礦井瓦斯監測數據消噪方法分析

楊曉玲

摘 要：礦井瓦斯數據的消噪對礦井生產安全產生重要影響，本文在深入了解礦井瓦斯監測數據基本內容的基礎上，對數據消噪方法進行了分析，希望能對相關人員工作有所幫助。

關鍵詞：礦井瓦斯;監測數據;消噪方法

目前我國煤礦礦井生產基本實現了安全監測監控系統處理，通過對各類數據進行監測，能夠及早發現各類潛在安全隱患，降低礦井安全事件發生率。但是現有經驗證實，礦井井下在數據采集與傳輸過程中受水蒸氣、溫度以及高壓脈沖等因素影響，監測數據的精度下降，造成噪聲，應該得到相關人員的關注。

1 礦井瓦斯監測數據噪音問題分析

現代研究認為，瓦斯監測數據中噪聲信號的存在是因為數據傳輸、采集以及處理過程中各種因素相互作用下所引發的。在礦井瓦斯數據采集過程中，由于礦井的井下環境復雜，導致傳染期受煤塵、高溫、有害氣體等環境因素影響而造成精度下降，導致所監測的數據中出現了噪聲信號。而在數據傳輸過程中，設備的通信顯露受高壓脈沖、設備啟停等因素的影響后，設備傳輸過程中容易混入一部分的噪聲信號;最后的數據處理期間，因為數據處理介質故障或者系統組件錯誤等因素影響，導致噪聲信號介入，引發噪聲問題。

監測數據中的噪聲信號會降低監測數據自身的準確性，并且在監測數據處理階段會表現出分散性的問題，導致工作人員在處理噪聲信號期間難以構建精準的信號處理模型，不利于礦井安全生產，因此在未來工作中需要尋找一種更有效的降噪方法，這是保障礦井安全生產的關鍵。

2 數據消噪方法研究

2.1 小波閾值法分析

從現有的相關技術發展情況來看，小波閾值法能夠對瓦斯的濃度時間序列進行消噪處理，具有可行性，是一種常見的降噪處理方法，該方法的基本實施路徑為：

2.1.1 將瓦斯濃度時間序列小波分解

受異常數據處理以及缺失數據補齊之后，人們所獲得的瓦斯濃度時間序列具有明顯的波動特征，自身處理難度較大，但是通過對時間序列的進一步分析后發現，波動數據的極大值分布密度較小，所以在小波處理方法下，采用具有滿意光滑性的sym4小波基對數據做小波基分解。在小波基分解過程中，分解的層數越高，則所能除去的低頻成分越多，所獲得數據精準性越高，因此在數據處理中所確定的分解層數不宜過多，本文建議采用三層分解的方法。

2.1.2 小波分解系數的閾值處理

在閾值處理環節可以采用無偏風險估計準則、閾值法以及混合準則等方法進行數據處理。在實施階段，本文考慮到瓦斯濃度數據本身存在的時間序列波動性特征，在數據處理過程中容易發現有效信號與噪聲信號重疊的問題，并且兩者交替產生，因此數據處理難度較大。同時瓦斯監測數據本身會在不同的時間節點的數據表達過程中出現規律性拆，所以數據處理過程中采用自適應特性的無偏風險估計準則對閾值做自適應處理，在風險值函數的基礎上確定最小風險值來確定閾值，這樣就可以保留較多的有效信號。

在數據處理過程中，通過對分解獲得的小波系數平方值w（k）從小到大排序后形成向量W={w（k），k=1，2...NS}，其中的NS代表小波系數的數量，這樣在對噪聲數據的處理中，每個元素的定義風險值為：

在上述數據結構下，閾值λ的計算公式為：

其中σ代表隨機噪聲的標準差，kmin代表取最小值時所對應的序列號。

2.1.3 瓦斯濃度時間序列的重構

在經過一系列的數據處理后，工作人員可以通過小波逆變換的數據處理方法，將閾值處理后的小波系數與尺度系數做重構處理，在重構處理模式下可以獲得瓦斯噪聲的序列，而相對應的就是消噪之后的瓦斯濃度時間序列，達到數據處理目的。

2.2 基于HHT的瓦斯監測數據消噪處理

HHT瓦斯監測數據消噪處理也是一種有效的噪聲數據處理方法，其具體過程為：

2.2.1 對瓦斯監測數據的EMD處理

針對煤礦井下所獲得的一段時間原始瓦斯監測數據續聯，先通過EMD的護理方法，使其成為若干個INF分量。

2.2.2 瓦斯監測數據的HHT譜分析

對每個IMF分量數據做Hilbert變換處理，將計算得出的原始瓦斯監測數據的序列進行整理，形成邊際譜，根據邊際譜中所呈現的頻幅關系變化，基本確定邊際譜中能量相對集中的頻率區間，并將該區間作為監測瓦斯數據序列有效頻率分布的主要范圍。相應的，工作人員還需要針對每個IMF分量做EMD處理以及Hilbert變化，獲得每個IMF分量的邊際譜，這樣可以保障數據處理質量。

2.2.3 相關性分析

按照每個邊際譜的數據變化情況判斷不同IMF分量與原始瓦斯監測數據序列之間的相關性，期間若發現IMF分量向對應的邊際譜中的能量分布與原始瓦斯監測數據的序列呈現出集中式分布之后，就可以認為兩組數據之間存在著相關性，而其中的相關性則受到頻率變化反應的影響，按照相關性的強弱來集中判定頻率分布區的集中程度。此時若發現IMF分量的邊際譜中具有相對集中的能量分布，并且這種分布方式具有十分明顯的集中區間時，則可以判斷上述數據之間具有很強的相關性，就可以將這組數據基本作為判斷瓦斯濃度時間序列的具體指標。

3 結束語

礦井瓦斯監測數據對礦井安全生產產生重要影響，在消噪處理環節，工作人員應該充分認識到小波處理技術與HHT技術的優勢，積極發掘上述兩種技術的優勢，這樣才能有效消除瓦斯監測數據噪音，為保證安全生產奠定基礎。