基于多傳感器的采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/易瑜,婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于多傳感器的采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/易瑜,婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院

本文構(gòu)建了一種綜合多種傳感器信息，并運(yùn)用數(shù)據(jù)融合中分層融合思想的煤礦采空區(qū)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)模型。介紹了傳感器性能，設(shè)計(jì)了火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建了多傳感器分層數(shù)據(jù)融合模型，對(duì)采空區(qū)遺煤發(fā)火階段狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

傳感測(cè)溫；氣體監(jiān)測(cè)；火災(zāi)監(jiān)測(cè)

引言

火災(zāi)是煤礦主要災(zāi)害之一，其中采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火占很高比例。研究表明，采空區(qū)自燃區(qū)域隨著工作面的推進(jìn)而移動(dòng)。有學(xué)者提出的采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定理論認(rèn)為采空區(qū)自燃地區(qū)有散熱帶、自燃危險(xiǎn)帶和窒息帶，受工作面推進(jìn)速度影響，煤炭自燃主要發(fā)生在自燃危險(xiǎn)帶內(nèi)。建立了采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)判定模型。找到采空區(qū)自燃危險(xiǎn)帶，并采取一定的技術(shù)手段，就可有效防治采空區(qū)火災(zāi)。

1 傳感器性能介紹

礦用傳感器不同于普通傳感器，在安全防爆、顯示值穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間、誤差范圍

以及體積大小，電池電量等多方面有嚴(yán)格要求。根據(jù)前文所述綜合多方面考量，選取目前應(yīng)用最為廣泛的三種傳感器作以介紹。

1.1 KYJ-2000型遙控甲烷傳感器

KYJ-2000型遙控甲烷傳感器用于監(jiān)測(cè)煤礦井下空氣中的甲烷含量。它是一種紅外遙控智能型檢測(cè)儀表，采用本安電路設(shè)計(jì)，可以對(duì)甲烷濃度進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。該儀器最大特點(diǎn)是:免開(kāi)蓋就可用遙控器調(diào)零、調(diào)精度(靈敏度)和非線性補(bǔ)償?shù)?。并具有精度高、兼容性好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 溫度傳感器

礦井環(huán)境溫度是礦井生產(chǎn)環(huán)境的重要指標(biāo)外，還是煤炭自然發(fā)火的重要指標(biāo)之一。因此，礦井環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)是礦井安全監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)之一。目前溫度傳感器主要有以下幾種:

1.2.1 半導(dǎo)體式溫度傳感器

利用半導(dǎo)體三極管基級(jí)一發(fā)射極電壓Ube的溫度特性及外部電路，可測(cè)得環(huán)境溫度的變化。集成電路傳感器AD590等就是將晶體管電路與放大電路等集成在一個(gè)芯片上。

1.2.2 紅外式溫度傳感器

溫度高于絕對(duì)零度(-273 0C)的任何物體均會(huì)產(chǎn)生紅外輻射，輻射頻率P隨溫度增大而增大。

1.2.3 光纖式溫度傳感器

光纖式溫度傳感器采用的工作原理較多，利用半導(dǎo)體材料吸收光譜特性隨溫度變化的原理，研制出裝有GeAs(砷化鍺)、CdTe(蹄化福)等晶片的光纖溫度傳感器。

1.3 風(fēng)速傳感器

bKGF2礦用智能風(fēng)速傳感器，主要用于煤礦井下各種坑道、風(fēng)口、通風(fēng)機(jī)井口等處的風(fēng)速、風(fēng)量的檢測(cè)，以確保煤礦的安全生產(chǎn)。

2 火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種綜合安全防滅火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由監(jiān)控中心站、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、監(jiān)控分站、分布式光纖測(cè)溫主機(jī)、傳感器組、聲光報(bào)警器、閥門(mén)及其控制器、傳輸電纜(光纜)、滅火管網(wǎng)以及常規(guī)消防聯(lián)動(dòng)設(shè)施構(gòu)成。通過(guò)對(duì)采空區(qū)發(fā)火特征參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)、分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)準(zhǔn)確地將井下的氣體分析結(jié)果傳輸給地面中心站，實(shí)現(xiàn)礦井采空區(qū)發(fā)火區(qū)域定位，進(jìn)行實(shí)時(shí)、無(wú)盲區(qū)溫度監(jiān)測(cè)及火災(zāi)特征參數(shù)監(jiān)測(cè)，達(dá)到對(duì)采空區(qū)火災(zāi)預(yù)警、發(fā)火區(qū)域惰性氣體充填和發(fā)火區(qū)域自動(dòng)封堵提示預(yù)警，以及發(fā)火區(qū)域火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)等。

3 多傳感器的采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在繼承了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)感知、自動(dòng)組網(wǎng)、多跳中繼傳遞等特性的同時(shí)，充分考慮到了煤礦井下的實(shí)際情況。如圖1所示，該系統(tǒng)主要由以下五個(gè)部分構(gòu)成:

3.1 移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn):由井下礦工攜帶，電池供電，帶有探測(cè)瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器，具有無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的功能，并在環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)唯一的編號(hào)，用以確定攜帶者的身份、位置等信息。

3.2 固定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn):按一定的間距固定在支巷道道壁上，具有環(huán)境數(shù)據(jù)和無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的功能；并在環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。每個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的位置需要在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中備案，以此為固定坐標(biāo)點(diǎn)用以確定運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。

3.3 基站接收機(jī)節(jié)點(diǎn):安裝在主巷道內(nèi)，接收固定式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信電纜將數(shù)據(jù)傳輸給信息收集數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

4 火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能特點(diǎn)

該火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用多元信息融合探測(cè)技術(shù):以分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)為主與井下發(fā)火區(qū)域特征參數(shù)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多判據(jù)信息融合，從而實(shí)現(xiàn)煤炭自燃發(fā)火區(qū)域的探測(cè)和識(shí)別。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

4.1 分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在采空區(qū)實(shí)現(xiàn)了無(wú)盲區(qū)溫度檢測(cè)和定位。監(jiān)測(cè)范圍廣，感溫光纜既是信號(hào)傳輸通道又是傳感器，由感溫光纜即可監(jiān)測(cè)光纜沿線每一點(diǎn)溫度值，溫度監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)、連續(xù)、范圍大。

4.2 報(bào)警功能豐富，報(bào)警分區(qū)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件變化任意設(shè)定，且每個(gè)分區(qū)可設(shè)定不同的報(bào)警值；可設(shè)置多種報(bào)警方式，并可設(shè)多級(jí)預(yù)警模式，能在火災(zāi)發(fā)生前做到早期預(yù)警。本質(zhì)安全，采用感溫光纜作為溫度傳感器，不需供電，本質(zhì)安全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

5 結(jié)論

通過(guò)前期系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究、方案設(shè)計(jì)，對(duì)基于復(fù)合傳感信號(hào)的采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方法及技術(shù)手段等方面進(jìn)行總結(jié):

5.1 基于煤自然發(fā)火相關(guān)理論，研究煤在自燃過(guò)程中指標(biāo)氣體產(chǎn)生規(guī)律及其與煤溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系；根據(jù)CO、O2、CxHx類(lèi)等指標(biāo)氣體濃度及其比值和溫度變化率隨煤溫的發(fā)展變化情況進(jìn)行逆向反推，對(duì)采空區(qū)遺煤發(fā)火階段狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

5.2 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)分別采用模糊識(shí)別方法，建立了煤自燃多源信息融合預(yù)警模型。

5.3 采用先進(jìn)的傳感溫度檢測(cè)技術(shù)和基于激光、紅外等多種氣體傳感器組相結(jié)合的礦井采空區(qū)遺煤自燃特征信息融合的監(jiān)測(cè)方法，確定出采空區(qū)煤自燃特征參數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布置方案，提高了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的可靠度和靈敏度。

[1]易瑜，吳蓮貴.礦井安全智能監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].甘肅科技，2014.11.

本文為2016年婁底市科技局科研項(xiàng)目：基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的煤礦采空區(qū)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目：基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的葡萄園監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究（編號(hào)：16B219）；婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題：基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室智能管理系統(tǒng)的研究成果。

易瑜（1980-），女，湖南婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，碩士研究生，研究方向：教育管理，網(wǎng)站設(shè)計(jì)與安全管理。