劉 兵，陳 衡

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，安徽 淮北 235000)

基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 兵，陳 衡

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，安徽 淮北 235000)

針對(duì)目前煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的缺陷，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了當(dāng)前煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍存在的穩(wěn)定性差和可靠性低等不足.首先，根據(jù)煤礦瓦斯的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行建模，結(jié)合Agent技術(shù)自身的特點(diǎn)，討論如何將其應(yīng)用在煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，最后對(duì)將Agent技術(shù)應(yīng)用在煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比分析和仿真.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Agent技術(shù)應(yīng)用在煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中可以大大降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量、減少監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間與數(shù)據(jù)傳輸帶來的能量損耗，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性.

Agent；瓦斯監(jiān)測(cè)；響應(yīng)時(shí)間；能量損耗

煤炭作為我國(guó)第一大能源，開采環(huán)境較為復(fù)雜，事故率較高[1].相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前由于瓦斯問題而造成的煤礦事故占總體煤礦事故的71%～82%，所以為了保證煤礦井下工作人員的安全，提高煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性尤其重要[2].

將具有自主性和學(xué)習(xí)性的智能型Agent技術(shù)加入煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)傳統(tǒng)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)做了改進(jìn)和完善[3].在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，移動(dòng)Agent可以根據(jù)實(shí)際的需求在煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任意節(jié)點(diǎn)之間來回移動(dòng)，并且可以與數(shù)據(jù)采集Agent進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，獲取實(shí)時(shí)的瓦斯?jié)舛戎?當(dāng)該值超過設(shè)定閾值時(shí)，會(huì)立即向最近的節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警，該節(jié)點(diǎn)會(huì)將相應(yīng)信息發(fā)送給監(jiān)測(cè)主站，以便工作人員采取相應(yīng)措施[4].

1 煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型

基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模型主要包括數(shù)據(jù)采集Agent、管理Agent、移動(dòng)Agent和監(jiān)控主站，該模型可以實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，以確保煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境的安全可靠.

圖1 數(shù)據(jù)采集AgentFig.1 Data acquisition Agent chart

1.1 數(shù)據(jù)采集Agent

數(shù)據(jù)采集Agent作為整個(gè)煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最重要的部分，一般安裝在煤礦工作面、掘進(jìn)面或回風(fēng)巷等瓦斯容易聚集的環(huán)境中[5].該子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分采用具有煤安認(rèn)證的高穩(wěn)定性數(shù)據(jù)采集器，核心部分主要包括單片機(jī)核心控制器模塊、電源模塊、數(shù)字采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、RFID模塊和數(shù)據(jù)采集口等，結(jié)構(gòu)如圖1所示.

將預(yù)先編寫并調(diào)試完成的代理程序燒入單片機(jī)，使其可以自主獲取數(shù)據(jù)、處理通信，并且可執(zhí)行管理Agent發(fā)出的命令.數(shù)據(jù)采集Agent設(shè)計(jì)思想為系統(tǒng)采用集成模擬信號(hào)采集模塊的單片機(jī)通過采集口獲取傳感器的模擬信號(hào)，將信號(hào)通過串口發(fā)送給數(shù)字采集模塊，數(shù)字信號(hào)傳感器的信號(hào)可直接由數(shù)字采集模塊獲取[6].然后,將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的二次處理，完成后將數(shù)據(jù)通過RFID模塊實(shí)現(xiàn)無線傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送給管理Agent，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定、實(shí)時(shí)和高效地傳輸[7].

圖2 管理AgentFig.2 Management Agent chart

1.2 管理Agent

管理Agent通過接收環(huán)境數(shù)據(jù)采集Agent的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，同時(shí)與監(jiān)測(cè)主站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8]，它主要由狀態(tài)對(duì)比分析模塊、實(shí)時(shí)狀態(tài)信息表、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)信息表、故障信號(hào)源和通信模塊組成，如圖2所示.

1.3 移動(dòng)Agent

移動(dòng)Agent主要完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和任務(wù)調(diào)度，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際需要移動(dòng)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任何一部分，保證整個(gè)系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行.

1.4 監(jiān)測(cè)主站

監(jiān)測(cè)主站主要完成Agent策略的制定、方案的選擇和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及資源的最優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)煤礦井下瓦斯的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè).基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型如圖3所示.

圖3 基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Coal mine gas online monitoring system model based on Agent

管理Agent與各個(gè)數(shù)據(jù)采集Agent之間通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，此過程中移動(dòng)Agent在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)采集Agent實(shí)時(shí)獲取周圍環(huán)境的瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ?dāng)移動(dòng)Agent移動(dòng)到該對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)采集Agent時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾鞟gent，管理Agent通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)主站，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦瓦斯?jié)舛鹊脑诰€監(jiān)測(cè)[9].

2 基于Agent的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)采集

移動(dòng)Agent是自身具備某種特性和功能的一種軟件實(shí)體，具有智能性、移動(dòng)性和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的能力.移動(dòng)Agent在整個(gè)瓦斯數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中都封裝保存，根據(jù)設(shè)定的路徑進(jìn)行傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備時(shí)，設(shè)備根據(jù)其規(guī)則解析出實(shí)際需要的數(shù)據(jù).本設(shè)計(jì)以Agent技術(shù)為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和傳輸，同時(shí)在監(jiān)測(cè)主站和各監(jiān)測(cè)分站之間的數(shù)據(jù)處理和傳輸也是通過Agent技術(shù)實(shí)現(xiàn)的.與基于C/S數(shù)據(jù)傳輸模式的傳統(tǒng)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以顯著減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)冗余、降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、提高系統(tǒng)的安全性能.圖4和圖5分別為C/S數(shù)據(jù)處理模式和Agent數(shù)據(jù)處理模式的示意圖.

圖4 C/S數(shù)據(jù)處理模式Fig.4 C/S data processing mode

圖5 Agent數(shù)據(jù)處理模式Fig.5 Agent data processing mode

由圖4和圖5可知,基于C/S數(shù)據(jù)處理模式下煤礦瓦斯的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是通過與終端節(jié)點(diǎn)連接的傳感器實(shí)現(xiàn)的，各終端節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，然后由基站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理；Agent數(shù)據(jù)處理模式下各終端節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行順序傳輸與融合處理，Agent根據(jù)實(shí)際需要移動(dòng)到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)，并將最終數(shù)據(jù)傳輸給基站，減少了傳輸過程中的數(shù)據(jù)冗余和系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間.

圖6 系統(tǒng)工作流程Fig.6 System work flow chart

3 監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的流程

基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖6所示.

系統(tǒng)啟動(dòng)后，地面監(jiān)測(cè)主站根據(jù)操作者的實(shí)際需求，為移動(dòng)Agent分配相應(yīng)的任務(wù)，同時(shí)激活各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集Agent和管理Agent.此時(shí),數(shù)據(jù)采集Agent開始采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，管理Agent獲取各采集Agent發(fā)送過來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理.在整個(gè)過程中，移動(dòng)Agent會(huì)在通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間移動(dòng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全.當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控主站后，主站會(huì)將對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)與知識(shí)庫(kù)中允許的閾值進(jìn)行比較，若超過限制，會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信息并采取相應(yīng)措施，直到瓦斯?jié)舛冗_(dá)到安全閾值以下為止.

3.2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)綜合考慮軟件開發(fā)的實(shí)際需求、周期和難度，采用Visual C++實(shí)現(xiàn)基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的編寫.Visual C++是微軟公司一種面向?qū)ο缶幊痰募绍浖_發(fā)平臺(tái)，具有編程可視化、模塊集成化、程序框架構(gòu)造靈活等特點(diǎn)，采用其為本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件監(jiān)測(cè)平臺(tái)是可行且有效的.

當(dāng)啟動(dòng)本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)入軟件并根據(jù)設(shè)定的賬號(hào)登錄即可獲得相應(yīng)的權(quán)限進(jìn)入主界面，在主界面可根據(jù)監(jiān)測(cè)需求選擇相應(yīng)的監(jiān)測(cè)分站，監(jiān)測(cè)分站界面上會(huì)顯示實(shí)時(shí)的瓦斯?jié)舛戎岛鸵粋€(gè)時(shí)間段內(nèi)的瓦斯?jié)舛惹€，同時(shí)可以查看和打印以往的歷史報(bào)表.當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，監(jiān)測(cè)主站會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)并通知相關(guān)工作人員及時(shí)處理，從而保證煤礦井下工作人員的安全.

4 Agent技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析

將基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的C/S數(shù)據(jù)處理模式下的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行比較，可說明本系統(tǒng)在性能上要優(yōu)于傳統(tǒng)的C/S監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

4.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是指系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求命令到接收到接收端發(fā)送的反饋結(jié)果的時(shí)間間隔.在傳統(tǒng)的C/S數(shù)據(jù)處理模式(圖4)下，基站需要依次向每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出查詢信號(hào)，獲得對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，此時(shí)響應(yīng)總時(shí)間為基站向第一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到接收到最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)反饋的時(shí)間間隔.假定在該過程中獲取每個(gè)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)的時(shí)間間隔相同，則此時(shí)的總響應(yīng)時(shí)間可表示如下:

tCS=n(t1+t2)+τ,

(1)

式中：tCS為總響應(yīng)時(shí)間，s；t1為數(shù)據(jù)采集Agent采集一次瓦斯數(shù)據(jù)的時(shí)間，s；t2為完成一次請(qǐng)求命令和獲得響應(yīng)的時(shí)間間隔，s；τ為系統(tǒng)延時(shí)，s；n為數(shù)據(jù)采集Agent的數(shù)目.

在基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖5)中，響應(yīng)時(shí)間指管理Agent向第一個(gè)數(shù)據(jù)采集Agent發(fā)送查詢信號(hào)后，移動(dòng)Agent從第一個(gè)數(shù)據(jù)采集Agent到最后一個(gè)之間的數(shù)據(jù)交換并將最終數(shù)據(jù)發(fā)送給管理Agent的時(shí)間間隔.假定數(shù)據(jù)采集Agent采集瓦斯?jié)舛鹊臅r(shí)間間隔相同，同時(shí)移動(dòng)Agent在不同節(jié)點(diǎn)之間移動(dòng)的時(shí)間一致，則本系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間如下:

tMA=(n+1)tm+nts,

(2)

式中：tMA為移動(dòng)Agent對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集的響應(yīng)時(shí)間，s；ts為移動(dòng)Agent獲取一個(gè)數(shù)據(jù)采集Agent數(shù)據(jù)的時(shí)間，s；tm為移動(dòng)Agent在相鄰節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)移消耗的時(shí)間，s.

從公式(1)和公式(2)可以看出，在C/S數(shù)據(jù)處理模式下的整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中，t1值相對(duì)較大，然而在本系統(tǒng)的瓦斯數(shù)據(jù)采集過程中消耗的時(shí)間是不存在t1這個(gè)概念的，從而可以使系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間大大減少.

4.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量

在傳統(tǒng)的C/S數(shù)據(jù)處理模式下，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一次數(shù)據(jù)采集需要消耗的數(shù)據(jù)流量

QCS=n(q1+q2),

(3)

式中：QCS為系統(tǒng)消耗的總數(shù)據(jù)流量，Kb/s；q1為基站采集一次數(shù)據(jù)消耗的數(shù)據(jù)流量，Kb/s；q2為基站發(fā)出一次數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令和獲得響應(yīng)消耗的能量，Kb/s.

在Agent數(shù)據(jù)處理模式下，數(shù)據(jù)采集Agent負(fù)責(zé)處理瓦斯的濃度信息，移動(dòng)Agent負(fù)責(zé)交互并獲得數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流量計(jì)算公式為

(4)

對(duì)公式(3)和公式(4)進(jìn)行比較，可以看出隨著監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，傳統(tǒng)C/S數(shù)據(jù)處理模式下數(shù)據(jù)流量的增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

5 結(jié)語(yǔ)

將Agent技術(shù)應(yīng)用到煤礦瓦斯的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，充分利用Agent技術(shù)在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)，降低了整個(gè)系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量，降低了系統(tǒng)整體的響應(yīng)時(shí)間，從而減少了系統(tǒng)的能量消耗，使系統(tǒng)的使用壽命獲得了延長(zhǎng).基于Agent的煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在很大程度上提高了煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，為煤礦井下的安全生產(chǎn)提出了一種高效的監(jiān)測(cè)方案，在煤礦及其相關(guān)領(lǐng)域具有很好的使用和推廣價(jià)值.

[1] 倪冠華,張超.中小型煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦安全,2011(3):68-71.

[2] 馬軍爽.基于RS485總線技術(shù)的煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù),2014(10):47-49.

[3] 邵彥斌.基于B/S和C/S的煤礦數(shù)字化瓦斯監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南昌:南昌大學(xué),2009.

[4] 蘇帥.基于Agent技術(shù)的環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué),2014.

[5] 李濤,李輝.基于CAN總線的煤礦瓦斯與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2011(4):59-61.

[6] 王軍號(hào),孟祥瑞.物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)在煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011(7):64-69.

[7] 王飛,宋文,戴劍波,等.基于ZigBee技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2011(6):41-43,102.

[8] 王建,王汝琳,王學(xué)民,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].礦山機(jī)械,2007(2):18-20.

[9] 蘇舉端,高春艷,謝殿榮.煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析與研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2009(10):30-32.

2015-11-26

安徽省教育廳質(zhì)量項(xiàng)目(2013tszy060；2013sxzx033)

劉兵(1971-)，男，江蘇淮陰人，講師，主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?

TP212

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1674-330X(2016)02-0066-04