支架壓力監(jiān)測數據分段擬合方法

張玉武，　許華棟，　王瑩瑩

(1.永煤集團股份有限公司 新橋煤礦， 河南 永城　476600；

2.徐州博林高新技術有限責任公司， 江蘇 徐州　221008)

支架壓力監(jiān)測數據分段擬合方法

張玉武1，許華棟2，王瑩瑩2

(1.永煤集團股份有限公司 新橋煤礦， 河南 永城476600；

2.徐州博林高新技術有限責任公司， 江蘇 徐州221008)

摘要：針對支架壓力監(jiān)測系統應用于超長工作面時，受總線查詢周期限制而難以兼顧監(jiān)測支架壓力中的突發(fā)奇異信號與數據實時傳輸的問題，提出一種支架壓力監(jiān)測數據分段擬合方法。該方法按照支架壓力監(jiān)測系統1個查詢周期進行數據分段，在某個分段內如果數據量小于擬合系數量，則直接傳輸數據；如果數據量不小于擬合系數量，則進行數據的多項式擬合，獲取擬合系數并只傳輸擬合系數。實驗結果表明，該方法大大減少了傳輸數據量，又不丟失重要數據，同時實現了每個查詢周期固定數據傳輸量，便于數據傳輸管理。

關鍵詞：支架壓力監(jiān)測； 數據擬合； 分段擬合； 查詢周期

0引言

支架壓力監(jiān)測是礦壓監(jiān)測和頂板支護的重要監(jiān)測手段[1]。在礦壓監(jiān)測數據中，移架過程的壓力變化對于計算和分析煤礦工作面壓力有非常重要的意義[2]。圖1(a)為某支架24 h實際壓力曲線，可見支架壓力監(jiān)測數據中存在有奇異變化的信號，反映了移架時的壓力突降、低壓保持、再升壓和壓力調整的過程[2-3]。其中A點移架過程壓力變化如圖1(b)所示，整個移架過程持續(xù)約7～8 s，其中降壓時間約為1 s，升壓時間約為1 s。24 h壓力曲線被多個移架過程分成2～3 h的若干工作周期。在這2～3 h內，壓力曲線的變化比較緩慢。

(a) 24 h實際壓力曲線

(b) A點移架過程壓力曲線

可見支架壓力監(jiān)測數據的特殊性是在較緩慢變化的壓力數據中夾有人工移架時壓力突變的奇異數據。對于緩慢變化的壓力數據，支架壓力監(jiān)測系統的采樣頻率可低至數秒甚至數十秒1次，而對移架時的奇異數據，采樣頻率需不低于每秒3—4次。

目前煤礦支架壓力監(jiān)測系統一般采用工業(yè)總線傳輸數據，系統由1個主站和若干個接在總線上的分站構成，由主站輪詢向各個分站查詢數據。主站通常置于地面，分站分布在各個支架上，整個支架壓力監(jiān)測系統傳輸線路可達數km。為了保證長距離傳輸的可靠性，通信速率常設為5 kbit/s或2.4 kbit/s。而分站的采樣速率較快，如3次/s，一個支架采樣6個壓力值，傳輸速率為5 kbit/s，在超長工作面多達200個分站時[3]，查詢掃描1周的時間約為11 s。而在此傳輸過程中，分站內積累存儲了約11倍的數據。為了緩解傳輸壓力，有的支架壓力監(jiān)測系統不得不降低分站的采樣速率，從而拋棄大量數據。但分站采樣速率即使減小為1次/s，200個分站的數據傳輸時間仍需3.36 s左右。也就是說，對于具有200個分站的支架壓力監(jiān)測系統，分站采樣速率減小為0.25 次/s時才能滿足數據的實時傳輸要求，但該情況下可能會丟失降架、移架、升架信息。針對該問題，本文提出一種支架壓力監(jiān)測數據分段擬合方法。

1支架壓力監(jiān)測數據分段擬合方法

1.1數據分段擬合

支架壓力監(jiān)測普遍采用工業(yè)總線查詢方式，主站發(fā)指令查詢分站，分站接收到主站的查詢指令才向主站發(fā)送數據，1個查詢周期往往為數秒或數十秒。因此，將支架壓力監(jiān)測數據按查詢周期進行分段，即分站在1個查詢周期內將數據存儲在分站存儲器中，主站查詢該分站時進行數據擬合。

采用多項式擬合方法進行數據擬合。通過實測發(fā)現，采用4次多項式能較好地滿足支架壓力監(jiān)測要求，即設監(jiān)測的壓力數據為

(1)

式中：ti為第i個采樣點時刻，i=1,2,…，n，n為分段內數據長度。

f函數關系未知，因此采用多項式擬合公式(式(2))來擬合f函數。

yi=a4ti4+a3ti3+a2ti2+a1ti+a0

(2)

式中：yi為擬合后的數據；a4,a3,a2,a1,a0為擬合系數。

與一般的數據擬合不同，因總線查詢時間難以完全確定，所以分段內數據長度n可能會有變化。擬合目標是取合適的系數組，使擬合后的數據yi與監(jiān)測數據xi最接近。目前常用最小二乘法來確定擬合系數，即通過不斷迭代，使擬合后的數據yi與監(jiān)測數據xi差值的平方和最小，即求解式(3)中F最小時的系數集。

(3)

具體方法：采用式(2)代替式(1)中的f函數并代入到式(3)中的xi，然后分別求5個擬合系數的偏導數。令偏導方程為0，公式為[4]

(4)

式中：j為對某一個系數求偏導時該系數的下標，j=0，1，…，4；m=4;k為5個系數的下標,k=0，1，…，m。

式(4)為5個方程的偏導方程組，n為采樣點數，因n>m，所以該方程組有唯一解。數據擬合過程即迭代求解式(4)的過程，獲取5個擬合系數a4,a3,a2,a1,a0。總線傳輸時只傳輸這5個系數。

1.2數據直傳與數據擬合判斷

有的支架壓力監(jiān)測系統并不對所有支架進行壓力監(jiān)測，如采用5條線監(jiān)測方法時，在工作面中選取5個支架安裝分站，當工作面向前推進時，形成5條監(jiān)測線。該情況下，由于分站少，可能不需要進行數據擬合，而是直接傳輸監(jiān)測數據。為了實現系統軟件的通用性，由分站判斷分段內的數據量，若數據量小于擬合系數量，則直接傳輸數據；若數據量大于或等于擬合系數量，則進行數據的多項式擬合，只傳輸擬合系數。本文采用4次多項式擬合，即當1個查詢分段周期內的數據量小于5時，直接傳送數據，并在數據后補0，湊足5位數據，所補0可作為主站判斷所傳輸數據為直接數據還是擬合系數的標志；當數據量大于或等于5時，進行4次多項式擬合，獲取5位擬合系數且只傳輸這5位數據。這樣每次均傳輸5位數據，便于管理數據傳輸和確定傳輸時間。

1.3主站中擬合數據恢復

理論上主站只需將接收到的5位擬合系數代入式(2)即可求出擬合數據yi。但主站首先需要確定分段內數據長度n。有2種方法獲取n：① 在傳輸時增加1位數據n，即傳輸6位數據(5個系數加1個數據長度數)。該方法優(yōu)點是恢復的數據長度準確，缺點是增加了傳輸負擔。設每個分站有6個測點，存在200個支架時，在1個查詢周期內需多傳輸1 200個數據。當查詢周期較短時，這種傳輸代價與本文目的相悖。② 由主站根據查詢周期計算出數據長度。查詢指令由主站發(fā)出，因此主站可方便地根據每個分站的查詢時間間隔乘以各個分站的采樣速率計算出本查詢周期內的數據長度。例如主站對某分站的查詢周期為12.8 s，該分站采樣速率為3次/s，則可計算出數據長度為38.4，取整為n=38。該方法的優(yōu)點是獲取方便，減少了數據傳輸量，缺點是由于主站與各分站之間時鐘穩(wěn)定性存在差異，在極偶然的情況下，可能會少或多計算出1位數據。實際上因分站之間時鐘穩(wěn)定性存在差異，在1個查詢周期內，大多數分站采集了n個數據，但極個別分站采集了n+1或n-1個數據，這與擬合后極偶然情況下可能會多或少1位數據類似，并不影響整體數據的準確性。因此，本文采用方法②來確定分段內的數據長度，進而恢復擬合數據。

2數據分段擬合方法的實現

圖2為系統分站組成。6路壓力傳感器量程為5 000 kN，分別監(jiān)測前梁、前柱、后柱壓力。壓力數據由6路信號放大電路放大為0～5 V電壓信號。信號放大電路中帶有低通濾波器，對壓力數據進行濾波處理。STC15F2K60S2單片機對放大信號進行A/D轉換，對部分信號進行顯示轉換后送液晶顯示屏進行顯示，并根據需要進行分段數據擬合。單片機處理程序和數據均存儲在外部存儲器中，采集數據或擬合系數通過MAX485芯片連接到系統總線上。主站發(fā)送的查詢指令通過總線由分站接收。

圖2　系統分站組成

圖3為分站軟件流程。主程序首先進行初始化，清數據存儲器，然后采集6路壓力信號進行A/D轉換，將A/D轉換值發(fā)送到存儲器，并對數據進行壓力轉換，送到液晶顯示屏進行本地顯示。

當主站查詢本分站數據時，程序進入中斷處理過程。首先進行中斷保護，然后從存儲器中讀取數據，如果數據量小于5，直接將數據存入通信緩沖單元，數據不足5位時通過補0補足5位；如數據量不小于5則進行數據擬合，獲得5位擬合系數，將系數存入通信緩沖單元并發(fā)送給主站。6路壓力數據發(fā)送完后，清除數據存儲器，準備存儲下一段數據。

(a)主程序(b)中斷程序

圖3分站軟件流程

3擬合效果分析

采用支架壓力監(jiān)測數據分段擬合方法后，主站對從站的查詢周期與采樣間隔可相互獨立，不會出現查詢周期越長，分站中積累的數據越多，所需傳輸時間也越長的情況。設分站采樣速率為3次/s，在查詢周期分別為10，15,30 s情況下(即分別有30，45，90個采樣數據)進行數據擬合，結果如圖4所示。

從圖4可看出，采用數據分段擬合方法后，主站查詢周期為10，15,30 s時傳輸數據個數是相同的，均為每次傳輸5個數據，壓力曲線變化也基本類似，滿足應用需要。從數據準確度來講，應盡可能選擇較短的查詢周期。

(a) 原始壓力曲線

(b) 每30采樣點分段擬合壓力曲線

(c) 每45采樣點分段擬合壓力曲線

(d) 每90采樣點分段擬合壓力曲線

4結語

支架壓力監(jiān)測數據分段擬合方法按支架壓力監(jiān)測系統主站的1個查詢周期進行數據分段，在某個分段內，如果數據量小于擬合系數量，則直接傳輸數據；若數據量不小于擬合系數量，則進行數據的多項式擬合，獲取擬合系數并只傳輸擬合系數。實驗結果表明，該方法大大減少了數據傳輸量，且不丟失重要數據，解決了支架壓力監(jiān)測數據的實時性和對奇異信號捕捉之間相互矛盾的問題，同時實現了每個查詢周期固定數據傳輸量，方便數據傳輸管理。

參考文獻：

[1]趙端，縱鑫.基于ZigBee技術的井下液壓支架壓力監(jiān)測系統設計[J].工礦自動化,2014,40(1):31-34.

[2]汪新文,劉云霞.綜采工作面壓力實時監(jiān)測系統的應用[J].工礦自動化,2011,37(10):121-124.

[3]張飛,張巍,孫建嶺,等.超長綜放工作面礦壓顯現規(guī)律研究[J].煤炭工程,2010,12(12):52-54.

[4]劉霞,王運鋒.基于最小二乘法的分段三次曲線擬合方法研究[J].科學技術與工程,2007(3):352-355.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1547.013.html

Segment data fitting method for support pressure monitoring

ZHANG Yuwu1,XU Huadong2,WANG Yingying2

(1.Xinqiao Coal Mine, Yongcheng Coal Mining Group Co., Ltd., Yongcheng 476600, China;

2.Xuzhou Bolin Hi-new Technology Co., Ltd., Xuzhou 221008, China)

Abstract：When support pressure monitoring system is used in over-length workface, it is very difficult to meet both demands of real-time transmission and capturing burst signals in the pressure because of limitation of bus querying period. A segment data fitting method was proposed for support pressure monitoring. In the method, data is divided as a segment according to querying period of the system. If data amount in a data segment is less than amount of fitting coefficients, the data is transmitted directly. If the data amount is larger, data polynomial fitting method is used to fit the data, thus fitting coefficients are gotten and transmitted. The experimental result shows that the method reduces amount of data transmission significantly, reserves important information and fixes data transmission amount in each querying period for clear data transmission management.

Key words:support pressure monitoring; data fitting; segment fitting; querying period

中圖分類號：TD355.4

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-01-26 15:47

文章編號：1671-251X(2016)02-0051-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.013

張玉武，許華棟，王瑩瑩.支架壓力監(jiān)測數據分段擬合方法[J].工礦自動化，2016,42(2)：51-54.