基于传感网的超深立井提升系统健康监测方法

Super deep shaft hoist systems become much important in current coal mining in China. This project employs the system dynamic theory, wireless sensor network (WSN) techniques and healthy monitoring techniques to develop a healthy monitoring method for super deep hoist systems based WSN. Firstly, the coupled dynamic models of carriers, ropes and guidances are obtained, and then the system dynamic behavior under faults and defects is analyzed. Secondly, the sensor signals sensitive to the system healthy state are determined based on the dyanimcs models and directed graph theory, and then the sensor location strategy is proposed. After that, the relation between system faults/defects and the features of sensor signals is analyzed. Thirdly, the location and management strategy of nodes for networking is studied, in order to ensure the connectedness of networks and improve the reliability of key system information. Fourthly, the information fusion method based on adaptive sub-space identification is proposed to evaluate the system healthy state, find the performance degradation behavior and provide the suggestion for system maintainence. The results will improve the safety and reliability of super deep hoist system, avoid accidents, and reduce the maintainence cost.

本项目以开采深度达千米以上的超深立井提升系统为对象，充分考虑其窄长空间特征和特殊工况，将系统动力学、传感网和健康监测理论相结合，开展基于传感网的超深立井提升系统健康监测方法研究。首先，建立提升容器、钢丝绳和导轨等的耦合动力学模型，深入分析系统故障和缺陷激励下提升系统的空间动力学行为；其次，根据动力学模型，运用有向图方法，确定反映系统关键运行参数的传感器信号，并以此提出传感器部署策略，掌握系统故障和缺陷与传感信号特征之间的关联规律；再次，研究超深立井窄长空间中网络节点的覆盖与调度策略，保证传感器网络的连通性，提高系统运行关键信息传输的可靠性；然后，提出基于自适应子空间辨识的传感网信息融合方法，提出提升系统健康状态评估标准与评估策略，掌握其性能演化规律并对潜在故障进行预测；最后，开展面向煤矿超深立井提升系统健康监测实验研究。研究成果对提高超深立井的安全性与可靠性、避免恶性事故发生具有重要意义。

煤炭是我国的主导能源，国内已探明的煤炭资源大部分深埋在千米地层以下，必须使用超深立井提升系统。本项目在国家自然科学基金委的资助下，从超深立井存在复杂的地质条件、时变的运行环境以及提升系统多部件耦合严重等问题入手，开展基于传感网的超深立井提升系统健康监测方法研究工作。建立了超深立井提升系统耦合动力学模型，掌握了多工况下系统运行故障、结构缺陷激励下提升系统动力学行为；明确了反映提升系统状态的关键运行参数和传感器信号之间的关系，结合特征快速提取方法，获取了反映系统健康状态的低冗余特征集，提高了监测信息采集的有效性；提出了传感器网络低功耗、高可靠性的数据传输协议，探索出通过设计传感器网络策略来满足健康监测对异构传感网传输可靠性要求的途径；建立了提升系统健康指标体系，提出了基于子空间模型和观测器组的状态识别方法，为超深立井提升系统的健康监测提供了解决方案。研制了异构传感器节点，构建一套针对面向煤矿超深立井提升的健康监测系统。取得的相关成果有：获得国家技术发明二等奖1项；发表论文被SCI收录11篇、EI收录1篇；授权国外发明专利6件、中国发明专利7件；培养博士生3名、硕士生2名。本项目突破了超深立井狭长半封闭空间中提升系统耦合动力学行为分析、传感网信息采集和健康监测存在的关键技术难题，为千米深煤炭安全开采提供支撑，具有较高的学术水平和推广应用价值。