基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的煤礦采空區(qū)火災(zāi)預警系統(tǒng)

易 瑜

（婁底職業(yè)技術(shù)學院，湖南婁底，417000）

基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的煤礦采空區(qū)火災(zāi)預警系統(tǒng)

易 瑜

（婁底職業(yè)技術(shù)學院，湖南婁底，417000）

本文致力于構(gòu)建一種綜合多種傳感器信息，并運用數(shù)據(jù)融合中分層融合思想的煤礦采空區(qū)火災(zāi)預警系統(tǒng)模型。介紹了傳感器性能，設(shè)計了火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建了多傳感器分層數(shù)據(jù)融合模型，對采空區(qū)遺煤發(fā)火階段狀態(tài)進行了預測，實驗得出了火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能特點。并在火災(zāi)區(qū)已得到有效治理，實現(xiàn)成功滅火。使防治火災(zāi)工作更加合理化和科學化。

傳感器；數(shù)據(jù)融合；煤礦采空區(qū)；預警

0　引言

火災(zāi)是煤礦主要災(zāi)害之一，其中采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火占很高比例。研究表明，采空區(qū)自燃區(qū)域隨著工作面的推進而移動。本文建立了采空區(qū)自燃危險區(qū)架構(gòu)模型。找到了采空區(qū)自燃危險帶，并采取一定的技術(shù)手段，有效地防治采空區(qū)火災(zāi)。

1　傳感器性能介紹

礦用傳感器不同于普通傳感器，在安全防爆、顯示值穩(wěn)定性、響應(yīng)時間、誤差范圍以及體積大小，電池電量等多方面有嚴格要求。根據(jù)前文所述綜合多方面考量，選取目前應(yīng)用最為廣泛的三種傳感器作以介紹。

1.1KYJ-2000型遙控甲烷傳感器。KYJ-2000型遙控甲烷傳感器用于監(jiān)測煤礦井下空氣中的甲烷含量。它是一種紅外遙控智能型檢測儀表，采用本安電路設(shè)計，可以對甲烷濃度進行連續(xù)檢測。該儀器最大特點是:免開蓋就可用遙控器調(diào)零、調(diào)精度(靈敏度)和非線性補償?shù)取２⒕哂芯雀?、兼容性好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

1.2溫度傳感器。礦井環(huán)境溫度是礦井生產(chǎn)環(huán)境的重要指標外，還是煤炭自然發(fā)火的重要指標之一。因此，礦井環(huán)境溫度監(jiān)測是礦井安全監(jiān)測的重要指標之一。目前溫度傳感器主要有以下幾種:

（1）半導體式溫度傳感器。利用半導體三極管基級一發(fā)射極電壓Ube的溫度特性及外部電路，可測得環(huán)境溫度的變化。集成電路傳感器AD590等就是將晶體管電路與放大電路等集成在一個芯片上。因此，半導體溫度傳感器具有體積小、成本低、響應(yīng)快、線性度好的優(yōu)點，在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

（2）紅外式溫度傳感器。溫度高于絕對零度(-273 0C)的任何物體均會產(chǎn)生紅外輻射，輻射頻率P隨溫度增大而增大。

（3）光纖式溫度傳感器。光纖式溫度傳感器采用的工作原理較多，利用半導體材料吸收光譜特性隨溫度變化的原理，研制出裝有GeAs(砷化鍺)、CdTe(蹄化福)等晶片的光纖溫度傳感器。

1.3風速傳感器。bKGF2礦用智能風速傳感器，主要用于煤礦井下各種坑道、風口、通風機井口等處的風速、風量的檢測，以確保煤礦的安全生產(chǎn)。

2　火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)是一種綜合安全防滅火監(jiān)測系統(tǒng)，由監(jiān)控中心站、環(huán)網(wǎng)交換機、監(jiān)控分站、分布式光纖測溫主機、傳感器組、聲光報警器、閥門及其控制器、傳輸電纜( 光纜) 、滅火管網(wǎng)以及常規(guī)消防聯(lián)動設(shè)施構(gòu)成。通過對采空區(qū)發(fā)火特征參數(shù)進行在線檢測、分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過井下環(huán)網(wǎng)準確地將井下的氣體分析結(jié)果傳輸給地面中心站，實現(xiàn)礦井采空區(qū)發(fā)火區(qū)域定位，進行實時、無盲區(qū)溫度監(jiān)測及火災(zāi)特征參數(shù)監(jiān)測，達到對采空區(qū)火災(zāi)預警、發(fā)火區(qū)域惰性氣體充填和發(fā)火區(qū)域自動封堵提示預警，以及發(fā)火區(qū)域火災(zāi)發(fā)展趨勢預測等。

3　多傳感器分層數(shù)據(jù)融合模型構(gòu)建

信息融合作為一種數(shù)據(jù)處理方法近年來在各個行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，特別是“大數(shù)據(jù)”時代的到來時的數(shù)據(jù)處理更加成為一個急待于拓展和提高的領(lǐng)域。經(jīng)過過去幾十年的發(fā)展，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型和針對目標已經(jīng)研究出了多種數(shù)據(jù)處理算法，但具體每種算法所應(yīng)用的領(lǐng)域沒有作嚴格的界限。同時，在“大數(shù)據(jù)”時代，多源多傳感器信息融合需要構(gòu)建一個綜合的融合模型，應(yīng)該包括傳感器管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)預處理單元，多源信息數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)庫等。因此，結(jié)合已經(jīng)相對成熟的數(shù)據(jù)分層思想，本文重點介紹一種多傳感器的分層數(shù)據(jù)融合模型，以此達到提高對煤礦采空區(qū)事故的預警判定準確率的目的。

3.1一般數(shù)據(jù)融合算法介紹。信息融合算法主要功能是在按照數(shù)據(jù)特征級別分層構(gòu)造的融合模型中對于不同級別的數(shù)據(jù)信號進行有效描述，同時它對這些數(shù)據(jù)進行篩選、提取、處理、分析和綜合，最后以適應(yīng)于目標對象的形式輸出和表現(xiàn)這些數(shù)據(jù)。根據(jù)過去幾十年研究者對于融合算法的研究，信息融合算法按信息特點分:基于特征的算法、物理模型算法及基于知識模型算法。

3.2分層融合系統(tǒng)模型概念。多傳感數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)模型中，多傳感器采集不同的指標因素并且初始數(shù)據(jù)的類型不同，針對于不同的數(shù)據(jù)類型將融合系統(tǒng)分層，在不同的層次選擇不同的算法進行融合。根據(jù)融合對象的特點以及對象的層次，數(shù)據(jù)融合算法和著眼點有十分巨大的差別，這就是不同的數(shù)據(jù)融合算法不能相互交換利用的原因，進行決策的融合算法與處理電信號的融合算法在本質(zhì)上與實現(xiàn)手段上可以是天壤之別，因此，在構(gòu)建融合中心模型之前，先具體討論不同的信息數(shù)據(jù)層析十分重要，僅僅討論融合算法而不考慮數(shù)據(jù)的層次問題是脫離實際需要的。根據(jù)過去大量的文獻資料結(jié)果，大多數(shù)學者對融合層次的分類是將多傳感器系統(tǒng)由低到高分為四個層次:信號級(Signal)、點級(Pixel)、特征級(Feature)和符號級(Symbol)，而信號級和點級因為數(shù)據(jù)類型的相近又可統(tǒng)稱為信號級，因此一般情況下將數(shù)據(jù)融合分為三個層次即:信號級、特征級和符號級。每一級都是上級的融合結(jié)果又是下級融合來源，符號級是最高的系統(tǒng)決策部分又稱為決策級，信號級則是最低的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集端的感應(yīng)數(shù)據(jù)，不同層次之間沒有明確的界限劃分，而對于融合系統(tǒng)來說，以往運算只作用于一個或兩個層次，而沒能在各個層次上進行全面綜合的融合。

4　火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)主要功能特點

該火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)采用多元信息融合探測技術(shù):以分布式光纖測溫系統(tǒng)為主與井下發(fā)火區(qū)域特征參數(shù)傳感器實時檢測數(shù)據(jù)進行多判據(jù)信息融合，從而實現(xiàn)煤炭自燃發(fā)火區(qū)域的探測和識別。該系統(tǒng)具有以下特點：（1）分布式光纖測溫技術(shù)在采空區(qū)實現(xiàn)了無盲區(qū)溫度檢測和定位。監(jiān)測范圍廣，感溫光纜既是信號傳輸通道又是傳感器，由感溫光纜即可監(jiān)測光纜沿線每一點溫度值，溫度監(jiān)測實時、連續(xù)、范圍大。（2）報警功能豐富，報警分區(qū)可根據(jù)現(xiàn)場條件變化任意設(shè)定，且每個分區(qū)可設(shè)定不同的報警值；可設(shè)置多種報警方式，并可設(shè)多級預警模式，能在火災(zāi)發(fā)生前做到早期預警。本質(zhì)安全，采用感溫光纜作為溫度傳感器，不需供電，本質(zhì)安全系統(tǒng)聯(lián)動。（3）可實現(xiàn)煤礦井下溫度、CO、O2、CxHx氣體、粉塵濃度、消防管路水壓等參數(shù)的遠程在線監(jiān)測。（4）可實現(xiàn)全礦井發(fā)火區(qū)域自動定位、遠程在線監(jiān)測和自動控制。

5　結(jié)語

通過對基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的煤礦采空區(qū)火災(zāi)預警系統(tǒng)方法及技術(shù)手段等方面進行研究，并對煤礦安全事故進行調(diào)研、分析的基礎(chǔ)上，建立了分層數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)模型；綜合考慮多種融合算法的優(yōu)缺點結(jié)合煤礦井下復雜多變的環(huán)境，采用了分布式光纖測溫技術(shù)在采空區(qū)實現(xiàn)了無盲區(qū)溫度檢測和定位；選取利用典型現(xiàn)代化程度高的礦區(qū)驗證了多源分層數(shù)據(jù)融合模型預警系統(tǒng)的可行性和有效性，從而有效地提高了對采空區(qū)火災(zāi)預警事故這一災(zāi)害進行預警的可靠性。

[1]尚賽花.基于信息融合的煤礦采空區(qū)火災(zāi)預警研究[D].西安科技大學，2013.06.

[2]劉凱．多源傳感器分層數(shù)據(jù)融合在煤礦采空區(qū)預警系統(tǒng)的應(yīng)用與研究[D].太原理工大學，2014.05.

[3]李軍等.基于復合傳感信號的采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機電，2015（28）.

Fire warning system based on multi sensor data fusion in coal mining area

Yi Yu
（Loudi Vocational and Technical College,Loudi Hunan,417000）

This paper is committed to building a comprehensive variety of sensor information, and the use of data fusion in the hierarchical integration of the thought of coal mine goaf fire warning system model. The sensor performance,the design of fire monitoring system architecture,constructs the multisensor data fusion model of layered,coal in goaf combustion stage are predicted,the main functions and features of the fire monitoring system.And in the fire area has been effectively control,to achieve a successful fire.To make the fire prevention work more reasonable and scientific.

sensor;data fusion;coal mining area;early warning

本文為2016年婁底市科技局科研項目：基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的煤礦采空區(qū)火災(zāi)預警系統(tǒng)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目：基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)的葡萄園監(jiān)測系統(tǒng)研究（編號：16B219）；湖南省科技廳自科聯(lián)合基金項目：基于云計算的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究；婁底職業(yè)技術(shù)學院課題：基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室智能管理系統(tǒng)的研究成果。

易瑜（1980-），女，湖南婁底職業(yè)技術(shù)學院，副教授，碩士研究生，研究方向：教育管理，網(wǎng)站設(shè)計與安全管理。