基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井內(nèi)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)

馮永勝，王晴晴，江 鳳，江 梨，楊 強(qiáng)

（1.貴州師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550018；2.貴州師范學(xué)院 大數(shù)據(jù)科學(xué)與智能工程研究院，貴州 貴陽 550018）

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要被用于組成物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）。物聯(lián)網(wǎng)可被應(yīng)用于針對危險(xiǎn)工業(yè)環(huán)境（如礦井、核電站等）的安全監(jiān)測領(lǐng)域。傳統(tǒng)的煤礦井中絕大多數(shù)使用單個結(jié)點(diǎn)監(jiān)測瓦斯含量，極易出現(xiàn)誤報(bào)警或在危險(xiǎn)情況下未報(bào)警的情況，同時還忽略了礦井內(nèi)工作人員對氧氣含量的要求。若使用冗余布置策略對同一區(qū)域的瓦斯等其他氣體含量進(jìn)行監(jiān)測，即可解決現(xiàn)有系統(tǒng)缺乏連動性、易誤報(bào)和漏報(bào)等問題，最大限度排除煤礦井內(nèi)的安全隱患。

在采集煤礦信息的過程中，瓦斯爆炸危害巨大，可從如下三方面避免引起瓦斯爆炸：

（1） 盡量避免抽采的瓦斯?jié)舛忍幱?%～16%的濃度范圍；

（2）杜絕火源；

（3）在煤礦井下的瓦斯管路中安裝自動抑爆、阻爆裝置，一旦監(jiān)測到周邊環(huán)境有星火，立即噴出滅火劑滅火。

對煤礦井下瓦斯含量的控制以及其他安全隱患的排查是保障煤礦安全的首要條件，通過采樣煤礦井下瓦斯含量、氧氣濃度等數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)融合算法實(shí)現(xiàn)信息協(xié)同，以提高煤礦井內(nèi)瓦斯報(bào)警能力和對各區(qū)域的實(shí)時監(jiān)測控制，為煤礦開采工作提供安全保障。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井中瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井內(nèi)瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng)借助無線傳感ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)具有距離短、自組織、低功耗、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。由于對煤礦井下進(jìn)行供電極為不便，采用此技術(shù)可避免高功耗等不足。若通過在煤礦井中布置大量瓦斯、氧氣等氣體監(jiān)測傳感器降低異常情況的錯報(bào)和漏報(bào)，則需處理的監(jiān)測傳感器收集的信息量便會增加。若利用采集終端設(shè)備實(shí)時處理并進(jìn)行數(shù)據(jù)整體分析和融合，地面工作人員可對礦井內(nèi)部決策調(diào)整，提高系統(tǒng)的可靠性。同時還需考慮布置的傳感器節(jié)點(diǎn)是否會妨礙開采工作的順利進(jìn)行，將傳感器結(jié)點(diǎn)布置在合適的位置。

煤礦井外的數(shù)據(jù)處理中心需要及時對瓦斯監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。尤其需要對煤礦井內(nèi)各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)收集的瓦斯、氧氣含量和數(shù)據(jù)波動變化情況進(jìn)行綜合性分析，判斷煤礦井內(nèi)當(dāng)前瓦斯和氧氣含量是否存在異常，是否會爆發(fā)性涌出大量瓦斯等有害氣體。數(shù)據(jù)處理中心對每次煤礦井內(nèi)瓦斯含量數(shù)據(jù)處理結(jié)果匯總，并錄入數(shù)據(jù)庫，為后期類似情況的發(fā)生作參考。

2 大量數(shù)據(jù)的融合算法設(shè)計(jì)

由于煤礦井中瓦斯分布不均勻，某些區(qū)域氧氣濃度過低，礦工在這樣的環(huán)境中工作時，不僅會面臨瓦斯中毒，嚴(yán)重時還有缺氧昏迷的危險(xiǎn)。當(dāng)前的瓦斯檢測更多是基于某單個區(qū)域的瓦斯檢測，未針對整個煤礦井區(qū)域進(jìn)行綜合性的有害氣體實(shí)時監(jiān)測，也無法因瓦斯?jié)舛冗^高或者氧氣濃度過低而對煤礦井實(shí)行聯(lián)動管理。本文設(shè)計(jì)的煤礦井內(nèi)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)一部分傳感器節(jié)點(diǎn)為冗余布置，雖然可實(shí)現(xiàn)對一定區(qū)域內(nèi)瓦斯和氧氣的實(shí)時監(jiān)測，但由于每個傳感器節(jié)點(diǎn)所處的地理位置和環(huán)境不同，數(shù)據(jù)處理中心該如何對采集到的信息進(jìn)行融合和取舍是本監(jiān)測系統(tǒng)有待解決的問題。為此設(shè)計(jì)大量數(shù)據(jù)的融合算法，綜合處理采集到的數(shù)據(jù)。采用概率論中的矩估計(jì)算法對監(jiān)測的瓦斯和氧氣濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。

設(shè)計(jì)算法的思想主要是針對煤礦井內(nèi)多個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)，通過整合處理并利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的矩估計(jì)法對監(jiān)測到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍和保留分析。不僅可保證多個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)同時采集數(shù)據(jù)，還能避免出現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)存在相斥的情況。具體實(shí)現(xiàn)過程如下所示。

（1）假設(shè)煤礦井內(nèi)布置有多個傳感器節(jié)點(diǎn)，且每個傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)x服從正態(tài)分布，即x～N（μ，σ2）。其中，μ為傳感器測量數(shù)據(jù)的均值；σ2為傳感器測量數(shù)據(jù)的方差。

（2）若i個傳感器采集得到的數(shù)據(jù)分別為X1，X2，…，Xi，傳感器測量值的分布律為：

式中為傳感器測量值的矩估計(jì)量，即i個傳感器矩估計(jì)算法的計(jì)算結(jié)果。

3 試驗(yàn)過程及分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的煤礦井內(nèi)瓦斯檢測系統(tǒng)的有效性，將瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)投放到煤礦井內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，將300個監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)分為5組，每組60個節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對氧氣濃度、瓦斯?jié)舛取⒚旱V井內(nèi)溫度3類參數(shù)的采樣。煤礦井內(nèi)的安全級別分為安全、較安全、比較安全、較危險(xiǎn)、危險(xiǎn)。當(dāng)出現(xiàn)“較危險(xiǎn)”時立即停止開采工作，緊急疏散井下作業(yè)人員。

通過一段時間的數(shù)據(jù)分析整合得到表1所列的測試結(jié)果。由結(jié)果可知，異常報(bào)警共1次，整個系統(tǒng)監(jiān)測的可信度約為93%，說明利用融合算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析與對煤礦內(nèi)具體情況進(jìn)行調(diào)整是可行的。其中區(qū)域一出現(xiàn)了一次報(bào)警異常，經(jīng)勘察核實(shí)，發(fā)現(xiàn)是由于煤礦井內(nèi)該區(qū)域突然釋放了大量瓦斯，同時氧氣含量下降，使得分布在該區(qū)域的瓦斯監(jiān)測傳感器認(rèn)為該區(qū)域的瓦斯含量異常，由此判斷該區(qū)域危險(xiǎn)。原因在于當(dāng)大量瓦斯氣體進(jìn)入整個煤礦井道后隨著通風(fēng)系統(tǒng)的循環(huán)，逐漸擴(kuò)散到煤礦井道內(nèi)的全部空間，因此整個煤礦井內(nèi)的瓦斯含量分布密度減小，實(shí)際勘察分析時，瓦斯含量并未超標(biāo)，而其他區(qū)域的監(jiān)測經(jīng)過核實(shí)，報(bào)警信息準(zhǔn)確無誤。因此可認(rèn)為此煤礦井內(nèi)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)提供的報(bào)警信息可信有效。

表1 五個監(jiān)測區(qū)域瓦斯?jié)舛葓?bào)警試驗(yàn)情況

測試結(jié)果如圖1所示。某區(qū)域的監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時顯示瓦斯、氧氣濃度，便于工作人員查看。

圖 1 某傳感器節(jié)點(diǎn)濃度監(jiān)測情況顯示

煤礦井內(nèi)有異常情況發(fā)生時，系統(tǒng)首要選擇短信方式提醒，相關(guān)人員據(jù)此做出相應(yīng)的決策。短信截圖如圖2所示。當(dāng)出現(xiàn)瓦斯?jié)舛燃眲≡黾印⒀鯕鉂舛冗^低，不利于煤礦開采時，監(jiān)測系統(tǒng)會主動撥打電話報(bào)警。電話報(bào)警截圖如圖3所示。

圖 2 異常情況短信通知截圖

圖 3 電話報(bào)警通知截圖

主要測試指標(biāo)如下：

（1）氧氣傳感器濃度準(zhǔn)確率為85%；

（2）甲烷傳感器檢測濃度準(zhǔn)確率約90%；

（3）在煤礦井采掘工作面上，氧氣濃度是否低于20%。

4 結(jié) 語

在煤礦井內(nèi)工作時，首先要確保工作人員的人身安全。采用數(shù)據(jù)融合算法不僅提高了煤礦瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，同時整合篩選了不同傳感器獲得的數(shù)據(jù)，消除了外界環(huán)境動態(tài)變化的干擾，或傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障對監(jiān)測結(jié)果帶來影響，提高了系統(tǒng)的容錯能力。根據(jù)提取到的煤礦井下瓦斯和氧氣濃度參數(shù)，及時排查煤礦井內(nèi)工作環(huán)境是否安全，排除危及煤礦工安全的隱患，并適時采取合理的應(yīng)急措施，減少礦難事故的發(fā)生，確保每位井下作業(yè)人員的人身安全。

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