基于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳亞萍

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730022）

地質(zhì)災(zāi)難是地質(zhì)環(huán)境的重要組成部分，它是地質(zhì)環(huán)境中的一種重要的地質(zhì)現(xiàn)象[1]。根據(jù)資料顯示，大部分的地質(zhì)災(zāi)難都與天然降雨相關(guān)，主要是由于坡度大，土質(zhì)疏松，自然降雨對(duì)地表產(chǎn)生了一定的沖刷作用，使地形較高的巖石、土層下落，從而產(chǎn)生泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)難。礦區(qū)是我國(guó)最易出現(xiàn)災(zāi)害的地質(zhì)環(huán)境，如果不能對(duì)其進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)和防治，將會(huì)給人類帶來(lái)巨大的生命危險(xiǎn)。當(dāng)前礦井地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)控與預(yù)報(bào)技術(shù)主要有：監(jiān)控與報(bào)警，為此，本文設(shè)計(jì)基于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤礦地質(zhì)檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，此系統(tǒng)使用ZigBee 無(wú)線傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)煤礦地質(zhì)條件是否存在威脅，如果存在威脅便及時(shí)預(yù)警。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

中國(guó)的煤炭資源與產(chǎn)量在全球都較為聞名，而我國(guó)的煤礦開采技術(shù)并不先進(jìn)，且管理制度與體制也有待完善[2]。因?yàn)槲覈?guó)對(duì)煤礦資源存在較大的應(yīng)用需求，煤礦資源的開采量也由此增大，而開采技術(shù)的落后性，導(dǎo)致煤礦經(jīng)常出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害，煤礦地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)與人們的生命安全都存在不利影響。為此，煤礦地質(zhì)災(zāi)害的高精度監(jiān)測(cè)預(yù)警十分重要，本文設(shè)計(jì)了基于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，還系統(tǒng)采用了目前抗干擾性顯著的ZigBee 無(wú)線傳感器，ZigBee 無(wú)線傳感器是近幾年常用的智能信息采集技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大范圍、近距離的信息采集，煤礦環(huán)境惡劣，將其使用在煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有一定優(yōu)勢(shì)。

基于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 基于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

如圖1 所示，基于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層、監(jiān)測(cè)預(yù)警層。采集層主要通過(guò)無(wú)線傳感器采集煤礦地面震動(dòng)信息、支撐柱位移信息、支撐柱內(nèi)部壓力信息、空氣成分信息；采集層將采集的多種監(jiān)測(cè)信息使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)分析層，此層使用基于信息融合算法的地質(zhì)災(zāi)害智能檢測(cè)技術(shù)，判斷煤礦地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)的概率后，將此信息傳輸至監(jiān)測(cè)預(yù)警層，如果煤礦地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)概率較大，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)警程序，提醒工作人員快速撤離[3]。

1.1 ZigBee 無(wú)線傳感器

基于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中所引用的ZigBee 無(wú)線傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 ZigBee 無(wú)線傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2 所示，基于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，ZigBee 無(wú)線傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中存在多個(gè)路由器，且多個(gè)路由器地位不存在差異，能夠和通訊范圍中全部路由節(jié)點(diǎn)通訊。ZigBee 無(wú)線傳感器除了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之外，還具有星形結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)，但相比可知，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的可靠性較高，具有多個(gè)通信路徑，就算某個(gè)傳輸鏈路異常，節(jié)點(diǎn)會(huì)自己轉(zhuǎn)換到剩下不存在異常的傳輸鏈路，且該類型傳感器在節(jié)點(diǎn)充電后，可以自己檢索其他節(jié)點(diǎn)是否存在，傳輸入網(wǎng)申請(qǐng)，具有自我修復(fù)的功能。該結(jié)構(gòu)的ZigBee 無(wú)線傳感器覆蓋范圍較廣，因?yàn)閆igBee 無(wú)線傳感器應(yīng)用時(shí)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由器存在一致的地位，能夠和其他節(jié)點(diǎn)完成通訊，路由器都存在自己的子節(jié)點(diǎn)，在傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間存在多條路由器節(jié)點(diǎn)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息傳輸距離雖然固定，但是多跳行為可拓展傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積[4]。特別適合用在煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù)中，煤礦地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，如果僅依靠工作人員親自采集地質(zhì)信息，不僅工作量大，而且還存在較高的危險(xiǎn)，而ZigBee 無(wú)線傳感器的安全性較高，功耗與應(yīng)用成本較少，適合用在煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù)中。

1.2 ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)協(xié)調(diào)器、傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器三者共同運(yùn)行完成信息傳輸。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

如圖3 所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要分為煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理單元、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信單元、電源單元。協(xié)調(diào)器的功能是構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通電后，獲取路由器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)恼?qǐng)求與信息，實(shí)現(xiàn)路由器入網(wǎng)管理與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保護(hù)，完成網(wǎng)絡(luò)自組織。在獲取節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求后，協(xié)調(diào)器立即分配網(wǎng)絡(luò)地址至請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)，并把獲取的煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)信息都傳輸至數(shù)據(jù)分析層。

傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

如圖4 所示，傳感器節(jié)點(diǎn)可采集煤礦地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)主要分為煤礦地面震動(dòng)信息、支撐柱位移信息、支撐柱內(nèi)部壓力信息、空氣成分信息。采集此類信息時(shí)，使用Microchip 企業(yè)研發(fā)的PIC32MX795F512L 單片機(jī)，其功耗與成本都較小，具有8 通道A/D 數(shù)據(jù)變換器，能夠?qū)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)實(shí)施統(tǒng)一管控，并把采集的煤礦地質(zhì)信息實(shí)施合理存儲(chǔ)。

路由器在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的作用是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信單元使用TI 企業(yè)設(shè)計(jì)的STM32W108，可將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)信息通過(guò)無(wú)線模式傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee 無(wú)線傳感器的協(xié)調(diào)器組網(wǎng)步驟設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器在構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要檢查無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)附近是否存在網(wǎng)絡(luò)，若沒(méi)有，協(xié)調(diào)器便會(huì)掃描信道，鎖定信道，然后構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)ID，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。圖5 是協(xié)調(diào)器組網(wǎng)步驟示意圖。剩下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在還沒(méi)有并入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)檢測(cè)附近的網(wǎng)絡(luò)，之后往網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳輸入網(wǎng)申請(qǐng)，協(xié)調(diào)器允許后，才可以入網(wǎng)傳輸煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)信息[5]。

圖5 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)步驟

2.2 基于信息融合算法的地質(zhì)災(zāi)害智能檢測(cè)技術(shù)

設(shè)置某煤礦地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)的總概率是G（y），此值主要通過(guò)ZigBee 無(wú)線傳感器所采集的多種煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)信息獲取。G（y）的運(yùn)算方法是：

因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)水平有限，無(wú)線傳感器采集的信息會(huì)存在一定誤差，基于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤礦地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)不能保證采集的信息沒(méi)有誤差，所以必須使用傳感器實(shí)時(shí)多次采集，并將采集的信息實(shí)施融合[6]。若煤礦地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在n 個(gè)傳感器，其對(duì)某個(gè)監(jiān)測(cè)位置進(jìn)行n 次采集，將所采集的信息使用式（1）實(shí)施災(zāi)害出現(xiàn)概率計(jì)算，獲取煤礦地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)結(jié)果。

災(zāi)害出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 煤礦地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了測(cè)試本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果，在某煤礦中進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試本文系統(tǒng)在采集該煤礦空氣成分信息時(shí)，空氣溫濕度信息的采集效果?？諝鉁貪穸葘儆诿旱V環(huán)境的基礎(chǔ)參數(shù)，屬于本文系統(tǒng)采集功能的必要考核信息之一，為了測(cè)試本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性，將德國(guó)德圖TESTO608H1 溫濕度計(jì)作為參考。信息采集時(shí)間設(shè)成10min，本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2 所示。

表2 本文系統(tǒng)對(duì)該煤礦空氣溫濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果

如表2 所示，本文系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)該煤礦空氣溫濕度信息時(shí)，對(duì)空氣溫濕度信息監(jiān)測(cè)結(jié)果與德國(guó)德圖TESTO608H1 溫濕度基本一致，對(duì)空氣溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果完全一致，濕度存在0.1%的誤差，但在可接受區(qū)間內(nèi)。由此驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)該煤礦空氣溫濕度監(jiān)測(cè)效果有效。

以該煤礦滑坡與塌陷災(zāi)害為例，設(shè)置本文系統(tǒng)在檢測(cè)該煤礦滑坡災(zāi)害時(shí)，采集的煤礦地質(zhì)樣本量分別是10組～100 組，平均預(yù)警準(zhǔn)確率如表3 所示。

表3 本文系統(tǒng)對(duì)煤礦滑坡、塌陷災(zāi)害的預(yù)警效果

分析表3 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)采集的煤礦地質(zhì)樣本量分別是10 組～100 組時(shí)，本文系統(tǒng)對(duì)滑坡、塌陷災(zāi)害的平均預(yù)警正確率最小值為98%，預(yù)警精度較高，可實(shí)現(xiàn)煤礦地質(zhì)災(zāi)害高精度預(yù)警。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證此系統(tǒng)具有可用性。煤礦出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，具有自然性與突發(fā)性，但也具有規(guī)律性。因此煤礦企業(yè)需要具有科學(xué)的管理模式、合理的預(yù)警方法。不可以存在亂挖亂采的情況，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行煤礦開采工作，必須構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警制度，并做好對(duì)應(yīng)的安全保護(hù)措施。煤礦企業(yè)在開采之前，需要認(rèn)真調(diào)查地質(zhì)信息，建立標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)流程與標(biāo)準(zhǔn)，不可盲目施工，在開采過(guò)程中，也需要靈活應(yīng)對(duì)，提前做好災(zāi)害預(yù)警流程與逃生通道，以免出現(xiàn)危險(xiǎn)損害開采工人的生命。

煤礦開采不可以在人口高密、建筑高密區(qū)域進(jìn)行，不可以在存在生命線工程設(shè)置的區(qū)域進(jìn)行，不可以在山體不穩(wěn)的區(qū)域進(jìn)行，必須保證煤礦開采方的開采模式合理科學(xué)，防止出現(xiàn)煤礦地質(zhì)災(zāi)害。在煤礦開采之前，如果決定開采的區(qū)域地質(zhì)條件已經(jīng)存在不利因素，便需要另?yè)窳嫉?，不在危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嵤┟旱V開采工程。