故障事件，并提供有效处理对策，使得主通风机运行存在很大安全隐患。煤安监涵(2016)目标任务中，煤矿主通风机监控系统升级改造技术方案是其重要组成部分，实现监测信息融合共享[4]、故障事件判别及智能决策支持[5-6]是目前亟待解决的煤矿设备升级改造技术难题。为此，在对主通风机安全隐患类型、发生原因、判断预警准则、安全评价指标及处理对策分析基础上，利用智能决策支持建立基于Web的主通风机安全隐患预警及处理智能决策系统技术方案，并开发系统软件，以期为主通风机智能化和信息化管理平台水平的提高提供技术支持和软件工具。

1 安全隐患预警及处理对策

1.1 安全隐患类型及原因分析

主通风机长期处于高负荷运行的条件下，工作环境十分恶劣，导致其内部零件存在复杂且不确定性的安全隐患问题[7-8]。对全国各大煤矿主通风机实际运行信息及故障事件进行调研、收集及分析归类，得到主通风机主要安全隐患类型有：机械故障、电气故障、工况不合理性以及外界因素引起故障，其中机械故障占总故障的比例较大，易发生位置为叶轮、联轴器以及叶片处；其次为电气故障，导致产生的因素有电机过载、堵转以及接地。对各类隐患类型之间逻辑关系进行分析，建立主通风机事故树模型如图1所示。

T-主通风机安全隐患；M1-机械故障；M2-电气故障；M3-工况不合理性；M4-外界因素引起故障；M11-主轴故障；M12-轴承故障；M13-叶轮故障；M14-联轴器故障；M15-风门绞车故障；M21-电机故障；M22-变频器故障；M23-供电故障；X1-主轴不平衡故障；X2-主轴不对中故障；X3-主轴弯曲变形故障；X4-主轴断裂故障；X5-轴承保持架故障；X6-轴承缺油故障；X7-轴承磨损；X8-轴承润滑故障；X9-轴承滚珠故障；X10-叶片振动；X11-叶片断裂；X12-叶轮连接栓失效；X13-叶轮与机壳相碰；X14-联轴器与轴连接松动；X15-联轴器内部零件失效；X16-联轴器安装不正；X17-风门限位失效；X18-风门开关不到位；X19-风门钢丝绳断裂；X20-风门绞车过卷；X21-电机过载故障；X22-电机堵转故障；X23-电机接地故障；X24-电机相间短路故障；X25-电机缺相故障；X26-电机散热故障；X27-变频器保险烧坏；X28-变频器过电流电压故障；X29-突然断电故障；X30-高压跳闸故障；X31-经济性低；X32-稳定性低；X33-喘振和旋转失速；X41-基础松动；X42-天气原因引起风机故障；X43-人为操作故障

1.2 安全隐患预警及处理方法建立

安全隐患预警及处理对策：对主通风机实时在线监测参数、超限报警阈值和历史故障事件进行收集归类，分析每类安全隐患类型涉及的实时参数、预警临界阈值、形成原因和机理、故障事件发生前的实时预警准则及有效处理对策，建立了安全隐患实时预警。同时，分析安全隐患存在时出现的各种征兆，人工判断的预警准则，日常人工检查的三级维护管理机制，建立安全隐患人工预警方法，并采用产生式规则对主通风机安全隐患预警及处理对策进行知识表达。

安全性评价预警及处理对策：随时掌握主通风设备系统及各零部件安全程度，可以为主通风机安全管理提供理论依据。建立主通风机系统安全可靠度计算模型和安全评价预警指标体系、各零部件发生安全隐患比例计算模型及预警方法、运行稳定-经济性综合评价模型及预警方法，并根据系统和零部件不同安全等级，建立了相应的处理对策。

2 基于Web的系统总体框架

2.1 基于任务流机制的IDSS结构模型

系统主要功能模块：在对主通风机安全隐患预警、安全评价预警及处理对策分析基础上，确定了系统主要功能模块为系统帮助模块、实时预警及对策模块、人工预警及对策模块、安全评价及预警模块和预警记录及分析报告模块。分析各功能模块调用、知识推理及智能决策支持过程和任务流调用逻辑关系，建立了基于任务流调用机制的IDSS结构模型。

任务流控制机制：该机制为总体控制和具体子系统内部控制的双任务流控制机制，利用这种控制机制可以调节各子系统以及各功能模块和相应子功能之间的顺序流程，从而有效地实现各功能。

智能决策支持：用户进入主界面后需要先选择想要实现的目标任务，然后根据任务流控制机制对不同功能模块进行调用，通过基于智能决策支持的推理模型和决策知识库进行知识推理和调用，从模型库中选择相应的预警及处理模型、安全评价预警等模型类，然后利用知识库、数据库等对最终的结果进行知识表达，实现安全隐患预警及处理时智能决策支持的目的。

2.2 基于Web的IDSS系统总体框架

通过对Web平台和B/S结构模式特点[9]分析，建立了基于Web的系统总体信息框架，如图2所示。该架构分为Web浏览器层、Web服务器层和Web信息库层3部分，其中Web浏览器层包括矿领导PC端和移动端、技术主任和管理员PC端以及现场工作人员PC端。Web服务器层是系统核心部分，在该层集成所有实际运行中功能和逻辑判断。Web信息库层包括知识库系统、模型库系统及数据库系统，主要存储管理系统监测数据以及任务调用过程中的各种信息数据、案例库、推理规则知识以及数据映射知识等信息资源。

图2 基于Web的IDSS系统总体信息框架

3 系统需求分析及实现

3.1 系统需求分析及设计

系统用例：结合系统主要功能和煤矿不同用户对系统的实际使用需求，从矿领导、技术主管、现场工作人员以及系统维护人员使用角度出发[10-11]，建立了如图3所示的系统用例图。

图3 系统用例图

用户需求：①矿领导可以通过手机或PC端及时了解掌握主通风运行状况、隐患预警及处理情况；当发生一级安全隐患时，移动端将以短信的形式快速便捷地把主通风机状况传达给矿领导，以便矿领导及时下达命令。②技术主管和系统维护人员都可进入系统各功能模块，随时查看主通风机运行状况。技术主管与现场技术人员产生关联，解决技术上的难题、提出技术革新方案和修订煤矿制度条例。存在一级隐患时，立即将情况上报领导，上层领导根据主通风机实际运行状况，给技术主管下达任务，技术主管将有效解决方案传递给现场工作人员进行隐患事件高效处理及销警。系统维护人员负责系统正常运行及维护管理，随时完善扩展系统，对系统进行升级等。③现场工作人员可以随时查看主通风机实时运行状况、预警准则及处理对策、煤矿规章制度条例等文件；下载和递交人工日检表、预警检查表等文档；完成人工日检和预警、事故处理和销警等工作。存在二级隐患时，及时上报技术主管，并确定解决方案及时处理事故。

3.2 系统实现

系统界面设计：根据以上系统总体信息框架和不同客户使用需求，设计人工智能人机交互界面，主界面设计如图4所示，该主界面主要被分为5个区域，即隐患预警及处理对策实时显示区，安全隐患处理显示区，系统安全评价指标、可靠度及预警显示区，零部件隐患比例显示区及功能模块菜单栏。①隐患预警及处理对策实时显示区，实时显示主通风机当前运行状况，当存在安全隐患时，会在相应部件位置处发出报警信号，点击报警位置，可查看导致隐患发生的原因及处理对策；②安全隐患处理显示区，显示主通风机已存在安全隐患事件及处理信息，包含隐患发生的部件名称、隐患类型、预警时间、销警时间、处理方法及结果；③系统安全评价指标、可靠度及预警显示区，以柱状图形式显示某月或年的主通风机系统可靠度值以及安全状况，并对稳定-经济性综合评价结果进行显示；④零部件隐患比例显示区，以饼状图的形式对主通风机零部件按月或年所发生的安全隐患比例进行直观显示，对隐患严重的零部件进行重点维护；⑤功能模块菜单栏中包括：系统帮助、实时预警及处理对策、人工预警及处理对策、安全评价及预警、预警记录及分析报告，点击所需功能按钮可实现系统各功能模块间的跳转操作。

图4 系统主界面设计

信息库系统设计：信息库系统包含知识库系统、模型库系统、数据库系统3个部分。知识库系统包括预警及处理对策案例库、文档知识库以及预警决策知识库等；模型库系统包括预警及处理对策模型库、安全评价及预警模型库以及设备维护管理模型库等；数据库系统包括实际运行参数数据、预警及处理、评价及预警等数据。案例库结构见表2。

表2 安全隐患预警及处理对策案例库

3.3 系统开发及应用

利用Java、SQL Server 2005对系统集成框架、运行界面、各功能模块及信息库系统进行了设计开发[14]。目前该系统已在南梁煤矿进行了实际安装运行。列举隐患预警及处理对策实际运行界面如图5所示。图5(a)为实时运行参数界面，实时动态显示了参数变化及运行变化曲线；图5(b)所示实时工况曲线界面，可实时掌握运行工况是否在安全性和经济综合的良好范围内；图5(c)所示实时预警及处理对策界面，当存在安全隐患时，进入实时预警及处理对策的界面，获得隐患发生的原因及处理对策等信息。

图5 南梁煤矿“隐患预警及处理对策”实际运行界面

4 结论

在分析确定主通风机安全隐患预警及处理对策、安全评价及预警理论分析方法基础上，建立了基于任务流机制的IDSS结构模型及Web的系统总体信息框架；分析了各种不同用户实际使用需求和活动模型，设计开发了软件系统，并针对南梁煤矿实际情况，对软件系统进行了二次开发和实际安装测试应用，达到了预期效果。该系统可以及时发现主通风机实时运行时存在的安全隐患并进行预警，同时提供相应处理对策；在人工检查中，如遇到技术问题，可以检索安全隐患人工预警及处理对策案例库，为人工日常管理检查提供依据；根据系统及零部件安全状况对应的柱状和饼状图，用户可实时掌握主通风机整体安全状况及零部件关键隐患，以便采取有效处理措施，将隐患解决在萌芽状态。