煤礦沿空掘巷頂板離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 潔，李 培 ，朱春華

(1.鄭州旅游職業(yè)學(xué)院信息工程系，河南 鄭州 450009；2. 河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

煤礦沿空掘巷頂板離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 潔1，李 培1，朱春華2

(1.鄭州旅游職業(yè)學(xué)院信息工程系，河南 鄭州 450009；2. 河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

針對(duì)掘進(jìn)巷道頂板在線監(jiān)測(cè)困難、預(yù)警能力較弱的問(wèn)題，提出了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)頂板離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，給出了該系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析需求，本文進(jìn)一步提出了基于模糊貼近度和灰色關(guān)聯(lián)度的兩級(jí)數(shù)據(jù)融合模型。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)ρ乜站蛳镯敯咫x層在線精確測(cè)量，誤差保持在±4.8%之間，相較人工測(cè)量預(yù)警能力得到明顯提高。

掘進(jìn)巷道；在線監(jiān)測(cè)；工業(yè)以太網(wǎng)；預(yù)警系統(tǒng)；電路原理

巷道頂板離層是由于不同巖層的巖性造成位移和速度存在差異，從而出現(xiàn)階梯式躍變現(xiàn)象，隨著頂板離層達(dá)到一定值，便會(huì)發(fā)生破壞和冒頂[1]。隨著開(kāi)采深度增大，巷道圍巖壓力越加劇烈，特別是在掘進(jìn)巷道前40m左右[2]，兩幫移近量大，極易發(fā)生圍巖離層、冒頂現(xiàn)象，為此，對(duì)巷道頂板離層實(shí)施在線監(jiān)測(cè)對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重大意義。

現(xiàn)有煤礦巷道頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)仍存有較多問(wèn)題：巷道深、淺部位移和錨桿(索)應(yīng)力多是采用人工采集，效率低、布線困難、不穩(wěn)定因素多且無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，造成預(yù)警能力較弱。為此，本文設(shè)計(jì)了一種頂板離層檢測(cè)傳感器[3-7]，實(shí)現(xiàn)了巷道頂板離層在線監(jiān)測(cè)，提高了頂板離層檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

煤礦沿空掘巷頂板離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要由地面和井下兩部分組成(圖1)，地面主要包括礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器、系統(tǒng)服務(wù)器、監(jiān)測(cè)主機(jī)以及服務(wù)軟件；井下有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口、CAN總線、監(jiān)測(cè)分站、無(wú)線網(wǎng)關(guān)和頂(幫)離層傳感器。傳感器監(jiān)測(cè)頂板與兩幫位移量可實(shí)現(xiàn)LCD顯示，同時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)傳送至監(jiān)測(cè)分站，無(wú)線網(wǎng)關(guān)通信方式采用RS-485總線，礦用隔爆本質(zhì)安全型監(jiān)測(cè)分站將各個(gè)區(qū)段頂板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并傳送至監(jiān)測(cè)主站，經(jīng)CAN總線通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至地面服務(wù)器，地面主機(jī)將接受的數(shù)據(jù)通過(guò)專業(yè)軟件進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算和分析。同時(shí)，該系統(tǒng)還可與集團(tuán)廣域網(wǎng)進(jìn)行互相通信，實(shí)現(xiàn)資源共享。

圖1 沿空掘巷頂板離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)組成

圖2 巷道測(cè)量基站傳感器布置示意圖

為實(shí)現(xiàn)巷道頂板離層監(jiān)測(cè)的全局性和連續(xù)性，巷道應(yīng)分區(qū)段安裝頂板離層傳感器，在巷道頂板與兩幫分別進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置(圖2)，根據(jù)RS-485總線通信標(biāo)準(zhǔn)，巷道每間隔50m設(shè)置一個(gè)測(cè)量基站為宜。大量測(cè)量基站的長(zhǎng)距離布設(shè)需要考慮礦用隔爆本質(zhì)安全型監(jiān)測(cè)分站的信號(hào)結(jié)點(diǎn)容量、檢測(cè)周期、供電電路等因素，合理的布置監(jiān)測(cè)分站信號(hào)結(jié)點(diǎn)容量、檢測(cè)方式、配電方案以及通信協(xié)議等系統(tǒng)參數(shù)。該系統(tǒng)中RS-485通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)掛接32個(gè)結(jié)點(diǎn)，檢測(cè)周期為≤5s，采用AC127V礦用隔爆本質(zhì)安全型電源轉(zhuǎn)化+5V、+12V電源進(jìn)行供電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

巷道頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，關(guān)鍵在于位移傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，既要獲得準(zhǔn)確頂板離層信息又要對(duì)巷道圍巖實(shí)時(shí)控制。

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

頂板離層位移傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)圍巖深、淺部位移量，采用雙運(yùn)算LM358芯片，檢測(cè)電路將位移傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，提供給STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行采樣處理(圖3)[8-10]。

2.2 CPU電路原理

CPU電路主要包括CPU、復(fù)位電路、程序調(diào)試下載電路、供電電源和時(shí)鐘電路(圖4)。在進(jìn)行CPU電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，定義CPU電路引腳功能尤為重要，在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)接口P0與以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接，P1和P2、P3分別模擬頂板離層檢測(cè)和RTL8019AS控制信號(hào)。

2.3 頂板離層位移檢測(cè)電路

為了達(dá)到較好的檢測(cè)精度，檢測(cè)電路選用雙運(yùn)放LM358芯片，該芯片適合于電壓范圍寬泛的單電源電路，在頂板離層位移檢測(cè)電路中LM358芯片選用5V單電源進(jìn)行供電(圖5)。

圖3 沿空掘巷頂板離層傳感器組成

圖4 頂板離層傳感器CPU電路原理

圖5 位移檢測(cè)電路原理

2.4 以太網(wǎng)電路原理

1)數(shù)據(jù)總線模式。RTL8019AS是一款高度集成以太網(wǎng)接口控制器，具有8/16為總線模式，RTL8019AS接口類型由引腳IOCS16來(lái)決定。在以太網(wǎng)接口電路原理中，將引腳IOCS16與27Ω電阻進(jìn)行接地連接，使芯片保持在8位總線模式。

2)RTL8019AS芯片工作模式。該芯片出于何種工作模式由JP引腳來(lái)決定，在此系統(tǒng)中，選用跳線模式，即RTL8019AS芯片JP引腳與高電平連接，把引腳各個(gè)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)初始值。

3)I/O地址設(shè)置。RTL8019AS芯片在跳線方式工作模式下，I/O地址由81(IOS0)、82(IOS1)、84(IOS2)和85(IOS3)引腳來(lái)決定，分別將81(IOS0)、82(IOS1)、84(IOS2)和85(IOS3)引腳設(shè)置為低電平，即I/O地址為300H。

4)芯片復(fù)位設(shè)置。單片機(jī)芯片與RSTDRV引腳互相連接，輸出大于600ns高電平，控制芯片復(fù)位。

5)地址總線與數(shù)據(jù)連接。以太網(wǎng)控制芯片已經(jīng)設(shè)置為8位數(shù)據(jù)總線模式，P0數(shù)據(jù)接口與其SD0～SD7相連接；以太網(wǎng)控制芯片內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器讀寫(xiě)地址00H～1FH，由于I/O地址設(shè)置300H，所以總線尋址為300H～31FH。STC12C5A60S2的P4數(shù)據(jù)接口與RTL8019AS芯片底5位地址SA0～SA4相連接，片選信號(hào)CS來(lái)控制SA8和SA9地址，信號(hào)CS高電平時(shí)有效。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

頂板離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件包括：①主程序模塊，主要完成系統(tǒng)總體配置等初始化和部分子程序的調(diào)用工作；②A/D采集程序模塊，主要用來(lái)采集電位器元件的電壓值，頂板深淺部位移傳感器采用2套獨(dú)立A/D采集程序；③定時(shí)器中斷程序模塊，通過(guò)觸發(fā)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出；④外部中斷程序模塊，能夠?qū)ν獠堪存I輸入響應(yīng)、光電觸發(fā)感應(yīng)以及巡查命令響應(yīng)等，其具體流程見(jiàn)圖6。

3.2 以太網(wǎng)通信模塊

在進(jìn)行頂板離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，以太網(wǎng)通信模塊是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，主要包括以下模塊。

1)初始化模塊。主要對(duì)以太網(wǎng)控制芯片進(jìn)行芯片復(fù)位、初始化設(shè)置以及數(shù)據(jù)發(fā)送，具體流程見(jiàn)圖7。

圖6 沿空掘巷頂板離層傳感器軟件程序流程

圖7 初始化模塊軟件程序流程

2)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。數(shù)據(jù)包在進(jìn)行發(fā)送時(shí)，CPU將數(shù)據(jù)包按照指定格式寫(xiě)入RTL8019AS，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送指令，數(shù)據(jù)包通過(guò)RTL8019AS轉(zhuǎn)換成幀的格式在物理通道上進(jìn)行傳送。RTL8019AS收到發(fā)送信號(hào)后自動(dòng)將其存儲(chǔ)在緩沖區(qū)，與此同時(shí)發(fā)出中斷信號(hào)，在中斷程序中即可接收數(shù)據(jù)，之后通過(guò)遠(yuǎn)程DMA再將數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)控制芯片RAM空間讀回ARM中處理，并按照指定格式存入RAM中。

4 基于粗糙集與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全信息融合算法研究

系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖8，采用兩級(jí)數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)模式。第一級(jí)信息融合針對(duì)同一種環(huán)境參數(shù)的融合，融合后的特征向量比原始數(shù)據(jù)更加接近目標(biāo)真實(shí)值，井上監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示各參數(shù)值為該特征向量。二級(jí)數(shù)據(jù)融合基于一級(jí)信息融合的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)參數(shù)融合值進(jìn)行橫向分析。井下環(huán)境安全涉及多個(gè)參量，僅由一個(gè)參數(shù)難以獲得對(duì)井下環(huán)境狀態(tài)的一致性估計(jì)。而且瓦斯參數(shù)與溫度、風(fēng)速等其他參數(shù)關(guān)聯(lián)度較大，所以對(duì)對(duì)一級(jí)數(shù)據(jù)融合值進(jìn)行二次融合，最終得到關(guān)于環(huán)境安全狀況的一致性估計(jì)。

4.1 數(shù)據(jù)一級(jí)融合

受井下復(fù)雜多變的環(huán)境因素的影響，傳感器實(shí)際測(cè)量值與目標(biāo)真實(shí)值之間總存在一定的誤差。為消除這種測(cè)量過(guò)程中的不確定性，使最終測(cè)量數(shù)據(jù)最大限度的接近真實(shí)值，我們采用模糊貼近度算法對(duì)傳感器采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次融合處理。

數(shù)據(jù)一級(jí)融合模型如圖9所示，通過(guò)臨近的n個(gè)同質(zhì)傳感器，如瓦斯傳感器，對(duì)某一監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)。這n個(gè)參數(shù)在一級(jí)數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合后得出初步融合值。一級(jí)數(shù)據(jù)融合所針對(duì)的數(shù)據(jù)參數(shù)都是來(lái)自相同傳感器，即同質(zhì)傳感器。

圖8 系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合過(guò)程

圖9 數(shù)據(jù)一級(jí)融合模型

井下環(huán)境中溫(濕)度、機(jī)械震動(dòng)、電磁波等各種因素都會(huì)對(duì)傳感器施加影響，各種因素具有隨機(jī)性，其施加的影響往往也具有隨機(jī)性，因此傳感器測(cè)量值具有隨機(jī)性，一般服從正態(tài)分布。對(duì)于某一參數(shù)，令第i個(gè)傳感器的測(cè)量值為xi，i=1,2,3…n，n個(gè)參數(shù)的具體融合過(guò)程如下所述。

1)對(duì)采集的n個(gè)同類參數(shù)求其均值x0和方差σ0，分別見(jiàn)式(1)、式(2)。

(1)

(2)

2)由式(3)求該種參數(shù)各傳感器原始數(shù)據(jù)與均值x0之間的模糊貼近度Si，然后將Si代入式(4)求得融合時(shí)的相對(duì)權(quán)重ωi。

(3)

(4)

3)根據(jù)式(5)計(jì)算得到該參數(shù)的一級(jí)數(shù)據(jù)融合結(jié)果。

(5)

4)得到特征向量。重復(fù)以上三個(gè)步驟，分別對(duì)瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、風(fēng)速、粉塵體積分?jǐn)?shù)和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行融合得到融合值，五個(gè)參數(shù)的融合值構(gòu)成特征向量。

4.2 數(shù)據(jù)的二級(jí)融合

線傳感網(wǎng)絡(luò)采集到得數(shù)據(jù)經(jīng)第一級(jí)數(shù)據(jù)融合后可得到表征礦井環(huán)境五個(gè)主要參數(shù)的特征向量。按照這五種傳感器參數(shù)可將煤礦環(huán)境安全狀況等級(jí)劃分為：安全、較安全、一般安全、較不安全、不安全。煤礦環(huán)境安全狀況劃分情況見(jiàn)表1。

表1 礦井安全等級(jí)劃分

灰色關(guān)聯(lián)分析的基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來(lái)判斷其聯(lián)系是否緊密。曲線越接近，相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小。灰色關(guān)聯(lián)分析步驟如下所述。

1)去量綱化。由于參與比較的系統(tǒng)各參數(shù)向量中數(shù)據(jù)來(lái)自不同介質(zhì)傳感器，計(jì)算單位各不相同，不便于比較。因此在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析時(shí)，一般都要進(jìn)行去量綱化(標(biāo)準(zhǔn)化)的數(shù)據(jù)處理。

2)求關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(Xi)。選取曲線間差值作為關(guān)聯(lián)程度衡量尺度，對(duì)于一個(gè)參考數(shù)列X0和若干比較數(shù)列X1，X2，X3…Xn，參考數(shù)列與各比較數(shù)列在曲線中的各點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(Xi)的計(jì)算見(jiàn)式(6)。

(6)

式中，ζ(Zeta)為分辨系數(shù)，0<ζ<1，一般取ζ=0.5。式(6)可以簡(jiǎn)化為式(7)。

(7)

3)求關(guān)聯(lián)度ri。按照第 2 步我們已求出參考數(shù)列與各個(gè)比較數(shù)列在曲線中各點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，曲線上有幾個(gè)點(diǎn)就對(duì)應(yīng)有幾個(gè)關(guān)聯(lián)系數(shù)，這樣信息過(guò)于分散不便于曲線間相似程度進(jìn)行整體性比較。因此我們對(duì)各關(guān)聯(lián)系數(shù)求平均值得到關(guān)聯(lián)度ri，做為參考數(shù)列與比較數(shù)列間關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示，關(guān)聯(lián)度ri的計(jì)算見(jiàn)式(8)。

(8)

礦井環(huán)境參數(shù)經(jīng)一級(jí)融合后得到特征向量，以X=[x(1)x(2)x(3)x(4)x(5)]表示，x(1)…x(5)分別表示瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、風(fēng)速、粉塵體積分?jǐn)?shù)和 CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)。該特征向量為參考數(shù)列。礦井環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)特征向量Y=[Y1Y2Y3Y4Y5]為比較序列。參考表1選擇礦井安全等級(jí)向量，見(jiàn)式(9)。

(9)

二級(jí)數(shù)據(jù)融合采用礦井環(huán)境特征向量與標(biāo)準(zhǔn)特征向量之間的灰色關(guān)聯(lián)度對(duì)系統(tǒng)特征優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，計(jì)算二者之間的關(guān)聯(lián)度，最終根據(jù)關(guān)聯(lián)度ri的大小給出系統(tǒng)的安全等級(jí)的一致性判決，從而在整體上考慮礦井環(huán)境的安全性能。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了測(cè)試頂板離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的可行性和安全性，在某礦沿空掘巷進(jìn)行工業(yè)性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)人工和計(jì)算機(jī)分別讀取頂板離層傳感器內(nèi)置深淺部位移，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，人工采用機(jī)械式采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2～3。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

表3 樣本指標(biāo)表

從表2～3中可以看出，頂板離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)ρ乜站蛳镯敯咫x層進(jìn)行在線精確測(cè)量，其誤差保持在±4.8%之間，具有工業(yè)以太網(wǎng)通信功能，能夠準(zhǔn)確、安全、高效地將數(shù)據(jù)上傳至地面服務(wù)器，同時(shí)，經(jīng)融合處理后判決結(jié)果與實(shí)際狀況的決策結(jié)果一致，表明基于模糊貼近度和灰色關(guān)聯(lián)度的兩級(jí)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的礦井安全檢測(cè)系統(tǒng)可以有效評(píng)估礦井環(huán)境的安全狀態(tài)，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

6 結(jié)語(yǔ)

煤礦沿空掘巷頂板離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)集計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)于一體，具有低成本、高效率、高精度等特點(diǎn)。利用頂板離層傳感器能夠較為靈活方便地實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了了人工所不能或較為難以實(shí)現(xiàn)的測(cè)量功能，實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)測(cè)量精度穩(wěn)定、可靠，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

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Design for on-line monitoring and warning system of roof abscission layer in gob-side entry driving of mine

ZHANG Jie1， LI Pei1,ZHU Chunhua2

(1. Department of Information Engineering, Zhengzhou Tourism College, Zhengzhou 450009, China; 2. Department of Information Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

There are many problems with on-line monitoring, and the warning capacity is weak in roadway roof, an on-line monitoring and warning system of roof abscission layer based on industry web is proposed. By building a wireless sensor network based on ZigBee protocol, the hardware and software design are introduced in paper, and the overall design. implementation of down hole environmental data collection, transmission, and then via the industrial Ethernet will collect data sent to the monitoring center computer. According to the requirements of system data fusion, is proposed in this paper, based on fuzzy closeness and two levels of data fusion model of grey correlation degree. The test results show that the system is able to on-line measure accurately for roof abscission layer in gob-side entry driving of mine, the error could be kept on ±4.8, and the early warning capacity is improved effectively.

driving roadway; on-line monitoring; industry web; early warning system; circuit principle

2016-08-08

2014年度河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助(編號(hào)：14A510014)

張潔(1983-)，女，河南新鄭人，漢族，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；

李培(1985-)，女，河南新鄭人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；

TD326

A

1004-4051(2017)01-0108-06

朱春華(1976-)女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線通信控制。