張辰宇

(國家能源集團(tuán)烏海能源公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

礦井下綜合機(jī)械設(shè)備回采作業(yè)區(qū)域統(tǒng)稱開采工作面，在該區(qū)域內(nèi)由不同型號(hào)的采煤機(jī)、煤炭運(yùn)輸傳送設(shè)備、區(qū)域支護(hù)設(shè)備等組成[1-2]，該區(qū)域設(shè)備種類復(fù)雜且位于礦井下使其安全管控難度較大。煤炭在開采過程中往往存在坍塌、瓦斯泄漏、滲水等多種風(fēng)險(xiǎn)[3]，為規(guī)避煤炭開采過程中的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其開采工作面環(huán)境監(jiān)測意義重大。馬旭東等[4]從礦井坍塌角度設(shè)計(jì)了工作面支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過監(jiān)測礦井工作面液壓支架形變數(shù)值和彎曲角度，判斷工作面坍塌風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)監(jiān)測，但該系統(tǒng)應(yīng)用角度不廣。賀耀宜等[5]設(shè)計(jì)了可融合性煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用多傳感器采集礦井內(nèi)部數(shù)據(jù)后，使用多源數(shù)據(jù)融合方法融合數(shù)據(jù)后，利用分析挖掘算法計(jì)算當(dāng)前礦井開采工作面環(huán)境信息，達(dá)到監(jiān)測目的，但該系統(tǒng)受礦井工作面環(huán)境信息維度影響，其分析挖掘結(jié)果不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致其監(jiān)測效果不佳。

5G通信技術(shù)是第五代通信技術(shù)[6]，該技術(shù)通信傳輸時(shí)的峰值速率最高可達(dá)到50 Gbit/s，在無線通信傳輸時(shí)空中接口延遲僅為1 ms，且其信號(hào)覆蓋能力較強(qiáng)。本文利用5G通信技術(shù)，設(shè)計(jì)基于5G通信技術(shù)的礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以提升礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測效果。

1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)基于5G通信技術(shù)的礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將溫濕度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅靼仓糜诘V井開采工作面內(nèi)，同時(shí)在該開采工作面內(nèi)設(shè)置若干個(gè)定位基站，以獲取傳感器、和監(jiān)測位置數(shù)據(jù)和當(dāng)前區(qū)域溫濕度、瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，然后利用5G無線通信網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)調(diào)器將上述數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇粨Q機(jī)內(nèi)，交換機(jī)將溫濕度、瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾后，將其打包發(fā)送到服務(wù)器內(nèi)。服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)礦井開采工作面溫濕度、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)工作面環(huán)境監(jiān)測模型應(yīng)用程序完成該工作面監(jiān)測后，將監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)斤@示器上呈現(xiàn)給用戶。

圖1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of environmental monitoring system

1.2 5G無線通信組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

工作面內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，因此在礦井開采工作面內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸使用5G無線通信方式。SDN網(wǎng)絡(luò)交互協(xié)議是5G組網(wǎng)的基礎(chǔ)，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)交互協(xié)議方可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的通信傳輸[7-8]。SDN網(wǎng)絡(luò)交互協(xié)議的5G組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。在5G無線通信組網(wǎng)架構(gòu)中，由接入云、分布式核心局域云和集中式核心本地云構(gòu)成，其中接入云由若干個(gè)接入點(diǎn)、交換機(jī)、路由器、本地疏導(dǎo)以及本地SDN控制器構(gòu)成。在通信傳輸時(shí)，接入點(diǎn)通過路由器的無線端口將傳輸網(wǎng)幀發(fā)送給交換機(jī)，利用本地SDN控制器管理交換機(jī)網(wǎng)幀傳輸。本地疏導(dǎo)與另一臺(tái)接入路由器相連，其負(fù)責(zé)控制漫游狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的網(wǎng)幀傳輸，此時(shí)網(wǎng)幀可不經(jīng)過網(wǎng)關(guān)直接發(fā)送到與分布式核心局域云相連的交換機(jī)內(nèi)。分布式核心局域云由若干個(gè)路由和分布式多媒體、移動(dòng)式實(shí)體構(gòu)成。路由器是該局域云的網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)對(duì)分布式多媒體和移動(dòng)式實(shí)體通信傳輸進(jìn)行疏導(dǎo)，分布式多媒體和移動(dòng)式實(shí)體則負(fù)責(zé)管控局域網(wǎng)移動(dòng)性能。分布式核心局域云主要架設(shè)在礦井開采工作面區(qū)域。集中式核心本地云假設(shè)在地面某一集中區(qū)域，由路由器本地服務(wù)器、移動(dòng)式實(shí)體、無線接入網(wǎng)和分布式IP多媒體組成。其中移動(dòng)式實(shí)體負(fù)責(zé)跟蹤區(qū)域列表，管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸，分布式IP多媒體負(fù)責(zé)將若干個(gè)IP多媒體流量集中控制，服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)管理相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、通信日志等。無線接入網(wǎng)負(fù)責(zé)整個(gè)區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，以無線形式實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無線通信傳輸。

圖2 5G無線通信組網(wǎng)架構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of 5G wireless communication networking architecture

1.3 供電電源設(shè)計(jì)

供電電源是安裝在礦井開采工作面區(qū)域內(nèi)，其負(fù)責(zé)為傳感器、定位基站和路由器提供穩(wěn)定電源，是保障傳感器采集礦井開采工作面環(huán)境數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。為保障電源供電電壓穩(wěn)定且小巧便捷[9-11]，以5 V鋰電池作為供電電源，其連接SPX3819M5穩(wěn)壓芯片后，利用壓力轉(zhuǎn)換器將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V持續(xù)為傳感器和定位基站。供電電源電路圖如圖3所示。將5 V鋰電池輸出端與SPX3819M5穩(wěn)壓芯片的輸入端相連，并在其旁路設(shè)置2組電容，電容數(shù)值分別設(shè)置0.1 μF，同時(shí)將旁路與SPX3819M5穩(wěn)壓芯片的公共端相連。5 V鋰電池輸出的電流經(jīng)過SPX3819M5穩(wěn)壓芯片輸入端和公共端后，由輸出端輸出穩(wěn)定3.3 V電流。

圖3 供電電源電路Fig.3 Power supply circuit diagram

1.4 傳感器選取

傳感器是采集礦井開采工作面環(huán)境信息設(shè)備。溫濕度傳感器型號(hào)為MX-WD-07G，該型號(hào)溫濕度傳感器可接入電流和溫濕度測量元件和信號(hào)輸出元件完全分離[12-13]，具備較強(qiáng)的抗震效果和通信傳輸安全性，其熱感和濕感較為靈敏，容易安裝的同時(shí)斷電使用時(shí)間較長。瓦斯傳感器型號(hào)為低濃度GJ4型，該型號(hào)瓦斯傳感器輸出瓦斯?jié)舛刃盘?hào)變化量不高于0.04%，其采集礦井開采工作面環(huán)境內(nèi)瓦斯?jié)舛染葮O高，且其具備二極管聲光報(bào)警裝置，可人為設(shè)置其超限閾值[14]，當(dāng)?shù)V井開采工作面內(nèi)瓦斯?jié)舛容^高時(shí)，則自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警裝置。依據(jù)礦井開采工作面區(qū)域大小，在不同位置分別安置若干個(gè)溫濕度傳感器和瓦斯傳感器，以5G無線通信形式將傳感器傳輸芯片與地面服務(wù)器內(nèi)置芯片相連后，利用A/D轉(zhuǎn)換器將溫濕度傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)值型離散信號(hào)[15]，傳送到服務(wù)器管理芯片內(nèi)。而瓦斯傳感器則可將氣體濃度物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送到服務(wù)器管理芯片內(nèi)，至此完成礦井開采工作面環(huán)境數(shù)據(jù)采集。

1.5 系統(tǒng)監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)

礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測軟件是人機(jī)交互的核心，在此使用VB(Visual Basic)編程開發(fā)工具編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序。VB編程語言自有圖形用戶界面(GUI)且可利用DAO、RDO、ADO等控件創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接，是目前應(yīng)用最廣泛的編程語言[16-17]。利用SQLite3數(shù)據(jù)庫開發(fā)程序建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)倉庫，通過調(diào)取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)倉庫內(nèi)的傳感器采集的礦井開采工作面環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。利用上述工具，設(shè)計(jì)礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)，如圖4所示。礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)具有查詢功能和監(jiān)測功能，查詢功能主要負(fù)責(zé)查詢工作面環(huán)境相關(guān)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、告警記錄查詢，監(jiān)測功能負(fù)責(zé)為用戶實(shí)時(shí)呈現(xiàn)瓦斯超標(biāo)位置、濕度異常位置以及當(dāng)前環(huán)境溫濕度和瓦斯?jié)舛茸兓闆r。

圖4 礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of environmental monitoring software for coal mining face

1.6 工作面環(huán)境監(jiān)測模型構(gòu)建

工作面環(huán)境監(jiān)測模型構(gòu)建是礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心。由于傳感器采集到的工作面環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)和瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)內(nèi)的量綱特征不統(tǒng)一[18-19]，需對(duì)其預(yù)處理。使用MinMaxScaler函數(shù)將工作面環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)和瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)縮放到區(qū)間0～1內(nèi)，實(shí)現(xiàn)其量綱特征統(tǒng)一。然后將歸一化后的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)和瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)作為輸入，使用門控循環(huán)單元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模型實(shí)現(xiàn)礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測。門控循環(huán)單元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模型運(yùn)行流程如圖5所示。工作面環(huán)境監(jiān)測模型的輸入層接收到歸一化后的工作面環(huán)境數(shù)據(jù)后，該數(shù)據(jù)進(jìn)行初步劃分，然后將其輸入到隱含層內(nèi)，隱含層利用Adam一階優(yōu)化算法優(yōu)化工作面環(huán)境監(jiān)測模型參數(shù)后，使用統(tǒng)計(jì)算法計(jì)算工作面環(huán)境監(jiān)測模型Loss值，當(dāng)該值符合條件后，利用PSO(粒子群)算法獲取隱含層迭代全局最優(yōu)解。然后將其輸入到輸出層內(nèi)。輸出層對(duì)全局最優(yōu)解進(jìn)行數(shù)據(jù)逆變換后，輸出當(dāng)前礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測結(jié)果。將上述工作面環(huán)境監(jiān)測模型以自編程形式寫入到服務(wù)器控制芯片內(nèi)，通過服務(wù)器驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)工作面環(huán)境監(jiān)測模型代碼后，即可實(shí)現(xiàn)工作面環(huán)境監(jiān)測。

圖5 工作面環(huán)境監(jiān)測模型流程Fig.5 Flow of working face environmental monitoring model

2 實(shí)例分析

以某煤礦礦井開采工作面為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，工作面面積為38.24萬km2，地質(zhì)構(gòu)造為斜向，區(qū)域煤層較厚，瓦斯含量相對(duì)較高。該工作面長度約為1 823 m，寬度約為155 m。使用Matlab仿真軟件搭建該礦井開采工作面環(huán)境，使用本文系統(tǒng)對(duì)其環(huán)境展開監(jiān)測。系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為酷睿i5內(nèi)核，主頻為3.1 GHz，運(yùn)行內(nèi)存為4 GB。

2.1 系統(tǒng)壓力測試

由于煤礦礦井開采工作面范圍較大，本文系統(tǒng)面臨多開情況。模擬多個(gè)用戶同時(shí)訪問系統(tǒng)情況，并以系統(tǒng)啟動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為指標(biāo)，設(shè)置其反應(yīng)時(shí)間不得高于1.5 s。測試結(jié)果如圖6所示。分析圖6可知，本文系統(tǒng)啟動(dòng)反應(yīng)時(shí)間隨著訪問用戶人數(shù)的增加而增加。在訪問用戶人數(shù)為250人之前時(shí)，其反應(yīng)時(shí)間增加趨勢極為緩慢，當(dāng)訪問用戶人數(shù)超過250人后，其反應(yīng)時(shí)間增加幅度加大。在訪問用戶人數(shù)為500人時(shí)，本文系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間為900 ms左右，該數(shù)值較1.5 s低600 ms左右。該結(jié)果說明本文方法在訪問用戶人數(shù)較多時(shí)反應(yīng)時(shí)間較為迅速，系統(tǒng)抗壓力性能較強(qiáng)。

圖6 系統(tǒng)壓力測試結(jié)果Fig.6 Test results of system pressure

2.2 可靠性測試

以Loss值作為衡量本文系統(tǒng)監(jiān)測礦井開采工作面環(huán)境可靠性指標(biāo)，測試在不同環(huán)境數(shù)據(jù)樣本情況下，本文系統(tǒng)監(jiān)測礦井開采工作面時(shí)的Loss值，結(jié)果如圖7所示。分析圖7可知，本文系統(tǒng)在監(jiān)測礦井開采工作面環(huán)境時(shí)的Loss值與環(huán)境數(shù)據(jù)量成正比例關(guān)系，在數(shù)據(jù)量為8 000個(gè)時(shí)，本文系統(tǒng)監(jiān)測礦井開采工作面環(huán)境時(shí)的Loss值為0.17左右，其說明本文方法監(jiān)測礦井開采工作面環(huán)境精度高達(dá)0.983。綜上結(jié)果，本文系統(tǒng)監(jiān)測礦井開采工作面環(huán)境精度較高，具備良好的可靠性。

圖7 系統(tǒng)可靠性測試結(jié)果Fig.7 Test results of system reliability

2.3 5G無線通信測試

測試本文無線通信功能，以信息通信發(fā)射功率為指標(biāo)，測試在不同通訊距離情況下本系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)包丟失情況，數(shù)據(jù)包發(fā)送量為2 000，結(jié)果見表1。分析表1可知，本文系統(tǒng)架設(shè)的5G無線通信距離越遠(yuǎn)，其數(shù)據(jù)包接收與發(fā)送數(shù)量之間的差值越大。其中在通信距離為100 m之前時(shí)，本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)包發(fā)送量和接收量完全相同，其數(shù)據(jù)包丟失率為0。當(dāng)通信距離超過100 m后，本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)包發(fā)送量和接收量之間開始出現(xiàn)差值，且差值呈現(xiàn)增加趨勢。在通信距離為200 m時(shí)，本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)包發(fā)送量與接收量之間差值為9個(gè)，其數(shù)據(jù)包丟失率僅為0.45%。上述結(jié)果表明，本文系統(tǒng)具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)通信能力，且數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟包率較低，數(shù)據(jù)通信安全性較好。

表1 5G無線通信測試結(jié)果Tab.1 Test results of 5G wireless communication

2.4 環(huán)境監(jiān)測能力測試

以礦井開采工作面環(huán)境溫度為測量指標(biāo)，使用本文系統(tǒng)對(duì)其展開監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 礦井開采工作面環(huán)境溫度監(jiān)測結(jié)果Fig.8 Monitoring results of ambient temperature of mining face

分析圖8可知，在本文系統(tǒng)環(huán)境溫度監(jiān)測界面內(nèi)可為用戶呈現(xiàn)當(dāng)前溫度幅值變化情況，且有溫度計(jì)量表顯示當(dāng)前環(huán)境溫度，從溫度監(jiān)測列表內(nèi)也可看出當(dāng)前溫濕度傳感器數(shù)量和編號(hào)以及該傳感器采集的礦井開采工作面環(huán)境溫度數(shù)值和時(shí)間。也可在該溫度監(jiān)測界面內(nèi)查看傳感器配置，返回主頁面和查詢溫度監(jiān)測歷史信息等。綜上所述，本文系統(tǒng)不僅可有效監(jiān)測礦井開采工作面環(huán)境溫度，且其監(jiān)測界面內(nèi)功能較全面，可為用戶充分呈現(xiàn)當(dāng)前礦井開采工作面環(huán)境溫度情況，具備較好的應(yīng)用性。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于5G通信技術(shù)的礦井開采工作面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并以某礦井開采工作面為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，應(yīng)用本系統(tǒng)對(duì)其環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得知：本文系統(tǒng)在運(yùn)行過程中具備良好的抗壓性和無線通信能力，且其監(jiān)測結(jié)果精度較高，可有效監(jiān)測礦井開采工作面環(huán)境溫度，為用戶呈現(xiàn)不同傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)和時(shí)間。