礦井瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)消噪方法分析

楊曉玲

摘 要：礦井瓦斯數(shù)據(jù)的消噪對(duì)礦井生產(chǎn)安全產(chǎn)生重要影響，本文在深入了解礦井瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)消噪方法進(jìn)行了分析，希望能對(duì)相關(guān)人員工作有所幫助。

關(guān)鍵詞：礦井瓦斯;監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);消噪方法

目前我國(guó)煤礦礦井生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)處理，通過對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠及早發(fā)現(xiàn)各類潛在安全隱患，降低礦井安全事件發(fā)生率。但是現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，礦井井下在數(shù)據(jù)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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度下降，造成噪聲，應(yīng)該得到相關(guān)人員的關(guān)注。

1 礦井瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)噪音問題分析

現(xiàn)代研究認(rèn)為，瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中噪聲信號(hào)的存在是因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸、采集以及處理過程中各種因素相互作用下所引發(fā)的。在礦井瓦斯數(shù)據(jù)采集過程中，由于礦井的井下環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致傳染期受煤塵、高溫、有害氣體等環(huán)境因素影響而造成精度下降，導(dǎo)致所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了噪聲信號(hào)。而在數(shù)據(jù)傳輸過程中，設(shè)備的通信顯露受高壓脈沖、設(shè)備啟停等因素的影響后，設(shè)備傳輸過程中容易混入一部分的噪聲信號(hào);最后的數(shù)據(jù)處理期間，因?yàn)閿?shù)據(jù)處理介質(zhì)故障或者系統(tǒng)組件錯(cuò)誤等因素影響，導(dǎo)致噪聲信號(hào)介入，引發(fā)噪聲問題。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的噪聲信號(hào)會(huì)降低監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自身的準(zhǔn)確性，并且在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理階段會(huì)表現(xiàn)出分散性的問題，導(dǎo)致工作人員在處理噪聲信號(hào)期間難以構(gòu)建精準(zhǔn)的信號(hào)處理模型，不利于礦井安全生產(chǎn)，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(chǎn)的關(guān)鍵。

2 數(shù)據(jù)消噪方法研究

2.1 小波閾值法分析

從現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況來看，小波閾值法能夠?qū)ν咚沟臐舛葧r(shí)間序列進(jìn)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(shí)施路徑為：

2.1.1 將瓦斯?jié)舛葧r(shí)間序列小波分解

受異常數(shù)據(jù)處理以及缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)齊之后，人們所獲得的瓦斯?jié)舛葧r(shí)間序列具有明顯的波動(dòng)特征，自身處理難度較大，但是通過對(duì)時(shí)間序列的進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，波動(dòng)數(shù)據(jù)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(duì)數(shù)據(jù)做小波基分解。在小波基分解過程中，分解的層數(shù)越高，則所能除去的低頻成分越多，所獲得數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性越高，因此在數(shù)據(jù)處理中所確定的分解層數(shù)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(shù)的閾值處理

在閾值處理環(huán)節(jié)可以采用無偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)準(zhǔn)則、閾值法以及混合準(zhǔn)則等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在實(shí)施階段，本文考慮到瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)本身存在的時(shí)間序列波動(dòng)性特征，在數(shù)據(jù)處理過程中容易發(fā)現(xiàn)有效信號(hào)與噪聲信號(hào)重疊的問題，并且兩者交替產(chǎn)生，因此數(shù)據(jù)處理難度較大。同時(shí)瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身會(huì)在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)表達(dá)過程中出現(xiàn)規(guī)律性拆，所以數(shù)據(jù)處理過程中采用自適應(yīng)特性的無偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)準(zhǔn)則對(duì)閾值做自適應(yīng)處理，在風(fēng)險(xiǎn)值函數(shù)的基礎(chǔ)上確定最小風(fēng)險(xiǎn)值來確定閾值，這樣就可以保留較多的有效信號(hào)。

在數(shù)據(jù)處理過程中，通過對(duì)分解獲得的小波系數(shù)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(shù)的數(shù)量，這樣在對(duì)噪聲數(shù)據(jù)的處理中，每個(gè)元素的定義風(fēng)險(xiǎn)值為：

在上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下，閾值λ的計(jì)算公式為：

其中σ代表隨機(jī)噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差，kmin代表取最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的序列號(hào)。

2.1.3 瓦斯?jié)舛葧r(shí)間序列的重構(gòu)

在經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理后，工作人員可以通過小波逆變換的數(shù)據(jù)處理方法，將閾值處理后的小波系數(shù)與尺度系數(shù)做重構(gòu)處理，在重構(gòu)處理模式下可以獲得瓦斯噪聲的序列，而相對(duì)應(yīng)的就是消噪之后的瓦斯?jié)舛葧r(shí)間序列，達(dá)到數(shù)據(jù)處理目的。

2.2 基于HHT的瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)消噪處理

HHT瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)消噪處理也是一種有效的噪聲數(shù)據(jù)處理方法，其具體過程為：

2.2.1 對(duì)瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的EMD處理

針對(duì)煤礦井下所獲得的一段時(shí)間原始瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)續(xù)聯(lián)，先通過EMD的護(hù)理方法，使其成為若干個(gè)INF分量。

2.2.2 瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的HHT譜分析

對(duì)每個(gè)IMF分量數(shù)據(jù)做Hilbert變換處理，將計(jì)算得出的原始瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的序列進(jìn)行整理，形成邊際譜，根據(jù)邊際譜中所呈現(xiàn)的頻幅關(guān)系變化，基本確定邊際譜中能量相對(duì)集中的頻率區(qū)間，并將該區(qū)間作為監(jiān)測(cè)瓦斯數(shù)據(jù)序列有效頻率分布的主要范圍。相應(yīng)的，工作人員還需要針對(duì)每個(gè)IMF分量做EMD處理以及Hilbert變化，獲得每個(gè)IMF分量的邊際譜，這樣可以保障數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。

2.2.3 相關(guān)性分析

按照每個(gè)邊際譜的數(shù)據(jù)變化情況判斷不同IMF分量與原始瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列之間的相關(guān)性，期間若發(fā)現(xiàn)IMF分量向?qū)?yīng)的邊際譜中的能量分布與原始瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的序列呈現(xiàn)出集中式分布之后，就可以認(rèn)為兩組數(shù)據(jù)之間存在著相關(guān)性，而其中的相關(guān)性則受到頻率變化反應(yīng)的影響，按照相關(guān)性的強(qiáng)弱來集中判定頻率分布區(qū)的集中程度。此時(shí)若發(fā)現(xiàn)IMF分量的邊際譜中具有相對(duì)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(qū)間時(shí)，則可以判斷上述數(shù)據(jù)之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，就可以將這組數(shù)據(jù)基本作為判斷瓦斯?jié)舛葧r(shí)間序列的具體指標(biāo)。

3 結(jié)束語

礦井瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)礦井安全生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響，在消噪處理環(huán)節(jié)，工作人員應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到小波處理技術(shù)與HHT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，積極發(fā)掘上述兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，這樣才能有效消除瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)噪音，為保證安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。