基于MCMC算法的露天矿典型设备故障预测方法研究

大型设备是露天矿开采工艺系统的重要组成部分,设备的有效利用直接决定着露天矿的生产效率。为解决露天矿典型设备的故障预测问题,降低设备的故障率和维修成本,提出了一种基于马尔科夫蒙特卡罗方法的露天矿典型设备故障发生时间预测算法,该算法利用马尔科夫蒙特卡罗方法(MCMC)对设备故障数据进行抽样估计,获得设备故障发生次数所对应的齐次泊松过程的参数λ,然后根据浴盆曲线性质,不断对λ进行修正和拟合,确定设备当前状态下故障发生次数的泊松分布参数的值λc,再利用齐次泊松过程中随机点的点间间距是相互独立的指数分布随机变量序列的性质,将λc的倒数作为指数分布参数的估计值,确定设备故障发生时间间隔所服从的指数分布,进而利用指数分布预测设备故障发生时间。研究结果表明:设备故障发生次数所服从的泊松分布参数随时间动态变化;设备故障维修时长随设备使用年限的增长而逐渐变长(设备发生中型及以上故障次数增多);所提出的算法经修正尺度简缩因子验证,具有合理性和有效性,能够用于对露天矿典型设备的故障预测。数值模拟结果显示:在外部环境不发生明显变化时,该算法能够精确、有效的预测露天矿典型设备的故障发生时间和故障类别,不仅能为企业科学制定设备预防性维修计划提供依据,而且能为智慧露天矿建设提供有效的基础决策数据。

不同形状截割头对掘进机稳定性影响分析

针对掘进机工作过程中稳定性问题,以国内常见的3种形状横轴掘进机截割头为研究对象。通过分析不同形状截割头的工作特性,以掘进机工作过程中稳定系数为参考依据,建立的载荷影响机身稳定数学模型。分析拟合抛物线形截割头、椭球形截割头以及锥台形截割头在横向摆动、向上截割、向下截割以及稳定状态的极限位置稳定指标变化曲。通过稳态数值得出,物线形截割头的掘进机工作稳定系数较高,锥台形次之,椭球形截割头较差。

不同截割参数作用下横轴式截割头载荷的模拟分析

该文以镐形齿破煤理论为基础,建立单个截齿载荷的数学模型,通过分析截割头承受的外载荷,建立截割头载荷数学模型。根据所建立的数学模型,对相同功率掘进机在相同工况条件下运用MATLAB编写相应的载荷模拟程序,对不同截割参数进行模拟,得到掘进机工作的载荷曲线图并统计相关数据,利用模拟结果进行分析和比较,得出截割参数变化对截割载荷的影响规律,为截割头的设计提供理论参考。

基于Mallat算法与ARMA模型的露天矿卡车故障率预测

为提高露天矿山运输卡车故障率预测精度、降低因非平稳时间序列数据造成的精度损失及有效解决模型参数估计困难等问题,提出一种基于小波分析与自回归滑动平均模型(ARMA)的露天矿山卡车故障率预测方法。首先,根据矿山时间序列数据的非平稳特征,采用Mallat算法分频处理原始数据,将原始的时间序列分解为一组近似系数和多组细节系数;然后,采用ARMA模型拟合与预测单支重构后的小波系数;其次,引入模型的相关变量,将ARMA模型的参数估计问题转化为带有相关变量的多维高斯分布参数估计问题;最后,通过计算模型中的典型相关变量实现ARMA模型的定阶与参数估计并与其他算法模型进行对比。结果表明:采用此法预测测试集数据,绝对误差的平均值为0. 322,相对误差的平均值为5. 49%;这说明此种组合模型具有更高的拟合精度,应用该模型进行卡车故障率预测是可行且有效的。

露天矿山开拓运输系统道路选线算法

单斗卡车工艺具有机动灵活、爬坡能力强、便于选采、基建速度快、开采强度大等优点,在我国露天矿山被广泛应用。但近年来,因受到重型卡车设备机修、维护保养、燃油成本高昂等经济因素限制,导致单斗卡车工艺吨公里运输经济性问题一直备受关注,并以此派生出了一系列优化卡车运输经济性的相关课题,如运输系统参数优化、路径优化以及剥离物流向-流量规划等相关研究。这类优化研究普遍以经验化的人工定线方案为基础,以压缩运距、控制道路运输功为优化目标展开,忽略了开拓运输道路对于实际优化问题的影响。常规的露天矿开拓运输系统选线方法主要依赖人工经验试错来制定选线方案,主观性极强、效率低且难以优化控制线路成本,随着剥、采工程发展,易导致卡车运输系统的经济合理性受限。为有效解决这一问题,以JONG提出的城际高速公路选线方法为理论基础,综合分析了运输道路系统的基本组成、结构形态以及线形特点,引入一种分阶段的选线剖面布置形式,并结合线路的几何特性定义了线路桩点位置的代数表达及线形约束检验的计算方法;研究了道路生命周期内的成本核算方法,标定了费用成本指标,建立了基于选线道路费用成本最优化的数值计算模型;最后,为进一步提高遗传算法的收敛能力及求解效率,将生物激励神经网络(Bio-Inspired NN)引入到路径基因编码过程中,以实现对编码的启发式修正。实验结果表明:相比于矿山现有的手工定线方法,优化后的线路费用成本更低,能快速、有效地解决矿山运输系统定线问题,证明文中算法模型对于解决此类矿山选线问题可行且有效。

露天矿卡车外排土场内部运距预测模型

为有效提高外排土场物料移运规划中运输功能耗模型的精度,以建立更为详细的排弃物料堆置次序优化、规划模型,针对年末排土计划中尚缺乏逐条带运距推估方法的问题展开研究,提出一种采用极限学习机算法(ELM)训练多元非线性运距曲线的预测模型,并将年末排土工程计划位置上已设计运输线路的排土条带作为训练样本,训练预测模型学习运距与影响因子间的时变特征,最终通过非线性运距表达推估待排物料块体的时变运距。为进一步增强ELM算法的预测精度,利用改进粒子群算法建立基于结构风险最小化的参数优化算法,改善了传统经验风险最小化算法的泛化能力,提高了算法预测精度。研究结果表明:采用模拟试算图解法最终确定ELM模型隐含层节点数为27;仿真测试中得出文中算法预测精度评价指标分别为均方误差0.006 8、拟合优度0.995 3、相对误差期望0.027%、绝对误差期望0.62、错估系数0.03、执行效率1.49s;对比多组智能算法预测模型,其绝对误差分别0.116 2、0.094 7、0.139 1,其错估系数分别为0.230、0.200、0.266,算法明显具有更好的预测效果。

露天矿行车事故预测方法及应用

为有效解决露天矿山行车事故预测模型建模时,易受小样本数据、离群数据规模影响,导致模型精度损失、算法抗噪容差能力及收敛速度下降等问题,提出一种基于二次惩罚项修正(PTS)的改进支持向量回归机模型(WLSSVR)。根据训练样本的数据分布特性,研究了服从露天矿山现实应用场景的二次惩罚项,进一步提高回归机模型的抗噪容差能力;考虑非线性预测模型影响因子选择困难的问题,研究了数据降维及因子分析方法,并将主成分分析方法引入到输入数据预处理算法中,以保证算法可得到理想的输入;针对传统回归机模型易受核参数选择影响,易导致模型早熟和收敛速度慢等问题,研究了粒子群惯性因子、学习因子的自适应迭代形式,提出了一种应用改进粒子群算法优化回归机模型核参数的方法。以露天矿行车事故频次预测为例,进行了预测和对比实验。实验结果表明:引入PTS模型的测试集预测结果明显优于不采用PTS策略的预测结果。这说明,应用文中提出的二次惩罚策略和参数优化算法对复杂系统的事故预测问题研究是可行且有效的。

交替测量式掘进机定位系统误差建模与分析

交替测量式掘进机定位技术在多次交替测量过程中会产生累计测量误差,从而影响掘进机定位精度。目前主要围绕单次测量误差产生原因、误差分布规律及误差减小方法展开研究,未有针对多次交替测量误差分布规律的研究成果。通过分析交替测量式掘进机定位系统工作原理及定位过程,构建了掘进机定位误差模型。采用作图法验证误差模型的正确性,结果表明作图法与误差模型得到的定位误差基本一致,二者仅存在10^(-3)数量级误差。通过误差模型研究了角度测量误差、测距误差、推移步长及掘进机与测量平台间距对掘进机定位误差的影响,结果表明:角度测量误差越大,定位误差曲线的曲率越大,即误差增大越快,且Y_(T)轴定位误差增大速度远大于X_(T)轴;测距误差对X_(T)轴定位误差影响较大,测距误差越小,初始X_(T)轴定位误差越小,但误差变化速度不受影响;随着推移步长增大,Y_(T)轴定位误差曲线曲率增大,即Y_(T)轴定位误差增大速度加快;掘进机与测量平台间距和推移步长对掘进机定位误差的影响基本是等效的。采用正交试验方法分析了各因素对掘进机定位误差的影响程度,结果表明:测距误差对X_(T)轴定位误差影响最大,其次为角度测量误差,推移步长和掘进机与测量平台间距影响最小且二者影响程度一致;角度测量误差对Y_(T)轴定位误差影响最大,其次为推移步长和掘进机与测量平台间距且二者影响程度一致,测距误差影响最小。通过极差分析方法得到了降低定位误差的最优参数组合。

防爆履带式液压支架搬运车越障分析

履带车以履带、轮系代替了传统轮式行走,具有承载能力大、抓地力强、噪音低、可原地转弯的优点,同时采用履带式行走装置还增大了与地面的接触面积,使支架车具有良好的行驶性能,对路面产生的伤害小,增强了自身的越障能力,地形适应能力强。因此,研发防爆履带式液压支架搬运车对井下支架搬运运输具有现实意义。本文基于履带式液压搬运车结构设计,对其进行动力学建模,并通过虚拟样机仿真与实验手段,研究了履带式液压支架搬运车的力学与运动特性。本文的研究工作主要有:建立履带支架搬运车运动学分析模型,分析防爆履带式液压支架搬运车越障工况的运动学特性。研究防爆履带式液压支架搬运车在越障过程的运动分析,得出了防爆履带式液压支架搬运车驱动转矩与仰角的关系。

基于Clifford代数的露天矿山路径优化算法

露天矿山路径优化问题是指在满足特定物理和经济约束之下,搜索最佳运输线路的组合优化问题,对于降低矿山运营成本具有重要的现实意义。但目前常规的露天矿山路径优化算法,主要从静态的道路有向图网络优化出发,无法实现大规模时变动态网络的高效分析和优化决策。本文以扎哈淖尔露天矿为例,将欧式空间内经典的有向图网络分析方法扩展至Clifford代数空间,建立了节点、有向边以及路径的统一表达,提出了路径几何拓扑连通性和标量约束指标的计算方法,实现了几何拓扑计算和数值最优化求解问题的分离;针对传统静态网络分析方法无法动态表达系统能耗变化的问题,建立了基于时变运输功最小化的路径优化模型,并结合行驶阻力特征给出了时变阻力的计算方法;研究了因路面频繁碾压破坏和周期性维护而导致的滚动阻力系数周期性时变效应,并提出计算时变滚动阻力系数的方法;最后为进一步提高算法收敛效率,提出了两组推论和一组数值计算优化策略对遗传算法的数值计算进行了改进。经多次仿真实验验证,算法能快速收敛于全局最优解,说明了算法对于解决矿山实际路径优化问题可行且有效。其次,几何代数化方法的引入也为传统路径优化问题求解提供了一种有效实现拓扑关系计算和数值计算解耦的新方法,弥补了静态网络无法实现时变动态网络分析的不足,为提高露天矿运输系统大规模路网模型的快速效率,提供了一种全新的求解思路。

基于改进RRT算法的露天矿路径优化模型

露天矿道路运输系统优化问题是矿山复杂大系统协同优化的重要组成部分,对于降低矿山生产运营成本、提高矿山生产及组织效率具有极为重要的现实意义。但近年来,随着我国露天矿建设质量的标准化,产量规模、作业设备的逐步大型化,部分矿山运输系统的瓶颈问题开始凸显,特别是以静态道路网络分析方法为基础的传统路径优化规划模型及算法,当面临更加复杂、多变的调度决策任务时,部分规划模型及算法易受到基础能耗目标建模限制,很难给出全局现实最优解。为有效解决传统模型评价建模困难、寻径效率受限等问题,以神华新疆公司红沙泉露天煤矿为例,在时变运输功描述系统全局能耗波动效应的理论基础上,尝试融合车-路耦合思想,提出兼顾路面随机损伤作用下的费用评价函数及路径规划模型,并结合该矿道路阻力系数的隶属度函数模型给出了全局费用评价函数的合理估计;为进一步提高规划模型求解效率,提出采用快速搜索随机树算法(Rapidly-exploring Random Tree, RRT)构建路径拓扑连通性的启发式策略的基本方法,并配合遗传算法对路径规划模型进行求解,实现了路径几何拓扑连通性与标量目标值约束解耦的同时,完成了对露天矿复杂路径条件下寻径问题的快速求解。经多组仿真实验验证,所述算法能快速收敛于全局最优解,经对比试验论证,所述方法及策略对于解决露天矿路径规划优化问题可行且有效。所述方法为后续基于路面波动作用下的运输系统成本分析及评价提供了研究方向及基础,为融合交叉学科分析露天矿复杂大系统的决策问题贡献了全新的体系方法。

露天矿计划阶段内离散块体物料运距预测算法

矿岩运距是衡量露天矿山卡车运输经济性的重要指标之一,但多年因受运输系统复杂、多变等多种综合因素限制,在进度计划编制期间进行逐条带的运距计算问题一直并未得到有效解决。特别是需要进行离散化的物料规划时,传统逐阶段的运距量测方法无法对离散块体进行逐个推估。因此,为有效解决计划阶段内离散块体物料运距计算问题,根据露天矿外排土场出入口选址及排土运输干线相对固定等空间特征,将非线性预测理论、因子分析法等技术方法应用于实际的矿山优化问题中,研究了排土场计划阶段内块体运距波动变化的主要控制因素;结合外排土场内运距波动变化的影响要素,提出了采用加权最小二乘支持向量机技术(WLS-SVM)拟合非线性运距曲线的预测算法,并对权向量、核参数等主观经验指标进行了动态修正,以实现对计划阶段内(两阶段工程位置间的)离散块体物料过程运距的时变预测;最终,利用拟合出的时变曲线,实现两连续工程位置间逐个物料块体运距的高效计算。实验结果表明:预测算法的误差期望分别为:训练集0. 93 m,测试集0. 84 m,且在实验中表现出模型精度易受样本规模影响的特性,且当样本规模N>90时,可控制绝对误差水平稳定在0. 8%～1. 2%。结论表明:试图应用非线性预测理论处理计划阶段内缺乏时变路网条件的运距预测问题是可行的,提出的算法模型对解决计划阶段内的逐块体运距赋值问题具有现实有效性。常规的露天矿山运输优化问题其优化目标和特征参数之间往往存在紧密耦合关系,无法直接应用特定的优化、规划模型进行计算求解,尝试采用全新的解耦思想和求解思路对于有效解决露天矿山运输优化问题是十分有益的,也应该是今后露天矿山系统工程学科研究的热点问题之一。

刮板输送机链轮链环的力学特性

为了提高综采工作面的工作效率。并根据刮板输送机的实际工作环境,我们基于冲击动力学理论和非线性接触理论考虑摩擦因素及啮合接触等因素,运用ANSYS/LS-DYNA对启动过程中链环之间和链环与链轮啮合冲击过程进行数值模拟仿真,分析出启动时链条、链轮的应力分布、应变等动态特性,从而分析出链轮链环振动冲击特性。主要介绍了两种接触类型的磨损,并且列举了影响链传动系统损伤的因素。本文为提高链轮链环使用寿命和工作的可靠性提供了理论依据。

基于动态预警与选择变异的改进麻雀分类算法

针对麻雀搜索算法寻优性能低、多样性不足问题,为提高算法的全局搜索能力和局部开发能力,提出一种基于动态预警与选择变异的麻雀搜索算法(CGSSA).采用线性微分递减的方式动态设定优化过程中的预警者数量,在更新过程中设定选择因子,按照震荡衰减的规律对算法中一定数量的较差个体进行变异,并在变异结束后对更新前后的个体择优选取.实验结果表明:CGSSA算法不仅在收敛速度、搜索精度以及稳定性上具有更好的优化性能,与BP神经网络相结合应用于机器学习中的分类任务时,具有更好的分类性和鲁棒性.

采空区压实应力调整阶段底板卸压演化规律研究

为获取压实应力调整阶段底板卸压值动态演化规律,将顶板垮落岩层移动变形范围视为半椭圆形,构建了垮落范围演化与压实应力演化的相互关系,建立了考虑压实应力演化的底板卸压值分布状态的弹性力学计算模型。采用该计算模型分析了采空区中部不同垂深测点随工作面推进的卸压值变化规律及主要影响参数,并结合卸压值分析了开采不同阶段的底板破坏特征。研究结果表明:采空区范围压实应力调整阶段底板各层位卸压值处于动态调整中,调整过程中底板各层位卸压值先增加后减小,各层位在初采阶段达到最大卸压值,且该卸压值大于压实应力稳定阶段的最大卸压值。在进行底板破坏深度评价时应考虑岩层垮落动态调整的全过程,分析整个过程中底板各层位能够达到的最大卸压值。