煤矿机电设备健康管理系统关键技术的研究.docx
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煤矿机电设备健康管理系统关键技术的研究
贵州大学继续教育学院六枝教学点
煤矿机电设备健康管理系统关键技术的设计
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摘要
随着工业生产的发展，设备现代化水平的提高，煤矿机电设备在煤矿企业生产中的作用与影响日益扩大。
如何管理好这些设备，降低设备维修费用，提高设备的可靠性，延长设备使用寿命是现代化煤矿机电设备管理面临的一项重要研究课题。
首先，本文研究了面向煤矿机电设备健康管理的系统理论。
根据设备管理现状和用户需求建立了煤矿机电设备健康管理系统的功能模型，设计了煤矿机电设备健康管理系统的体系框架。
其次，从煤矿机电设备维修和健康管理的角度出发，探讨了煤矿机电设备点检管理理论，研究了以点检数据为基础，基于最小二乘支持向量机（LS-SVM）的设备健康趋势预测方法。
然后，分析了煤矿机电设备管理现存的问题，并应用BPR流程优化理论对系统主流程进行了优化。
最后，对系统的数据库进行了设计，包括工作流管理框架运行数据库和系统运行数据库。
系统实现了设备的前期管理、设备运行管理、设备维修管理、设备租赁管理和设备后期管理等功能。
关键词：
煤矿设备；健康管理；信息系统；趋势预测
目录
摘要2
一、绪论4
（一）选题背景及研究的意义4
（二）本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势4
（三）本课题的研究内容6
（四）论文主要内容6
（五）本章小结7
二、煤矿机电设备健康管理系统的体系架构7
（一）煤矿机电设备健康管理系统定义7
（二）系统架构7
1.系统功能架构7
2.系统层次架构8
3、系统逻辑架构9
（三）本章小结10
三、系统的实施10
（一）系统运行网络架构10
1.系统的开发与运行环境11
2.系统实施应该关注的问题11
（二）系统运行实例11
1.系统登陆11
2．系统运行实例12
（三）本章小结13
四、结论13
（一）本文总结13
（二）本课题展望14
参考文献14
一、绪论
（一）选题背景及研究的意义
自20世纪70年代中期开始，科技进步促进工业领域以前所未有的速度发展，煤矿从企业小而多逐渐向企业集团化方向发展。
既带来高效率、高效益等优势，又使设备的使用、管理、维修出现了一系列的新问题。
非计划的停机时间始终影响着设备的生产率和企业的经济效益，很小的故障也极有可能导致整个生产线的瘫痪，因此，煤矿设备的维修和管理越来越重要。
机电设备的维修管理是随着生产发展而形成的一门学科，其发展过程大致经历了以下几个阶段，即事后维护、预防性维护、生产维护、改良维护、预测维护、维修预防、状态维护和预测与健康管理。
煤矿机电设备管理和维修仍沿用传统的体制和方式，即事后维修和预防性维修。
事后维修致使机电设备停机时间增加且无法保证机器的正常和及时使用，直接影响了煤炭生产任务的完成。
在预防性维修方式中，固定的检修周期有可能过度检修，也有可能欠检修。
因此，对于煤矿机电设备健康的管理越来越受到人们的重视，设备预测与健康管理在设备维护管理方式中的优势更加明显。
（二）本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势
随着工业生产的发展，设备现代化水平的提高，设备在现代生产中的作用与影响日
益扩大，煤矿企业的设备费用支出占煤矿开采成本的40%以上，如何管理好这些设备，降低设备维修费用，提高设备的可靠性，延长设备使用寿命是现代化煤矿设备管理面临的一项重要的研究课题。
煤矿机电设备管理系统的开发对煤矿企业的设备管理来说显得越来越重要。
设备管理的发展过程，大致可以分为以下四个阶段：
（1）事后维修阶段
资本主义工业刚开始生产时，由于设备简单，维修便当、耗费的工时少，一般都是在设备使用到出故障时才进行修理，这就是人们熟悉的事后修理制度，这时候的设备操作和修理全由操作人员承担。
（2）设备预防维修管理阶段
1925年前后，美国首先提出预防维修的概念，其基本含义是对影响设备正常运行的故障采取“预防为主”、“防患于未然”的措施，以降低停工损失费用和维修费用。
苏联大约在30年代末和40年代初开始推行设备预防维修制度，苏联称其为计划预防维修制度（称为计划预维修）。
50年代初期，我国从苏联引进了计划预维修制度，这是我国设备管理制度的第一次飞跃，对于建立我国自己的设备管理体制，促进生产发展起到了积极的作用。
（3）设备系统管理阶段
在60年代，美国企业界又提出了设备管理“后勤学”的观点。
它是从（制造厂为用户）“后勤支援”的要求出发，强调对设备的系统管理，设备在设计阶段就必须考虑其可靠性，维修性及其必要的后勤支援方案。
与此同时，日本也首先在汽车工业和家用电器工业提出了可靠性和维修性观点，以及“无维修”和“无故障”设计的要求。
至此，设备管理从传统的维修管理转为重视先天设计和制造的系统管理，设备管理进入一个新的阶段。
（4）设备综合管理阶段
体现设备综合管理思想的两个典型代表是“设备综合工程学”和“全员生产维修制”。
“设备综合工程学”是由英国设备综合工程中心所所长丹尼斯·帕克斯于1971年提出，后在英国官方的支持下，迅速发展，并逐步完善起来的一门设备管理新学科，它是以设备寿命周期费用即以最经济的形式为设备管理目标。
“全员生产维修制”（TPM）是日本在70年代初开始推行的一种设备管理和维修制度，其中心思想是“三全”，即“全效率、全系统和全员参加”。
当前我国煤矿设备管理的发展趋势：
①利用社会技术力量，建立一支高素质、高技术、高质量、高速度的机电维修队伍。
②加强、改进润滑管理。
煤矿机械设备润滑管理是运用摩擦学理论和现代设备管理方法，通过科学的管理途径实现煤矿机械设备的合理润滑，减少生产机械设备磨损、节能降耗、延长使用寿命。
③加强技术管理与经济管理相结合。
这是一条既要求重视设备物质形态运动管理，又要求重视设备价值形态运动管理方面的内容，也是提高设备投资综合效益的重要途径。
④建立基于状态监测的煤矿设备维修管理系统。
煤矿设备维修管理的信息化管理就是对煤矿机电设备进行现代化管理。
⑤状态监测和故障诊断技术的应用趋势。
设备状态监测技术是指利用先进的科学手段，通过对设备或生产系统的温度、振动、噪声、润滑油厚度、消耗量等各种参数的监测，与设备生产厂家的数据相对比，分析设备运行的好坏，及早发现故障苗头，从而主动采取相应的预防措施，把故障消灭在萌芽状态，降低设备故障停机时间，提高设备运行可靠性，延长设备运行周期。
⑥从定期维修向预知维修转变的趋势。
设备的预知维修管理是现代设备科学管理发展的方向，为减少设备故障，降低设备维修成本，防止生产设备的意外损坏，通过状态监测技术和故障诊断技术，在某些方面设备正常运行的情况下，进行设备整体维修和保养。
在对煤矿机电设备进行健康管理的过程中，煤矿机电设备的健康趋势预测是设备管理工作的一个重点。
有关预测技术的研发和学术交流活动非常活跃，人们普遍认为，电子预测技术目前虽然远未达到成熟，尚不能进入应用，但它代表了预测理论未来的一种重要发展趋势。
煤矿机电设备健康趋势的预测理论也在不断的发展。
根据系统的复杂程度和预测方法的预测能力和适用范围，设备的预测方法可以分为：
基于统计模型的故障预测技术、基于知识的故障预测技术和基于数据的故障预测技术。
基于模型的故障预测技术的优点是：
模型通常由特定领域的专家给出，经过大量数据验证，一般比较精确。
基于模型的故障预测技术可以实时的对设备的故障进行预测，并且随着对设备故障的理解加深，可以逐步来修正模型来提高预测的精度。
但在实际应用的过程中，模型的建立是个难题。
由于受系统的复杂程度、环境等影响，难以建立精确的数学模型，因此在一些应用中，这种设备寿命预测的方式也受到了限制。
基于模型的故障预测技术的典型代表是基于随机滤波理论的故障预测技术。
基于知识的故障预测技术能够充分利用领域专家的知识，不再需要知道对象精确的数学模型，同时能有效的表达对象相关领域专家的知识，克服了基于模型的故障预测技术的缺点。
基于知识的故障预测技术只适合于推理不适合于定量计算，所以限制其实际应用。
基于数据的故障预测技术以检测的数据为基础，不需要对象的先验知识，通过数学计算、分析推理得到设备隐含的健康状态变化信息，克服了基于模型预测技术和基于知识的故障预测技术的缺点。
基于数据的故障预测技术包括基于经典时间序列分析的故障预测技术、基于灰色理论的故障预测技术和基于机器学习（神经网络、支持向量机）的故障预测技术。
基于数据的故障预测技术还有Byington等人使用贝叶斯网络进行飞机自动驾驶仪的故障诊断和预测。
Flint等人研究了一种预测维护系统[19]，Berenji等人提出了使用动态范例推理进行故障诊断和预测的方法，并将该方法应用于工业制冷机系统的故障诊断和预测中证明了该方法的有效性。
传统的设备管理信息系统（PMIS），主要功能是设备台帐和档案管理，可以使设备的静态信息规范化、标准化，以便高效、及时、准确地分析处理这些信息。
设备管理系统的研究有基于web开发的煤矿设备维修管理系统、基于B/S和C/S混合模式的煤矿设备管理系统、基于EAM的煤矿设备管理系统、基于ERP的煤矿设备管理系统等。
传统的设备管理信息系统无法实现对设备的动态管理，而且设备管理各部门的设备管理系统自成体系，缺乏沟通和联系，形成“信息孤岛”。
现有的系统也存在着很多问题，如管理不规范，功能不完善，无法对设备进行全寿命跟踪，不能对设备实现健康管理等。
随着现代企业生产设备规模和自动化程度的不断提高，为了促进企业的管理工作，实现企业设备管理的科学化、规范化、系统化、信息化。
开发煤矿机电设备健康管理系统己成为现代化煤矿企业发展的一个必然要求。
（三）本课题的研究内容
本论文以煤炭企业机电设备维修和管理模式的不断改进和发展为背景，系统深入地研究煤炭企业机电设备的管理途径和方法，研究煤矿机电设备健康管理系统的整体功能框架和体系框架。
探讨煤矿机电设备健康管理的关键技术，包括设备点检和煤矿机电设备健康趋势预测。
分析煤矿机电设备管理业务流程中问题及现有系统中存在的问题，对整个系统的业务流程进行优化。
最后从软件实现的角度，理论联系实际，研究系统的框架结构，并开发煤矿机电设备健康管理系统。
（四）论文主要内容
第一章简述本文的选题背景、国内外研究现状、本课题的研究内容以及论文的主要内容。
第二章介绍了煤矿机电设备健康管理系统的定义，规划设计了系统的功能架构、层次架构和逻辑架构。
从煤矿机电设备维修管理的特点的角度出发，探讨了煤矿机电设备点检管理，研究了基于点检数据的设备健康趋势预测方法。
第三章研究并设计了机电设备健康管理的系统架构及数据模型，开发了机电设备健康管理系统软件。
第四章总结本文所做的工作，并对本文选题做出展望。
（五）本章小结
本章介绍了国内外设备管理现状及动向，阐述了本课题研究的背景、意义、研究内容。
二、煤矿机电设备健康管理系统的体系架构
（一）煤矿机电设备健康管理系统定义
煤矿机电设备健康管理系统以现代维护理论和网络技术为基础，利用电子商务的在线性、分布性、服务性等特征，采用基于Web技术的解决方案，实现设备维护的数字化、网络化、在线化、远程化和智能化，从而整合和优化维护资源、实现整个煤矿设备的健康管理。
通过对周期的优化，提高设备维护的层次，减少维护工作量，降低设备备件库存，提高维护工作效率，进而减少维护费用，提高设备使用效率，取得极大的经济效益。
（二）系统架构
1.系统功能架构
系统功能架构图如图2.1所示：
图2.1系统功能架构图
系统的功能架构包括五个主要层级：
企业级、工作单元级、设备级和维修资源及维修对象级。
各个级别之间通过信息流进行交互协作。
企业级负责协同企业的ERP、协同供应链及维修工作的制定、决策和评价。
工作单元维即健康管理系统部分，负责设备的健康趋势预测、质量管理、安全管理、维修历史的跟踪。
设备级负责设备数据的采集、故障诊断和设备的维修等。
维修资源和维修对象级包括维修资源和设备。
2.系统层次架构
系统的层次架构图如图2.2所示：
图2.2系统层次架构
（1）功能层。
包括状态监控、故障预测、设备维护、备件管理等根据系统的功能模型进行分解、分配的各种功能模块，在上层会以Web服务的形式进行封装。
（2）组件层。
在这一层中可以用不同的组件把底层系统的功能封装起来，如数据采集、数据分析、维修决策、知识管理等服务部件等。
（3）服务层。
SOA中的服务可以被映射成具体系统中的任何功能模块，按其功能特点可划分为三种类型，即业务过程、业务功能服务、技术功能服务等。
服务层基于发布、查找、绑定等方式响应用户的请求，调用功能服务部件，产生相应的动态内容，从而形成了一个标准的用户请求/响应体系结构。
（4）工作流程层。
这一层利用已经封装好的各种服务来构建系统中的业务流程，比如用户角色管理流程、设备故障诊断流程等。
基于协同工作流技术，实现煤矿机电设备管理流程的整合、再造管理。
（5）表示层。
表示层向用户提供用户接口服务。
（6）企业服务总线（ESB）。
为整个系统提供了一个集成的环境来支持它们的运行。
一个服务可以通过发送消息来调用另外一个服务，这些消息经由服务总线转换后得以实现。
3、系统逻辑架构
系统的逻辑架构如图2.3所示：
图2.3系统逻辑架构图
（1）用户层
用户层作为系统对外的窗口，用于实现用户与系统的交互。
其中，企业员工通过该平台实现日常维护工作，如维护计划、工单管理等的在线化、网络化；维护专家、维护商通过该平台可以与企业共同构成维护联盟，在安全机制的控制下，共享相关设备信息，共同解决设备维护问题；备件供应商经过注册其相关备件供应等服务到该平台，并通过平台实现其相关信息的发布，以便获取潜在的订单。
此外，通过各自的门户网站，各种用户可以实现彼此间的实时交互。
（2）领域服务层
在领域服务层，集成了一系列使能的系统级和应用级工具集。
典型工具主要包括：
①基础服务功能集。
此部分功能包括数据安全服务、基于角色的权限管理、远程协同管理、信息反馈、跟踪与监控管理等，为整个平台的运行提供基础功能服务。
②核心功能服务集。
该部分集成了一系列设备维护相关的核心功能，如设备的健康管理、维护决策、维护计划制定、备件决策、维护任务调度等功能。
是系统的关键使能工具集。
③数据与知识管理服务。
支撑系统运作的所有维护相关的设备信息、资源信息以及相关的过程与状态信息均在此得以保存和维护；同时，所有维护相关的知识由此部分管理，通过其提供的数据与知识管理模型，可以实现异构环境下的信息、知识共享服务，还有基于本体的知识管理等服务功能。
此外，在此处完成各种服务功能的聚合等任务。
（3）基本面向服务体系结构层
此层提供SOA的基本实现环境，如UDDI、SOAP、WSDL等，为整个系统的运行提供运行基础。
（4）应用执行层
应用执行层包括实际执行各种维护操作的软硬件资源及其应用。
各种资源的静态信息及运行时的动态信息均存储于相应的数据库中。
（三）本章小结
本章介绍了煤矿机电设备健康管理系统的定义，分析了煤矿机电设备健康管理系统的功能架构、层次架构和逻辑架构。
三、系统的实施
（一）系统运行网络架构
系统运行网络架构图如图3.1所示：
图3.1系统网络架构图
公司网络交换以千兆以太网为主干，用光缆与各部门互联，形成一个星型网络拓扑。
主干网配备有千兆交换机与神东公司信息中心连接，各分厂配有百兆交换机，有专门的数据机房，均配有CISCO和3COM公司的高性能ATM交换机和接入设备。
整个系统运行网络是基于以太网的局域网。
1.系统的开发与运行环境
煤矿机电设备健康管理系统的开发及运行环境配置如下：
（1）开发工具：
Eclipse3.4系统软件环境；
（2）服务器端：
操作系统：
windowsXP；
（3）应用服务器：
ApacheTomcat6.0；
（4）数据库：
MySQL5.0；
（5）客户端：
操作系统：
任意；InternetExplorer6.0以上的浏览支持。
2.系统实施应该关注的问题
系统在实施过程中要注意以下问题：
（1）初始数据的准备工作
该系统在投入使用前要准备大量的基础数据和初始信息。
主要包括设备分类信息、设备基本信息、备件信息、故障信息、维修信息等。
这一工作应该由开发方的实施人员协助企业的实施人员完成，要注意保证这些信息的准确性和完整性，使数据能完整反映
系统使用之前企业设备管理的状态和特征。
（2）用户培训
由开发方的培训人员对使用方的人员进行培训，系统地讲述该设备管理信息、系统的设计思路和相关的管理流程，帮助使用方的人员学习并熟练掌握系统的使用方法和注意事项。
（3）初始设置
系统初始设置包括设备分类设置、设备状态设置、设备故障分类设置、润滑方式分类设置、设备参数类型分类设置，这些设置是系统运行的统一基础，建议在开始使用该系统后不要变更这些设置。
（二）系统运行实例
1.系统登陆
系统的登陆界面如图3.2所示。
用户在输入用户名和密码后判断其合法性和权限，输入正确后，系统将根据合法的权限分配相应的菜单项，进入主界面。
图3.2系统登陆界面
2．系统运行实例
图3.3所示为登陆后点击仓库信息管理后显示的界面，包括系统工具栏、菜单栏、标题栏、搜索参数栏、功能栏和查询结果显示区域。
图3.3仓库信息管理界面
（1）系统工具栏：
显示系统常用工具，包括帮助、隐藏左侧菜单，退出等功能。
（2）菜单栏：
根据角色对应的菜单权限进行显示。
（3）标题栏：
显示当前正在操作的功能模块的名称。
（4）搜索参数栏：
根据用户需求输入搜索条件，进行查询。
（5）功能栏：
链接到用户其他的功能操作。
（6）查询结果显示区域：
显示查询之后的结果，可以按属性进行排序显示。
系统部分运行实例如图3.4所示。
（a）设备故障管理（b）设备维修管理
（c）点检数据趋势报表（d）设备故障趋势预测
（e）设备闲置管理（f）设备报废管理
图3.4系统部分运行实例图
限于篇幅，其他系统运行实例图不再一一列出。
（三）本章小结
本章介绍了系统所使用的架构，搭建了基于Spring+Hibernate+jBPM的煤矿机电设备健康管理系统J2EE框架，然后进行了系统数据库的设计。
在此基础上对系统进行了详细的程序设计，包括表示层设计、控制层设计以及数据操作DAO层。
配置了系统的运行环境，并对整个系统的运行进行了验证。
四、结论
（一）本文总结
本课题结合煤矿企业的生产特点，通过对国内外煤矿机电设备管理现状和发展趋势进行分析，在实际项目开发的基础上，建立了一套较为完善的煤矿机电设备健康管理信息平台，对煤矿机电设备进行全寿命周期的管理。
取得的主要成果如下：
1．结合我国煤矿企业设备维修管理现状、煤矿企业生产特点以及国内外设备维修管理的现状和发展趋势，结合实际项目，提出煤矿机电设备健康管理的概念，规划设计了系统的总体功能架构、层次架构和逻辑架构；
2．从煤矿机电设备健康管理的特点的角度出发，探讨了煤矿机电设备健康管理中的关键技术，包括设备点检制度，设备健康趋势预测等，通过研究最小二乘支持向量机（LS-SVM）的基本原理、基本算法和常用核函数，把最小二乘支持向量机引入到煤矿机电设备健康趋势预测中，为煤矿机电设备健康管理系统的开发提供了强有力的基础；
3．分析了矿区煤矿机电设备管理现存的问题，如广泛的“信息孤岛”问题、管理不规范和功能不完善等。
在指出这些问题的基础上，对原有系统进行了重新设计，应用BPR流程优化理论对系统主要流程进行了优化。
运用jBPM工作流程管理框架定义了煤矿机电设备健康管理的主要流程，实现了基于jPDL的煤矿机电设备健康管理系统流程优化；
4．研究了煤矿机电设备健康管理系统所使用的软件架构技术，详细设计了系统J2EE框架，按照系统层次结构对系统进行分析，编程实现系统的各个功能模块，搭建了系统的运行环境并对系统进行了验证；
5．系统实现了设备的前期管理、设备运行管理、设备维修管理、设备租赁管理和设备后期管理等功能。
该系统在矿区局域网内进行了安装和测试，运行稳定正常，切实有效地改变了设备信息孤岛等诸多问题，用户普遍反映良好。
（二）本课题展望
随着技术的发展，煤矿机电设备的管理占据着越来越重要的地位。
是由于时间和技术能力的限制，还存在着一些不足，在以后的工作中，还将从以下几个方面进行完善：
1．系统还在试运行阶段，而系统的维护是一个长期循序渐近的过程，需要在实际应用的过程中不断努力去完善；
2．对数据库表结构进一步优化，提高数据库的运行速度；
3．煤矿机电设备的趋势预测方法进一步研究与改进，提高预测的准确度；4．对系统的功能进行扩展，以不断适应企业的管理需求。
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