陳 杰

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

2021 年中下旬，由國(guó)家能源局與國(guó)家礦山安全監(jiān)察局印發(fā)的《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 年版）》文件[1]中針對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與災(zāi)害超前干預(yù)、應(yīng)急救援指揮與避險(xiǎn)規(guī)劃等方向提出智能安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)專(zhuān)題[2]，并詳細(xì)說(shuō)明了建設(shè)內(nèi)容，自此安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入“多系統(tǒng)互聯(lián)，全面感知”[3]階段，同時(shí)對(duì)分站等邊緣層設(shè)備要求計(jì)算能力更強(qiáng)[4]、數(shù)據(jù)處理更快、邏輯控制更穩(wěn)。

在煤礦智能化趨勢(shì)下，相近區(qū)域內(nèi)的各類(lèi)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大量傳感層設(shè)備會(huì)同時(shí)接入邊緣層設(shè)備，部分傳感器不僅僅只是采集數(shù)據(jù)，還要根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)與狀態(tài)做相應(yīng)邏輯運(yùn)算，以安全監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)甲烷傳感器閉鎖要求[5]：當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)達(dá)到閉鎖值時(shí)需要執(zhí)行閉鎖，并且故障時(shí)也要執(zhí)行閉鎖。這樣對(duì)于采集層的分站來(lái)說(shuō)，不僅要實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)做超限判斷，而且要求數(shù)據(jù)處理不丟幀，減少因丟幀導(dǎo)致的故障閉鎖發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，大部分的誤斷電來(lái)自故障閉鎖，一部分的超限閉鎖來(lái)自甲烷傳感器冒大數(shù)。傳感層設(shè)備融合[6-7]不僅要求邊緣層設(shè)備需要具備多類(lèi)型、多數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口，而且還得具備多種工業(yè)協(xié)議[8]，這樣分站具備了傳感層設(shè)備的統(tǒng)一采集基礎(chǔ)；同時(shí)傳線(xiàn)層設(shè)備融合還要分析各類(lèi)傳感層設(shè)備的共性特點(diǎn)[9]，建立邊緣設(shè)備數(shù)據(jù)采集中間層軟件[10]，通過(guò)創(chuàng)建傳感層設(shè)備統(tǒng)一采集模板實(shí)現(xiàn)采集線(xiàn)程與數(shù)據(jù)處理線(xiàn)程間的解耦[11]，通過(guò)減少邊緣設(shè)備適配傳感設(shè)備次數(shù)實(shí)現(xiàn)傳感層設(shè)備動(dòng)態(tài)加載，這種模式既減少相近區(qū)域邊緣設(shè)備的數(shù)量[12]，又達(dá)到了傳感層設(shè)備統(tǒng)一采集目的。

所以要在邊緣設(shè)備層實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)傳感層設(shè)備的融合[13]，需要解決以下3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：①傳感層設(shè)備的統(tǒng)一采集；②數(shù)據(jù)緩存不丟幀；③異常數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)[14]。

1 多系統(tǒng)傳感層設(shè)備的統(tǒng)一采集技術(shù)

各類(lèi)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的傳感層設(shè)備由各種各樣的傳感器組成，這些傳感器根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的類(lèi)型不同，技術(shù)參數(shù)、接口類(lèi)型等關(guān)鍵參數(shù)也隨之不同，但是傳感器之間存著一些共性，利用這些共性，抽象出傳感器標(biāo)準(zhǔn)化模板，設(shè)計(jì)采集中間層軟件，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集。

1.1 傳感器共性標(biāo)準(zhǔn)化

傳感模塊屬性相關(guān)的信息包括制造廠(chǎng)商、模塊型號(hào)和產(chǎn)品編號(hào)，提取這些特性作為標(biāo)準(zhǔn)化模板的統(tǒng)一采集基礎(chǔ)，傳感器共性圖如圖1。

圖1 傳感器共性圖Fig.1 Sensor commonality diagram

傳感器通信接口總體設(shè)計(jì)為3 類(lèi)，分別為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)型、節(jié)點(diǎn)型、以太網(wǎng)型，現(xiàn)有礦用傳感模塊選擇的接口均為這3 類(lèi)中之一。探頭接口包含了模塊內(nèi)部各種傳感器探頭類(lèi)型、單位、精度、名稱(chēng)、相對(duì)編號(hào)、絕對(duì)編號(hào)等主要信息，相對(duì)編號(hào)標(biāo)注出單個(gè)傳感模塊與通道之間的關(guān)聯(lián)，絕對(duì)編號(hào)指單個(gè)傳感模塊在全局模塊中的對(duì)應(yīng)編號(hào)。函數(shù)庫(kù)是根據(jù)傳感器的通行方式、探頭接口等點(diǎn)動(dòng)態(tài)加載相關(guān)函數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集中間層軟件

數(shù)據(jù)采集中間層軟件邏輯架構(gòu)分為應(yīng)用層、核心層、驅(qū)動(dòng)層和接口層4 層。應(yīng)用層是為上層操作系統(tǒng)提供的應(yīng)用接口；核心層負(fù)責(zé)周期性從各傳感器通信接口采集傳感器數(shù)據(jù)，分為接口處理程序和周期采樣程序2 部分，周期采樣程序負(fù)責(zé)依據(jù)各傳感接口定義配置定周期向傳感接口發(fā)送數(shù)據(jù)采集函數(shù)，接口處理程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集指令，并將采集到的數(shù)據(jù)包整理為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式；驅(qū)動(dòng)層包含系統(tǒng)內(nèi)所有傳感設(shè)備和功能指令的驅(qū)動(dòng)庫(kù)；接口層根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的接口類(lèi)型進(jìn)行配置。傳感器數(shù)據(jù)采集中間軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 傳感器數(shù)據(jù)采集中間層軟件體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of intermediate sensor data acquisition software

數(shù)據(jù)采集中間層軟件通過(guò)讀取傳感模塊的驅(qū)動(dòng)程序和配置信息完成初始化接口后即可執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)，驅(qū)動(dòng)程序和配置信息按照制定的傳感模塊特征描述表獲取和保存所需的信息。在配置文件中，所有根節(jié)點(diǎn)都與某一個(gè)傳感模塊一一對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備不同對(duì)應(yīng)的配置文件信息也不同，因此在配置文件中每個(gè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)也不同，對(duì)此通過(guò)編寫(xiě)特定的程序來(lái)區(qū)分設(shè)定傳感接口配置信息。中間層軟件先進(jìn)行傳感模塊的確定，當(dāng)識(shí)別成功后讀取傳感模塊配置信息，并且查詢(xún)初始化函數(shù)的地址，訪(fǎng)問(wèn)相應(yīng)的初始化函數(shù)完成傳感模塊初始化任務(wù)；通過(guò)構(gòu)建1 個(gè)包含全局的配置文件，可完成對(duì)傳感模塊實(shí)時(shí)掃描、自動(dòng)更新，增強(qiáng)了傳感模塊的擴(kuò)展性。

1.3 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式封裝

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中包含傳感模塊種類(lèi)多，各廠(chǎng)商的通訊協(xié)議和控制指令存在差異，無(wú)法共通。在分站中，數(shù)據(jù)采集語(yǔ)句通過(guò)中間層軟件向上層發(fā)送統(tǒng)一的協(xié)議編碼和訪(fǎng)問(wèn)指令等原語(yǔ)句，這些原語(yǔ)句再被解析映射成各廠(chǎng)商的控制指令語(yǔ)句以便能與傳感模塊硬件識(shí)別溝通，當(dāng)系統(tǒng)存在同類(lèi)型的傳感設(shè)備的替換、添加、刪減，分站可直接識(shí)別傳感設(shè)備狀態(tài)。分站需要收集數(shù)據(jù)時(shí)，先與中間層軟件建立連接，然后尋址數(shù)據(jù)配置信息，設(shè)置采集周期，然后調(diào)用采集函數(shù)對(duì)傳感模塊進(jìn)行周期性采集數(shù)據(jù)工作。

底層數(shù)據(jù)協(xié)議和格式各不相同，需要將數(shù)據(jù)整合，封裝在協(xié)議數(shù)據(jù)單元中形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，簡(jiǎn)化上層應(yīng)用軟件對(duì)接受到的封裝數(shù)據(jù)包進(jìn)行解封裝處理，消除數(shù)據(jù)協(xié)議不同產(chǎn)生的差異。傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝格式如圖3。

圖3 傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝格式Fig.3 Unified packaging format of sensor

傳感數(shù)據(jù)封裝的處理方式步驟如下：

1）首先從解析采集的底層數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)段中識(shí)別出設(shè)備類(lèi)型，然后給采集傳感設(shè)備名稱(chēng)、地址等信息賦值存儲(chǔ)，并根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)設(shè)的配置接口信息進(jìn)行排序，按最后整理的數(shù)據(jù)組依照規(guī)定的統(tǒng)一協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝。

2）封裝好的數(shù)據(jù)包分為元數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)2 部分對(duì)傳感設(shè)備進(jìn)行描述。其中元數(shù)據(jù)主要包含傳感設(shè)備自身的名稱(chēng)、監(jiān)控類(lèi)型、地址信息和傳感模塊數(shù)量信息；傳感數(shù)據(jù)主要包含當(dāng)前累計(jì)采集量數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、采樣時(shí)間、實(shí)際采集探頭數(shù)據(jù)信息。

3）將所有監(jiān)控系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一格式進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，分站的數(shù)據(jù)處理進(jìn)程可通過(guò)協(xié)議對(duì)封裝后的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解封處理并提取所需數(shù)據(jù)，促進(jìn)了異構(gòu)數(shù)據(jù)采集的集成化，解耦了數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)采集進(jìn)程之間的耦合性，促進(jìn)了數(shù)據(jù)處理進(jìn)程的便捷。

2 采集數(shù)據(jù)不丟幀技術(shù)

結(jié)合線(xiàn)性表的順序存儲(chǔ)和鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)各自的優(yōu)勢(shì)，采用隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)立數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列和數(shù)據(jù)溢出隊(duì)列雙緩存隊(duì)列[15]。數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列負(fù)責(zé)將連續(xù)的實(shí)時(shí)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，預(yù)分配指定的內(nèi)存空間來(lái)存取數(shù)據(jù)，由于每個(gè)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度是不確定的，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以鏈?zhǔn)疥?duì)列構(gòu)成單鏈表環(huán)形結(jié)構(gòu)作為多線(xiàn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，避免頻繁malloc 和free。多線(xiàn)程可同時(shí)讀寫(xiě)不同的區(qū)域，既具備鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存，每個(gè)結(jié)點(diǎn)都由數(shù)據(jù)域與指針域2 部分組成增加存儲(chǔ)空間能力，又解決頻繁申請(qǐng)釋放內(nèi)存可能存在效率問(wèn)題和產(chǎn)生的內(nèi)存碎片。

2.1 多線(xiàn)程安全

在數(shù)據(jù)通訊上采用多線(xiàn)程技術(shù)達(dá)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)并發(fā)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)與多路傳感器同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但是多線(xiàn)程同一時(shí)間讀取數(shù)據(jù)幀緩存隊(duì)列時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)對(duì)同一隊(duì)列訪(fǎng)問(wèn)操作沖突，導(dǎo)致程序或者數(shù)據(jù)異常，或者某一線(xiàn)程在進(jìn)行讀、改、寫(xiě)過(guò)程中被其他線(xiàn)程打斷，再恢復(fù)寫(xiě)的流程打斷導(dǎo)致寫(xiě)的效果被覆蓋等造成系統(tǒng)錯(cuò)誤，甚至如在IAP 升級(jí)時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰[16]，這類(lèi)問(wèn)題常采用條件鎖、信號(hào)量、互斥量等方式在多線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)臨界區(qū)時(shí)進(jìn)行同步控制和保護(hù)。綜合以上方式的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)可行的設(shè)計(jì)方案：條件等待是多線(xiàn)程通訊同步的一種方法，判斷條件滿(mǎn)足與否以決定線(xiàn)程是否執(zhí)行。當(dāng)條件不滿(mǎn)足時(shí)候，掛起線(xiàn)程；當(dāng)條件滿(mǎn)足時(shí)，讓信號(hào)量發(fā)送通知進(jìn)程，允許訪(fǎng)問(wèn)臨界區(qū)。當(dāng)有且只有1 個(gè)線(xiàn)程時(shí)，如果條件不滿(mǎn)足則此線(xiàn)程會(huì)一直進(jìn)入掛起線(xiàn)程循環(huán)，一直無(wú)法變成滿(mǎn)足條件。所以必須建立1 個(gè)線(xiàn)程，用于可操作，使共享變量發(fā)生改變，讓原來(lái)無(wú)法滿(mǎn)足的條件變?yōu)闈M(mǎn)足，并且通知對(duì)此條件變量判斷等待的線(xiàn)程。

2.2 隊(duì)列的入隊(duì)與出隊(duì)算法

數(shù)據(jù)溢出隊(duì)列會(huì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)幀存入數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列時(shí)出隊(duì)數(shù)據(jù)小于入隊(duì)數(shù)據(jù)，造成存儲(chǔ)空間不足溢出數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列的部分?jǐn)?shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列釋放足夠的空間后，數(shù)據(jù)溢出隊(duì)列將溢出部分的數(shù)據(jù)同步到數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列。數(shù)據(jù)溢出隊(duì)列屬于數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列臨時(shí)的存放空間，使用的頻率較低，使用時(shí)一次性申請(qǐng)內(nèi)存，在數(shù)據(jù)完成同步后釋放溢出隊(duì)列空間。隊(duì)列結(jié)構(gòu)分為頭指針front、尾指針rear 和計(jì)數(shù)器節(jié)點(diǎn)cnt 3 個(gè)結(jié)構(gòu)組成，front 與rear 用于進(jìn)行入隊(duì)、出隊(duì)，隊(duì)列的入隊(duì)只允許尾指針操作，rear 增加1 位，隊(duì)頭front 不允許修改；隊(duì)列的出隊(duì)列只允許隊(duì)頭操作，front 增加1 位，隊(duì)尾rear 不允許修改。數(shù)據(jù)域自身的信息無(wú)法體現(xiàn)當(dāng)前隊(duì)列可否寫(xiě)入，cnt 作為額外標(biāo)記表示當(dāng)前隊(duì)列的元素個(gè)數(shù)。向數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列存儲(chǔ)數(shù)據(jù)首先判斷隊(duì)列是否已滿(mǎn)，當(dāng)cnt 等于隊(duì)列預(yù)設(shè)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，表示隊(duì)列已滿(mǎn)，無(wú)法寫(xiě)入；不相等說(shuō)明隊(duì)列還有空位置；如果cnt 為0，表示隊(duì)列為空。對(duì)計(jì)數(shù)器節(jié)點(diǎn)cnt 的操作可防止入隊(duì)、出隊(duì)假溢出。出入隊(duì)操作示意圖如圖4。

圖4 出入隊(duì)操作示意圖Fig.4 Schematic diagram of entry and exit operation

入隊(duì)操作時(shí)，在判斷數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列是否已滿(mǎn)隊(duì)，如果隊(duì)列未滿(mǎn)，將數(shù)據(jù)插入緩存隊(duì)列，如果隊(duì)列已滿(mǎn)隊(duì)，將數(shù)據(jù)插入溢出隊(duì)列。通過(guò)計(jì)數(shù)器節(jié)點(diǎn)cnt 確定數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列狀態(tài)，是否回收緩沖隊(duì)列冗余空間；若數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列非滿(mǎn)，判斷溢出隊(duì)列是否非空，溢出隊(duì)列非空則表示隊(duì)列中有數(shù)據(jù)，將溢出隊(duì)列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入緩存隊(duì)列。在出隊(duì)列操作時(shí)，首先判斷緩存隊(duì)列是否為空，如果隊(duì)列不為空則表示隊(duì)列是存在可讀數(shù)據(jù)的。預(yù)設(shè)1 個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的隊(duì)列，使front 和rear 始終保持2 個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度，當(dāng)有1 個(gè)數(shù)據(jù)入隊(duì)使head循環(huán)增加1，當(dāng)有1 個(gè)數(shù)據(jù)讀出tail 循環(huán)增加1。在讀寫(xiě)時(shí)，2 個(gè)指針繞著緩存隊(duì)列以不相對(duì)的速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)有數(shù)據(jù)寫(xiě)入頭指針更新，當(dāng)頭指針指向緩存隊(duì)列末尾，頭指針會(huì)回到隊(duì)列初始位置；當(dāng)頭指針遇到尾指針，停止頭指針更新，此時(shí)表示緩沖區(qū)已滿(mǎn)，數(shù)據(jù)無(wú)法寫(xiě)入；當(dāng)尾指針指向頭指針，表示緩沖區(qū)已空，數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)完成。

2.3 數(shù)據(jù)同步與冗余回收

緩存隊(duì)列定義為Qbuf，溢出隊(duì)列定義為Qof。將Qbuf 的rear 隊(duì)列Qof 的front，Qbuf 的rear->next 隊(duì)列Qof 的rear，將Qbuf->rear->next 指向Qof 的rear，Qbuf->rear 指向Qof->front 獲取Qbuf 的隊(duì)尾節(jié)點(diǎn)地址。保證緩存隊(duì)列中有且至少有1 個(gè)節(jié)點(diǎn)可執(zhí)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入，以保證多線(xiàn)程操作過(guò)程的安全性，提升實(shí)時(shí)性[17]，避免同步過(guò)程中緩存隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn)發(fā)生混亂的情況。如果Qbuf 隊(duì)列處于已滿(mǎn)時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)同步操作，通過(guò)Qbuf->rear 的 位置判定是否有數(shù)據(jù)需要出隊(duì)。若此時(shí)停止入隊(duì)操作，Qof 收到的同步數(shù)據(jù)將會(huì)同步到Qbuf 的隊(duì)列末尾后完成出隊(duì)，Qbuf->head 指針錯(cuò)誤偏移將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)混亂。

若緩存隊(duì)列的cnt 不為0，表示在緩存隊(duì)列中存在冗余節(jié)點(diǎn)，可以對(duì)緩存隊(duì)列Qbuf 中的冗余空間回收，通常的算法是臨時(shí)申請(qǐng)1 個(gè)指針t 作為臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，指針t 指向可回收的冗余空間。改變r(jià)ear 指針指向Qbuf->rear->next->next，釋放t，cnt 減1。進(jìn)行榮譽(yù)空間回收需要保證至少有2 個(gè)可寫(xiě)入的空間，若只有1 個(gè)可寫(xiě)入空間，則在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)front 當(dāng)前的位置可明確Qbuf 隊(duì)列在進(jìn)行出隊(duì)任務(wù)，如果再此時(shí)暫停，將t 指向待回收的冗余節(jié)點(diǎn)，并釋放空間。在繼續(xù)出隊(duì)操作時(shí)，由于原隊(duì)列待出隊(duì)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被釋放，Qbuf->head 已經(jīng)下移，指針會(huì)指向位置的指針域，造成指針越界的情況，需要對(duì)這類(lèi)問(wèn)題在多線(xiàn)程數(shù)據(jù)采集合數(shù)據(jù)處理中發(fā)生。

3 傳感層設(shè)備數(shù)據(jù)異常檢測(cè)技術(shù)

各類(lèi)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的傳感層模擬量設(shè)備具備相鄰的“采集-傳輸”周期數(shù)據(jù)不突變的特點(diǎn)，分站采集傳感器數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上是單調(diào)遞增，具備連續(xù)性，所以可采用從正常的時(shí)間序列中觀(guān)測(cè)某一時(shí)刻的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與該時(shí)間序列的期望值不同的方法識(shí)別這一時(shí)刻數(shù)據(jù)是否異常。利用邊緣分站采集到的傳感層設(shè)備數(shù)據(jù)的時(shí)間序列連續(xù)性特點(diǎn)，以時(shí)間數(shù)據(jù)序列中離群點(diǎn)的識(shí)別為檢測(cè)基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算某一時(shí)刻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的相對(duì)離群距離，實(shí)現(xiàn)傳感層設(shè)備數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的異常進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的平滑操作，達(dá)到保留采集到的傳感層設(shè)備數(shù)據(jù)中層的數(shù)據(jù)波動(dòng)，過(guò)濾非正常波動(dòng)范圍的異常數(shù)據(jù)的目的。異常檢測(cè)算法流程圖如圖5。

圖5 異常檢測(cè)算法流程圖Fig.5 Flow chart of anomaly detection algorithm

嚴(yán)格按照傳感層設(shè)備數(shù)據(jù)的時(shí)間序列表示形式為：TSi=｛s1，s2，s3，…，si，…，sn｝，其中，si用（vi，ti）表示ti時(shí)刻的具體采集到傳感層設(shè)備的數(shù)據(jù)值vi，引入滑動(dòng)窗口SW 用來(lái)保存Si待計(jì)算的數(shù)據(jù)，并且約定滑動(dòng)窗口的時(shí)間序列數(shù)據(jù)ti不被作為計(jì)算因子，Len＿sw 表示滑動(dòng)窗口的長(zhǎng)度，滑動(dòng)窗口的離群距離dis’o 可根據(jù)式（1）計(jì)算，當(dāng)前vi的相對(duì)離群距離dis’r 可根據(jù)式（2）計(jì)算。

算法具體的實(shí)現(xiàn)步驟描述如下：

1）定義主要變量。異常序列存儲(chǔ)隊(duì)列qTS，滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度Len＿sw，當(dāng)前移動(dòng)長(zhǎng)度Len＿move，相對(duì)離群距離閾值定義（輸入）εdis，每次最小滑動(dòng)距離εsize。

2）所有待計(jì)算的數(shù)據(jù)，根據(jù)滑動(dòng)長(zhǎng)度Len_sw 大小，裝載到SW 隊(duì)列，并利用式（1）計(jì)算當(dāng)前離群距離dis’o。

3）在當(dāng)前SW 隊(duì)列中依次取傳感器的數(shù)據(jù)vi，并根據(jù)式（2）計(jì)算dis’r。

4）判斷vi的相對(duì)離群距離dis’r 大于εdis，并且判斷當(dāng)前序列剩余長(zhǎng)度每次最小滑動(dòng)距離εsize。

5） 如果步驟4） 為真，以vi為中心，從vi－Len＿move－1 到vi＋Len＿move 為子序列長(zhǎng)度，生產(chǎn)子序列Tsub，放入qTS，并計(jì)算生產(chǎn)新的dis’r，返回判斷SW 當(dāng)前是否有數(shù)據(jù)。

6）如果步驟4）為假，返回判斷SW 當(dāng)前是否有數(shù)據(jù)。

7）判斷qTS 是否有子序列，如果真執(zhí)行步驟8），否則（假）返回判斷步驟2）。

8）在qTS 子序列隊(duì)列中取出Tsub，并計(jì)算dis’r。

當(dāng)Tsub 子序列中出現(xiàn)vi的dis’r 大于εdis，并且Tsub 的長(zhǎng)度小于εsize時(shí)，將這個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)的傳感器數(shù)據(jù)vi標(biāo)記為異常數(shù)據(jù)，并放入異常集合。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)國(guó)家能源局、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局在2021年下發(fā)的《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 版）》文件中智能安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)多系統(tǒng)井下融合及“人－機(jī)－環(huán)”應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的需求，分析了不同系統(tǒng)傳感層設(shè)備共性特點(diǎn)以及實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)不定期誤報(bào)、冒大數(shù)等問(wèn)題。同時(shí)，從邊緣計(jì)算設(shè)備的角度結(jié)合智能礦山發(fā)展趨勢(shì)對(duì)井下多系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)采集處理的實(shí)時(shí)性與不丟幀的要求，深入研究了傳感層設(shè)備的統(tǒng)一采集、采集數(shù)據(jù)不丟幀、傳感層設(shè)備數(shù)據(jù)異常檢測(cè)等3個(gè)關(guān)于多系統(tǒng)傳感層設(shè)備融合的關(guān)鍵技術(shù)，提出了采用數(shù)據(jù)采集中間件方法建立統(tǒng)一采集體系結(jié)構(gòu)、采用雙緩存隊(duì)列實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程間數(shù)據(jù)采集不丟幀、采用以時(shí)間序列為計(jì)算因子的傳感層數(shù)據(jù)異常實(shí)時(shí)檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)傳感層設(shè)備的統(tǒng)一采集。