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)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

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)

針對掘進巷道頂板在線監(jiān)測困難、預(yù)警能力較弱的問題，提出了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)頂板離層在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過構(gòu)建基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，給出了該系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計，實現(xiàn)對井下環(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，本文進一步提出了基于模糊貼近度和灰色關(guān)聯(lián)度的兩級數(shù)據(jù)融合模型。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)ρ乜站蛳镯敯咫x層在線精確測量，誤差保持在±4.8%之間，相較人工測量預(yù)警能力得到明顯提高。

掘進巷道；在線監(jiān)測；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，便會發(fā)生破壞和冒頂[1]。隨著開采深度增大，巷道圍巖壓力越加劇烈，特別是在掘進巷道前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，對巷道頂板離層實施在線監(jiān)測對礦井安全生產(chǎn)具有重大意義。

現(xiàn)有煤礦巷道頂板災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)仍存有較多問題：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)定因素多且無法實現(xiàn)實時監(jiān)控，造成預(yù)警能力較弱。為此，本文設(shè)計了一種頂板離層檢測傳感器[3-7]，實現(xiàn)了巷道頂板離層在線監(jiān)測，提高了頂板離層檢測精度和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

煤礦沿空掘巷頂板離層在線監(jiān)測預(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、路由器、系統(tǒng)服務(wù)器、監(jiān)測主機以及服務(wù)軟件；井下有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口、CAN總線、監(jiān)測分站、無線網(wǎng)關(guān)和頂(幫)離層傳感器。傳感器監(jiān)測頂板與兩幫位移量可實現(xiàn)LCD顯示，同時通過無線網(wǎng)關(guān)傳送至監(jiān)測分站，無線網(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)測分站將各個區(qū)段頂板監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總并傳送至監(jiān)測主站，經(jīng)CAN總線通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至地面服務(wù)器，地面主機將接受的數(shù)據(jù)通過專業(yè)軟件進行存儲、計算和分析。同時，該系統(tǒng)還可與集團廣域網(wǎng)進行互相通信，實現(xiàn)資源共享。

圖1 沿空掘巷頂板離層在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)組成

圖2 巷道測量基站傳感器布置示意圖

為實現(xiàn)巷道頂板離層監(jiān)測的全局性和連續(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行測點布置(圖2)，根據(jù)RS-485總線通信標(biāo)準(zhǔn)，巷道每間隔50m設(shè)置一個測量基站為宜。大量測量基站的長距離布設(shè)需要考慮礦用隔爆本質(zhì)安全型監(jiān)測分站的信號結(jié)點容量、檢測周期、供電電路等因素，合理的布置監(jiān)測分站信號結(jié)點容量、檢測方式、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)計掛接32個結(jié)點，檢測周期為≤5s，采用AC127V礦用隔爆本質(zhì)安全型電源轉(zhuǎn)化+5V、+12V電源進行供電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

巷道頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)以計算機網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，關(guān)鍵在于位移傳感器測量的準(zhǔn)確性和實時性，既要獲得準(zhǔn)確頂板離層信息又要對巷道圍巖實時控制。

2.1 傳感器設(shè)計

頂板離層位移傳感器用來監(jiān)測圍巖深、淺部位移量，采用雙運算LM358芯片，檢測電路將位移傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，提供給STC12C5A60S2單片機進行采樣處理(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、供電電源和時鐘電路(圖4)。在進行CPU電路設(shè)計過程中，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)總線進行連接，P1和P2、P3分別模擬頂板離層檢測和RTL8019AS控制信號。

2.3 頂板離層位移檢測電路

為了達(dá)到較好的檢測精度，檢測電路選用雙運放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電路中LM358芯片選用5V單電源進行供電(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來決定。在以太網(wǎng)接口電路原理中，將引腳IOCS16與27Ω電阻進行接地連接，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)部寄存器和存儲器讀寫地址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CS來控制SA8和SA9地址，信號CS高電平時有效。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

頂板離層在線監(jiān)測預(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套獨立A/D采集程序；③定時器中斷程序模塊，通過觸發(fā)數(shù)碼管實現(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，其具體流程見圖6。

3.2 以太網(wǎng)通信模塊

在進行頂板離層在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計過程中，以太網(wǎng)通信模塊是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，主要包括以下模塊。

1)初始化模塊。主要對以太網(wǎng)控制芯片進行芯片復(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)包在進行發(fā)送時，CPU將數(shù)據(jù)包按照指定格式寫入RTL8019AS，同時啟動發(fā)送指令，數(shù)據(jù)包通過RTL8019AS轉(zhuǎn)換成幀的格式在物理通道上進行傳送。RTL8019AS收到發(fā)送信號后自動將其存儲在緩沖區(qū)，與此同時發(fā)出中斷信號，在中斷程序中即可接收數(shù)據(jù)，之后通過遠(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)框圖見圖8，采用兩級數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)模式。第一級信息融合針對同一種環(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)真實值，井上監(jiān)測平臺實時顯示各參數(shù)值為該特征向量。二級數(shù)據(jù)融合基于一級信息融合的基礎(chǔ)上，對各個參數(shù)融合值進行橫向分析。井下環(huán)境安全涉及多個參量，僅由一個參數(shù)難以獲得對井下環(huán)境狀態(tài)的一致性估計。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，所以對對一級數(shù)據(jù)融合值進行二次融合，最終得到關(guān)于環(huán)境安全狀況的一致性估計。

4.1 數(shù)據(jù)一級融合

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

數(shù)據(jù)一級融合模型如圖9所示，通過臨近的n個同質(zhì)傳感器，如瓦斯傳感器，對某一監(jiān)測參數(shù)進行采樣監(jiān)測。這n個參數(shù)在一級數(shù)據(jù)融合節(jié)點進行融合后得出初步融合值。一級數(shù)據(jù)融合所針對的數(shù)據(jù)參數(shù)都是來自相同傳感器，即同質(zhì)傳感器。

圖8 系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合過程

圖9 數(shù)據(jù)一級融合模型

井下環(huán)境中溫(濕)度、機械震動、電磁波等各種因素都會對傳感器施加影響，各種因素具有隨機性，其施加的影響往往也具有隨機性，因此傳感器測量值具有隨機性，一般服從正態(tài)分布。對于某一參數(shù)，令第i個傳感器的測量值為xi，i=1,2,3…n，n個參數(shù)的具體融合過程如下所述。

1)對采集的n個同類參數(shù)求其均值x0和方差σ0，分別見式(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)求得融合時的相對權(quán)重ωi。

(3)

(4)

3)根據(jù)式(5)計算得到該參數(shù)的一級數(shù)據(jù)融合結(jié)果。

(5)

4)得到特征向量。重復(fù)以上三個步驟，分別對瓦斯質(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)進行融合得到融合值，五個參數(shù)的融合值構(gòu)成特征向量。

4.2 數(shù)據(jù)的二級融合

線傳感網(wǎng)絡(luò)采集到得數(shù)據(jù)經(jīng)第一級數(shù)據(jù)融合后可得到表征礦井環(huán)境五個主要參數(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表1。

表1 礦井安全等級劃分

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?；疑P(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)來自不同介質(zhì)傳感器，計算單位各不相同，不便于比較。因此在進行灰色關(guān)聯(lián)度分析時，一般都要進行去量綱化(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，對于一個參考數(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)列在曲線中的各點的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(Xi)的計算見式(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)列與各個比較數(shù)列在曲線中各點的關(guān)聯(lián)系數(shù)，曲線上有幾個點就對應(yīng)有幾個關(guān)聯(lián)系數(shù)，這樣信息過于分散不便于曲線間相似程度進行整體性比較。因此我們對各關(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的計算見式(8)。

(8)

礦井環(huán)境參數(shù)經(jīng)一級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選擇礦井安全等級向量，見式(9)。

(9)

二級數(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)度對系統(tǒng)特征優(yōu)勢進行分析，計算二者之間的關(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 實驗結(jié)果分析

為了測試頂板離層在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的可行性和安全性，在某礦沿空掘巷進行工業(yè)性實驗。通過人工和計算機分別讀取頂板離層傳感器內(nèi)置深淺部位移，在試驗現(xiàn)場，人工采用機械式采集數(shù)據(jù)并進行記錄，實驗數(shù)據(jù)見表2～3。

表2 實驗數(shù)據(jù)對比分析

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)測預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)ρ乜站蛳镯敯咫x層進行在線精確測量，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，經(jīng)融合處理后判決結(jié)果與實際狀況的決策結(jié)果一致，表明基于模糊貼近度和灰色關(guān)聯(lián)度的兩級數(shù)據(jù)融合技術(shù)的礦井安全檢測系統(tǒng)可以有效評估礦井環(huán)境的安全狀態(tài)，滿足實際生產(chǎn)需求。

6 結(jié)語

煤礦沿空掘巷頂板離層在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計集計算機控制技術(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。利用頂板離層傳感器能夠較為靈活方便地實時采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了了人工所不能或較為難以實現(xiàn)的測量功能，實驗證明，該系統(tǒng)測量精度穩(wěn)定、可靠，能夠滿足實際生產(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)研究重點項目資助(編號：14A510014)

張潔(1983-)，女，河南新鄭人，漢族，碩士，講師，主要研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)；

李培(1985-)，女，河南新鄭人，碩士，講師，主要研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)；

TD326

A

1004-4051(2017)01-0108-06

朱春華(1976-)女，博士，副教授，主要研究方向為寬帶無線通信控制。