一种基于钻采设备测量仪器的故障检测系统的制作方法

本发明涉及钻采设备故障检测，特别涉及一种基于钻采设备测量仪器的故障检测系统。

背景技术：

1、钻采设备是在煤矿、油田和其他地下开采场所中广泛使用的重要设备。它们的正常运行对于生产效率和工作安全至关重要。然而，由于恶劣的工作环境和长时间高强度的工作，钻采设备容易遭遇各种故障和损坏，给生产运营带来严重的影响。为了确保钻采设备的可靠性和工作效率，发展故障检测系统成为一项紧迫的任务。钻采设备的正常运行对于提高生产效率至关重要，故障检测系统能够实时监测设备状态，及早发现潜在问题，避免设备故障导致的生产中断，从而保证生产进度和产量。传统的故障检测方法主要依赖人工检测和经验判断，存在着效率低、准确性差和耗时长等问题。因此，基于自动化的数据分析手段构建钻采设备故障检测系统成为一种迫切需求。但是，钻采设备在工作过程中产生了大量的数据，大规模的数据需要进行有效的处理和分析才能提取有用的信息，但现有技术仅仅基于少量数据或图像对钻采设备进行故障识别与分析，在识别钻采设备的故障时也没有提取不同数据之间的相关性。

2、如授权公告号为cn113642534b的专利公开了一种基于人工智能的采矿设备故障检测方法及系统，该方法包括：基于获取的采矿设备图像，构建高斯金字塔；获取高斯金字塔中每张图像的粗糙度描述特征：对于一张图像中的每个像素，基于像素的粗糙度获取以该像素为中心的窗口区域的粗糙度复杂度和粗糙度变化描述子，进而得到该窗口区域的粗糙度描述子；整合所有窗口区域的粗糙度描述子，得到所述一张图像的粗糙度描述特征；其中，利用像素位置的灰度值、饱和度值、亮度值和热度值表征像素的粗糙度；融合高斯金字塔中图像的粗糙度描述特征，基于融合后的粗糙度描述特征判断采矿设备的磨损程度。该发明可以对矿用钻头磨损程度进行准确评估。但是该发明仅基于采矿设备的图像识别采矿设备的磨损程度，缺乏对采矿设备多种运行数据的故障识别。

3、如申请公开号为cn113610290a的专利公开了一种基于数字孪生技术应用到煤矿采掘设备的监控系统，该系统包括：煤矿采掘设备信息模块：用于构建和存储煤矿采掘设备的信息模型；传感器群：负责实时采集煤矿采掘设备物理本体运动的相关数据；信息编译执行模块：获取和消除煤矿采掘设备物理本体运动的相关数据中的噪声信号；建模计算模块：获得煤矿采掘设备的当前工作状态，以及煤矿采掘设备的故障预期；人机交互判断模块：对煤矿采掘设备进行监控，实现煤矿采掘设备的物理信息与虚拟信息融合及智能化监控。该系统可视化直观反映矿井综掘工作面环境、工况状态和设备运行状态，以及对设备进行故障定位和健康预测等问题。但是该系统在监控煤矿采掘设备时，并没有结合多种数据之间的相关性检测设备是否发生故障。

4、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的主要目的是提供一种基于钻采设备测量仪器的故障检测系统，能够有效解决背景技术中的问题：现有的钻采设备故障检测方法往往没有考虑到钻采设备不同运行数据之间的关系，而仅仅独立地监控和分析钻采设备不同运行数据是否有异常。本发明的具体技术方案如下：

2、一种基于钻采设备测量仪器的故障检测系统，所述系统包括设备层、数据库层和控制层；所述设备层包括输入设备、输出设备和钻采设备，所述输入设备包括钻头转速测量仪、钻头进给速度测量仪、钻头振动测量仪、钻头压力测量仪和钻采设备温度测量仪，所述钻头转速测量仪用于测量钻头旋转频率，所述钻头进给速度测量仪用于测量钻头在钻进过程中沿轴向移动的速度，所述钻头振动测量仪用于测量钻头在工作时产生的振动幅度，所述钻头压力测量仪用于测量钻头在钻进过程中施加的压力，钻采设备温度测量仪用于测量钻采设备在工作时的温度，所述输出设备包括显示装置和设备故障预警装置，所述显示装置用于显示钻采设备的运行状态是否有异常，所述设备故障预警装置用于对运行状态有异常的钻采设备进行预警，所述钻采设备连接所述输入设备和所述输出设备；

3、所述数据库层用于存储所述系统工作过程中采集的数据；

4、所述控制层包括cpu、属性图构建模块、属性图检测模块、故障预警模块和通讯模块。

5、本发明的进一步改进在于，所述cpu用于对所述系统的运行进行管理控制；所述属性图构建模块用于基于所述输入设备采集的钻采设备运行时的各项数据构建属性图；所述属性图检测模块用于度量钻采设备不同运行周期的数据构建的属性图的相似度；所述故障预警模块用于根据所述属性图检测模块的检测结果，对钻采设备进行故障预警；所述通讯模块用于在所述系统内部构建通讯网络，实现系统内部的数据互传。

6、本发明的进一步改进在于，所述钻头转速测量仪、钻头进给速度测量仪、钻头振动测量仪、钻头压力测量仪和钻采设备温度测量仪安装在钻采设备上，用于测量钻采设备在运行时的旋转频率、沿轴向移动的速度、振动幅度、施加压力和设备温度。

7、本发明的进一步改进在于，所述输入设备收集钻采设备运行时的钻头旋转频率数据、钻头沿轴向移动的速度数据、钻头振动幅度数据、钻头压力数据和设备温度数据，所述钻头旋转频率数据、钻头移动速度数据、钻头振动幅度数据、钻头压力数据和设备温度数据均为时间序列数据。

8、本发明的进一步改进在于，所述属性图构建模块基于所述输入设备采集的钻采设备一个运行周期内的各项数据构建属性图，设所述钻采设备一个运行周期内的运行数据包含的时间步总数为，所述输入设备总共采集种数据，则所述属性图构建模块按照如下步骤构建一个属性图：

9、s1：构建属性图节点集合，其中为所述输入设备总共采集的数据种类总数，第个节点用于表示第种数据；

10、s2：构建节点属性矩阵，，其中表示维度为的实数空间，为所述钻采设备一个运行周期内的运行数据包含的时间步总数，设节点属性矩阵的第行为向量，，其中表示维度为的实数空间，则向量表示所述属性图中第个节点的属性向量；

11、s3：构建属性图边集合，其中第条边为无向边，其中为边的总数，设第个节点和第个节点之间的边为集合中的第条边，则上的值由以下规则确定：设第个节点的属性向量为，第个节点的属性向量为，则的值通过计算和的余弦相似度得到，计算公式如下：

12、；

13、其中表示向量的点积运算，表示向量范数；

14、s4：构建属性图邻接矩阵，，属性图邻接矩阵的第行第列的元素为，的值为所述第个节点和第个节点之间的边的值，设第个节点和第个节点之间的边为属性图边集合中第条边，则值等于的值。

15、本发明的进一步改进在于，所述属性图检测模块度量基于所述钻采设备当前运行周期的数据构建的属性图与所述钻采设备上一个运行周期的数据构建的属性图的相似度，设在第个生产阶段构建的属性图为，其所对应的属性图节点集合为，属性图边集合为，属性图邻接矩阵为，其中表示第个生产阶段，设在第个生产阶段构建的属性图为，其所对应的属性图节点集合为，属性图边集合为，属性图邻接矩阵为，其中表示第个生产阶段。

16、本发明的进一步改进在于，所述属性图检测模块包括边匹配单元、邻接矩阵匹配单元和属性矩阵匹配单元，所述边匹配单元通过比较在第个生产阶段构建的属性图和在第个生产阶段构建的属性图的最小生成树衡量和的边集合相似度，所述边匹配单元使用prim算法求解和的最小生成树，设求得和的最小生成树所包含的边集合分别为和，计算边集合中所有边的值的和，记为，计算边集合中所有边的值的和，记为，则所述边匹配单元计算在第个生产阶段构建的属性图和在第个生产阶段构建的属性图的边集合相似度为，边集合相似度越大，则和越相似。

17、本发明的进一步改进在于，所述邻接矩阵匹配单元比较在第个生产阶段构建的属性图和在第个生产阶段构建的属性图的邻接矩阵衡量和的邻接矩阵相似度，所述邻接矩阵匹配单元通过计算邻接矩阵的均方误差来度量和的邻接矩阵相似度，设和的邻接矩阵分别为和，则计算邻接矩阵相似度：

18、；

19、其中表示矩阵的2范式，邻接矩阵相似度越大，则和越相似。

20、本发明的进一步改进在于，所述属性矩阵匹配单元比较在第个生产阶段构建的属性图和在第个生产阶段构建的属性图的属性矩阵衡量和的属性矩阵相似度，设在第个生产阶段构建的属性图的属性矩阵为，在第个生产阶段构建的属性图的属性矩阵为，的第行为属性图的第个节点的属性向量，的第行为属性图的第个节点的属性向量，则和的属性矩阵相似度计算方式如下：

21、；

22、其中为所述输入设备总共采集的数据种类总数，表示余弦相似度函数，，其中表示向量的点积运算，表示向量范数，属性矩阵相似度越大，则和越相似。

23、本发明的进一步改进在于，所述故障预警模块根据所述属性图检测模块计算得到的三组相似度对所述钻采设备进行故障预警，所述故障预警模块设置三组阈值：、和，若满足以下三个条件之一：，，，则判断所述钻采设备发生故障，通过所述设备故障预警装置进行预警。

24、一种基于钻采设备测量仪器的故障检测方法，所述方法包括以下具体步骤：

25、a1：通过传感器采集所述钻采设备一个运行周期内的数据；

26、a2：根据a1中的数据，构建属性图；

27、a3：根据a2中的属性图，计算当前运行周期内的数据构建的属性图与上一个运行周期内的数据构建的属性图的相似度；

28、a4：根据a3中的相似度，检测钻采设备的故障；

29、a5：根据a4中检测出的故障，对钻采设备进行故障预警。

30、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现所述的一种基于钻采设备测量仪器的故障检测方法。

31、一种设备，包括：

32、存储器，用于存储指令；

33、处理器，用于执行所述指令，使得所述设备执行实现所述的一种基于钻采设备测量仪器的故障检测方法的操作。

34、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

35、c1、本发明在监测钻采设备运行状态时，通过基于钻采设备的运行数据构建属性图，属性图包含钻采设备不同运行数据之间的相关性，体现了钻采设备不同运行数据的整体特征；

36、c2、本发明在监测钻采设备运行状态时，从属性图的邻接矩阵、边集合和属性矩阵三个方面度量不同运行周期的钻采设备的属性图的相似度，能够更全面地衡量不同属性图的相似度，具有更好的效果；

37、c3、本发明基于不同属性图的相似度，使用故障预警模块对有故障的钻采设备进行预警，可以有效提高钻采设备的可靠性和工作效率。