一种矿山液压支架系统早期故障实时预警方法

摘要

本发明公开了一种矿山液压支架系统早期故障实时预警方法,包括离线训练和在线监测两个阶段，其中，离线训练确定液压支架系统的健康指标的门限值，在线监测阶段实时采集液压支架系统的工作参数，计算工作参数的Hotelling’s统计量和统计量与健康指标的门限值比较，判定液压支架系统是否出现故障；将液压支架系统的工作参数间相关性的异常改变作为液压支架系统早期故障特征，采用主元分析法将标准化后的液压支架系统的工作参数的样本数据投影到主元子空间和残差子空间，在这两个子空间上分别构建Hotelling’s统计量和统计量，用来定量描述工作参数间的相关性的变化程度，能够有效克服现有的单变量阈值检测法对早期故障不敏感的不足。

说明书

技术领域

本发明属于液压支架系统故障检测的技术领域，特别涉及一种矿山液压支架系统早期故障实时预警方法。

背景技术

矿山开采过程中支护是必需的，液压支架系统是矿山综合机械化开采的核心设备，一旦发生故障，将导致顶板岩石冒落，造成人员伤亡和设备损毁，危害极大。保障矿山正常连续开采，需要首先确保液压支架系统的安全、可靠工作。然而，液压支架系统结构复杂，且长期承受矿山的高负荷、交变应力作用，其工作安全性面临着严重的威胁，这些原因导致液压支架系统在实际使用中故障率偏高。例如，白龙煤矿在一次抽检中发现，某工作面96架液压支架中，有61架存在不同程度的乳化液泄漏问题，故障率达64％。及时诊断液压支架系统出现的故障，保障液压支架系统正常工作，是矿山安全开采的迫切需求。

液压支架系统的故障检测技术是液压支架故障诊断领域的一个关键技术。液压支架系统的故障检测技术是指利用状态观测器、信号处理、或工程经验等方法分析、处理采集到的液压支架系统状态信息，判断当前设备运行是否出现故障。该技术是实施液压支架系统故障类型识别的前提。我国现有的液压支架系统故障检测技术，本质上为单变量阈值检测法。该方法将采集到的液压支架系统工作参数与预先设定的阈值相比较，当超出预设定阈值时，即判定液压支架系统出现了故障，然后发出故障警报。这种方法能够实现对液压支架系统中、后期故障的检测，但是在故障早期阶段，其特征信息微弱，液压支架系统的工作参数往往并不会表现出大幅偏离正常范围的情况，而是仍在正常范围内波动。现有技术难以应对这种情况，故无法实现对液压支架系统早期故障的检测预警。

经对现有技术的文献检索发现，公开文件“一种液压支架工况的预警方法”(中国发明专利，公开号：CN112145231A，公开日：2020.12.29)提出了一种液压支架系统故障检测预警方法，该公开文件自述为：“本申请公开了一种液压支架工况的预警方法，涉及煤矿安全开采技术领域，其中方法包括：实时监测煤矿工作面所有液压支架的工作阻力数据；根据每个采煤循环中的工作阻力变化数据，确定用于评价液压支架工况的多个评价指标的指标值；根据所述评价指标的指标值，生成预警信息。其技术方案为，对煤矿工作面所有液压支架的工作阻力数据进行实时监测，能够在煤矿综采工作面回采过程中，通过液压支架工作阻力数据分析，确定用于综合评价液压支架工况的多个评价指标，从而实现对液压支架工况的实时监测、分析和预警，及时定位支架支护和顶板管理当中存在的问题，对于保障综采工作面顶板安全具有重要作用”。其不足之处是：描述液压支架工作状态的“评价指标”，是通过将初撑力、平均工作阻力等工作参数的测量值与预设定标准值相比较得到，属于单变量阈值检测法，仅能实现对中、后期故障检测，不能在故障早期做出故障预警，故难以有效避免故障带来的危害。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出了一种矿山液压支架系统早期故障实时预警方法，其为基于工作参数相关性监测的液压支架系统早期故障的实时检测方法；不同于现有的单变量阈值检测法，该方法将工作参数间相关性的异常改变，作为液压支架系统早期故障特征，通过实时监测工作参数间相关性的变化，实现对早期故障的检测和预警。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种矿山液压支架系统早期故障实时预警方法，进一步的，包括离线训练和在线监测两个阶段，其中，离线训练确定液压支架系统的健康指标的门限值，在线监测阶段实时采集液压支架系统的工作参数，计算所述工作参数的Hotelling’s T

离线训练阶段:

步骤1-1:采集在健康状态下的液压支架系统的工作参数的样本数据；

步骤1-2:对所述健康状态下的液压支架系统的工作参数的样本数据进行预处理，去除样本数据的单位限制，将其转化为无量纲的纯数值，记为标准化后健康状态下工作参数；

步骤1-3:计算所述标准化后健康状态下工作参数的Hotelling’s T

在线监测阶段：

步骤2-1：实时检测液压支架系统的工作参数的数据；

步骤2-2：对所述实时检测液压支架系统的工作参数的数据进行预处理，去除所述工作参数的数据的单位限制，将其转化为无量纲的纯数值，记为标准化后实时检测工作参数；

步骤2-3:采用主元分析法将所述标准化后实时检测工作参数投影到主元子空间和残差子空间；

步骤2-4：在所述主元子空间和所述残差子空间分别构建Hotelling’s T

步骤2-5：判定液压支架系统是否出现故障，当满足式

进一步的，步骤1-2中，所述预处理的过程，其使用公式如下：

其中，

进一步的，在步骤1-3中，计算标准化后健康状态下工作参数的Hotelling’s T

步骤1-31：计算标准化后健康状态下工作参数的协方差矩阵S，计算方法如下：

其中，m为对标准化后健康状态下工作参数的取样组数；X

步骤1-32：计算协方差矩阵S的特征值和特征向量，并将其按照特征值的大小降序排列；其中，特征值记为λ

步骤1-33：计算特征值λ

其中，

步骤1-34：根据检测要求标准设定累计方差贡献率阈值CPV

步骤1-35：确定Hotelling’s T

其中，F

其中，θ

其中，θ

进一步的，步骤2-2中，所述预处理的过程，其使用公式如下：

其中，

进一步的，步骤2-3中，采用主元分析法将标准化后实时检测工作参数的数据投影到主元子空间和残差子空间，包括以下步骤：

步骤2-31：根据步骤1-34中得到的k值，将特征向量p

步骤2-32：其中，利用

其中，

进一步的，步骤2-4中，T

其中，Λ为协方差矩阵S的前k个特征值所构成的对角阵。

进一步的，在步骤1-1中，所述健康状态下的液压支架系统的工作参数，包括，泵出口乳化液压力、泵出口乳化液温度、过滤器后乳化液压力、前支柱乳化液压力、前支柱乳化液温度、后支柱乳化液压力、前伸梁乳化液压力和推移乳化液压力。

进一步的，在步骤2-1中，所述实时检测液压支架系统的工作参数的种类与步骤1-1中相同，包括，泵出口乳化液压力、泵出口乳化液温度、过滤器后乳化液压力、前支柱乳化液压力、前支柱乳化液温度、后支柱乳化液压力、前伸梁乳化液压力和推移乳化液压力。

本发明的有益效果如下：

通过以上方案的实施，将液压支架系统的工作参数间相关性的异常改变作为液压支架系统早期故障特征，采用主元分析法将标准化液压支架系统的工作参数的数据投影到主元子空间和残差子空间，其中，主元子空间反映的是工作参数的主要统计特性，残差子空间反映的是未被主元子空间描述的工作参数的统计特性；在这两个子空间上分别构建Hotelling’s T

附图说明

图1为本发明一种矿山液压支架系统早期故障实时预警方法的流程图。

图2为本发明在一个泵-管-阀液压系统上的实施效果。

图3为现有的单变量阈值检测法在一个泵-管-阀液压系统上的实施效果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式限制。

如图1所示，一种矿山液压支架系统早期故障实时预警方法，包括离线训练和在线监测两个阶段，其中，离线训练确定液压支架系统的健康指标的门限值，在线监测阶段实时采集液压支架系统的工作参数，计算所述工作参数的Hotelling’s T

离线训练阶段：

步骤1-1：采集在健康状态下的液压支架系统的工作参数的样本数据，记为X

步骤1-2：对所述健康状态下的液压支架系统的工作参数的样本数据进行预处理，使之落入一个小的特定区间，以消除因各项工作参数量纲不同对故障检测结果的影响；去除样本数据的单位限制，将其转化为无量纲的纯数值，记为标准化后健康状态下工作参数；其使用公式如下：

其中，

步骤1-3：计算标准化后健康状态下工作参数的Hotelling’s T

步骤1-31：计算标准化后健康状态下工作参数的协方差矩阵S，计算方法如下：

其中，m为对标准化后健康状态下工作参数的取样组数；X

步骤1-32：计算协方差矩阵S的特征值和特征向量，并将其按照特征值的大小降序排列；其中，特征值记为λ

步骤1-33：计算特征值λ

其中，

步骤1-34：根据检测要求标准设定累计方差贡献率阈值CPV

步骤1-35：确定Hotelling’s T

其中，F

其中，θ

其中，其中，θ

在线监测阶段：

步骤2-1：实时检测液压支架系统的工作参数的数据，记为X

步骤2-2：采用与步骤1-2中相同的预处理公式，带入步骤2-1中实时检测液压支架系统的工作参数的数据后对数据进行预处理，去除所述工作参数的数据的单位限制，将其转化为无量纲的纯数值；其使用公式如下：

其中，

步骤2-3：采用主元分析法将标准化的所述液压支架系统的工作参数的数据投影到主元子空间和残差子空间，包括以下步骤：

步骤2-31：根据步骤1-34中得到的k值，将特征向量p

步骤2-32：其中，利用

其中，

步骤2-4：在主元子空间和残差子空间分别构建Hotelling’s T

其中，A为协方差矩阵S的前k个特征值所构成的对角阵，其计算公式为：

步骤2-5：判定液压支架系统是否出现故障，当满足按式

如图2所示，为本发明在一个泵-管-阀液压系统上的实施效果，诊断的故障类型为管道泄漏。作为对比，如图3所示，为利用单变量阈值检测法对该故障的检测结果，图中，虚线表示报警阈值限。可见，采用传统阈值检测法，有相当一部分故障样本无法被检出，故障检出率只有53.75％，存在严重漏检问题。而采用相关性检测法后，通过构建Hotelling’sT

上述实施例仅说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明,任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变；因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。