面向煤田安全檢測監(jiān)控的傳感器管理研究

黃理軍，朱 臣

（1.宿州學(xué)院 機械電子與工程學(xué)院，安徽 宿州，234000；2.安徽煤田地質(zhì)局第三勘探隊，安徽 宿州 234000）

面向煤田安全檢測監(jiān)控的傳感器管理研究

黃理軍1，朱 臣2

（1.宿州學(xué)院 機械電子與工程學(xué)院，安徽 宿州，234000；2.安徽煤田地質(zhì)局第三勘探隊，安徽 宿州 234000）

介紹傳感器管理的范圍和功能，引入了貝葉斯概率論計算分析設(shè)備存在隱患的可能性，提供重要管理參數(shù)值.對單傳感器和多傳感器在煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控中進行管理以及信息融合，實現(xiàn)了對有限傳感器資源的合理科學(xué)分配和有效利用，滿足一般煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測點布局監(jiān)控需求.

傳感器；信息融合；貝葉斯概率

由于現(xiàn)代傳感器種類繁多、靈敏性高、復(fù)雜性大,使得傳感器執(zhí)行任務(wù)選擇多樣化.如何分配傳感器資源，排列傳感器的工作時間和方式,成為當(dāng)前研究傳感器管理的主要任務(wù).特別在煤礦井這些條件惡劣的環(huán)境下，優(yōu)化資源配置,提高獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，有效管理傳感器顯得尤為重要.本文中簡述了傳感器管理的范圍、功能，按照貝葉斯概率論在傳感器管理中獲得設(shè)備隱患概率，最后結(jié)合工程實踐論述了單傳感器管理和多傳感器管理及信息處理.

1 傳感器管理的范圍和功能

因工程實際需求、事件的優(yōu)先級、對象變化等因素驅(qū)動，傳感器管理的范圍分為時間管理、空間管理和模式管理.例如在煤田礦井這樣復(fù)雜環(huán)境中，數(shù)據(jù)形式多樣化，傳感器種類多，包含的獲取數(shù)據(jù)有互補，也有冗余，則要按照某種工作準(zhǔn)則或算法獲取最接近事實的合理數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)獲取常用準(zhǔn)則有跟蹤和性能檢測、對時間的連續(xù)性以及目標(biāo)的識別、檢測范圍和速率等.在煤田煤礦監(jiān)測環(huán)境中，傳感器系統(tǒng)要按照被檢測對象的重要程度、獲取信息的時機以及空間分布情況等因素，對數(shù)據(jù)處理計算，合理分配傳感器資源，以達到實時監(jiān)控、準(zhǔn)確檢測，給決策層提供有效的直觀的決策數(shù)據(jù)[1].

傳感器管理的主要功能有:完成對事件發(fā)生的預(yù)測、對監(jiān)測對象的排列組合順序、傳感器對檢測目標(biāo)的分配、傳感器控制在空間和時間的作用范圍、傳感器控制策略和配置等[2].

2 貝葉斯方法在傳感器管理中的應(yīng)用

煤田煤礦監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點數(shù)量很多,為方便管理,需要了解節(jié)點存在隱患的概率,做出判斷,給決策層提供重要參考依據(jù).貝葉斯方法就是計算假設(shè)概率，通過假設(shè)的先驗概率（該先驗概率是對過去已經(jīng)掌握的傳感器出錯情況的反映）、設(shè)定參數(shù)下觀察到的傳感器獲取的不同數(shù)據(jù)的概率、實際觀測到的傳感器數(shù)據(jù)推算得出的.其具體方法是，綜合某未知參數(shù)的樣本信息與先驗信息，依據(jù)貝葉斯公式計算出后驗信息，最后根據(jù)所得后驗信息來推斷未知參數(shù).例如：假設(shè)我們用某一方法來判斷某一傳感設(shè)備是否有隱患，該方法有95%的檢測率（也就是說，如果設(shè)備有隱患的話，那么該方法在100次檢測中，將有95次報警）以及4%的誤檢率，并且還假設(shè)在設(shè)備中，每1000臺中就有5臺有隱患.如果現(xiàn)在該設(shè)備用這種方法檢測時出現(xiàn)報警，則利用貝葉斯推理的方法計算該傳感設(shè)備實際有隱患概率為：

這里：

將數(shù)字帶入得：

檢測結(jié)果說明這種檢測方法還有待改進.當(dāng)檢測報警時，為了能在更高程度上確認有隱患的概率，我們應(yīng)采用一種更好的檢測方法.一種能有效地提高后驗概率的方法是減少誤檢率.比如，如果該檢測方法的檢測率達99.9%，并且它的誤檢率減少到1%，那么，在報警條件下，設(shè)備確實有隱患的概率達33.4%.

3 煤田安全監(jiān)測監(jiān)控傳感器管理設(shè)計

3.1 單傳感器管理

單傳感器的管理一方面要考慮環(huán)境因素，另一方面要分析在信息融合過程中的反饋信息.問題分析及解決如下：

3.1.1 傳感器數(shù)據(jù)不完整性.比如，只檢測到瓦斯涌出量的數(shù)據(jù)，沒有巷道風(fēng)量信息、溫度、濕度，則需要采取一定的補救措施用以補償在信息融合中所需的數(shù)據(jù)，最大程度上彌補信息的缺失，可以根據(jù)以往生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗，如利用歷史平均值，也可以在某條件比值權(quán)重改變的情況下采用一些加權(quán)二乘法之類算法處理結(jié)果來代替缺失數(shù)據(jù).

3.1.2 傳感器故障.在井下，信號種類繁多，需要采用不同類型的傳感器，組網(wǎng)自然復(fù)雜，其中一些傳感器有可能出故障.例如：假設(shè)其中某一個檢測瓦斯信息的傳感器數(shù)據(jù)偏差變化很大，而其它的傳感器變化波動屬正常范圍時，則需要檢測相應(yīng)工作層面的傳感器，判斷該傳感器是否出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障，則相應(yīng)數(shù)據(jù)可以利用以往數(shù)據(jù)均值或其它傳感器對故障傳感器的估值來替換.

3.1.3 數(shù)據(jù)傳輸故障.由于煤田礦井環(huán)境惡劣，通信數(shù)據(jù)傳輸容易出故障，則需要增強網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)聂敯粜?，以及?shù)值的合理分析處理.當(dāng)信息融合中心接收不到某個傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信中斷，可以考慮調(diào)用數(shù)據(jù)庫中歷史數(shù)據(jù)，采用某些算法如卡爾曼濾波算法進行彌補.

合理布局每個傳感器位置、考慮傳感器的環(huán)境因素，對數(shù)據(jù)獲取的合理性、準(zhǔn)確性、安全性都非常重要.比如在離煤壁不小于30厘米處放置瓦斯傳感器，并且要粉塵相對要少；在均勻巷徑、均勻風(fēng)量、空氣濕度小的位置安置風(fēng)速傳感器，還要注意風(fēng)速換能器的風(fēng)口和巷道頂端要保持在大約25厘米到35厘米之間；在巷道中任何位置都可以放置溫度傳感器，不同位置有溫度差別，可以放置較高溫的地方獲取溫度容忍的上限以確保生產(chǎn)安全.

總之，單傳感器管理要根據(jù)傳感器的不同類型，合理分配安裝相應(yīng)物理位置，考慮不同類型的工作環(huán)境因素、信息融合中局部信息和整體信息的互補和冗余處理、數(shù)據(jù)的預(yù)處理等等，單傳感器管理合理與否直接對態(tài)勢評估和上層決策有重大影響.

3.2 多傳感器管理

現(xiàn)代系統(tǒng)中傳感器的數(shù)量越來越多,種類也很多，有效管理眾多傳感器，使之高效協(xié)同工作，獲得最大有效信息數(shù)據(jù)成為多傳感器研究工作的重點之一.煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)有礦井主通風(fēng)機安檢監(jiān)控系統(tǒng)、礦井升降機監(jiān)控系統(tǒng)、瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)等.所有系統(tǒng)中都大量運用了傳感器，監(jiān)測對象不一樣，選擇傳感器的類別有所不同，但即使有的監(jiān)測對象一樣，甚至檢測量也一樣，工程仍然需要不同類別傳感器加以監(jiān)測，以獲得更全面可靠信息.

3.2.1 礦井主通風(fēng)機安檢監(jiān)控系統(tǒng)包含傳感器種類多，信息冗余和互補處理復(fù)雜.該系統(tǒng)有：溫度、濕度、壓力、位置傳感器以及軸承監(jiān)測和頻率監(jiān)測儀等等.通過對該系統(tǒng)中多傳感器的有效管理，發(fā)揮傳感器最大程度效用，獲取準(zhǔn)確、可靠數(shù)據(jù)，為下一步的信息融合提供良好的原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ).某煤礦的主通風(fēng)機上設(shè)置了兩個電流互感傳感器和一個加速度傳感器，加速度傳感器安在軸承上，用以監(jiān)測獲取軸承旋轉(zhuǎn)速度信號，電流互感器裝在兩臺電機上，用以監(jiān)測電機電流變化情況.分析兩個電流互感傳感器和加速度傳感器獲得的數(shù)據(jù)，三個信號波形和頻譜有很大差別，通過三個傳感器兩兩冗余計算，如果值很大，說明兩者的關(guān)聯(lián)很大[3].如果值小，則反之.現(xiàn)將兩兩傳感器之間測得的冗余數(shù)據(jù)結(jié)果列在下表中.

表1 傳感器兩兩之間的冗余度計算值

從表可以看出加速度傳感器和電流傳感器1或者加速度傳感器和電流傳感器2之間的冗余都較小，這說明它們在是不同性質(zhì)傳感器，關(guān)聯(lián)性很小.而電流傳感器1和電流傳感器2則冗余基本都在2以上，冗余度大，這兩者很相似，關(guān)聯(lián)大.這也符合事實，傳感器類別不一樣相似度小，同類相似大.

4 結(jié)語

煤礦煤田工程現(xiàn)場環(huán)境惡劣，情況變化多，要根據(jù)實際情況調(diào)整傳感器管理方案，所以要設(shè)計具有彈性可伸縮或者是可重配置的傳感器系統(tǒng)，本文針對一般煤礦環(huán)境傳感網(wǎng)絡(luò)研究,通過對傳感器的有效管理可以節(jié)省資源、加強系統(tǒng)的可靠性，為煤礦的安全生產(chǎn)提供重要的安全保障措施.

〔1〕于洪珍.檢測監(jiān)控信息融合技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2011:158-160.

〔2〕潘麗娜.多傳感器數(shù)據(jù)融合及在光電測量中的應(yīng)用[J].艦船電子工程,2010,30(1):63-65.

〔3〕梁禮明.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在集員辨識方面的應(yīng)用[J].機電工程技術(shù),2010,16(1):60-62.

TP212

A

1673-260X（2011）11-0142-02

宿州學(xué)院智能信息處理實驗室開放課題資助項目(2011YKF15)