基于多傳感器融合的煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢系統(tǒng)

孟廣瑞，楊 闖

（1.國(guó)家能源集團(tuán)煤炭與運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)管理部煤礦智能化辦公室，北京 100010；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧撫順 113122）

目前，煤礦危險(xiǎn)氣體事故仍是煤礦生產(chǎn)過程中最大的安全隱患之一，也是我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。其中，危險(xiǎn)氣體爆炸事故的危害性最為嚴(yán)重[1]。對(duì)礦井危險(xiǎn)氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)安全的重要措施之一，通過對(duì)礦井危險(xiǎn)氣體濃度的檢測(cè)和分析，為危險(xiǎn)氣體預(yù)測(cè)提供實(shí)時(shí)、精確、可靠的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，做到早處理、早防范。

煤礦針對(duì)井下危險(xiǎn)氣體的檢測(cè)方法主要是在固定位置安裝單一傳感器進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。由于井下氣體分布情況比較復(fù)雜，在不同類型巷道、不同涌出情況和不同風(fēng)速等條件下，其危險(xiǎn)氣體的分布都不同，單一傳感器采集到的氣體數(shù)據(jù)不能完全代表當(dāng)前被測(cè)位置的真實(shí)情況，進(jìn)而影響工作人員對(duì)井下環(huán)境的正確判斷[2]。相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提出了一種煤礦危險(xiǎn)氣體探測(cè)機(jī)器人，大多是對(duì)其結(jié)構(gòu)、防爆設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)避險(xiǎn)方面進(jìn)行研究[3-4]，缺少針對(duì)多種傳感器融合技術(shù)的研究。

為了提高井下危險(xiǎn)氣體的檢測(cè)精度，有效提升數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和全面性，設(shè)計(jì)了基于多傳感器融合技術(shù)的煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢系統(tǒng)?？梢苿?dòng)機(jī)器人本體作為執(zhí)行層，其上搭載的多種傳感器，可進(jìn)行多種不同危險(xiǎn)氣體和溫濕度等環(huán)境信息采集，通過自適應(yīng)加權(quán)融合算法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)其采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，在監(jiān)控平臺(tái)上即可讀取各參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)預(yù)警報(bào)警、報(bào)表生成等功能。

1 煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system

煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢系統(tǒng)架構(gòu)分為決策層、網(wǎng)絡(luò)層、執(zhí)行層3 層。

1）決策層。決策層由監(jiān)控平臺(tái)、系統(tǒng)管理軟件、圖像存儲(chǔ)服務(wù)器、邊緣計(jì)算服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和核心交換機(jī)組成，主要負(fù)責(zé)工作任務(wù)下發(fā)，人工監(jiān)控，應(yīng)急處理、任務(wù)日志記錄查詢、報(bào)警等功能。

2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層包括通信基站和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，根據(jù)井下具體情況可采用光纖網(wǎng)絡(luò)或WIFI 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，對(duì)整個(gè)作業(yè)范圍實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，網(wǎng)絡(luò)層能夠完成到達(dá)包的存儲(chǔ)、交換和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)信息的擁塞控制，可提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率且能夠降低丟包率，為機(jī)器人間的數(shù)據(jù)傳遞以及現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層和決策層數(shù)據(jù)傳遞提供可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)[5]，對(duì)于像危險(xiǎn)氣體巡檢系統(tǒng)中，多傳感器所傳遞的大量信息同時(shí)接收情況，有著重要的實(shí)際意義。

3）執(zhí)行層。執(zhí)行層是現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際作業(yè)設(shè)備，即危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人，機(jī)器人可分為行走機(jī)構(gòu)模塊、機(jī)械本體、供電模塊、智能感知模塊、控制模塊和通訊模塊。主要負(fù)責(zé)在煤礦井下巷道內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指定位置的氣體參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)巡檢、定點(diǎn)巡檢、指定特殊任務(wù)巡檢、遙控巡檢和遠(yuǎn)程巡檢等多種巡檢方式。其中智能感知模塊中包含多種類型傳感器，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢功能的主要模塊。

1.2 危險(xiǎn)氣體巡檢作業(yè)流程

煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢由巡檢機(jī)器人具體執(zhí)行操作，機(jī)器人能夠完全代替巡檢工人進(jìn)行自主巡檢，危險(xiǎn)氣體巡檢作業(yè)流程示意圖如圖2。

圖2 危險(xiǎn)氣體巡檢作業(yè)流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of hazardous gas inspection process

由圖2 可知，充電室、集控中心、交換機(jī)設(shè)置于地面上，機(jī)器人在地面充電室完成充電后，即進(jìn)入井下巷道進(jìn)行巡檢作業(yè)，途中藍(lán)色曲線表示機(jī)器人從地面到井下巷道的行進(jìn)路線。巷道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，可預(yù)設(shè)多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，巡檢機(jī)器人自主行走至檢測(cè)點(diǎn)后可實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)作業(yè)。井下設(shè)置硐室，可供巡檢機(jī)器人在沒有作業(yè)任務(wù)時(shí)進(jìn)入室內(nèi)安置，能夠避免井下工作人員誤撞以及其他生產(chǎn)過程中造成的不必要傷害。當(dāng)整條巷道巡檢作業(yè)完成后，機(jī)器人可沿圖2 中橙色路線返回至地面充電室。地面和井下均設(shè)置通訊基站，保證了數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳輸。

2 危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人

煤礦危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)井下巷道內(nèi)自主行走、智能巡檢，能夠減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、降低勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，避免事故擴(kuò)大化。機(jī)器人通過多傳感器融合技術(shù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、傳輸現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，然后通過對(duì)危險(xiǎn)氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)融合計(jì)算分析，判斷是否存在危險(xiǎn)氣體體積分?jǐn)?shù)過高，實(shí)現(xiàn)預(yù)警報(bào)警處理。

2.1 危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人功能設(shè)計(jì)框架

巡檢機(jī)器人包括智能感知模塊，機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)是基于該模塊對(duì)各類信息的采集和處理，即傳感器信息數(shù)據(jù)采集和處理，危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人功能設(shè)計(jì)框架圖如圖3。

圖3 危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人功能設(shè)計(jì)框架圖Fig.3 Function design framework of dangerous gas inspection robot

由圖3 可知，機(jī)器人功能可分為7 大類，其中任務(wù)統(tǒng)計(jì)功能為作業(yè)前接收任務(wù)指令；路徑生成功能為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主行走巡檢的必要條件；對(duì)作業(yè)狀態(tài)查看、維護(hù)保養(yǎng)記錄、電量信息提示和預(yù)警提示信息的統(tǒng)計(jì)分析，能夠保障巡檢作業(yè)可靠運(yùn)行；環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)功能可實(shí)現(xiàn)煤礦井下行走路況、危險(xiǎn)氣體體積分?jǐn)?shù)等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)存在體積分?jǐn)?shù)超出預(yù)設(shè)值時(shí)即可實(shí)現(xiàn)報(bào)警預(yù)警處理。實(shí)現(xiàn)以上功能的傳感器數(shù)據(jù)信息將最終顯示在上位機(jī)終端上，具有分類顯示、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警彈窗和處理日志記錄功能。

2.2 巡檢機(jī)器人工作原理

巡檢機(jī)器人利用一個(gè)自主運(yùn)行平臺(tái)，使同種類或不同類傳感器融合在一起，利用多種不同類型的傳感器技術(shù)優(yōu)勢(shì)將各自采集到的數(shù)據(jù)提供給整個(gè)系統(tǒng)[6]。通過數(shù)據(jù)校準(zhǔn)及相關(guān)性分析，以提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)劃、分析以及智能化處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下待巡檢區(qū)域內(nèi)的路況信息、煙霧、一氧化碳、甲烷等體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)。

在所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和環(huán)境智能感知控制，巡檢機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)圖如圖4。主控制器為工控機(jī)或防爆PC[7]，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各電機(jī)的控制，搭載紅外避障傳感器和超聲波測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)自主或遙控避障。環(huán)境智能感知模塊包括數(shù)量較多的不同種類傳感器，可使機(jī)器人通過混合導(dǎo)航方式進(jìn)行路徑識(shí)別、路徑規(guī)劃[8]，以及到待檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行多種危險(xiǎn)氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)，然后將檢測(cè)結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測(cè)后臺(tái)。

圖4 危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Control structure of dangerous gas inspection robot

危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)工作流程如下：

1）工作人員通過上位機(jī)為巡檢機(jī)器人發(fā)布1 個(gè)巡檢任務(wù)，巡檢機(jī)器人將執(zhí)行該任務(wù)的時(shí)間、具體位置、數(shù)據(jù)安全檢測(cè)范圍等相關(guān)資料存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

2）巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)會(huì)收到巡檢機(jī)器人目前正在執(zhí)行的任務(wù)和巡檢設(shè)備的位置信息，這些信息通過任務(wù)控制模塊對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)讀取獲得。

3）巡檢機(jī)器人通過判斷巡檢位置信息，智能制定出對(duì)該位置要進(jìn)行的巡檢項(xiàng)目。需要巡檢瓦斯體積分?jǐn)?shù)時(shí)，機(jī)器人采用甲烷傳感器，以判斷該位置是否在安全; 巡檢需要人員經(jīng)過的道路時(shí)，機(jī)器人則開啟多傳感器對(duì)該道路進(jìn)行多次循環(huán)巡檢，以判斷該道路是否安全。

4）數(shù)據(jù)庫會(huì)記錄設(shè)備巡檢結(jié)果，其中包含超出安全范圍的警告。

5）Web 服務(wù)模塊讀取對(duì)設(shè)備巡檢后的結(jié)果及超出安全范圍的警告并顯示在頁面上。

3 多傳感器融合技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 多傳感器融合算法

多傳感器系統(tǒng)通過多個(gè)傳感器獲得更多種類和數(shù)量的傳感數(shù)據(jù), 因此經(jīng)過處理得到的多種信息能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行更加全面的描述,與單傳感器相比，這種結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致了多傳感器系統(tǒng)的處理過程更加復(fù)雜[9]，在實(shí)際應(yīng)用中多傳感器系統(tǒng)可以被理解為1 個(gè)多入多出的系統(tǒng)，多傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5。

圖5 多傳感器系統(tǒng)Fig.5 Multi-sensor system

由圖5 可知，基于井下環(huán)境，危險(xiǎn)氣體巡檢系統(tǒng)中設(shè)計(jì)12 種傳感器，每2 種傳感器信息進(jìn)行融合后再與第3 種傳感器信息進(jìn)行融合，逐層遞進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)所有傳感器信息的融合。

多傳感器融合是將來自各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，以獲得更加精準(zhǔn)、穩(wěn)定和可靠的融合數(shù)據(jù)，而在多傳感器融合過程中包含了大量的不確定信息，因此多傳感器融合是一個(gè)復(fù)雜的不確定信息處理過程，應(yīng)盡可能地減少融合處理過程所產(chǎn)生的算法誤差。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于有導(dǎo)師式的學(xué)習(xí)方式，即有監(jiān)督的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可實(shí)現(xiàn)各層誤差的估計(jì)，根據(jù)各層的誤差不斷動(dòng)態(tài)調(diào)整各神經(jīng)元權(quán)值，從而減小輸出誤差[10]。因此系統(tǒng)采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)多傳感器融合。

3.2 基于多傳感器融合技術(shù)的井下危險(xiǎn)氣體巡檢

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器和預(yù)測(cè)輸出的能力，需要在預(yù)測(cè)之前進(jìn)行訓(xùn)練[11]。根據(jù)其特點(diǎn)，可得出基于多傳感器融合的井下危險(xiǎn)氣體檢測(cè)流程如下：①采用多個(gè)傳感器對(duì)井下環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并去除每一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)中的無用信息；②將多個(gè)傳感器采集的路況、各氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，同時(shí)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)中的重復(fù)信息進(jìn)行去除，減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，獲得高質(zhì)量檢測(cè)的樣本數(shù)據(jù)；③將待檢測(cè)數(shù)據(jù)劃分為學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)；④根據(jù)井下環(huán)境檢測(cè)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化；⑤采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各種類危險(xiǎn)氣體檢測(cè)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立危險(xiǎn)氣體檢測(cè)模型。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了基于多傳感器融合的煤礦井下危險(xiǎn)氣體巡檢系統(tǒng)，采用可移動(dòng)巡檢機(jī)器人為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，引入多傳感器融合技術(shù)，應(yīng)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提高了原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，輸出危險(xiǎn)氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果，有效評(píng)估待檢區(qū)域安全狀態(tài)。基于多傳感器融合的煤礦井下危險(xiǎn)氣體巡檢系統(tǒng)解決煤礦井下作業(yè)區(qū)域多種危險(xiǎn)氣體進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)的問題，為危險(xiǎn)氣體預(yù)測(cè)提供實(shí)時(shí)、精確、可靠的數(shù)據(jù)。