基于振动信号分析的露天矿道路工矿质量识别

2024-03-13孙欣武张瑞新孙健东孟子杰邢朝博

露天采矿技术 2024年1期

孙欣武，张瑞新，孙健东，孟子杰，张瞾，邢朝博

（1.华北科技学院计算机学院，河北三河 065201；2 华北科技学院矿山安全学院，河北三河 065201；3.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100080）

为了适应煤炭行业智能化发展要求和“碳中和，碳达峰”的政策趋势，露天矿行业的粗放型生产逐步向精细化、智能化[1]、经济化发展。当前我国90%的露天煤矿开采场地都运用单斗卡车工艺，且大部分露天矿逐渐进入到深凹开采的阶段，这就意味着运输成本会有一定增加。在露天矿开采工艺“穿、爆、采、运、排”中的道路运输环节，道路直接影响了矿山的生产效率、设备运行寿命以及安全性[2]。然而，道路经受重载矿卡的频繁行驶、恶劣天气地侵袭以及地质活动的影响，会导致道路迅速损坏和退化，进而增加运输成本[3]。因此，准确地评估和识别矿山道路的质量，对于提高矿山生产效率、降低维护成本以及保障设备和人员的安全至关重要。

在现有车辆运动的研究中，通过垂直加速度研究的优势在于可以更好地研究车辆运动情况[4-6]，通过国际不平等指数与功率谱密度研究可以更好地分析路面总体质量[7-9]；通过频率分析则更好地掌握道路细节问题[10]；WICKRAMARATHNE T 等[11]通过机器学习处理运行数据进行道路研究。为此，基于矿卡运行振动频率进行道路质量评价，通过采集和分析加速度信号[12-13]，从频率特征和振动特性等角度，深入探索矿山道路的质量问题；着重于通过三轴频域分析，准确地识别不同道路质量，为矿山运营决策提供有力支持。

1 研究背景

在以往研究方式中[7]，多基于三轴加速度传感器数据，对普通道路进行质量评估。而对露天矿运输这类产生大量复杂数据的道路进行评估的研究较少。原因之一是道路如何建设、维护及道路的使用周期均由采区的规模、对应的生产计划、不同采区和工作面之间的位置关系决定。因此面对如此庞大的系统工程，难点不仅在于怎么测；同时还在于何时测，在哪测。另一原因是露天矿道路相较于城市中的道路，虽在满足运输需求的基础上，路面更加坚固、耐磨，在平滑性上却与城市道路相差甚远；矿山地形通常不规则，道路具有较大的坡度和曲率，且受到外部恶劣环境的影响以及矿山开采环节自身创造的粉尘、噪声等影响因素，导致难以选取合适的方法进行研究，也难以收集到细致、真实的矿山道路数据集。

基于以上背景，利用信号传输模型捕捉与矿卡悬挂系统相关的系统动态和滤波技术，提出通过频率信号“重建”道路特征的方法。该方法利用三轴加速度传感器长时间采集露天矿山运输设备中的矿用卡车运行数据，配以GPS 定位系统[14-15]，从多元数据筛选出道路数据，从并采集外部环境噪声数据，通过频域滤波技术去除外部噪声，以还原真实运输场景的运行数据。为此，通过对x、y、z 轴的加速度数据以及频率数据进行分析，根据不同频率特征分析道路特征，提出针对露天矿道路质量的综合评价方法。

2 实验准备

在此实验中，矿卡选取北重MT3700 型运煤车。传感器选择“维特智能9 轴MEMS 姿态角度传感器”，为获取更加精准的数据，采集频率设为60 Hz，并注重选取传感器的安装位置及方向，以确保其能够准确地捕捉到矿卡在运输过程中的姿态和运动信息。

具体而言，将车头方向定义为x 轴方向，车身两侧为y 轴方向，车顶为z 轴方向，建立矿卡运行动态坐标系，便于后续从多个维度进行数据处理和分析。为保持数据真实性，传感器则安装在车身悬挂刚性处，避免减震系统影响。在数据采集方面不仅关注矿卡的三轴加速度和速度，还需收集传感器周围的噪声频率并记录数据集中对应道路的特征情况。利用数据的全面性能更全面地掌握矿卡在不同运输状态下的行为和性能。将传感器固定后。获取到的数据通过辅助安装的GPS 定位器，获取不同道路的道路数据集。此外，实验设计考虑到了不同的运输状态，包括平路、上坡和下坡。这样可以保证在实验中获得的数据具有代表性，涵盖了露天煤矿中常见的运输场景，从而为后续数据分析和处理提供了可靠的基础。通过以上数据采集准备，能够获取到丰富、真实的矿卡运行数据，为后续的露天煤矿道路质量评估提供坚实的实验基础。

3 数据采集及处理

收集到的矿卡运行信息包含振动信号，外部环境噪声等信息。而实验需要的数据为振动信号，即道路表面反馈至矿卡的信息，因此需对数据进行去噪处理，在进行去噪处理时，必须准确识别矿卡自身振动信息与外部环境信息的频段特征，以保证去噪效果的有效性与准确性。巩虎涛等[16]对重载货车的运行研究发现，地面对矿卡的z 轴振动影响分布在低频区域，而在水平方向有明显的高频和低频区段。可知实验所需数据与外部环境信息的频段不同。因此，为获取真实数据应对z 轴加速度数据进行低通滤波，对x、y 轴进行高通、低通滤波，通过滤波后的矿卡振动信息分析道路。

在频域分析中，典型的低通滤波器响应曲线显示在截止频率以下的频率区域具有传递增益，而在截止频率以上则出现信号衰减。在振动数据的处理中，可以利用外部高频噪声的信息作为低通滤波器的截止频率。峰值频率差异主要由车体在颠簸时产生的振动噪声所引起。对于大型矿卡的振动信号而言，其主要峰值频率通常在20～30 Hz 范围内，主要峰值频率约为25 Hz。同时，通过利用手机软件在传感器附近进行外部噪声测量，确定外部噪声的频率范围在80 Hz 左右。考虑到矿卡运行频率一般低于40 Hz，将截止频率设置为40 Hz。

在对频率信号进行高通滤波时，观察到x 轴与y 轴的加速度数据变化不明显，而z 轴整体加速度数值有所减小。然而，通过对z 轴加速度进行低通滤波处理，可以观察到滤波结果的波动性保持相对稳定，同时振动幅度有所减小。三轴频域图如图1。

图1 为1 条下坡道路上的三轴加速度频域图，该矿卡的最大运行频率介于20～30 Hz 之间。

对比不同路段的x 轴频率，可以观察到运行加速度整体随频率增加而增长，相应地，随着车速的提升，振动频率也呈现上升趋势。

在y 轴频率方面，整体振幅保持相对稳定，然而不同路段的频域图变化幅度存在差异，这是由于现场道路的粗糙度和不平度所导致。

至于z 轴方向，总体振幅稳定维持在约9.8 m/s2左右，几乎没有显著的波峰，但出现了较多的波谷。具体而言，上坡路段在低频段出现了较多波谷，而下坡路段在中高频段出现波谷，0 %坡路段的波谷较为稀缺。这一现象的根本原因在于低频时，车身在颠簸路段运行，导致车身纵向总体加速度减小。波峰的出现对应着地形的凸起部分，即道路上的碎石。而较多的波谷反映了道路表面存在较多的坑洼情况。

4 数据分析

4.1 方法研究

三轴加速度综合考虑了矿卡在水平、垂直和侧向方向的运动情况，从而能够全面评估道路的情况。然而，在面对复杂的露天道路场景时，高频率地采样会导致大量数据积累，对于处理和存储需求提出了挑战。同时，由于路况和环境的随机性因素可能导致数据变异，因此需要采样大量样本数据以进行可靠分析。

频率分析方法在简化数据处理和分析过程的同时，提供了更为精确的评估手段。它能够同时考虑多个频率分量，从而全面地评估道路的不平度和粗糙度。因此，使用频率分析方法可以克服基于三轴加速度分析的局限性，提供更加准确、客观和全面的道路评估结果。

根据赵兰英[17]对道路的研究，评估道路的数据特征存在多类，分别使用了一些统计特征，包括：标准差、振幅积分、均方根（RMS）等，还有专门用来评价道路的功率谱密度PSD、IRI 等。这些特征可以分别通过速度与加速度求得。

4.2 路面特征

由于露天矿的道路特性，道路极其复杂，经过现场调研，露天矿道路质量的影响因素可以分为：道路粗糙度、不平度。通过路面特征分析可以从庞大的运行数据中，获取与道路特征相关的运行数据特征，根据数据特征，分析每条路的道路路况。根据滤波后的数据，选取x 轴平均振幅F1、y 轴大于振幅平均值的波峰数量F2来评价车身侧方向振动情况，即表征道路的不平度。通过z 轴竖直加速度计算PSD 积分F3，用来描述矿卡在一段道路运行过程中的总体振动能量，即道路的总体质量。

功率谱密度函数公式：

式中：S（f）为功率谱密度函数；X（f）为信号的傅里叶变换公式；t 为信号的观测时间，s；j 为虚数单位；f 为振动频率，Hz。

振幅积分E：

式中：f1、f2为积分的频率范围的起始频率和结束频率，Hz。

y 轴波峰数量M：

式中：N 为信号的样本数量，Aaverage 为振幅平均值，m/s2；x［n］为样本数。

F1、F2、F33 项特征数据分析对露天矿道路具有重要意义，并为实际应用提供了有益信息。特征值F1用于描述车头方向振动幅度的平均值，数值的增大表示车身在x 轴方向的颠簸程度增加，表明道路的不平度较高。F2描述了车身侧向振幅超过平均值的波峰数量，它与不平度密切相关，可用于评价振动的频次，数值地增加意味着振动频次增多。F3则表示了道路在运行过程中传递给车体的总体振动能量，可用于评估道路整体的质量状况。特征值结果见表1。

表1 特征值结果

为了便于后续分析，通过对3 项特征值进行归一化处理，使它们的数值范围统一在0～1 之间。特征值F1、F2、F3拟合程度如图2。图2 中：x 轴表示每一组对比的前者取值范围，y 轴表示后者取值范围，每一个点表示同一条道路两项特征值的数值大小。趋势线斜率接近1 的程度与同一组点在趋势线的聚合程度，表示2 组评价结果的统一程度。

图2 特征值F1、F2、F3 拟合程度

由图2 可知：

1）F3和F2对比结果与F3和F1对比较结果表现出较强的线性关系，二者均对z 轴方向加速度有较强反馈；

2）图2 中绿色点较为离散，即F2和F1对比结果存在略微离散性，原因是F2，F1二者特征值数据来源分别为x、y 轴，即车头方向与车身侧方向，二者方向垂直，由于x 轴和y 轴代表了矿卡在垂直方向上的两种运动，他们的振动特性在垂直方向产生不同影响，因此产生结果在图中呈现出一定的离散性，这种离散性与道路不平度和粗糙度在不同方向上的分布不均匀有关，这也证明从2 个垂直方向考虑矿卡振动情况的必要性，可以更为全面地了解道路情况；

3）在对比结果中，存在一些较大的偏离点，分别标记为R1、R11 和R8，它们分别代表了F3与F2、F2与F1、F3与F1的对比结果。F1、F3与F1的对比结果。这种偏离地产生可以归因于特征值F1的数值相对较低。具体而言，当F1数值偏低时，F2的数值会相对较大。因此，如果F2和F1共同影响了F3的结果，就会导致F3与F2的对比结果出现较大偏离。这一结论强调了F3对于整体结果的重要性，特别是在与F2和F1的关系上。