米 鵬

（潞安環(huán)能股份有限公司王莊煤礦安全技術(shù)科，山西 長(zhǎng)治 046031）

“以人為本，安全第一”，對(duì)于煤礦來說，安全就是效益，由于煤炭資源賦存和生產(chǎn)作業(yè)的特殊性，煤炭資源的開采往往會(huì)受到水、瓦斯、有毒氣體、粉塵、頂板垮塌等各種危險(xiǎn)有害因素的影響，而這些因素所引發(fā)的直接后果是煤礦發(fā)生重大安全事故，造成人員傷亡。為了防止煤礦事故的發(fā)生，遏制人員傷亡，必須對(duì)可能造成安全威脅的危害因素實(shí)施監(jiān)控，并對(duì)危害等級(jí)進(jìn)行判斷和采取措施。煤礦安全監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)防是確保煤礦安全生產(chǎn)的重要舉措。而欲要改善我國(guó)煤礦生產(chǎn)存在的安全問題，提高安全監(jiān)測(cè)能力和預(yù)警能力是一項(xiàng)重要措施，這就要求煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)γ旱V生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和信息判斷。自1973年信息融合技術(shù)開始應(yīng)用至今，已經(jīng)衍生了一系列基于多傳感器信息融合的跟蹤、監(jiān)測(cè)和綜合分析的全方位系統(tǒng)，研究和探討該技術(shù)的成功應(yīng)用，對(duì)于提高煤礦安全監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和預(yù)警精度具有重要的指導(dǎo)意義[1-2]。

1 煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用來監(jiān)測(cè)例如甲烷含量、有毒氣體含量、風(fēng)速、礦井溫度、濕度、風(fēng)機(jī)狀態(tài)、電氣設(shè)備狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)超額報(bào)警和風(fēng)電閉鎖控制的系統(tǒng)?！睹旱V安全規(guī)程》中明確規(guī)定，所有礦井必須裝備安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和有線調(diào)度通信系統(tǒng)等，并定期對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)校和測(cè)試，并對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。

截至2010年，我國(guó)煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋率已達(dá)100%。然而，由于技術(shù)和管理方面的缺陷，煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警過程中仍存在許多問題：（1）煤礦安全監(jiān)管技術(shù)和理念缺失；（2）傳感器質(zhì)量和性能有待提高；（3）信息兼容性和集成性差；（4）安全監(jiān)測(cè)信息的分析和判斷準(zhǔn)確度有待提高等。這些問題的存在嚴(yán)重限制了煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮作用，降低了安全監(jiān)測(cè)的結(jié)果精度，其中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的來源和判斷依據(jù)單一是制約安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度提高的重要因素。為了促進(jìn)煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能力和監(jiān)測(cè)結(jié)果精度的提高，信息融合技術(shù)在安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的融合和應(yīng)用已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)[3]。

2 信息融合技術(shù)

信息融合技術(shù)實(shí)質(zhì)是對(duì)數(shù)據(jù)的感知和綜合過程，類似于人類對(duì)事物作出判斷的過程，人類基于感官（如人類五官）對(duì)事物表現(xiàn)出來的特征信息進(jìn)行感知，并進(jìn)行綜合分析，從而對(duì)事物進(jìn)行判斷[2]。信息融合技術(shù)就是利用信息化手段對(duì)獲得的若干傳感器數(shù)據(jù)按照一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行信息提取、綜合分析，在此基礎(chǔ)上完成目的決策和判斷。通過定義得出（見圖1所示）：信息融合技術(shù)是以若干傳感器為基礎(chǔ)，按照所需達(dá)到的目標(biāo)任務(wù)對(duì)傳感器信息進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，并構(gòu)建相應(yīng)的傳感器模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)所收集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)狀態(tài)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)選擇剔除、數(shù)據(jù)分類和數(shù)據(jù)融合，以此達(dá)到對(duì)對(duì)象進(jìn)行綜合準(zhǔn)確判斷的目的。信息融合的方法主要分為加權(quán)法、人工智能法、參數(shù)法和識(shí)別法等，由于各種方法存在自身的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)不同的環(huán)境和特定領(lǐng)域，正確選擇信息融合方法可以達(dá)到理想的目的效果，為了滿足實(shí)際應(yīng)用需求，將兩種或兩種以上方法進(jìn)行算法集合成為理想選擇。

圖1 傳感器信息融合技術(shù)流程

根據(jù)信息融合技術(shù)的原理，其主要是對(duì)若干傳感器傳輸?shù)亩嘣畔⑦M(jìn)行層層處理，不斷實(shí)現(xiàn)對(duì)有效信息的抽象化和綜合化，以此達(dá)到目的決策的準(zhǔn)確率的提升。根據(jù)數(shù)據(jù)抽象程度，信息融合技術(shù)可以分為三個(gè)層次[2]：（1）數(shù)據(jù)級(jí)融合，即對(duì)同一類型傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行集中整理，并按照一定原則剔除偽數(shù)據(jù)；（2）特征級(jí)融合，是對(duì)傳感器數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和融合，得出綜合性的特征向量，以此對(duì)目標(biāo)作出判斷；（3）決策級(jí)融合，對(duì)單一傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除、特征提取和數(shù)據(jù)判讀，然后通過綜合的決策平臺(tái)將各數(shù)據(jù)初判結(jié)果進(jìn)行融合分析，得出目的決策結(jié)果。

3 煤礦安全監(jiān)測(cè)信息融合模型

由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性，引起煤礦發(fā)生安全事故的因素有很多，例如瓦斯、CO含量、粉塵、溫度、濕度、風(fēng)力等，為了更好地對(duì)這些安全因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在煤礦整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境中同類別的傳感器會(huì)被安置在多個(gè)位置。本文中基于煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)構(gòu)建了二級(jí)信息融合模型，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，已達(dá)到提高目標(biāo)決策和判斷的精度，見圖2所示。

圖2 煤礦安全監(jiān)測(cè)信息融合模型示意圖

3.1 一級(jí)數(shù)據(jù)融合

一級(jí)融合屬于數(shù)據(jù)級(jí)融合和特征級(jí)融合層次，主要是利用加權(quán)法和統(tǒng)計(jì)分析法相結(jié)合的融合方法對(duì)同類型的多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，即利用加權(quán)法消除因傳感器出現(xiàn)故障、數(shù)據(jù)記錄偏差等問題的存在對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和宏觀性的影響，同時(shí)結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析法根據(jù)傳感器歷史監(jiān)測(cè)值劃定的穩(wěn)健監(jiān)測(cè)范圍，選取傳感器各個(gè)時(shí)段有效數(shù)據(jù)估計(jì)值和相應(yīng)權(quán)值，以此達(dá)到同類型傳感器數(shù)據(jù)融合目的，其中如果某一傳感器濃度超標(biāo)，直接報(bào)警，不參與數(shù)據(jù)融合。

3.2 二級(jí)數(shù)據(jù)融合

二級(jí)融合是對(duì)同類型傳感器融合結(jié)果進(jìn)行不同類型間數(shù)據(jù)融合，由于礦井環(huán)境惡劣復(fù)雜，傳感器受其影響本身會(huì)發(fā)生監(jiān)測(cè)不穩(wěn)定、精度降低、環(huán)境噪音和系統(tǒng)故障等問題，所以僅進(jìn)行同類型傳感器數(shù)據(jù)融合仍舊不能真正反映礦井真實(shí)環(huán)境情況，所以必須對(duì)同類型傳感器融合數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行二級(jí)融合。本文采用D-S證據(jù)理論融合法對(duì)一級(jí)數(shù)據(jù)融合結(jié)果進(jìn)行二級(jí)融合，即首先對(duì)一級(jí)融合各類傳感器監(jiān)測(cè)值依據(jù)預(yù)警判斷標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建混淆矩陣，并以此建立BPA證據(jù)庫(kù)，然后將待二級(jí)融合數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)警判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)準(zhǔn)備，并按照BPA證據(jù)庫(kù)選定一級(jí)融合結(jié)果分別對(duì)應(yīng)的BPA值，再利用DEMPSTER融合法對(duì)各BPA值進(jìn)行融合，進(jìn)而得出煤礦安全狀態(tài)的概率值，并對(duì)所發(fā)生的狀態(tài)信度進(jìn)行判定，信度最大狀態(tài)指定為當(dāng)時(shí)礦井實(shí)際安全水平[2，4]。

4 結(jié) 論

采用二級(jí)信息融合模型對(duì)井下不同類型的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，一級(jí)融合有效消除了傳感器因內(nèi)部或者外界環(huán)境原因失靈和故障對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的影響，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可信度，二級(jí)融合從宏觀角度利用證據(jù)建立和狀態(tài)預(yù)測(cè)將一級(jí)融合數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合考慮，所獲得結(jié)果更具宏觀性和綜合性，以此達(dá)到提高目標(biāo)決策和判斷準(zhǔn)確性的目的。