董廣民

(新汶礦業(yè)集團(tuán)(伊犁)能源開發(fā)有限責(zé)任公司一礦， 新疆 伊犁 835000)

0 引言

煤礦機(jī)電設(shè)備運行時，不可避免地會遇到異常情況，此時煤礦機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)將異常信號傳輸至管理者，但信號傳輸過程中存在延遲現(xiàn)象，導(dǎo)致煤礦機(jī)電設(shè)備異常信號不能及時上報，給煤礦開采安全和效率帶來影響[1-2]。相關(guān)學(xué)者對異常信號傳輸延遲消除進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]根據(jù)信號傳輸時間的波動性，提出了改進(jìn)背壓算法，該算法用隊列長度、隊頭延遲、路由跳數(shù)來計算鏈路權(quán)值，從而實現(xiàn)鏈路調(diào)度，改善網(wǎng)絡(luò)延遲性能。文獻(xiàn)[4]設(shè)計了基于STM32單片機(jī)的同步信號傳輸延時校正模塊，采用STM32單片機(jī)定時器單脈沖模式，校正同步信號延時，可解決同步信號傳輸延時問題。然而上述方法生命周期較短，且延遲消除效率較低。本文提出了一種煤礦機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)異常信號傳輸延遲消除方法，該方法通過FIR數(shù)字濾波器獲取嚴(yán)格的線性相位特性，建立異常信號傳輸延遲檢測模型，利用動態(tài)樹(Link Cut Tree，LCT)構(gòu)建異常信號聚集樹模型，實現(xiàn)對異常信號傳輸延遲的消除。

1 煤礦機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)異常信號傳輸延遲消除

1.1 異常信號傳輸延遲檢測模型構(gòu)建

對煤礦機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)異常信號檢測時，需要對其進(jìn)行濾波以減少信號中存在的噪聲干擾，尤其當(dāng)異常信號較少時，濾波處理對于異常信號傳輸延遲檢測的準(zhǔn)確性影響較大[5-7]。異常信號經(jīng)濾波處理后需要保持幅度特性，同時還需要保持相位不失真。FIR數(shù)字濾波器比較容易獲取嚴(yán)格的線性相位特性，因此選用FIR數(shù)字濾波器對煤礦機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)異常信號進(jìn)行濾波處理[8-10]。

FIR數(shù)字濾波器的沖激響應(yīng)h(n)和相應(yīng)的頻率響應(yīng)分以下2種情況。

(1) 當(dāng)沖激響應(yīng)h(n)呈偶對稱，且濾波器總階數(shù)N為奇數(shù)時，頻率響應(yīng)為

(1)

式中：ω為濾波器的沖激響應(yīng)頻率；n為濾波器階數(shù)。

依據(jù)h(n)=a(n)cos(ωn)(a(n)為h(n)偶對稱時諧振頻率)可得

(2)

(2) 當(dāng)沖激響應(yīng)h(n)呈奇對稱，且濾波器總階數(shù)N為偶數(shù)時，頻率響應(yīng)為

(3)

依據(jù)h(n)=b(n)cos(ωn)(b(n)為h(n)奇對稱時諧振頻率)可得

(4)

根據(jù)上述2種情況的分析可知，濾波器的相位特性與h(n)的對稱性相關(guān)，與h(n)值無關(guān)。當(dāng)沖激響應(yīng)h(n)的序列具有一定的對稱性時，濾波器才具有線性相位的特性，因此得到異常信號傳輸延遲檢測模型：

(5)

異常信號傳輸延遲檢測模型檢測出的異常信號相位延遲為沖激響應(yīng)長度的1/2[11-13]，異常信號傳輸延遲主要受沖激響應(yīng)階數(shù)的影響。

1.2 異常信號聚集樹模型構(gòu)建

為遍歷異常信號，利用LCT構(gòu)建異常信號聚集樹模型[14-16]，具體步驟如下。

(1) 將異常信號節(jié)點作為樹根節(jié)點[17-19]，在創(chuàng)建第i(1

(2) 當(dāng)異常信號遍歷結(jié)束(即i=L)時，檢查未被覆蓋的信號是否屬于集合Z′中沒有被覆蓋的信號集合U。

(3) 計算U中干擾度v的有效覆蓋度e。

(4) 在中間信號集合D中挑選出子信號最少的異常信號u作為父親信號，記為pu。

1.3 異常信號傳輸延遲消除

利用異常信號聚集樹模型，自上而下依層次對異常信號進(jìn)行延遲消除。第i層信號傳輸延遲消除的具體操作步驟如下。

(1) 對第i-1層未經(jīng)過延遲消除的信號進(jìn)行標(biāo)記，判斷是否屬于Z′的中間信號集合。

(2) 計算所有標(biāo)記信號的時槽：

(6)

式中Ei為所有標(biāo)記信號的間隔。

(3) 將時槽最小的標(biāo)記信號加入到異常信號集合，得到時槽最小限制下的異常信號集合，由異常信號集合構(gòu)建延遲信號傳輸關(guān)系函數(shù)，為消除延遲計算打開干預(yù)端口，創(chuàng)建一個由異常信號集合構(gòu)成的粒子全空間，在該空間中的每一粒子個體都可作為一個獨立的延遲優(yōu)化因子，從而完成異常信號延遲消除。

2 仿真驗證

仿真實驗檢測環(huán)境：硬件包括Intel Xeon Platinum 8173M @ 2.00 GHz處理器、4 GB DDR4-2400內(nèi)存接口、GeForce GTX 1050顯卡、Windows 10操作系統(tǒng)；軟件為OpenSTA，Selenium。仿真設(shè)置：信號丟包率為0.8，傳輸延遲在2～15 ms之間隨機(jī)取值，初始時刻在0～2 s之間隨機(jī)取值，在同一時刻統(tǒng)一開始執(zhí)行任務(wù)。選用某煤礦機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)生成的信號庫，該信號庫中大部分是監(jiān)測到的煤礦機(jī)電設(shè)備異常信號，其中部分信號延遲。為檢驗本文方法的有效性，采用文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法與本文方法進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 不同方法生命周期對比Fig.1 Comparison of life cycle among different methods

圖2 不同方法延遲消除效率對比Fig.2 Comparison of delay elimination efficiency among different methods

由圖1可知，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]方法的生命周期均隨著信號數(shù)量的增大逐漸縮短，其中文獻(xiàn)[3]方法的生命周期較短，文獻(xiàn)[4]方法的生命周期變化最大；本文方法的生命周期變化趨勢較為平穩(wěn)，且整體來看是3種方法中生命周期最長的。

由圖2可知，文獻(xiàn)[3]方法初期的延遲消除效率較低，延遲消除效率隨信號數(shù)量的增大緩慢提高；文獻(xiàn)[4]方法比文獻(xiàn)[3]方法的延遲消除效率低，且在信號數(shù)量大于300個時，延遲消除效率基本保持不變；本文方法的延遲消除效率隨信號數(shù)量的增大逐漸提高，最大值接近100%。延遲消除效率越大，異常信號傳輸擁塞越小，因此本文方法具有較好的信號傳輸延遲消除效果。

3 結(jié)語

煤礦機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)異常信號傳輸延遲消除方法通過對異常信號進(jìn)行FIR數(shù)字濾波處理，檢測異常信號傳輸延遲，并利用LCT構(gòu)建異常信號聚集樹模型，對未經(jīng)過延遲消除的信號進(jìn)行標(biāo)記處理，計算所有標(biāo)記信號的時槽，挑選出時槽最小的信號，對信號進(jìn)行延遲消除。仿真結(jié)果表明，該方法生命周期長，且消除異常信號傳輸延遲的效率較高。