本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)處理，具體是涉及采煤工作面系統(tǒng)級(jí)故障預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)升級(jí)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和資源的日益枯竭，煤礦作為重要的能源資源之一，其開(kāi)采效率和安全性成為了現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵問(wèn)題。煤礦采掘作業(yè)的復(fù)雜性和高風(fēng)險(xiǎn)性，使得采煤工作面的設(shè)備管理和故障預(yù)測(cè)尤為重要。煤礦設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間的工作中面臨著諸如過(guò)載、磨損、腐蝕、設(shè)備故障等多種風(fēng)險(xiǎn)，這些因素不僅影響了煤礦的生產(chǎn)效率，還可能對(duì)礦工的安全構(gòu)成威脅。為了提高煤礦的作業(yè)效率和安全性，越來(lái)越多的煤礦企業(yè)開(kāi)始采用自動(dòng)化和智能化的設(shè)備管理和故障診斷系統(tǒng)。

2、在過(guò)去的幾十年里，傳統(tǒng)的煤礦設(shè)備管理方法主要依賴人工檢測(cè)和定期維護(hù)。這些傳統(tǒng)方法依賴礦工或設(shè)備維護(hù)人員定期檢查設(shè)備狀態(tài)，或者在設(shè)備發(fā)生明顯故障時(shí)采取修復(fù)措施。然而，這種基于經(jīng)驗(yàn)的方式存在著顯著的局限性，首先，設(shè)備故障的發(fā)生往往是突發(fā)的，很難通過(guò)人工手段提前發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)備在高負(fù)荷或惡劣工作環(huán)境下出現(xiàn)故障，從而造成生產(chǎn)停滯或安全事故；其次，人工檢查往往受到時(shí)間、環(huán)境等因素的限制，可能導(dǎo)致設(shè)備隱性故障被忽視或延誤修復(fù)時(shí)機(jī)，進(jìn)一步增加了故障發(fā)生的概率；最后，人工維護(hù)無(wú)法高效地處理大規(guī)模的設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，也缺乏針對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析能力。因此，傳統(tǒng)設(shè)備管理方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代煤礦對(duì)生產(chǎn)效率和安全性的高要求。

3、為了解決這些問(wèn)題，近年來(lái)，許多基于自動(dòng)化和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的智能設(shè)備管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這些系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析和算法預(yù)測(cè)，能夠較為精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)設(shè)備故障、優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，從而減少設(shè)備故障的發(fā)生，提高煤礦作業(yè)的整體效率和安全性。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的設(shè)備故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)仍然存在一些問(wèn)題。現(xiàn)有的故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)主要依賴傳感器收集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如溫度、功率、振動(dòng)、負(fù)載等。這些數(shù)據(jù)雖然能夠反映設(shè)備的某些運(yùn)行狀態(tài)，但由于設(shè)備運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法往往只能對(duì)設(shè)備的某一維度進(jìn)行監(jiān)控。許多復(fù)雜的故障，尤其是與環(huán)境因素或多設(shè)備協(xié)同效應(yīng)相關(guān)的故障，無(wú)法通過(guò)單一維度的數(shù)據(jù)分析來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。例如，采煤工作面的設(shè)備不僅受內(nèi)部機(jī)械負(fù)載的影響，還受到煤層硬度、瓦斯?jié)舛?、溫度變化等多種外部環(huán)境因素的作用。因此，現(xiàn)有技術(shù)往往無(wú)法全面、準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備的整體健康狀況和故障風(fēng)險(xiǎn)。缺乏環(huán)境交互因素的綜合考慮：現(xiàn)有的故障預(yù)測(cè)方法往往側(cè)重于設(shè)備本身的狀態(tài)監(jiān)控，但忽略了環(huán)境因素對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響。例如，煤層硬度、工作面頂板高度、瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境因素直接影響采煤設(shè)備的負(fù)載狀態(tài)，過(guò)高的瓦斯?jié)舛群兔簩佑捕瓤赡軐?dǎo)致設(shè)備過(guò)載、磨損加劇，甚至發(fā)生爆炸等嚴(yán)重事故?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常將設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)與環(huán)境因素分開(kāi)處理，缺乏系統(tǒng)地考慮環(huán)境對(duì)設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)的影響，導(dǎo)致故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供采煤工作面系統(tǒng)級(jí)故障預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)升級(jí)方法，該方法通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境狀態(tài)，結(jié)合設(shè)備的歷史故障數(shù)據(jù)，能夠全面、準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備的健康狀況，從而預(yù)測(cè)設(shè)備故障的發(fā)生。這種多維度、多層次的故障預(yù)測(cè)方式，相較于傳統(tǒng)的單一設(shè)備監(jiān)控和人工維護(hù)，顯著提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。還通過(guò)智能化的虛擬鏡像技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，顯著增強(qiáng)了整個(gè)采煤工作面系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性。

2、為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、采煤工作面系統(tǒng)級(jí)故障預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)升級(jí)方法，包括：

4、步驟1：獲取采煤工作面中各個(gè)子設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)子設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，預(yù)測(cè)每個(gè)子設(shè)備在下一個(gè)時(shí)間步出現(xiàn)各種類型故障的故障概率；故障類型包括：通信故障和設(shè)備故障；

5、步驟2：若預(yù)測(cè)子設(shè)備在下一個(gè)時(shí)間步出現(xiàn)設(shè)備故障的概率超過(guò)設(shè)定的第一故障閾值，則將該子設(shè)備進(jìn)行隔離，在云端生成該子設(shè)備對(duì)應(yīng)的虛擬鏡像設(shè)備，以模擬該子設(shè)備的運(yùn)行，并與其他子設(shè)備進(jìn)行通信與交互；

6、步驟3：若預(yù)測(cè)子設(shè)備在下一個(gè)時(shí)間步出現(xiàn)通信故障的概率超過(guò)設(shè)定的第二故障閾值，則控制該子設(shè)備調(diào)用備用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；所述備用網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)路，在備用網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)子設(shè)備彼此互聯(lián)；當(dāng)采煤工作面中調(diào)用備用網(wǎng)絡(luò)的子設(shè)備超過(guò)設(shè)定的數(shù)量閾值，則控制所有的子設(shè)備調(diào)用備用網(wǎng)絡(luò)，再對(duì)原網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修復(fù)。

7、進(jìn)一步的，當(dāng)采煤工作面中所有子設(shè)備均調(diào)用備用網(wǎng)絡(luò)時(shí)，所有的子設(shè)備通過(guò)路由尋址算法，找到最短的與其他子設(shè)備的通信路徑。

8、進(jìn)一步的，在對(duì)原網(wǎng)絡(luò)修復(fù)時(shí)，將原網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)調(diào)整為備用網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)子設(shè)備實(shí)際通信連接構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)的鏡像，完成原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的升級(jí)。

9、進(jìn)一步的，子設(shè)備至少包括：采煤機(jī)、風(fēng)機(jī)、傳送帶、液壓泵和閥門。

10、進(jìn)一步的，對(duì)于第個(gè)子設(shè)備，獲取的運(yùn)行參數(shù)包括：煤層硬度系數(shù)，單位為莫氏硬度；功率，單位為千瓦；溫度，單位為攝氏度；運(yùn)行速率；瓦斯?jié)舛?；支架阻力，單位為千牛；最大支架阻力，單位為千牛；電機(jī)負(fù)載率；最佳負(fù)載率；最大負(fù)載率；安全瓦斯?jié)舛认拗担环蹓m濃度，單位為毫克/立方米；標(biāo)準(zhǔn)粉塵濃度限值，單位為毫克/立方米；采煤深度，單位為米；工作面頂板高度，單位為米；設(shè)備動(dòng)力，單位為千牛；最大動(dòng)力，單位為千牛；設(shè)備運(yùn)行年齡，單位為年；設(shè)備設(shè)計(jì)工作壽命，單位為年；采煤效率，單位為噸/小時(shí)；最大設(shè)計(jì)采煤效率，單位為噸/小時(shí)；液壓油溫度，單位為攝氏度；最高允許液壓油溫度，單位為攝氏度；軸承振動(dòng)值，單位為毫米/秒；正常振動(dòng)值，單位為毫米/秒；歷史窗口故障預(yù)警次數(shù)，單位為次；冷卻系統(tǒng)效率；截齒磨損程度，單位為毫米；上次維護(hù)后運(yùn)行時(shí)間，單位為小時(shí)；推薦維護(hù)間隔，單位為小時(shí)；新截齒標(biāo)準(zhǔn)，單位為毫米。

11、進(jìn)一步的，步驟1具體包括：

12、獲取采煤工作面中各個(gè)子設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)；

13、對(duì)每個(gè)子設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，預(yù)測(cè)每個(gè)子設(shè)備在下一個(gè)時(shí)間步出現(xiàn)各種類型故障的故障概率，包括：基于運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)子設(shè)備的設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)和每個(gè)子設(shè)備的環(huán)境交互狀態(tài)指標(biāo)；根據(jù)設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)、環(huán)境交互狀態(tài)指標(biāo)和每種設(shè)備出現(xiàn)各種類型故障的歷史窗口故障預(yù)警次數(shù)，計(jì)算故障類型關(guān)聯(lián)因子；根據(jù)故障類型關(guān)聯(lián)因子，預(yù)測(cè)每種子設(shè)備在下一個(gè)時(shí)間步出現(xiàn)各種類型故障的故障概率。

14、進(jìn)一步的，基于運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)子設(shè)備的設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)為：

15、；

16、其中，為第個(gè)子設(shè)備在第個(gè)時(shí)間步的設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)。

17、進(jìn)一步的，基于運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)子設(shè)備的環(huán)境交互狀態(tài)指標(biāo)為：

18、；

19、其中，為第個(gè)子設(shè)備在第個(gè)時(shí)間步的環(huán)境交互狀態(tài)指標(biāo)；

20、進(jìn)一步的，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)、環(huán)境交互狀態(tài)指標(biāo)和每種設(shè)備出現(xiàn)各種類型故障的歷史窗口故障預(yù)警次數(shù)，計(jì)算故障類型關(guān)聯(lián)因子:

21、；

22、其中，為第個(gè)子設(shè)備在第個(gè)時(shí)間步的第種類型的故障的故障類型關(guān)聯(lián)因子；當(dāng)時(shí)，表示通信故障；當(dāng)時(shí)，表示設(shè)備故障；為第個(gè)子設(shè)備的歷史窗口故障預(yù)警次數(shù)。

23、進(jìn)一步的，根據(jù)故障類型關(guān)聯(lián)因子，預(yù)測(cè)每種子設(shè)備在下一個(gè)時(shí)間步出現(xiàn)各種類型故障的故障概率為：

24、；

25、其中，第個(gè)子設(shè)備在第個(gè)時(shí)間步的第種類型的故障的故障概率；為故障類型系數(shù)，當(dāng)時(shí)，為1，當(dāng)時(shí)，為2。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

27、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備的綜合狀態(tài)監(jiān)控。通過(guò)引入設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)和環(huán)境交互狀態(tài)指標(biāo)，不僅考慮了設(shè)備本身的運(yùn)行狀態(tài)，還系統(tǒng)地評(píng)估了環(huán)境因素對(duì)設(shè)備的影響。例如，煤層硬度、瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境因素對(duì)設(shè)備負(fù)載和故障風(fēng)險(xiǎn)的影響得到了全面的考慮，從而提高了故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

28、其次，結(jié)合歷史故障數(shù)據(jù)的分析，能夠更好地預(yù)測(cè)設(shè)備未來(lái)可能發(fā)生的故障類型及其發(fā)生概率。通過(guò)實(shí)時(shí)更新設(shè)備的故障預(yù)測(cè)模型，系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)測(cè)結(jié)果，確保預(yù)測(cè)始終保持準(zhǔn)確和靈敏。

29、此外，本發(fā)明通過(guò)云計(jì)算和虛擬鏡像技術(shù)，在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能夠迅速隔離故障設(shè)備，生成虛擬鏡像以保證生產(chǎn)不受影響。這種智能化、自動(dòng)化的故障處理方式，減少了設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提升了采煤作業(yè)的安全性和效率。當(dāng)判斷通信故障或設(shè)備故障對(duì)原網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成威脅時(shí)，能夠通過(guò)將原網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)調(diào)整為備用網(wǎng)絡(luò)中各子設(shè)備實(shí)際通信連接構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)鏡像，完成原網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)。這一操作可以在無(wú)需完全停機(jī)的情況下對(duì)原網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修復(fù)，并通過(guò)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和穩(wěn)定性，從而優(yōu)化整個(gè)采煤工作面的通信和設(shè)備運(yùn)行效率。