曹豪

陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)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(shù)量多，且長期處于復雜的環(huán)境中，日常運維管理難度大。對設備的精細化管理和系統(tǒng)運行態(tài)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(tǒng)研發(fā)廠家多，標準不統(tǒng)一，造成監(jiān)控采集的數(shù)據多樣化，無法統(tǒng)一分析；二是現(xiàn)有的采集數(shù)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(tài)勢。因此，在煤礦在日常機電設備管理中運用虛擬現(xiàn)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(xiàn)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(yè)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(xiàn)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(xiàn)工藝參數(shù)、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(tài)運行參數(shù)和靜態(tài)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(shù)據模型標準化的基礎上，建立能夠在設備、業(yè)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(xiàn)對運行態(tài)勢的精準把控，達到提前發(fā)現(xiàn)隱患，防患于未然。四是日益復雜的機電設備系統(tǒng)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(tǒng)知識體系，適用于所有操作和運維人員通過系統(tǒng)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(tǒng)的正常運行[1]。

2 虛擬現(xiàn)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(xiàn)形式

煤炭企業(yè)生產設備朝著大型化、集約化、自動化方向迅速發(fā)展，對生產設備的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、維修以及管理提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的設備檢修方式已難以適應現(xiàn)代煤炭企業(yè)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(xiàn)實技術就是一種有效的管理方法和手段。

應用虛擬現(xiàn)實技術的煤礦機電設備管理信息系統(tǒng)承載設備采購、倉儲、維護、維修等設備管理全業(yè)務環(huán)節(jié)的信息化，實現(xiàn)設備信息的物模型化，設備實時狀態(tài)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(xiàn)物聯(lián)網的設備智能管理，將設備維修由現(xiàn)在的事后維修和定期預防性維修，實現(xiàn)設備生產維修、狀態(tài)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(tǒng)一的標準模型。在系統(tǒng)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(yè)務的依賴關系，擴展關聯(lián)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(huán)境信息、監(jiān)控信息等各類信息數(shù)據的虛擬環(huán)境，用戶可以通過其自然技能直觀的了解與虛擬環(huán)境對應的實際環(huán)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(tǒng)集成技術等技術來實現(xiàn)。端到端泛在可視化是可視化的更高階段，能夠實現(xiàn)物理到邏輯、資源到業(yè)務的端到端的可視化，并且針對泛在式物聯(lián)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(tǒng)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(shù)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(lián)動、數(shù)據再現(xiàn)等功能。采用層次結構方式建模，通過機電設備通用數(shù)據對象結構化設計，建立統(tǒng)一的模型標準。擴展關系模型，在系統(tǒng)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(yè)務的依賴關系，將業(yè)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(tǒng)的故障分析和問題定位[2]。

2.3 機電設備管理數(shù)據分析

信息采集是展示和數(shù)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(tài)判斷的精度，只有通過全面的數(shù)據采集，才能實現(xiàn)硬件、軟件、安全等運行狀況的監(jiān)視，進而通過分析和全息化的展示，對機電設備整體業(yè)務運行趨勢進行精準把握。

在信息采集全面化、數(shù)據模型標準化的基礎上，建立能夠在設備、業(yè)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(shù)據分析對底層的各類數(shù)據源進行采集，匯聚到大數(shù)據平臺。建設統(tǒng)一的數(shù)據分析平臺，包含統(tǒng)一集中監(jiān)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(shù)據分析平臺具有系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(xiàn)對運行態(tài)勢的精準把控，達到提前發(fā)現(xiàn)隱患，防患于未然。

2.3.1 機電設備健康度分析。傳統(tǒng)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(shù)據進行比對分析。如果和業(yè)務相關的模塊及采集指標數(shù)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(shù)個小時甚至數(shù)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(jiān)控數(shù)據匯總，在設備出現(xiàn)故障時從上述數(shù)據中自動快速進行故障定位。通過對比監(jiān)控數(shù)據在業(yè)務故障時間點前后和歷史上同期時間點的表現(xiàn)，并對這些表現(xiàn)進行聚類和排序分析來集中呈現(xiàn)。結合設備日常運行、維護、維修等資料在設備故障發(fā)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?；跉v史數(shù)據預測被監(jiān)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(tǒng)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(yè)務關聯(lián)分析。每臺設備都有其依賴的關聯(lián)業(yè)務，這些業(yè)務包括軟件模塊和硬件設施等資源。當業(yè)務依賴的設備發(fā)生故障時，該業(yè)務可能受到影響。通過構建設備對業(yè)務的依賴關系、業(yè)務對生產的依賴關系、業(yè)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(yè)務、生產、安全、銷售等健康模型準則，對設備故障及其關聯(lián)關系進行分析。從發(fā)生故障的業(yè)務開始分析，依據業(yè)務關系模型和網絡拓撲關系模型，查找該業(yè)務關聯(lián)的所有對象（包括：其他設備、設備組件、軟件、環(huán)境等），根據所有關聯(lián)對象進一步搜索對象的運行狀態(tài)、告警事件信息，形成故障發(fā)生前后的時間序列運行事件數(shù)據信息集合，便于全方位分析故障業(yè)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(fā)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(shù)據分析進行嘗試，它能夠實現(xiàn)“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(fā)，監(jiān)視采集到的多個維度的數(shù)據進行鉆取、關聯(lián)，極大簡化多維數(shù)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(xiàn)實技術的應用

通過前面的設備建模、基礎信息和運行數(shù)據的采集、故障數(shù)據的分析，運用虛擬現(xiàn)實技術，將采集的數(shù)據和數(shù)據分析結果，利用數(shù)據可視化技術，進行數(shù)據的展示，同時運用虛擬現(xiàn)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(huán)境信息、監(jiān)控信息等各類信息數(shù)據的虛擬現(xiàn)實，用戶可以直觀的了解與虛擬環(huán)境對應的實際環(huán)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(xiàn)物理到邏輯、資源到業(yè)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(tǒng)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(xiàn)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(shù)據，構建起實際設備與虛擬數(shù)據之間的關聯(lián)，建立運維保障的數(shù)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(xiàn)實技術，提高公司設備資產管理的集成度，提升員工業(yè)務能力，優(yōu)化公司業(yè)務流程，以適應企業(yè)快速發(fā)展和變革的需要。滿足日常設備管理業(yè)務的各項功能要求，實現(xiàn)設備管理的科學化、扁平化、信息集成化及業(yè)務的基本統(tǒng)一，做到相關業(yè)務數(shù)據完整、準確、及時、安全、可靠；

其次，以設備狀態(tài)監(jiān)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(xiàn)業(yè)務流程的合理控制，加強企業(yè)設備業(yè)務的監(jiān)控職能，降低成本，逐步強化集約管理，提高整個企業(yè)的設備管理水平；

再次，采用虛擬現(xiàn)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(yè)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(yè)務主線，逐步貫穿統(tǒng)一企業(yè)的各種業(yè)務數(shù)據，利用系統(tǒng)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(yè)務決策提供數(shù)據支持，并逐步實現(xiàn)決策支持，最終增強企業(yè)的核心競爭力[3]。

3 結束語

總而言之，虛擬現(xiàn)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(tài)和變化趨勢，及時發(fā)現(xiàn)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(shù)據，實現(xiàn)設備運維和故障維修的標準化、網絡化、規(guī)范化，進而實現(xiàn)機電設備的綜合管理。很好促進機電設備管理的快速發(fā)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(xù)發(fā)展。