羅 偉

(國家能源集團神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

煤炭在我國能源體系中占據(jù)主體地位，煤炭企業(yè)作為能源行業(yè)的重要組成部分，在生產(chǎn)能源的同時也會消耗能源[1-3]。為有效管理能源消耗問題，在煤礦中建設(shè)能耗管理系統(tǒng)，可實時對煤礦的整體運行進行監(jiān)測。為實時監(jiān)測煤礦的運行情況，需要設(shè)計一個有效的監(jiān)測方法，許多科研人員開展了監(jiān)測方法的研究，并取得了一定的研究成果。如文獻[4]選擇無線動態(tài)監(jiān)測傳感器設(shè)計了一個監(jiān)控系統(tǒng)，針對于煤礦開采深度、空間以及強度進行分析，有效防范了煤礦的沖擊地壓事故。該系統(tǒng)主要通過無線動態(tài)監(jiān)測傳感器進行數(shù)據(jù)采集，在不同的監(jiān)測節(jié)點中獲取多種類型數(shù)據(jù)，對不同的巖層應(yīng)力進行實時監(jiān)測，可以實時掌握煤礦的動態(tài)變化規(guī)律，以此實現(xiàn)了煤礦中不同應(yīng)力參數(shù)的監(jiān)測。但由于傳感器在數(shù)據(jù)傳輸過程中，會受到多種因素影響，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)傳輸過程中會同時帶有干擾信號，增加了測量難度。文獻[5]對現(xiàn)有的遠程監(jiān)測系統(tǒng)進行改造，提高了煤礦系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。該改造方法主要是利用綜合監(jiān)測設(shè)備，在共同的組網(wǎng)中進行連接，增加了數(shù)據(jù)信息傳遞的可靠性，可以實現(xiàn)越級監(jiān)測和遠程控制。

為更加有效地對煤礦中的數(shù)據(jù)進行檢測，本文以免疫多Agent技術(shù)為研究基礎(chǔ)，重新設(shè)計一個新的動態(tài)監(jiān)測方法。通過合理劃分設(shè)備類型并配置可編程控制器，實現(xiàn)對不同設(shè)備的監(jiān)測與控制。采用極大似然估計法構(gòu)建線性方程，在多個未知節(jié)點中確定各組設(shè)備的監(jiān)測節(jié)點位置，能夠準確且有效地確定監(jiān)測節(jié)點，確保數(shù)據(jù)采集的精確性和全面性。以多種通信協(xié)議部署B(yǎng)/S監(jiān)測架構(gòu)，在三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，保證能耗設(shè)備運行數(shù)據(jù)的及時采集和準確傳輸，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和決策提供支持。通過基于免疫多Agent技術(shù)的學(xué)習(xí)模型，對接收到的數(shù)據(jù)信息進行分析和推理，實現(xiàn)對煤礦綜合能耗的動態(tài)監(jiān)測，提高能耗設(shè)備動態(tài)監(jiān)測的準確性和效率。

1 分站控制原理劃分煤礦能源消耗設(shè)備類型

為了全面解決動能問題，煤礦企業(yè)對煤礦內(nèi)的動能能耗產(chǎn)生設(shè)備進行有效管理[6-8]，以動態(tài)監(jiān)測為應(yīng)用前提，采用分站控制原理對煤礦內(nèi)的能源消耗設(shè)備類型進行劃分。此次選定煤礦內(nèi)的空壓機房、水站以及皮帶機和絞車為監(jiān)測對象，分別應(yīng)用自動控制理論和計算機技術(shù)對上述儀器進行連接，具體組成原理見圖1。

如圖1所示，針對不同的能耗設(shè)備，對應(yīng)有各自的傳感器，分別對各組設(shè)備的傳感器進行分類。其中皮帶機與絞車設(shè)備會產(chǎn)生較大電能，采用溫度傳感器；空壓機的功率變化較大，采用壓力和溫度兩種傳感器；水站運行時會產(chǎn)生較大水壓，因此采用壓力傳感器。

整體監(jiān)測結(jié)構(gòu)以調(diào)度主機為集中管理中心，可以隨時查看煤礦內(nèi)的電能和風(fēng)能以及水能的運行情況，并在傳感器的作用下，將數(shù)據(jù)傳入至顯示器[9-11]。在對應(yīng)的設(shè)備中以分站控制原理獨立監(jiān)控各組設(shè)備，將現(xiàn)場設(shè)備形成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光纖信號，能夠通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換。具體模式見圖2。

圖2 基于分站控制連接煤礦耗能設(shè)備

根據(jù)圖2內(nèi)容所示，以分站控制為煤礦設(shè)備的監(jiān)測核心，在不同的控制器下連接產(chǎn)生能耗的設(shè)備，對其電能數(shù)據(jù)和功率數(shù)據(jù)進行接收，并各自分配有對應(yīng)的多路串口器。由于此次選擇以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)交換數(shù)據(jù)，直接通過以太網(wǎng)接口連接傳感器，在光纖收發(fā)器的作用下，將分站中的設(shè)備信息上傳到網(wǎng)絡(luò)。

2 極大似然估計法確定設(shè)備監(jiān)測的節(jié)點位置

在劃分完煤礦內(nèi)的能源消耗設(shè)備類型后，針對不同的設(shè)備接入對應(yīng)傳感器，為準確獲取設(shè)備產(chǎn)生的能耗信息，需要計算具體的監(jiān)測節(jié)點位置[12-14]。本次選擇極大似然估計法確定節(jié)點位置，假定存在有p個監(jiān)測節(jié)點，表示為oy(iy，uy)，以保證在上述所有節(jié)點中存在合理的監(jiān)測節(jié)點，根據(jù)距離公式計算得出：

(1)

式中：(i，u)為監(jiān)測節(jié)點；(i1，u1)為第1個節(jié)點；(i2，u2)為第2個節(jié)點；(iy，uy)為第y個節(jié)點；(ip，up)為第p個節(jié)點。t為節(jié)點之間的距離?；诖?，以線性矩陣表示最大似然估計矩陣為：

rw=e

(2)

(3)

(4)

(5)

公式3為線性方程組。r為標準差向量函數(shù)矩陣。w為監(jiān)測節(jié)點坐標矩陣，表示設(shè)定的監(jiān)測節(jié)點具體坐標。e為均方差函數(shù)矩陣。通過對假定的節(jié)點位置與其余位置的距離計算，在標準均方差估算下獲取節(jié)點位置。在此基礎(chǔ)上，以極大似然估計法中的三邊測量獲取具體監(jiān)測節(jié)點的位置坐標：

(6)

式中：分別在監(jiān)測節(jié)點周圍設(shè)置另外三組節(jié)點，假定其余監(jiān)測節(jié)點能夠形成三邊示意結(jié)構(gòu)，三組節(jié)點分布為(iq，uq)、(ia，ua)、(is，us)，其距離監(jiān)測節(jié)點(i，u)的距離分別為tq、ta、ts。該方法為最大似然估量法中的特殊案例，能夠在三邊確定的基礎(chǔ)上固定出具體的監(jiān)測位置，減少節(jié)點的設(shè)計誤差。

3 通信協(xié)議部署B(yǎng)/S架構(gòu)獲取煤礦運行數(shù)據(jù)

為動態(tài)獲取各組設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，以多種通信協(xié)議部署B(yǎng)/S架構(gòu)，全方位地統(tǒng)計設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 煤礦運行設(shè)備B/S監(jiān)測架構(gòu)

根據(jù)圖3內(nèi)容所示，為實現(xiàn)煤礦內(nèi)的運行設(shè)備耗能數(shù)據(jù)的全方位采集，將B/S監(jiān)測架構(gòu)設(shè)定為3層模式，分別為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理層。根據(jù)該架構(gòu)的組成模式，在多種通信協(xié)議的連接作用下，從計量終端對設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行采集，并可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與分析[15]。分別對每個結(jié)構(gòu)進行劃分。

1)數(shù)據(jù)采集層與傳輸層：主要用來采集設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，并對重點用能設(shè)備進行監(jiān)控，需要實時采集其負荷和電壓信息。該層級同時支持井下與地面的運行設(shè)備，不僅可以直接通過傳感器獲取設(shè)備信息，也能夠從電表等計量終端采集數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)處理層：該層的主要功能是處理采集到的數(shù)據(jù)，首先是對數(shù)據(jù)進行合理檢查，是否存在缺失數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)；其次是對異常數(shù)據(jù)進行清洗以及對缺失數(shù)據(jù)進行補充；最后是對數(shù)據(jù)進行分類，按照對應(yīng)的工序和班組實現(xiàn)分類保存。

3)數(shù)據(jù)分析展示層：將數(shù)據(jù)按照不同的工作班組進行統(tǒng)計，直接餅圖和曲線圖以及柱狀圖的展示，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的同比和環(huán)比以及類比分析，為煤礦企業(yè)的能耗進行有效統(tǒng)計。

以三層B/S監(jiān)測結(jié)構(gòu)獲取設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，分別對皮帶機、壓力機以及水站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集，并另外設(shè)置能耗指標，當(dāng)數(shù)據(jù)超過限值時發(fā)出預(yù)警信號，實現(xiàn)設(shè)備的綜合能耗動態(tài)監(jiān)測。

4 免疫多Agent技術(shù)動態(tài)監(jiān)控煤礦綜合能耗

Agent技術(shù)可以通過感知環(huán)境做出相應(yīng)的動作，并應(yīng)用不同的知識對目標進行求解，具有交互性和交流協(xié)商性。因此，以免疫多Agent技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建慎思型模型，對煤礦內(nèi)設(shè)備的綜合能耗歷史數(shù)據(jù)進行分析，設(shè)計一個監(jiān)測限值，將其作為判斷依據(jù)，實現(xiàn)不同機組在不同時段內(nèi)的數(shù)據(jù)監(jiān)測。具體模型見圖4。

圖4 基于免疫多Agent技術(shù)的慎思型模型結(jié)構(gòu)

如圖4所示，在該模型中具有感知器、推理器和規(guī)劃器以及效應(yīng)器，通過感知器對煤礦內(nèi)的運行環(huán)境進行信息感知，再經(jīng)由推理器和規(guī)劃器進行分析、推理以及規(guī)劃，整個過程需要在Agent知識庫的支持進行，處理完畢后會形成指示命令，將其作為依據(jù)，通過效應(yīng)器作用于煤礦設(shè)備運行環(huán)境之中，形成一個閉環(huán)。其學(xué)習(xí)過程如下：

(7)

式中：g(·)為多Agent技術(shù)模型的學(xué)習(xí)函數(shù)；β為學(xué)習(xí)的折扣因子；k(·)為收斂函數(shù)；g(h，j)為Agent在h狀態(tài)下執(zhí)行動作j獲取的最優(yōu)獎賞折扣和；l為動作集合。h″為執(zhí)行結(jié)果；z(·)為更新函數(shù)。根據(jù)學(xué)習(xí)函數(shù)能夠動態(tài)化規(guī)劃交互過程，以此對煤礦內(nèi)的運行設(shè)備進行增量式跟蹤，設(shè)定其學(xué)習(xí)效率：

gz+1(h，j)=(1-j)gz(h，j)+j[βz+βmaxg(h″，j)]

(8)

式中：z為更新次數(shù)。在每次更新中對每一個Agent行為進行考察，在每一次學(xué)習(xí)過程中均可以保證為最佳狀態(tài)。在執(zhí)行完感知動作后，能夠?qū)W(xué)習(xí)值和結(jié)果進行觀察和記錄。將最大的結(jié)果作為判斷指標，以此對采集到的數(shù)據(jù)進行對比，實現(xiàn)動態(tài)的監(jiān)測。

5 試驗測試分析

為驗證新方法的應(yīng)用效果，采用對比測試方法完成論證。分別采用基于無線傳感器的動態(tài)監(jiān)控方法和基于智能設(shè)備的監(jiān)控方法作為對照組，驗證不同方法的監(jiān)控效果。

5.1 獲取煤礦設(shè)備運行數(shù)據(jù)

為保證此次測試的真實性，以某省效益較好的煤礦企業(yè)作為測試對象，對其中運行的多組設(shè)備進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。設(shè)定采集間隔為1 h，分別采集皮帶機、水站以及絞車的運行數(shù)據(jù)，以運行功率為測試數(shù)據(jù)，具體結(jié)果見表1。

表1 設(shè)備運行功率數(shù)據(jù)

此次對三組高耗能設(shè)備作為測試對象，分別對其一天內(nèi)的運行功率進行采集，通過表1數(shù)據(jù)可知，水站的運行功率最大，而絞車的運行功率較低。為實現(xiàn)不同設(shè)備的能耗監(jiān)控，分別將上述數(shù)據(jù)上傳至MATLAB測試平臺，并連接三組監(jiān)控方法，驗證不同方法的應(yīng)用效果。

5.2 近距離設(shè)定下監(jiān)控效果

將監(jiān)控節(jié)點安置在較近距離，分別設(shè)置皮帶機、水站以及絞車監(jiān)測節(jié)點距離為30、50和80 m，結(jié)果如圖5所示。

圖5 監(jiān)控結(jié)果

如圖5所示，在本文方法應(yīng)用下可以實現(xiàn)各組設(shè)備的近距離監(jiān)控，且得到的數(shù)據(jù)與實際值相一致，而兩組傳統(tǒng)方法會產(chǎn)生一定誤差，說明本文方法更加有效。

5.3 遠距離設(shè)定下監(jiān)控效果

上一組測試結(jié)果能夠證明本文方法的近距離監(jiān)控效果，為進一步驗證本文方法的應(yīng)用價值，以遠距離監(jiān)控為測試條件，分別將皮帶機、水站以及絞車監(jiān)測節(jié)點，設(shè)置在150、200、250 m處，結(jié)果見圖6。

圖6 監(jiān)控結(jié)果

如圖6所示，在遠距離條件下對本文方法的監(jiān)控結(jié)果影響較小，對兩組傳統(tǒng)方法的影響較大，會產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)誤差，綜合結(jié)果表明，本文方法更加有效。

6 結(jié)束語

能耗管理系統(tǒng)能夠為煤炭企業(yè)的節(jié)能降耗提供重要決策，并促進企業(yè)的整體水平提升，在有效管理煤礦綜合能耗的過程中，也能夠有效落實國家綠色低碳發(fā)展理念，逐步實現(xiàn)能耗總量和強度的“雙控”目標。本文以此為基礎(chǔ)，通過Agent技術(shù)設(shè)計了新的監(jiān)控方法，并在試驗論證的基礎(chǔ)上驗證了新方法的有效性，具有現(xiàn)實應(yīng)用價值。但由于此次時間有限，在研究中仍存在不足之處，如對缺失數(shù)據(jù)的插補過程沒有詳細說明，后續(xù)研究中會針對這一方面進行改進，為煤礦運行提供更具體的理論支持。