基于支持向量机的带式输送机能耗预测方法

摘要

本发明公开了一种基于支持向量机的带式输送机能耗预测方法，首先进行离线训练样本采集、在线能耗监测等步骤。监测系统包括三个分别置于驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处的光电编码器以及物料流状态激光采集装置；三个光电编码器及物料流状态激光采集装置与信号处理及特征提取模块连接，信号处理及特征提取模块和基于支持向量机的回归拟合预测模块连接。本发明仅仅采用三个光电编码器、物料流输送状态激光采集装置，即可实现带式输送机能耗在线监测，避免了现有能耗监测系统成本高，现有的能耗监测手段繁琐及缺乏实用性等问题。

权利要求

1.一种基于支持向量机的带式输送机能耗预测方法，其特征是：包括下列步骤：

（1）首先进行离线训练样本采集：

1）离线训练样本采集系统构建

构建能耗测试系统，采用包括高精度功率仪、动态扭矩传感器、转速传感器、物料流状态激光采集装置的传感检测模块，检测带式输送机系统输入功率、输出机械功率、电机转速、物料瞬时流量，最终得带式输送机系统效率，从而得知带式输送机能耗大小和能效比；

采用三个光电编码器，分别置于驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处，获取三个测试点的输送带带速信号，通过采集带式输送机在启动、制动、匀速、变速时三个位置带速变化轨迹，采用函数内插法计算出同一时刻整条带式输送机输送带带速变化规律；

2）带式输送机无物料时训练样本离线获取

采用“信号处理及特征提取”模块进行特征提取，经过低速、中速和高速多次测量，分别获得三种带速下多组无物料时输入功率、输出机械功率和电机转速的特征样本；将无物料时的三种带速下的特征样本对应能耗值定义为“带式输送机系统能耗”；

3）带式输送机有物料时训练样本离线获取

分别在低速、中速和高速三种带速下人为上料，制造物料分布均匀及不均匀的多种工况组合，采用物料流状态激光采集装置采集物料瞬时流量及物料流分布状态数据，采用“信号处理及特征提取”模块进行特征提取，对每一种工况进行多次测量，获得每一种工况下输入功率、输出机械功率、电机转速、物料瞬时流量和物料流分布状态特征样本；将不同工况情况下的能耗值与无物料情况时相应带速下带式输送机系统能耗值相减，其差值可与相对应的特征样本进行组合，得到带式输送机系统能耗与输入功率、输出机械功率、电机转速、物料瞬时流量和物料流分布状态对应表格；

（2）在线能耗监测

采用三个光电编码器检测带式输送机驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处输送带带速值，采用物料流状态激光采集装置检测物料瞬时流量和物料流分布状态，采用“信号处理及特征提取”模块对信号进行特征提取，得到被测样本；采用“能耗检测用训练样本离线获取模块”获取的训练样本构造高维特征空间，建立高维特征空间的线性回归函数；采用 “基于支持向量机的回归拟合预测模块”获得带式输送机系统运行过程中能耗预测值，并将带式输送机系统在线监测能耗作为支持向量机网络输出；

带式输送机无物料时训练样本离线获取的具体方法是：

将无物料时分别置于驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处的三个光电编码器输出的带速信号进行去噪，通过采集带式输送机在启动、制动、匀速、变速时三个位置带速变化轨迹，分析输送带在启动、制动、匀速、变速下的相关性，采用函数内插法计算出同一时刻整条带式输送机输送带带速变化规律，提取无物料下带式输送机输送带带速变化特征向量；

带式输送机无物料运行时，采用高精度功率仪采集带式输送机输入功率，动态扭矩传感器和转速传感器测量带式输送机输出机械功率，将同一时刻带式输送机输入功率与输出机械功率相减，便得到“带式输送机系统能耗”，提取带式输送机在启动、制动、匀速、变速下带式输送机系统能耗，并与带速传感器获取的特征向量结合，得到带式输送机无物料运行时样本；采用上述方法，进行多次测量，获取多组无物料运行时带式输送机系统能耗与带速特征向量样本。

说明书

基于支持向量机的带式输送机能耗预测方法

[0001] 本申请是申请号：201510295101.0、申请日：2015.6.2、名称“带式输送机能效在线监测方法与监测系统”的分案申请。

技术领域

[0002] 本发明涉及一种带式输送机能效在线监测方法及在线监测系统。

背景技术

[0003] 带式输送机是当代散料输送与装卸最高效的设备，广泛应用于煤炭、矿石、水泥和粮食等散货码头。

[0004] 据统计，我国现有带式输送机500万台以上，其中用于散货码头已超过3万台。目前带式输送机的性能要求往往局限于距离、速度、运量、功率等方面，选配电动机时优先考虑设备最大负载、过载能力和可靠性，方案比较保守，所选设备存在较大裕量。因此，带式输送机效率的提高，对散货码头节能减排意义十分重大。

[0005] 随着带式输送机系统向长距离、高带速、大运量发展，其节电潜力巨大。为此，交通部《“十二五”水运节能减排总体推进实施方案》([2011]474号文件)提出要重点研发和推广带式输送机节能运行控制技术。“变频调速带式输送机系统能效测试及节能量计算方法”国家标准的出台，规定了变频调速带式输送机系统能效测试现场条件、项目及仪表要求、测试方法、系统运行效率的计算方法、调速节能及节能量计算的原则、节能量计算的方法，为我国带式输送机节能运行控制技术应用与推广提供了依据，也标志着我国带式输送机系统能耗统计及能效在线监测工作的开始。2014年5月26日带式输送机能耗在线监测系统建设将正式列入2014-2015年节能减排低碳发展行动方案，并已开始着手实施。

[0006] 带式输送机机械结构复杂，在散料装卸生产运行过程中，其能效易受物料瞬时流量、带速、工况等多参数影响。如当输送带运量发生变化时(物料不均、断续等)，恒转速运行方式使系统了出现“大马拉小车”现象；带式输送机驱动电机启动过程中会产生电压波动；传动滚筒和输送带间产生相对滑移；滚筒直径差异、滚筒和输送带间摩擦系数、围包角变化、电源电压的波动等引起的多个电动机转速的不同步；此外，托辊、输送带等惯性设备平稳运行所需功率、机械传动效率、电压降对电动机功率影响及多级驱动功率不平衡对电动机效率的影响等都会造成带式输送机在实际应用中能耗及能效难以准确统计。这些影响参数，普遍会造成电机损耗及输送带张力和拉紧力增加，从而降低带式输送机系统效率，增大系统能耗。因此，各种影响参数与带式输送机能效值变化间（降低、升高）存在因果关系，挖掘各种影响参数与能效变化间变化规律，建立带式输送机真实功耗数学模型，可作为能耗监测的依据。对于企业能效管理，及时淘汰和更换高耗能设备，有针对性实现带式输送机最优调速控制具有重要意义。

[0007] 变频调速带式输送机运行效率定义为带式输送机末端输出的有效功率与电源开关输出端的有效功率的百分比。现在使用于质检部门等其他机构的带式输送机能效检测系统，采用JT/T 326-2009《港口带式输送机能源利用效率检测方法》及JB/T 11704-2013《变频调速带式输送机系统能效测试及节能量计算方法》国标中有关带式输送机的试验方法构建测试系统，需对同一工况下电压、电流、功率因素、转速、功率及电能等被测参数同时测量1小时以上。且现有检测需要对带式输送机在变频调速下同一工况点间隔重复测量三次（每次测量间隔10min 15min）后，以测量平均值作为系统运行效率，因此造成现有设备不适合~
于带式输送机应用企业进行能效在线监测，现有的能效检测手段更不适于为带式输送机变频调速实施最优控制决策。

[0008] 随着节能减排基本国策的推进，带式输送机各种工况参数变化引起的效率降低及能耗增加需引起各带式输送机应用企业的重视。随着带式输送机变频调速控制技术应用，更需要为每一台带式输送机配备监测精度高、数据采集量大、可视性强的能效在线监测装置，实现对带式输送机能效长期实时监测、根据输送带上物料瞬时流量变化及时准确实施带速最优控制决策，对于企业能效管理、及时更新和改造高耗能设备、推广带式输送机节能控制运行技术具有重要意义。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于提供一种利于企业能效管理、及时更新和改造高耗能设备、推广带式输送机节能控制运行技术的带式输送机能效在线监测方法与监测系统。

[0010] 本发明的技术解决方案是：

[0011] 一种带式输送机能效在线监测方法，其特征是：包括下列步骤：

[0012] （1）首先进行离线训练样本采集：

[0013] 1）离线训练样本采集系统构建

[0014] 构建能耗测试系统，采用包括高精度功率仪、动态扭矩传感器、转速传感器、物料流状态激光采集装置的传感检测模块，检测带式输送机系统输入功率、输出机械功率、电机转速、物料瞬时流量，最终得带式输送机系统效率，从而得知带式输送机能耗大小和能效比；

[0015] 采用三个光电编码器，分别置于驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处，获取三个测试点的输送带带速信号，通过采集带式输送机在启动、制动、匀速、变速时三个位置带速变化轨迹，采用函数内插法计算出同一时刻整条带式输送机输送带带速变化规律；

[0016] 2）带式输送机无物料时训练样本离线获取

[0017] 采用“信号处理及特征提取”模块进行特征提取，经过低速、中速和高速多次测量，分别获得三种带速下多组无物料时输入功率、输出机械功率和电机转速的特征样本；将无物料时的三种带速下的特征样本对应能耗值定义为“带式输送机系统能耗”；

[0018] 3）带式输送机有物料时训练样本离线获取

[0019] 分别在低速、中速和高速三种带速下人为上料，制造物料分布均匀及不均匀的多种工况组合，采用物料流状态激光采集装置采集物料瞬时流量及物料流分布状态数据，采用“信号处理及特征提取”模块进行特征提取，对每一种工况进行多次测量，获得每一种工况下输入功率、输出机械功率、电机转速、物料瞬时流量和物料流分布状态等特征样本；将不同工况情况下的能耗值与无物料情况时相应带速下带式输送机系统能耗值相减，其差值可与相对应的特征样本进行组合，得到带式输送机系统能耗与输入功率、输出机械功率、电机转速、物料瞬时流量和物料流分布状态对应表格；

[0020] （2）在线能耗监测

[0021] 采用三个光电编码器检测带式输送机驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处输送带带速值，采用物料流状态激光采集装置检测物料瞬时流量和物料流分布状态，采用“信号处理及特征提取”模块对信号进行特征提取，得到被测样本；采用“能耗检测用训练样本离线获取模块”获取的训练样本构造高维特征空间，建立高维特征空间的线性回归函数；采用 “基于支持向量机的回归拟合预测模块”获得带式输送机系统运行过程中能耗预测值，并将带式输送机系统在线监测能耗作为支持向量机网络输出。

[0022] 带式输送机无物料时训练样本离线获取的具体方法是：

[0023] 将无物料时分别置于驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处的三个光电编码器输出的带速信号进行去噪，通过采集带式输送机在启动、制动、匀速、变速时三个位置带速变化轨迹，分析输送带在启动、制动、匀速、变速下的相关性，采用函数内插法计算出同一时刻整条带式输送机输送带带速变化规律，提取无物料下带式输送机输送带带速变化特征向量；

[0024] 带式输送机无物料运行时，采用高精度功率仪采集带式输送机输入功率，动态扭矩传感器和转速传感器测量带式输送机输出机械功率，将同一时刻带式输送机输入功率与输出机械功率相减，便得到“带式输送机系统能耗”，提取带式输送机在启动、制动、匀速、变速下带式输送机系统能耗，并与带速传感器获取的特征向量结合，得到带式输送机无物料运行时样本；采用上述方法，进行多次测量，获取多组无物料运行时带式输送机系统能耗与带速特征向量样本。

[0025] 一种带式输送机能效在线监测系统，其特征是：包括三个分别置于驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处的光电编码器以及物料流状态激光采集装置；三个光电编码器及物料流状态激光采集装置与信号处理及特征提取模块连接，信号处理及特征提取模块和基于支持向量机的回归拟合预测模块连接。

[0026] 本发明提出基于带速信号及物料流输送状态信号分析的带式输送机能耗在线监测方法。该方法只需在离线情况下获取带速、物料流输送状态、带式输送机系统功耗等大量训练样本后，得到带式输送机能耗与输送带带速、物料瞬时流量、物料流分布状态之间的关系。之后在应用中无需额外加装带式输送机功耗采集装置，采用三个光电编码器检测输送带在驱动滚筒中心轴、输送机中间段、改向滚动中心轴处的带速值，采用函数内插法计算出同一时刻整条带式输送机输送带带速变化规律，提取无物料下带式输送机输送带带速变化特征向量，再结合物料流状态激光检测装置获取的物料瞬时流量、物料流分布状态等特征参数，通过基于支持向量机的回归拟合预测得到带式输送机功耗预测值。

[0027] 本发明提供了一种新型的带式输送机能耗在线监测系统，仅仅采用三个光电编码器、物料流输送状态激光采集装置，即可实现带式输送机能耗在线监测，避免了现有能耗监测系统成本高，现有的能耗监测手段繁琐及缺乏实用性等问题，有利于实现对带式输送机能效长期实时监测、根据输送带上物料瞬时流量变化及时准确实施带速最优控制决策，对于企业能效管理、及时更新和改造高耗能设备、推广带式输送机节能控制运行技术具有重要意义。

附图说明

[0028] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0029] 图1是本发明的带式输送机能耗在线监测系统结构图。其中有光电编码器、物料流状态激光采集装置、能耗检测用训练样本离线获取模块、信号处理及特征提取模块、带式输送机能耗在线预测模块。“信号处理及特征提取模块”包括去噪、函数内插拟合、物料流输送状态特征提取（物料瞬时流量、物料流分布、物料流总流量）。“带式输送机能耗在线预测模块”由基于支持向量机的回归拟合预测方法实现带式输送机能耗在线监测。

[0030] 图2是本发明的带式输送机无物料和有物料时训练样本离线获取方法示意图。

[0031] 图3是带式输送机无物料和有物料时训练样本离线获取的实验方法示意图。

[0032] 图4是传感器的布局示意图。三个光电编码器分别置于驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处，物料流状态激光采集装置放置于输送机中间段（激光扫描仪垂直向下对准物料，使物料流通方向垂直通过激光扫描扇面）。动态扭矩传感器及转速传感器均与带式输送机驱动电机同轴联接。高精度功率仪用于检测带式输送机系统输入功率。

[0033] 图5是基于支持向量机的回归拟合预测过程示意图。

具体实施方式

[0034] 一种带式输送机能效在线监测方法，包括下列步骤：

[0035] （1）首先进行离线训练样本采集：

[0036] 1）离线训练样本采集系统构建

[0037] 依据JT/T 326-2009《港口带式输送机能源利用效率检测方法》及JB/T 11704-2013《变频调速带式输送机系统能效测试及节能量计算方法》国家标准，构建能耗测试系统，采用包括高精度功率仪、动态扭矩传感器、转速传感器、物料流状态激光采集装置2的传感检测模块，检测带式输送机系统输入功率、输出机械功率、电机转速、物料瞬时流量，最终得带式输送机系统效率，从而得知带式输送机能耗大小和能效比；

[0038] 按照图4所示布局方式，采用三个光电编码器，分别置于驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处，获取三个测试点的输送带带速信号，通过采集带式输送机在启动、制动、匀速、变速时三个位置带速变化轨迹，采用函数内插法计算出同一时刻整条带式输送机输送带带速变化规律；

[0039] 2）带式输送机无物料时训练样本离线获取

[0040] 采用“信号处理及特征提取”模块进行特征提取，经过低速、中速和高速多次测量，分别获得三种带速下多组无物料时输入功率、输出机械功率和电机转速的特征样本；将无物料时的三种带速下的特征样本对应能耗值定义为“带式输送机系统能耗”；

[0041] 3）带式输送机有物料时训练样本离线获取

[0042] 分别在低速、中速和高速三种带速下人为上料，制造物料分布均匀及不均匀等多种工况组合（如匀速上料、一次性堆积上料、平均间隔1米堆积上料等），采用物料流状态激光采集装置采集物料瞬时流量及物料流分布状态数据，采用“信号处理及特征提取”模块进行特征提取，对每一种工况进行多次测量，获得每一种工况下输入功率、输出机械功率、电机转速、物料瞬时流量和物料流分布状态等特征样本；将不同工况情况下的能耗值与无物料情况时相应带速下带式输送机系统能耗值相减，其差值可与相对应的特征样本进行组合，得到带式输送机系统能耗与输入功率、输出机械功率、电机转速、物料瞬时流量和物料流分布状态对应表格；

[0043] （2）在线能耗监测

[0044] 采用三个光电编码器检测带式输送机驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处输送带带速值，采用物料流状态激光采集装置检测物料瞬时流量和物料流分布状态，采用“信号处理及特征提取”模块对信号进行特征提取，得到被测样本；采用“能耗检测用训练样本离线获取模块”获取的训练样本构造高维特征空间，建立高维特征空间的线性回归函数；采用 “基于支持向量机的回归拟合预测模块”获得带式输送机系统运行过程中能耗预测值，并将带式输送机系统在线监测能耗作为支持向量机网络输出。

[0045] 带式输送机无物料时训练样本离线获取的具体方法是：

[0046] 将无物料时分别置于驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处的三个光电编码器输出的带速信号进行去噪，通过采集带式输送机在启动、制动、匀速、变速时三个位置带速变化轨迹，分析输送带在启动、制动、匀速、变速下的相关性，采用函数内插法计算出同一时刻整条带式输送机输送带带速变化规律，提取无物料下带式输送机输送带带速变化特征向量；

[0047] 带式输送机无物料运行时，采用高精度功率仪采集带式输送机输入功率，动态扭矩传感器和转速传感器测量带式输送机输出机械功率，将同一时刻带式输送机输入功率与输出机械功率相减，便得到“带式输送机系统能耗”，提取带式输送机在启动、制动、匀速、变速下带式输送机系统能耗，并与带速传感器获取的特征向量结合，得到带式输送机无物料运行时样本；采用上述方法，进行多次测量，获取多组无物料运行时带式输送机系统能耗与带速特征向量样本。

[0048] 具体在带式输送机无物料流情况下正常运行时，采用物料流状态激光采集装置放置于输送机中间段（激光扫描仪垂直向下对准物料，使物料流通方向垂直通过激光扫描扇面），采集带式输送机高速运行下输送带激光点云，可以提取出每帧激光扇面上扫描中心与各采集点间距离及夹角。将每帧激光点云数据进行(x, y)坐标转换，可计算出每帧激光扇面面积，提取带式输送机无物料流时每帧激光扇面面积、激光扇面重心作为特征参数，并与光电编码器获取的带速特征向量结合，经过低速、中速和高速多次测量，分别获得三种带速下多组无物料时输入功率、输出机械功率和电机转速等特征样本。采用上述方法，进行多次测试，获取多组“带式输送机系统能耗”训练样本。

[0049] 一种带式输送机能效在线监测系统，其特征是：包括三个分别置于驱动滚筒中心轴、输送机中间段下方紧贴输送带、改向滚动中心轴处的光电编码器以及物料流状态激光采集装置；三个光电编码器及物料流状态激光采集装置与信号处理及特征提取模块连接，信号处理及特征提取模块和基于支持向量机的回归拟合预测模块连接。