張繼榮

(陜西省何家塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)所有煤礦都已建立了較為完善的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)[1-2]。作為對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)的冗余安排，還需設(shè)置人工巡檢。同時(shí)，煤礦的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)、煤炭生產(chǎn)等因素加以綜合分析，才能形成對(duì)井下瓦斯、風(fēng)流等安全相關(guān)信息的全方位感知，這樣也就產(chǎn)生了大量的多維異構(gòu)數(shù)據(jù)。

學(xué)者們已對(duì)煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息融合開展了大量研究工作：應(yīng)用多傳感器模糊信息融合[3-7]；無(wú)量綱多源信息融合模型[8]；基于時(shí)空信息融合[9]；信息融合技術(shù)與遺傳支持向量機(jī)相結(jié)合[10]；在采集控制層進(jìn)行多系統(tǒng)井下融合[11]；通過(guò)地面融合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[12]；基于D-S理論融合[13]；基于D-S理論和模糊數(shù)學(xué)建立多源異構(gòu)信息融合模型[14]；基于貝葉斯估計(jì)、模糊集理論融合[15]；采用模糊評(píng)價(jià)方法進(jìn)行特征級(jí)數(shù)據(jù)融合、D-S證據(jù)理論進(jìn)行決策級(jí)數(shù)據(jù)融合[16]等等。

上述研究為井下危險(xiǎn)因素的探測(cè)和感知提供了有效方法，但仍存在一些未考慮到的角度和不足?，F(xiàn)有方法著重于對(duì)煤礦安全形勢(shì)的判斷，而對(duì)于信息融合技術(shù)還能用于提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度的潛力挖掘不足；另外煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于部署的環(huán)境惡劣，容易出現(xiàn)虛報(bào)警和假報(bào)警，傳感器自身也容易出現(xiàn)零點(diǎn)漂移等問(wèn)題，數(shù)據(jù)融合能有效排查故障位置，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，有關(guān)這一應(yīng)用的研究尚顯滯后。

1 瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)融合的架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)融合的層次

具有多維異構(gòu)信息融合功能的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)可靠性更高。當(dāng)有若干個(gè)傳感器失效或誤差較大時(shí)，其它傳感器或監(jiān)測(cè)手段可以彌補(bǔ)故障傳感器的監(jiān)測(cè)功能，或自動(dòng)辨識(shí)誤差并予提醒或報(bào)警，以保證故障對(duì)系統(tǒng)整體監(jiān)測(cè)能力的影響最小化。

利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)綜合多維異構(gòu)的測(cè)值，能在一定程度上解決煤礦安全領(lǐng)域中測(cè)量精度不足、穩(wěn)定性不高的問(wèn)題，有利于更為準(zhǔn)確地判斷安全形勢(shì)，實(shí)現(xiàn)有效的安全決策輔助。

煤礦井下的多傳感器數(shù)據(jù)融合層次如圖1所示，相應(yīng)布置的傳感器主要獲取瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速、溫度等模擬量數(shù)據(jù)和采煤機(jī)開停等開關(guān)量數(shù)據(jù)。各類傳感器原理不同、性能不同，具有不同的精度、可靠性等技術(shù)指標(biāo)，有著不同的巡檢周期，因此數(shù)據(jù)融合的特點(diǎn)也不盡相同。

圖1 煤礦井下多維數(shù)據(jù)融合層次圖

在煤礦井下，作為數(shù)據(jù)級(jí)融合源頭的各種傳感器，由于多方面因素的影響，傳感器測(cè)量值與目標(biāo)真實(shí)值之間難免存在一定的誤差。因此，在同一測(cè)點(diǎn)位置或監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置多個(gè)冗余傳感器進(jìn)行多次測(cè)量，并通過(guò)數(shù)據(jù)級(jí)融合處理，可在一定程度上減少這種誤差。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)級(jí)的信息融合，所有傳感器最好是同類型的，否則需要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后才能融合。

特征級(jí)融合是指對(duì)傳感器獲得的信息進(jìn)行一定程度的加工，以提取測(cè)值之外的信息，如數(shù)據(jù)的可信度、傳感器是否有故障等。將數(shù)據(jù)級(jí)融合數(shù)據(jù)送入特征級(jí)融合部分，根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)特性對(duì)數(shù)據(jù)展開進(jìn)一步的分析和綜合，可從中提取出瓦斯?jié)舛戎档目尚哦?、監(jiān)控系統(tǒng)的一致性等特征。

決策級(jí)融合是為了服務(wù)最終檢測(cè)監(jiān)控目的而進(jìn)行的融合，對(duì)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是要通過(guò)融合，給出當(dāng)前是否安全以及安全程度的結(jié)論。決策級(jí)融合是在相對(duì)較高的層次上進(jìn)行的，不關(guān)注某個(gè)具體數(shù)據(jù)的大小，而是直接針對(duì)檢測(cè)目的而展開。多維異構(gòu)信息的引入能大大增強(qiáng)決策融合的魯棒性，提高系統(tǒng)的抗干擾性，避免個(gè)別傳感器的故障對(duì)決策的影響，保證更為可信的融合結(jié)果，為安全管理人員決策提供有效依據(jù)。

1.2 瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)融合的架構(gòu)

瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)融合采用混合式數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。瓦斯數(shù)據(jù)融合首先以傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、人工檢測(cè)等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)融合獲得井下各個(gè)關(guān)鍵位置的綜合瓦斯?jié)舛?。然后將瓦斯?shù)據(jù)及井下裝備設(shè)施狀態(tài)等多維數(shù)據(jù)，通過(guò)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析相關(guān)聯(lián)，并以D-S證據(jù)理論進(jìn)行各個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的相互校驗(yàn)。最后在獲得準(zhǔn)確測(cè)值的同時(shí)具備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能自檢能力。最終達(dá)到將沖突數(shù)據(jù)融合，綜合后獲得合理、自洽、高精度的數(shù)據(jù)分析成果，為后續(xù)分析和礦井決策提供依據(jù)。

圖2 通風(fēng)瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合架構(gòu)圖

2 多維異構(gòu)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的融合

2.1 多維異構(gòu)瓦斯數(shù)據(jù)融合

瓦斯傳感器采集到的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；而人員巡檢數(shù)據(jù)相對(duì)較少，且需通過(guò)上報(bào)而進(jìn)入系統(tǒng)，屬于非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這兩大類數(shù)據(jù)構(gòu)成了異構(gòu)型瓦斯數(shù)據(jù)。由此獲得的數(shù)據(jù)均有其不確定性，如瓦斯傳感器的精度較低，在低濃度時(shí)傳感器的變化常常是隨機(jī)誤差導(dǎo)致。

為了保證盡可能高的精度，有必要在同一檢測(cè)區(qū)域布置多個(gè)傳感器，并充分參考巡檢獲得的高精度數(shù)據(jù)，才能保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而將多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，將能最大限度地獲取被測(cè)目標(biāo)的信息。由此提出的同一監(jiān)控位的瓦斯數(shù)據(jù)融合流程，如圖3所示。

圖3 異構(gòu)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)融合過(guò)程

對(duì)瓦斯傳感器而言，為消除測(cè)量過(guò)程的不確定性，使最終數(shù)據(jù)盡可能地接近真實(shí)值，需要在同一監(jiān)控位設(shè)立冗余傳感器，根據(jù)對(duì)瓦斯?jié)舛染鹊囊蟠_定傳感器的數(shù)量，依照瓦斯傳感器的衰減特性、精度、使用時(shí)間、校準(zhǔn)時(shí)間等設(shè)定其可信權(quán)重系數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)的初步融合，獲得節(jié)點(diǎn)傳感器瓦斯?jié)舛取Ｔ谘矙z數(shù)據(jù)方面，由于人員巡檢次數(shù)遠(yuǎn)少于傳感器的監(jiān)測(cè)次數(shù)，需采用插值擬合法獲得多時(shí)間節(jié)點(diǎn)的瓦斯測(cè)值，并根據(jù)儀器狀況設(shè)定其可信權(quán)重系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)控與巡檢的多維數(shù)據(jù)及其不同的可信系數(shù)，融合獲得該監(jiān)控位的最終的融合數(shù)據(jù)。

2.2 基于3次樣條插值法的巡檢數(shù)據(jù)插值

人員巡檢數(shù)據(jù)是監(jiān)控系統(tǒng)的重要印證與補(bǔ)充，由便攜式光學(xué)瓦斯檢測(cè)儀測(cè)得，精度相對(duì)較高、方便靈活，并能兼顧需加關(guān)注的區(qū)域。人員巡檢數(shù)據(jù)與監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)相融合，可以相互印證支撐，能夠更加全面準(zhǔn)確地反映井下瓦斯?fàn)顩r。

傳感器檢測(cè)和人工巡檢的周期不同。為了實(shí)現(xiàn)兩者之間的融合，需要依據(jù)離散數(shù)據(jù)擬合出最合理的光滑曲線，再根據(jù)融合需要，選取其中對(duì)應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行融合。

3次樣條插值是得到最大認(rèn)可的曲線擬合方法之一，應(yīng)用廣泛，可以通過(guò)對(duì)離散數(shù)據(jù)的處理獲取其間隱含的信息。

設(shè)[a,b]區(qū)間上有n+1個(gè)點(diǎn)，a=x0

先用3次樣條函數(shù)S(t)求解此n+1個(gè)點(diǎn)的函數(shù)值，再求解S(t)的一階和二階導(dǎo)數(shù)S′(t)、S″(t)。以分段3次多項(xiàng)式使得S(t)逼近函數(shù)y=f(x)，同時(shí)：①每個(gè)子區(qū)間[xi,xi+1]上，S(t)是3次多項(xiàng)式；②在原始數(shù)據(jù)點(diǎn)y0,y1,y2,…，yn處，3次多項(xiàng)式有給定的函數(shù)值，即3次樣條通過(guò)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)S(xi)=yi(i=1,2,…,n)；③S(x)，S′(x)和S″(x)均連續(xù)。則稱S(x)為y=f(x)的3次樣條差值函數(shù)。

應(yīng)用Matlab的3次樣條插值方法，根據(jù)人員巡檢獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行差值分析。根據(jù)人員巡檢獲得的檢測(cè)數(shù)值插值到每天24 h中，力求盡可能較小插值誤差。

3次樣條插值方法本質(zhì)上是一種分段插值方法的改進(jìn)，能夠在各個(gè)分段點(diǎn)處保持曲線光滑，保留了分段插值的低次性特點(diǎn)，可以較好地解決人工巡檢中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)稀疏的問(wèn)題。通過(guò)插值獲得的瓦斯?jié)舛茸兓€能夠直觀反映瓦斯?jié)舛鹊臅r(shí)間分布特征，并用于瓦斯多維監(jiān)測(cè)信息融合。

但是，3次樣條插值方法也有其局限性，瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)波動(dòng)較小時(shí)分析效果較好；瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)波動(dòng)較大時(shí)，插值誤差偏大；對(duì)于瓦斯?jié)舛人郊眲∽兓瘯r(shí)的插值分析不利。

2.3 傳感器測(cè)值融合的權(quán)重確定

井下瓦斯檢測(cè)方法對(duì)測(cè)值的準(zhǔn)確性有著較大影響，由于每個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)儀表、儀表狀態(tài)、工作環(huán)境有所不同，在數(shù)據(jù)融合之前需要確定每個(gè)傳感器的權(quán)重系數(shù)。影響測(cè)值權(quán)重確定的因素包括傳感器測(cè)量精度、衰減特征、分析方法誤差等。權(quán)重確定方法如下。

瓦斯測(cè)量精度：瓦斯儀表由于原理的不同而有不同的測(cè)量精度，可按其標(biāo)稱測(cè)量精度對(duì)其測(cè)值權(quán)重進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)前瓦斯傳感器的技術(shù)要求中，在測(cè)量0.0%～10% CH4范圍的瓦斯時(shí)，對(duì)測(cè)量精度的要求范圍是≤±0.05%～≤±0.03%，因此，為測(cè)量精度最高的儀表設(shè)定較大權(quán)重，而低精度的儀表設(shè)定較小權(quán)重。瓦斯傳感器的精度相對(duì)較差，所以其權(quán)重設(shè)置稍低。而光學(xué)檢測(cè)精度高，在數(shù)據(jù)融合時(shí)具有優(yōu)勢(shì)，權(quán)重設(shè)置較高。為了兼顧精度和多維信息，權(quán)重的取值范圍設(shè)定為0.5～1之間，具體確定方法如下

(1)

式中：wi,j(Ac)—瓦斯傳感器的精度權(quán)重；Ac—瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)量精度，±%。

需要注意的是，瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)量精度一般使用正負(fù)百分號(hào)來(lái)表示，所以本式中的精度也采用這種形式。當(dāng)精度的正負(fù)范圍不一致時(shí)，應(yīng)取精度范圍的一半作為Ac帶入式中。由于瓦斯?jié)舛葴y(cè)量范圍對(duì)光學(xué)檢測(cè)的精度影響很大，所以在確定測(cè)值權(quán)重時(shí)需根據(jù)實(shí)際測(cè)值選擇傳感器的測(cè)量精度，然后計(jì)算其測(cè)量權(quán)重。

衰減性：催化燃燒式傳感器的測(cè)量精度會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，每隔7 d需要校準(zhǔn)一次。可將校準(zhǔn)時(shí)間作為評(píng)價(jià)衰減性的起始時(shí)間。因衰減性造成的權(quán)重系數(shù)確定式如下

(2)

式中：wi,j(Se)—傳感器的衰減性權(quán)重，只對(duì)催化燃燒式的瓦斯傳感器所獲得的數(shù)據(jù)設(shè)置該權(quán)重；T—測(cè)量時(shí)，載體催化劑元件距離上次校準(zhǔn)過(guò)去的時(shí)間，d。

差值誤差： 圖4所示為插值法的誤差變化規(guī)律。由圖中可知：插值離測(cè)量值越近，數(shù)據(jù)的可信度越高，反之則誤差越大。因此，基于人員巡檢測(cè)值的插值數(shù)據(jù)權(quán)重，應(yīng)隨其距巡檢時(shí)刻的時(shí)間間隔加以設(shè)定。從文獻(xiàn)[17]中可知，3次樣條的插值誤差和被插值函數(shù)特性有關(guān)，而瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)值沒(méi)有對(duì)應(yīng)的函數(shù)，因此可簡(jiǎn)化設(shè)定其權(quán)重如下

wi,j(Op)=

(3)

圖4 差值誤差示意圖

式中：wi,j(Op)—傳感器的插值權(quán)重，只對(duì)光學(xué)瓦檢儀獲得的數(shù)據(jù)設(shè)置該權(quán)重；Tc—插值數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；Ti-Tc—前一測(cè)量時(shí)刻；Ti+1-Tc—后一測(cè)量時(shí)刻。

權(quán)重歸一：當(dāng)每個(gè)傳感器的測(cè)值或插值數(shù)據(jù)被賦予權(quán)重后，需對(duì)其權(quán)重歸一化，以使融合后的數(shù)據(jù)有不變的物理意義。當(dāng)一個(gè)測(cè)點(diǎn)位有若干個(gè)瓦斯傳感器，且有人員進(jìn)行定期巡檢時(shí)，需要按獲得數(shù)據(jù)的時(shí)間計(jì)算各自的融合權(quán)重，然后按下式對(duì)權(quán)重進(jìn)行歸一化處理。

(4)

(5)

多維數(shù)據(jù)融合：由式(5)計(jì)算得到所有測(cè)點(diǎn)的權(quán)重后，按式(6)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合

(6)

式中：di,j—測(cè)點(diǎn)位置i的第j個(gè)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)源；Ci—測(cè)點(diǎn)位置i處融合后的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

從多維異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的角度著重于傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)、人工檢測(cè)等數(shù)據(jù)的融合分析，發(fā)掘不同數(shù)據(jù)序列間的互補(bǔ)性，獲得具備更強(qiáng)指導(dǎo)意義的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，從而提高瓦斯安全保障的可靠性。有效的數(shù)據(jù)融合能從海量數(shù)據(jù)中揭示隱含的信息，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，增進(jìn)對(duì)礦井全局通風(fēng)瓦斯顯現(xiàn)規(guī)律的展現(xiàn)能力。