徐榮麗，張云頌，劉昌寧

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院，江蘇 句容 212400)

0 引言

在礦井開采過程中，瓦斯事故的出現(xiàn)不僅威脅到工作人員的人身安全，還給礦產(chǎn)開采工作的推進造成了嚴重的阻礙。為切實降低瓦斯事故的出現(xiàn)概率，本研究以無線通信技術為基礎，構(gòu)建了更為靈敏高效的無線監(jiān)控報警系統(tǒng)，對礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M行實時監(jiān)控，能夠有效保障煤礦開采工作的安全[1]。

1 瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)發(fā)展概述

1.1 瓦斯報警系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

在當前的煤礦開采工作中，瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)的應用在改善我國礦井開采安全狀況、保障人員人身安全等方面發(fā)揮了極為重要的作用。早在2007年，為了降低瓦斯事故出現(xiàn)的可能性，國家就要求所有的煤礦礦井都要在開采前安裝瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，這一情況的出現(xiàn)給我國瓦斯報警系統(tǒng)的發(fā)展提供了有效的支持。但對我國煤礦瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)的具體應用情況調(diào)查分析后可以發(fā)現(xiàn)，雖然國有煤礦中超過5 200處的礦井安裝了瓦斯監(jiān)控設備，但大部分瓦斯監(jiān)控設備已經(jīng)較為老舊，存在維護不善、帶傷運行等問題；而私有煤礦中瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)的安裝率不超過50%，這給煤炭資源的安全開采帶來了極大的隱患。近年來，隨著人們對煤礦開采安全問題關注，煤礦瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)迎來了新一輪的更新?lián)Q代與安裝。

1.2 瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)存在的不足

對當前部分煤礦應用的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)進行研究分析后可以發(fā)現(xiàn)，報警系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議、各安全系統(tǒng)處于相對封閉的狀態(tài)、系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)信息無法實現(xiàn)有效共享、系統(tǒng)未能實現(xiàn)更高級別的聯(lián)網(wǎng)，無法實現(xiàn)對礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)控，降低了瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)的應用安全性與可靠性。具體來說，當前大部分瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家所用的通信協(xié)議多為自身專屬，市面上不同廠家的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)很難實現(xiàn)通信協(xié)議的兼容，這增大了礦井內(nèi)各類報警系統(tǒng)信息交流的難度。

1.3 瓦斯異常變化規(guī)律分析

在瓦斯事故出現(xiàn)前，礦井內(nèi)往往會存在時間相對較長的瓦斯異常變化，并且瓦斯異常這一情況大多出現(xiàn)在礦井工作面掘進、采煤作業(yè)等環(huán)節(jié)當中。在當前的煤礦開采過程中，如果工作人員能夠在瓦斯異常初期就了解到這一情況，并及時應用合適的處理方式對瓦斯異常變化進程加以管控，就能夠切實降低瓦斯事故出現(xiàn)的可能性。但筆者對傳統(tǒng)的礦井安全管控系統(tǒng)進行分析后發(fā)現(xiàn)，大部分礦井管理人員，只有在工作面或者回風巷中的安全監(jiān)控系統(tǒng)下屬的甲烷傳感器檢測數(shù)值超過預定值，并且斷電較長時間后，才能發(fā)現(xiàn)礦井內(nèi)部存在的瓦斯異常現(xiàn)象。比如，若礦井內(nèi)每個地點的瓦斯體積從原本的0.01%迅速上升至0.03%，盡管變化率較大，但這一變化未必會引起管理人員的注意。同時，受部分甲烷傳感器較為靈敏的影響，部分管理人員在對甲烷傳感器進行校調(diào)時即便發(fā)現(xiàn)一些突變數(shù)據(jù)，往往也會將其當作異常數(shù)據(jù)而忽略。例如，管理人員在發(fā)現(xiàn)傳感器測定的瓦斯體積分數(shù)突然從0.01%一下跳到標準體積分數(shù)2.00%時，第一反應大多是傳感器出現(xiàn)問題，需要對其進行校調(diào)處理。這一情況的出現(xiàn)在一定程度上增大了礦井內(nèi)部瓦斯事故出現(xiàn)的概率?，F(xiàn)階段，為了實現(xiàn)對瓦斯突變的有效判斷，人們需要采取合理措施。首先，礦井管理人員應當提升對異常數(shù)據(jù)的關注度；其次，應用合適的無線傳感網(wǎng)絡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的礦井安全管控系統(tǒng)，可以降低傳感器信號傳輸過程中數(shù)據(jù)傳輸錯誤這一情況的出現(xiàn)概率；最后，管理人員應當明確傳感器校調(diào)、瓦斯突變數(shù)據(jù)范圍，以識別兩者間的差異，并且應通過避免無效數(shù)據(jù)參與校調(diào)工作的方式，切實保障礦井綜采工作人員的安全。

2 以無線通信為基礎設計瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)的意義

近年來，為切實滿足人們對煤礦資源的需要，煤礦井下綜采作業(yè)的深度不斷增加，盡管這在一定程度上提高了煤礦的開采效率，但瓦斯逸出、粉塵爆炸等問題出現(xiàn)的概率也在不斷提升。這一情況的出現(xiàn)已經(jīng)對綜采作業(yè)的安全性造成了嚴重的威脅。面對上述情況，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局公布了《煤礦安全規(guī)程》，要求在礦產(chǎn)資源開采過程中，企業(yè)必須安裝監(jiān)控系統(tǒng)。但部分煤礦安裝的監(jiān)控系統(tǒng)存在智能化水平低、網(wǎng)絡布線較為復雜、維護難度大等問題，智能監(jiān)控系統(tǒng)未能充分發(fā)揮自身的作用?，F(xiàn)階段，為切實解決上述問題，本設計以無線通信技術為基礎，構(gòu)建了一款更為靈敏、可靠的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對當前礦井內(nèi)部的瓦斯?jié)舛冗M行精準測定，能及時將測定結(jié)果上傳給相關技術人員，其成為能切實提升當前礦井瓦斯?jié)舛裙芸毓ぷ髻|(zhì)量的方式之一[1]。

3 以無線通信為基礎設計瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)的方法

3.1 瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)設計思路

為切實提升當前煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的安全性、高效性，在構(gòu)建瓦斯監(jiān)測警報系統(tǒng)時，本設計主要將無線傳感網(wǎng)絡應用于煤礦開采并以ZigBee與RS485總線為依據(jù)，構(gòu)建了基于MESH網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)。在實際應用過程中，該系統(tǒng)內(nèi)部擁有多個瓦斯監(jiān)控無線傳感器節(jié)點，這些節(jié)點不僅可以對礦井內(nèi)部瓦斯?jié)舛冗M行采集，還能將自身收集到的信息通過總線傳輸給相關工作人員，便于工作人員對煤礦瓦斯?jié)舛茸兓闆r進行實時監(jiān)控。

3.2 無線網(wǎng)絡的設計

在實際應用過程中，無線傳感網(wǎng)絡主要是由一些功耗較低、體積較小并且具有數(shù)據(jù)信息采集、處理、無線傳輸功能的傳感器節(jié)點組成。在實際使用過程中，節(jié)點主要由處理器、無線通信、傳感器與能量供應這幾個模塊共同組成。其中，處理器模塊是整個無線通信系統(tǒng)的核心模塊，負責對各處傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行處理，并對整個節(jié)點系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)進行管控。無線通信模塊主要負責聯(lián)絡其他節(jié)點系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的交互。傳感器模塊在使用過程中負責收集檢測區(qū)域內(nèi)的信息，并將信息轉(zhuǎn)化為電信號輸出。能量供應模塊負責為整個系統(tǒng)提供滿足自身運轉(zhuǎn)所需要的能量。

3.3 硬件系統(tǒng)的設計

該瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由監(jiān)控地點的傳感器、地面監(jiān)控主機、無線通信網(wǎng)絡、LED顯示屏、聲光報警系統(tǒng)等部分組成。在實際設計過程中，系統(tǒng)傳感器的采集節(jié)點主要由處理器的電路板與信號調(diào)理器電路板共同構(gòu)成。其中，處理器電路板主要負責數(shù)據(jù)的存儲與通信、信號調(diào)理器電路板則負責信號的采集與調(diào)理。在實際設計過程中，設計者可以用TI公司的cc2430芯片作為硬件系統(tǒng)采集節(jié)點的控制器與射頻收發(fā)器，該芯片在實際使用過程中可以完成無線網(wǎng)絡節(jié)點的實時通信。同時，傳感器的采集節(jié)點的控制主要由8051內(nèi)核完成，該內(nèi)核與傳感器相互合作，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集并可將礦井內(nèi)的環(huán)境參數(shù)以電壓電流、電阻等可測得的形式進行傳輸。

基于無線通信設計的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)，要想進一步提升系統(tǒng)監(jiān)測瓦斯?jié)舛鹊臏蚀_性，選擇合適的瓦斯采集傳感器很有必要。本文在設計過程中所采用的瓦斯?jié)舛炔杉岸藶镸JC4/3.0L載體催化元件，將載體催化元件接入煤礦瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)中，可以保證載體催化元件的效用得以充分發(fā)揮，如圖1所示。在實際應用過程中，傳感器可以通過熱催化的方式實現(xiàn)瓦斯氣體的探測。具體來說，瓦斯傳感器內(nèi)部含有催化元件，如果探頭氣室內(nèi)并不存在瓦斯氣體，那么瓦斯傳感器的電橋?qū)⒈３制胶猓藭r不會輸出電信號；若探頭氣室內(nèi)存在瓦斯氣體，那么受熱催化反應的影響，電橋?qū)⑹テ胶?，輸出電信號，輸出的電信號大小與氣體濃度之間成正比例關系。需要注意的是，由于傳感器輸出的監(jiān)測信號數(shù)值相對較小，單位為mV，這種情況不利于后續(xù)設備檢測與操作，因此設計人員需要先將電信號輸入到儀表放大器中進行放大處理，再對電信號進行A/D轉(zhuǎn)換，以便微處理器將運算后的數(shù)據(jù)通過射頻模塊進行無線傳輸[2]。

圖1 瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)硬件接口

在瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)工作過程中，載體催化元件傳輸?shù)碾娦盘栂鄬^小，僅用這一大小的電信號進行信號通信，往往無法滿足信號傳輸對于通信距離的要求?，F(xiàn)階段為切實解決上述問題，設計者可以通過對電信號進行放大的方式，增加信號的傳輸距離。在基于無線通信的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)設計過程中，設計者可以在cc2430的基礎上增加cc2591功率放大器，從而達到優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡通信功能的目的。

為了實現(xiàn)對礦井內(nèi)部瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)控，在構(gòu)建基于無線通信的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)時，設計者可以用模糊PID對主控芯片cc2430進行控制，并用P0_1輸出所需波形，以此控制電路電磁閥的開閉。在電磁閥控制電路工作過程中，若礦井內(nèi)的瓦斯氣體濃度超過安全生產(chǎn)范圍，那么電磁閥將關閉，抽排泵開始工作，將礦井內(nèi)的瓦斯氣體排出礦井。當?shù)V井內(nèi)的瓦斯氣體濃度低于安全生產(chǎn)范圍時，電磁閥打開，抽排泵停止工作。

基于無線通信的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)硬件與顯示屏以及聲光報警器相連接，在實際工作過程中，報警系統(tǒng)會將載體催化元件傳輸?shù)碾娦盘栃畔⒓型队暗絃ED屏上，便于工作人員及時觀測到礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。當傳感器檢測到的瓦斯?jié)舛冗_到警報后，報警系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)降孛嬷鳈C，由主機發(fā)出聲光報警信號，便于工作人員了解當時的礦井瓦斯?jié)舛?，并制定科學合理的解決方案，切實保證工作人員的人身財產(chǎn)安全[3]。

3.4 軟件設計

在進行基于無線通信的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)軟件設計時，整個系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench，主要工作內(nèi)容包括無線傳感器網(wǎng)絡采集節(jié)點與無線傳感器網(wǎng)絡接收節(jié)點這兩部分的軟件設計。其中，無線傳感器網(wǎng)絡采集節(jié)點在工作過程中可以通過瓦斯傳感器對礦井內(nèi)部瓦斯氣體的濃度值進行采集，再通過RF模塊接收節(jié)點傳輸?shù)牡刂分噶?，最后由采集?jié)點對地址信息進行判斷，明確這一信息與自身設置的地址是否相同。若兩者相同，則采集節(jié)點將采集到的瓦斯氣體濃度信息通過射頻模塊傳輸給接收節(jié)點。為實現(xiàn)模糊PID控制電磁閥開閉的有效控制，設計者可以在設計無線傳感器網(wǎng)絡采集節(jié)點軟件時，為其添加瓦斯?jié)舛瓤刂乒δ堋Ｔ谶M行無線傳感器網(wǎng)絡接收節(jié)點軟件設計時，無線傳感器接收節(jié)點一方面可以通過串口接收上位機傳輸?shù)闹噶?，并將這一指令信息通過無線通信模塊傳輸給無線傳感器網(wǎng)絡采集節(jié)點；另一方面可以接收指定采集節(jié)點發(fā)來的瓦斯?jié)舛刃畔?，并用?shù)碼管將濃度展示出來，同時還可以通過串口將采集節(jié)點發(fā)來的瓦斯?jié)舛刃畔⑸蟼鹘o上位機。若瓦斯?jié)舛瘸^標準限制，系統(tǒng)則發(fā)出聲光報警，提示管理人員瓦斯?jié)舛冗^高。這種聲光報警的方式，可以使管理人員切實了解到井下瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)并及時掌握工作面瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r，以此為基礎判斷是否需要停止工作面的采礦作業(yè)，從而達到切實降低瓦斯事故出現(xiàn)的概率、提高采礦工作質(zhì)量的目的。

考慮到基于無線通信的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)在運作過程中每天產(chǎn)生的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)達上萬條，若用戶直接在原始時間數(shù)據(jù)上對瓦斯?jié)舛犬惓Ｇ闆r數(shù)據(jù)進行挖掘，那么工作效率將比較低?，F(xiàn)階段，為切實解決這一問題，在構(gòu)建基于無線通信的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)軟件系統(tǒng)時，用戶可以以時間序列為基礎，對瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進行分析。同時，為進一步提高瓦斯異常情況監(jiān)控的準確性，在構(gòu)建瓦斯警報系統(tǒng)時，設計者可以先對當前導致瓦斯報警系統(tǒng)發(fā)出警報的數(shù)據(jù)特征進行分析，并以此為基礎建立初步甄別瓦斯?jié)舛犬惓缶盘柕臄?shù)學模型，以基于模式特征的K-近鄰檢測算法為基礎，對瓦斯報警類別加以甄別，降低數(shù)據(jù)對瓦斯參數(shù)信息異常報警信號的干擾，由系統(tǒng)自動排除不符合報警規(guī)律的瓦斯數(shù)據(jù)異常信號，從而達到提高系統(tǒng)工作準確率的目的[4]。

3.5 系統(tǒng)運作方法

在實際應用過程中，基于無線通信的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)可以通過安全監(jiān)控系統(tǒng)中心站軟件完成對瓦斯?jié)舛鹊呐袛唷＞唧w來說，該系統(tǒng)的軟件具有校調(diào)識別功能，可以自動過濾傳感器檢測到的無效數(shù)據(jù)，同時該系統(tǒng)在應用過程中可以將檢測到的數(shù)據(jù)信息與瓦斯?jié)舛犬惓＞嫘盘柲Ｐ瓦M行比對，在發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛犬惓：?，及時發(fā)出聲光警報，并將當時的瓦斯?jié)舛扔蔑@示屏展示出來。為了保證該瓦斯報警系統(tǒng)能夠正常運行，礦井方面可以通過專門組織工作人員對監(jiān)控報警信號進行全天監(jiān)控的方式，在保證礦井瓦斯?jié)舛扔行Ч芸氐幕A上，由監(jiān)控人員依照工作程序?qū)ν咚巩惓Ｇ闆r進行判定，在通知相關領導人員、施工人員的同時，按照相關規(guī)定與領導指示對礦井作業(yè)活動進行通風、停產(chǎn)、撤人等處理，從而為礦井作業(yè)活動的安全推進，以及作業(yè)人員的人身安全提供保障。

3.6 應用效果

本文設計的基于無線通信的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)以ZigBee與RS485總線為參照，以MESH網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為基礎，構(gòu)建了適合煤礦礦井中瓦斯?jié)舛瓤睖y工作的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)。由于給水系統(tǒng)在設計過程中，內(nèi)部安裝了多個瓦斯監(jiān)控無線傳感器，這些傳感器在實際工作過程中，承擔著測定礦井內(nèi)部瓦斯?jié)舛葴y定以及將測定結(jié)果傳輸給相關工作人員的重任。由于這種瓦斯報警系統(tǒng)在構(gòu)建過程中應用了高精度的敏感元件并可以通過總線實現(xiàn)信息的遠距離傳輸，因此這款瓦斯警報系統(tǒng)是一種瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)測定較為準確，操作難度偏低的一種瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控報警系統(tǒng)，可以實現(xiàn)礦井內(nèi)部瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)控，從而為礦井安全監(jiān)測工作朝著數(shù)字化、現(xiàn)代化可控管理方向的推進提供了有效的支持。

3.7 應用實例

某公司將該瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)應用于某煤礦作業(yè)面，并對其應用效果進行為期3個月的考核，由工作人員集中對這3個月內(nèi)產(chǎn)生的13 075條瓦斯報警數(shù)據(jù)進行甄別，并將甄別的結(jié)果錄入到數(shù)據(jù)庫中，對語句分析統(tǒng)計結(jié)果加以查詢。應用實踐發(fā)現(xiàn)，在這些警報數(shù)據(jù)中，程序甄別的瓦斯超限警報共有927條，識別為傳感器校調(diào)的信號數(shù)量為10 860條，識別為干擾故障的為1 288條。工作人員對這些程序報警信號進行識別后發(fā)現(xiàn)，瓦斯超限報警中信號中實際為瓦斯超限的信號僅有94條，剩余為校調(diào)、故障信息誤判，程序識別為傳感器校調(diào)的記錄。經(jīng)人工檢查發(fā)現(xiàn)，這些信號均為校調(diào)信號，程序識別為干擾故障的信號。有1 127條為干擾故障信號，剩余為校調(diào)誤判。經(jīng)統(tǒng)計，本報警識別系統(tǒng)識別正確率達到了92%，因此在礦井瓦斯報警過程中，該瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)有著較高的應用價值[5]。

4 結(jié)語

在當前的礦井環(huán)境參數(shù)檢測過程中，構(gòu)建以無線通信技術為基礎的瓦斯監(jiān)控報警系統(tǒng)，不僅可以在礦井內(nèi)部瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)異常時及時發(fā)出警報，便于相關技術人員對其進行處理，還能通過對礦井內(nèi)部設備進行斷電處理的方式，降低瓦斯事故出現(xiàn)的可能性，從而為礦井工作安全提供有效的保障。