基于智能監測技術的煤礦地質監測預警系統設計

陳亞萍

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730022）

地質災難是地質環境的重要組成部分，它是地質環境中的一種重要的地質現象[1]。根據資料顯示，大部分的地質災難都與天然降雨相關，主要是由于坡度大，土質疏松，自然降雨對地表產生了一定的沖刷作用，使地形較高的巖石、土層下落，從而產生泥石流、滑坡等地質災難。礦區是我國最易出現災害的地質環境，如果不能對其進行有效的預測和防治，將會給人類帶來巨大的生命危險。當前礦井地質環境的監控與預報技術主要有：監控與報警，為此，本文設計基于智能監測技術的煤礦地質檢測預警系統，此系統使用ZigBee 無線傳感器實時檢測煤礦地質條件是否存在威脅，如果存在威脅便及時預警。

1 系統硬件設計

中國的煤炭資源與產量在全球都較為聞名，而我國的煤礦開采技術并不先進，且管理制度與體制也有待完善[2]。因為我國對煤礦資源存在較大的應用需求，煤礦資源的開采量也由此增大，而開采技術的落后性，導致煤礦經常出現地質災害，煤礦地質災害的出現對我國經濟與人們的生命安全都存在不利影響。為此，煤礦地質災害的高精度監測預警十分重要，本文設計了基于智能監測技術的煤礦地質監測預警系統，還系統采用了目前抗干擾性顯著的ZigBee 無線傳感器，ZigBee 無線傳感器是近幾年常用的智能信息采集技術，可實現大范圍、近距離的信息采集，煤礦環境惡劣，將其使用在煤礦地質監測預警系統設計中具有一定優勢。

基于智能監測技術的煤礦地質監測預警系統結構圖如圖1 所示。

圖1 基于智能監測技術的煤礦地質監測預警系統

如圖1 所示，基于智能監測技術的煤礦地質監測預警系統分為數據采集層、數據分析層、監測預警層。采集層主要通過無線傳感器采集煤礦地面震動信息、支撐柱位移信息、支撐柱內部壓力信息、空氣成分信息；采集層將采集的多種監測信息使用無線傳感器網絡傳輸至數據分析層，此層使用基于信息融合算法的地質災害智能檢測技術，判斷煤礦地質災害出現的概率后，將此信息傳輸至監測預警層，如果煤礦地質災害出現概率較大，系統便會自動啟動預警程序，提醒工作人員快速撤離[3]。

1.1 ZigBee 無線傳感器

基于智能監測技術的煤礦地質監測預警系統中所引用的ZigBee 無線傳感器拓撲結構如圖2 所示。

圖2 ZigBee 無線傳感器拓撲結構

如圖2 所示，基于智能監測技術的煤礦地質監測預警系統中，ZigBee 無線傳感器拓撲結構為網狀結構，此結構中存在多個路由器，且多個路由器地位不存在差異，能夠和通訊范圍中全部路由節點通訊。ZigBee 無線傳感器除了網狀結構之外，還具有星形結構、樹形結構，但相比可知，網狀結構的可靠性較高，具有多個通信路徑，就算某個傳輸鏈路異常，節點會自己轉換到剩下不存在異常的傳輸鏈路，且該類型傳感器在節點充電后，可以自己檢索其他節點是否存在，傳輸入網申請，具有自我修復的功能。該結構的ZigBee 無線傳感器覆蓋范圍較廣，因為ZigBee 無線傳感器應用時，網狀網絡的路由器存在一致的地位，能夠和其他節點完成通訊，路由器都存在自己的子節點，在傳感器節點與協調器之間存在多條路由器節點，單個節點的信息傳輸距離雖然固定，但是多跳行為可拓展傳感器網絡的覆蓋面積[4]。特別適合用在煤礦地質監測任務中，煤礦地質環境復雜，如果僅依靠工作人員親自采集地質信息，不僅工作量大，而且還存在較高的危險，而ZigBee 無線傳感器的安全性較高，功耗與應用成本較少，適合用在煤礦地質監測任務中。

1.2 ZigBee 無線傳感器網絡

ZigBee 無線傳感器網絡主要通過協調器、傳感器節點、路由器三者共同運行完成信息傳輸。

協調器節點結構圖如圖3 所示。

圖3 協調器節點結構圖

如圖3 所示，協調器節點主要分為煤礦地質監測數據處理單元、無線網絡通信單元、電源單元。協調器的功能是構建無線傳感器網絡，通電后，獲取路由器節點傳輸的請求與信息，實現路由器入網管理與網絡結構保護，完成網絡自組織。在獲取節點網絡請求后，協調器立即分配網絡地址至請求節點，并把獲取的煤礦地質監測信息都傳輸至數據分析層。

傳感器節點的結構圖如圖4 所示。

圖4 傳感器節點結構圖

如圖4 所示，傳感器節點可采集煤礦地質信息數據，此類數據主要分為煤礦地面震動信息、支撐柱位移信息、支撐柱內部壓力信息、空氣成分信息。采集此類信息時，使用Microchip 企業研發的PIC32MX795F512L 單片機，其功耗與成本都較小，具有8 通道A/D 數據變換器，能夠對傳感器節點實施統一管控，并把采集的煤礦地質信息實施合理存儲。

路由器在無線傳感器網絡中的作用是數據轉發，可實現每個節點之間的信息傳輸。無線網絡通信單元使用TI 企業設計的STM32W108，可將傳感器節點采集的煤礦地質監測信息通過無線模式傳輸至協調器節點。

2 系統軟件設計

2.1 ZigBee 無線傳感器的協調器組網步驟設計

協調器在構建無線傳感器網絡時，需要檢查無線傳感器節點附近是否存在網絡，若沒有，協調器便會掃描信道，鎖定信道，然后構建網絡ID，實現無線傳感器網絡設計。圖5 是協調器組網步驟示意圖。剩下無線傳感器網絡節點在還沒有并入網絡時，會檢測附近的網絡，之后往網絡協調器傳輸入網申請，協調器允許后，才可以入網傳輸煤礦地質監測信息[5]。

圖5 協調器組網步驟

2.2 基于信息融合算法的地質災害智能檢測技術

設置某煤礦地質災害出現的總概率是G（y），此值主要通過ZigBee 無線傳感器所采集的多種煤礦地質監測信息獲取。G（y）的運算方法是：

因為科學技術水平有限，無線傳感器采集的信息會存在一定誤差，基于智能監測技術的煤礦地質災害預警系統不能保證采集的信息沒有誤差，所以必須使用傳感器實時多次采集，并將采集的信息實施融合[6]。若煤礦地質災害監測系統存在n 個傳感器，其對某個監測位置進行n 次采集，將所采集的信息使用式（1）實施災害出現概率計算，獲取煤礦地質災害監測結果。

災害出現標準如表1 所示。

表1 煤礦地質災害監測預警標準

3 實驗分析

為了測試本文系統的應用效果，在某煤礦中進行性能測試。測試本文系統在采集該煤礦空氣成分信息時，空氣溫濕度信息的采集效果。空氣溫濕度屬于煤礦環境的基礎參數，屬于本文系統采集功能的必要考核信息之一，為了測試本文系統監測結果的有效性，將德國德圖TESTO608H1 溫濕度計作為參考。信息采集時間設成10min，本文系統的監測結果如表2 所示。

表2 本文系統對該煤礦空氣溫濕度監測結果

如表2 所示，本文系統在監測該煤礦空氣溫濕度信息時，對空氣溫濕度信息監測結果與德國德圖TESTO608H1 溫濕度基本一致，對空氣溫度監測結果完全一致，濕度存在0.1%的誤差，但在可接受區間內。由此驗證本文系統對該煤礦空氣溫濕度監測效果有效。

以該煤礦滑坡與塌陷災害為例，設置本文系統在檢測該煤礦滑坡災害時，采集的煤礦地質樣本量分別是10組～100 組，平均預警準確率如表3 所示。

表3 本文系統對煤礦滑坡、塌陷災害的預警效果

分析表3 數據可知，當采集的煤礦地質樣本量分別是10 組～100 組時，本文系統對滑坡、塌陷災害的平均預警正確率最小值為98%，預警精度較高，可實現煤礦地質災害高精度預警。

4 結論

本文設計了基于智能監測技術的煤礦地質監測預警系統，在實驗中驗證此系統具有可用性。煤礦出現地質災害時，具有自然性與突發性，但也具有規律性。因此煤礦企業需要具有科學的管理模式、合理的預警方法。不可以存在亂挖亂采的情況，需要根據標準規范進行煤礦開采工作，必須構建地質災害預警制度，并做好對應的安全保護措施。煤礦企業在開采之前，需要認真調查地質信息，建立標準的作業流程與標準，不可盲目施工，在開采過程中，也需要靈活應對，提前做好災害預警流程與逃生通道，以免出現危險損害開采工人的生命。

煤礦開采不可以在人口高密、建筑高密區域進行，不可以在存在生命線工程設置的區域進行，不可以在山體不穩的區域進行，必須保證煤礦開采方的開采模式合理科學，防止出現煤礦地質災害。在煤礦開采之前，如果決定開采的區域地質條件已經存在不利因素，便需要另擇良地，不在危險區域實施煤礦開采工程。