基于深度学习的智能起重机配矿系统研究

刘东阳

（重钢西昌矿业有限公司，西昌 615000）

随着经济的快速发展和城市化进程的加速，社会对矿产资源的需求不断增加。起重机作为采矿作业中的重要设备，其运行状态会直接影响采矿效率。为了提高起重机运行效率和配矿精度，专家学者和企业开始探索基于人工智能的起重机配矿优化方法。深度学习作为一种先进的机器学习算法，具有强大的特征学习和分类能力，广泛应用于图像识别、自然语言处理和语音识别等领域。近年来，深度学习算法开始应用于工业生产领域，为智能起重机配矿系统的研究提供了新的思路和方法。

1 深度学习的相关概述

深度学习是一种机器学习方法，基于人工神经网络结构，通过组合低层特征形成更加抽象的高层表示属性类别或特征，以发现数据的分布式特征表示[1]。深度学习的相关理论包括人工神经网络、反向传播算法、卷积神经网络和循环神经网络理论等。人工神经网络是一种模拟人脑神经元的计算模型，由多个神经元相互连接而成。每个神经元接收输入信号后，向下一个神经元输出信号。人工神经网络通过调整神经元之间的连接权重来优化模型的预测效果。反向传播算法是一种通过计算梯度来更新神经元权重的方法。在训练过程中，模型首先向前传播数据，计算输出结果与预期结果的误差，其次将误差反向传播到每个神经元，计算每个神经元的梯度，最后根据梯度更新权重。循环神经网络是一种用于处理序列数据的神经网络，通过记忆单元联系当前时刻的输入与前一时刻的输出，在序列预测、语音识别等领域取得了良好的应用效果[2]。在起重机智能配矿领域，可以将深度学习算法应用于监测起重机运行状态、分析配矿数据、预测配矿量等方面。

2 深度学习在智能起重机配矿系统中的应用

2.1 监测起重机状态与故障预测

安装传感器和监测设备能够实时监测起重机的运行状态，包括速度、加速度和位置信息等[3]。深度学习算法可以利用这些数据建立状态监测模型，实时监测起重机的运行状态，及时发现异常状态，预测潜在故障，以便提前采取维修和保养措施，避免事故发生，提升起重机的安全性和可靠性。

2.2 优化配矿过程

配矿过程是采矿作业中的重要环节，需要对各种矿石进行合理配比，以达到最佳采矿效果，获得最高经济效益[4]。深度学习算法可以利用配矿数据建立深度学习模型，优化配矿过程。配矿过程的优化通过3 个方面来实现。

第一，识别和分类。利用矿石图片训练深度学习算法中的卷积神经网络模型，使其能够自动识别和分类矿石，以便减少人工操作误差，提高配矿效率和准确性[5]。

第二，预测配矿量。深度学习算法可以利用历史配矿数据建立预测模型，来预测未来的配矿量，实现配矿过程的自动化和智能化，提高配矿的经济效益。

第三，优化配矿比例。深度学习算法可以利用配矿数据建立深度学习模型，优化不同矿石的配比，提高矿石的利用率，改善采矿效果，最大化利用资源。

3 智能起重机配矿系统的数据采集和处理

3.1 数据采集

数据采集是智能起重机配矿系统的第一步，需要采集的数据包括起重机速度、加速度、位置信息、配矿重量以及配矿成分等。采集数据需要使用传感器和监测设备，如速度传感器、重量传感器、成分分析仪等。在实际应用中，为确保数据采集的准确性和实时性，首先要选择可靠的传感器和监测设备，定期对设备进行校准和维护。其次，建立完善的数据采集系统，整合传感器和监测设备的数据并进行共享，避免数据孤岛和重复采集。最后，清洗和过滤采集到的数据，去除噪声和异常值。

3.2 数据处理

数据处理是智能起重机配矿系统的关键步骤。完成数据采集后，需要处理、分析和挖掘数据，提取出与配矿相关的特征和规律，为深度学习模型的训练和应用提供数据支持。

步骤一，清洗和过滤采集到的数据，去除噪声和异常值，保证数据的准确性和可靠性。步骤二，预处理清洗后的数据，如归一化、标准化、离散化等，目的是将数据转化为深度学习模型可处理的格式。步骤三，从预处理后的数据中提取与配矿相关的特征，如速度、重量、成分等，便于深度学习模型使用。步骤四，标注处理后的数据，将起重机的速度、加速度、位置信息等标记为不同类别和等级，便于深度学习模型训练和应用。步骤五，将处理后的数据存储在数据库中并进行管理，便于后续分析和应用。

4 基于深度学习的智能起重机配矿系统的设计与实验

4.1 系统设计

基于深度学习的智能起重机配矿系统主要包括数据采集与处理、深度学习模型构建、模型应用与预测、起重机调度与路径规划4 个模块。数据采集与处理主要通过各种传感器和监测设备采集起重机的速度、加速度、位置信息以及配矿的重量、成分等数据，并进行数据清洗、预处理和特征提取，为深度学习模型提供训练和测试数据。构建深度学习模型要根据配矿过程的特点和需求，选择合适的深度学习模型，如卷积神经网络、循环神经网络或深度信念网络等，然后利用采集到的数据进行模型训练和优化。模型应用与预测指将训练好的深度学习模型应用于智能起重机配矿系统，实现自动化和智能化的配矿过程，并利用模型预测配矿量和优化配比。起重机智能配矿模拟，如图1 所示。起重机调度与路径规划是指通过深度学习算法建立起重机调度和路径规划模型，实现起重机的自动调度和最优路径规划，提高起重机利用率和采矿效率。在系统设计过程中，需要综合考虑深度学习算法的可行性、模型的复杂度和计算资源等。此外，可以采用迁移学习、数据增强等技术，提高模型的准确性和泛化能力。

图1 智能起重机配矿模拟

4.2 实验验证

步骤一，准备充足的起重机智能配矿数据，包括起重机的速度、加速度、位置信息以及配矿的重量、成分等。这些数据可以通过实际采集或公开数据集获取。步骤二，利用准备好的数据训练深度学习模型，训练步骤包括参数设置、模型优化等。在训练过程中，可以采用交叉验证等技术提高模型的泛化能力和稳定性。步骤三，评估训练好的模型，根据评估结果选择最优模型，并将其应用于智能起重机配矿系统。评估指标包括准确率、召回率、F1 值等。步骤四，将选定的模型应用于智能起重机配矿系统，并进行实际应用测试。通过分析实际应用效果，进一步评估模型的准确性和稳定性。步骤五，总结实验过程和结果，分析基于深度学习的智能起重机配矿系统的优势和不足，提出改进和优化建议。

5 基于深度学习的智能起重机配矿系统的意义

5.1 数据处理和分析的自动化

深度学习算法在智能起重机配矿系统中扮演着重要的角色，能够自动化进行数据清洗、预处理和特征提取等任务，从而有效减少人为失误，提升数据的准确性和可靠性。与传统方法相比，深度学习算法具有更高的响应速度和效率，能够更好地支持智能起重机配矿系统的优化和升级。

通过深度学习算法清洗和预处理采集到的数据，能够去除数据中的噪声和异常值，确保数据的准确性和可靠性。此外，深度学习算法可以提取出与配矿相关的特征信息，为后续的模型训练和应用提供有力的支持。

智能配矿系统的流程包括多个环节，如图2 所示，首先是数据采集环节，通过传感器等设备采集起重机的运行数据，然后对数据进行清洗和预处理。其次是特征提取环节，利用深度学习算法对数据进行特征提取，然后进行模型训练和应用。最后是配矿方案的制定和执行环节，利用训练好的模型对配矿方案进行优化和调整，并最终执行配矿操作。

图2 智能配矿系统

通过深度学习算法的应用，智能起重机配矿系统能够实现更加精准的配矿操作，提高配矿效率和准确性，同时减少人力成本和人为失误，为企业带来更加稳定和可靠的配矿效果。

5.2 提高配矿效率和准确性

深度学习算法可以自动识别配矿过程中的各种细微因素和条件，如矿物的种类、质量、配比等，并根据这些因素和条件，自动调整配矿方案和操作参数，从而优化配矿效果。这种基于深度学习的智能起重机配矿系统相较于传统的配矿方式而言，具有更高的自动化程度和更精准的控制能力，因此能够大幅度提高配矿工作的效率和准确性。

此外，深度学习算法在配矿数据分析和预测方面具有显著的优势。算法可以自动对大量的配矿数据进行深入分析和学习，从中提取有用的信息并做出准确的预测，以便及时发现配矿过程中的潜在问题和异常情况，从而有效避免发生可能的事故，确保配矿过程的稳定性和安全性。同时，深度学习算法可以根据配矿数据的分析和预测结果，对配矿过程进行及时的调整和优化，使整个配矿过程更加高效、准确和稳定。

5.3 提高资源利用效率

基于深度学习的智能起重机配矿系统能够高度精准地实现资源利用效率的最大化。通过先进的智能化监测和控制技术，系统可以敏锐识别配矿过程中的各种细微差异和复杂的条件变化，从而科学有效地利用资源。这种智能化的配矿系统可以最大限度避免资源的浪费和环境污染，同时符合当前全球可持续发展的趋势。

通过智能化的配矿管理，企业可以大幅提高资源利用效率、节约成本、提高产量并降低能耗。这将极大提升企业的竞争力，并为其带来更广阔的经济效益。同时，智能起重机配矿系统能够更好地保证矿产资源的充分利用，减少废料和废弃物的产生，降低对环境的影响，为环境保护和社会可持续发展做出积极贡献。

6 结语

智能起重机配矿系统在矿山生产过程中得到了越来越广泛的应用，传统的起重机智能配矿方式已经无法满足矿山的生产需求。文章提出了一种基于深度学习的智能起重机配矿系统优化方案，该方案利用深度学习网络模型优化起重机配矿系统，有效解决了单一起重机配矿方式存在的不足和问题。目前，该优化方案已应用于多家矿山，并取得了良好的应用效果，说明其具有较好的应用价值。