基于多傳感器數據融合瓦斯濃度監控系統研究

摘 要:在瓦斯濃度監控系統中采用多傳感器數據融合方法，彌補了單一傳感器帶來的缺陷。通過對失效數據的剔除和對有效數據進行融合，提高了監控系統的精度。通過試驗表明，該系統監控瓦斯濃度準確、可靠。

關鍵詞:多傳感器 數據融合 瓦斯

中圖分類號:TP392文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)12(b)-0095-01

引言

瓦斯災害是煤礦中最嚴重的災害之一，對瓦斯濃度的準確監測是防范瓦斯災害的關鍵。由于煤礦井下的工作環境惡劣，溫度、濕度、電源波動等環境因素干擾會對瓦斯監測系統的測量產生嚴重的影響。傳統的單一傳感器檢測誤差大，工作穩定性和可靠性較差，如何提高測量準確度是整個瓦斯監測系統的關鍵。信息融合技術的采用能夠擴展整個系統的時間、空間覆蓋率，增加系統的信息利用率，提高整個系統的精度、可靠性和容錯能力，通過融合獲得比任何單個輸入數據源更準確的信息。

1 瓦斯濃度監測系統的組成

瓦斯濃度監測系統以PC作為數據融合處理、數據庫管理及濃度監控工作主機。系統由PC機，多路瓦斯濃度傳感器，調整電路，驅動電路，冷卻系統組成。主機上配有A/D采集卡及控制器輸出接口和通信接口。瓦斯濃度傳感器將獲得的測量信號轉換為電壓信號，經插在主機PCI接口上的A/D采集卡轉換成數字量并存儲到主機中。計算機對送入的多傳感器數據進行融合計算，一旦瓦斯濃度超過設定警戒線，計算機自動報警。

2 多傳感器數據融合方法

數據融合指的是模仿人腦的數據綜合處理能力，利用計算機技術對按時序獲得的多傳感器觀測信息在一定的準則下予以分析和綜合，以完成所需要的決策和估計而進行的信息處理過程。利用多傳感器數據融合技術的瓦斯濃度監測系統，當某一區域中，某一個甚至幾個傳感器失效時，借助其它非失效傳感器提供的信息，還是能獲得準確的結果。多傳感器數據融合包括失效數據剔除與有效數據融合。

2.1 基于相融矩陣的失效數據剔除方法

多個瓦斯濃度傳感器測量同一區域瓦斯濃度時，設第i個傳感器和第j個傳感器所測得的數據為Ti和Tj，且Ti和Tj服從正態分布。

為反映Ti和Tj之間的偏差大小，引進相融距離測度dij。dij的值越小，表示i，j兩個傳感器的觀測值越相近，否則偏差就越大。因而稱dij為i，j兩個傳感器的融合度。dij可由下式計算:

dij= (1)

式中:—Ti的均方差，erf—誤差函數，

erf()= (2)

從而

dij=2 (3)

式中為標準正態分布函數。若有m個傳感器測量同一區域濃度度，融合度dij(i，j=1，2，…m)構成一個矩陣Dm:

(4)

Dm稱為多傳感器數據融合度矩陣。用多個傳感器測量同一濃度參數時，根據經驗或多次試驗的結果，給出dij的有界線值βij(i，j=1，…，m)，并設rij=

(5)

式中Rm—多傳感器相融矩陣

若rij=0，則認為第i個傳感器與第j個傳感器相融性差，或稱它們相互不支持。若rij=1則認為第i個傳感器和第j個傳感器相融性好，稱第i個傳感器和第j個傳感器相互支持。如果一個傳感器只被少數傳感器支持，則這個傳感器的數據為失效數據，應把這樣的數據剔除。若這個傳感器的讀數長期失效，應考慮檢查該傳感器是否故障。其余傳感器為有效傳感器，其集合為融合集T，有效傳感器的個數L為有效融合數。

2.2 有效數據融合

選擇自適應加權數據融合算法對有效數據進行融合。設有一個多傳感器檢測系統，其中n個傳感器對某一被測對象進行采樣檢測。對于不同的傳感器都有相應的權值，在總均方誤差最小這一最優條件下，根據各個傳感器得到的測量值以自適應的方式找到其對應的權值，使融合后的均值達到最優。

3 監測系統軟件設計

監測系統軟件設計不但要滿足各種功能，而且要保證精度，速度，力求簡潔可靠。整個系統軟件部分可分為數據采集和數據處理兩部分。要求對瓦斯濃度信號進行實時采集、處理分析。

本系統的軟件設計采用了模塊化設計技術，整個程序分成4個功能相對獨立的較小的程序模塊，各個程序模塊分別進行設計、編制和調試，最后再將各個模塊連接起來總調。系統的軟件從功能上可劃分為以下幾個模塊:系統初始化模塊、信號采樣和預處理模塊、瓦斯濃度識別模塊及報警模塊等。系統采用VB作為主開發工具，VisualProlog和Matlab作為輔助開發工具，用VB分別調用VisualProlog和Matlab，對采集到的信號進行處理，各功能模塊采用匯編語言編程。

通過實驗驗證，該監控系統對瓦斯濃度測量具有較高的可靠性和準確性。

4 結語

基于多傳感器數據融合的瓦斯濃度監控系統，利用計算機強大的數值計算和信息處理能力，能夠提高對瓦斯濃度測量的可靠性和濃度控制的精度和效率，消除外界環境變化或者某些傳感器出現故障時帶來的影響，準確提取煤礦井下瓦斯參數的狀態，及時對瓦斯突出和瓦斯濃度超限等瓦斯隱患做出判斷，適時合理地采取措施，預防事故的發生，為礦井的安全和工人的生命安全提供可靠的保障。

參考文獻

[1]張娟，陳杰，蔡振江.基于多傳感器數據融合的溫室濃度采集[J].微計算機信息，2007(1):160～161.

[2]騰召勝等.智能檢測系統與數據融合[M].北京:機械工業出版社，2001.

[3]陳輻增.多傳感器數據融合的數學方法[J].數學的認識與實踐，1995(2):11～15.

[4]翟翌立，戴逸松.對傳感器數據融合自適應加權融合估計算法的研究[J].計量學報，1998，19(1):70～76.

[5]蘇玉娜，向陽.井下瓦斯檢測與人員定位系統一體化研究[J].科技創新導報，2007，9.