基于云計(jì)算技術(shù)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王振彥

(山東服裝職業(yè)學(xué)院，山東 泰安 271000)

煤礦安全監(jiān)管是目前各地有關(guān)部門極為重視的部分，隨著安全監(jiān)管設(shè)備以及安全監(jiān)管技術(shù)提升，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測的應(yīng)用水平較高[1]。目前西方國家的煤礦監(jiān)管技術(shù)已極為成熟，部分西方國家將煤礦安全監(jiān)管信息系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦開采、行政管理等重要手段中，重點(diǎn)發(fā)展煤礦監(jiān)管技術(shù)的軟件以及硬件[2]，將智能化技術(shù)應(yīng)用于煤礦監(jiān)管中。我國煤礦安全監(jiān)管發(fā)展較晚，安全監(jiān)管技術(shù)發(fā)展較為落后，缺少完善的監(jiān)管安全應(yīng)用技術(shù)[3-4]。

傳統(tǒng)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)僅可在煤礦生產(chǎn)過程中有害氣體超出標(biāo)準(zhǔn)后發(fā)出警報(bào)[5]，缺少有害氣體預(yù)測報(bào)警性能。云計(jì)算技術(shù)利用Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理，將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)中，通過設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)將云資源傳送至所需應(yīng)用中，具有節(jié)約成本、提升煤礦生產(chǎn)安全性的優(yōu)勢。目前針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)研究較多，湯雙霞等[6-7]分別利用RFID以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)針對(duì)煤炭安全生產(chǎn)以及煤礦越界開采設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)以及監(jiān)測系統(tǒng)，均可提升煤礦生產(chǎn)安全性，但無法實(shí)現(xiàn)甲烷氣體濃度有效預(yù)測。

云計(jì)算技術(shù)是近年來發(fā)展極為迅速的技術(shù)，云計(jì)算技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)作為載體[3]，將虛擬化技術(shù)作為基礎(chǔ)，將可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)以及計(jì)算資源整合，利用分布式計(jì)算資源完成工作的計(jì)算模式[4]。為此，設(shè)計(jì)了基于云計(jì)算技術(shù)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測中，有效預(yù)測煤礦安全生產(chǎn)過程中的甲烷氣體濃度、溫度、濕度過高等危險(xiǎn)事故，提升煤礦生產(chǎn)安全性。

1 云計(jì)算技術(shù)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的云計(jì)算技術(shù)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

通過圖1可以看出，所設(shè)計(jì)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括云數(shù)據(jù)中心、中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集端、監(jiān)測指揮中心4部分。由井下監(jiān)控站以及各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集傳感器組成井下數(shù)據(jù)采集端[8]，煤礦井下生產(chǎn)的溫度、濕度、甲烷氣體濃度等信息以及設(shè)備供電狀態(tài)等開關(guān)量和模擬量參數(shù)均由井下數(shù)據(jù)采集端完成。煤礦客戶端軟件由云數(shù)據(jù)中心提供服務(wù)，云數(shù)據(jù)中心由中心服務(wù)器提供服務(wù)。井下數(shù)據(jù)采集端所采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)由中心服務(wù)器接收[9]，中心服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后，將所采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至可供云數(shù)據(jù)接收的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式，完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化后，將數(shù)據(jù)傳送至云數(shù)據(jù)中心。利用服務(wù)供應(yīng)商為系統(tǒng)的云數(shù)據(jù)中心提供服務(wù)，云數(shù)據(jù)中心為煤礦企業(yè)提供安全生產(chǎn)監(jiān)測服務(wù)，并在監(jiān)測到煤礦安全生產(chǎn)存在異常情況下及時(shí)預(yù)警[10]。系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過云數(shù)據(jù)中心傳送至云端數(shù)據(jù)庫，云端數(shù)據(jù)庫具有極強(qiáng)的運(yùn)算以及數(shù)據(jù)處理能力，云端數(shù)據(jù)庫接收數(shù)據(jù)后，利用數(shù)據(jù)挖掘方法獲取與目前監(jiān)測數(shù)據(jù)匹配的數(shù)據(jù)處理模型，采用甲烷濃度變化預(yù)測模型預(yù)測煤礦井下的甲烷濃度變化情況，并將預(yù)測結(jié)果傳送至用戶。監(jiān)測指揮中心將應(yīng)急救援、井下安全監(jiān)測以及指揮調(diào)度等眾多服務(wù)提供至用戶。工作人員在發(fā)生事故以及預(yù)測結(jié)果為事故情況下及時(shí)調(diào)度。

1.2 井下數(shù)據(jù)采集端

井下數(shù)據(jù)采集端主要包括各項(xiàng)指標(biāo)采集傳感器、核心ARM處理器以及無線通信模塊。井下數(shù)據(jù)采集端中不同采集傳感器均包含ZigBee等芯片，利用ZigBee芯片將所采集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理器中。井下數(shù)據(jù)采集端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 井下數(shù)據(jù)采集端硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of downhole data acquisition terminal

由圖2可以看出，系統(tǒng)選取LPC1756 ARM處理器作為系統(tǒng)井下數(shù)據(jù)采集端的處理器芯片，利用各傳感器采集井下甲烷濃度、氧氣濃度、溫度、濕度等信息，ZigBee模塊通過ZigBee網(wǎng)關(guān)將所接收傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送至處理器中，利用LPC1756 ARM處理器將所接收環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送至無線網(wǎng)絡(luò)采集點(diǎn)中[11]，利用無線通信網(wǎng)絡(luò)將所采集數(shù)據(jù)傳送至井上系統(tǒng)服務(wù)器中，監(jiān)測人員利用上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)所接收數(shù)據(jù)安全生產(chǎn)監(jiān)測以及數(shù)據(jù)分析。

1.2.1 LPC1756 ARM

選取LPC1756作為系統(tǒng)的CPU處理器，該芯片可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理速率提升至1.2 MHz，系統(tǒng)包含定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及PWM，輸出分別為32位以及6路，SPI接口1個(gè)，IIC接口2個(gè)。所選取芯片可應(yīng)用于對(duì)集成度要求較高的場合，且具有功耗較低的優(yōu)勢。

1.2.2 甲烷濃度采集傳感器

甲烷濃度是煤礦安全生產(chǎn)過程中極重要的監(jiān)測參數(shù)，井下甲烷濃度超標(biāo)容易造成礦難事故。選取MJC4-2.8J傳感器作為系統(tǒng)的甲烷濃度采集傳感器，該傳感器屬于催化燃燒型甲烷傳感器，具有甲烷監(jiān)測準(zhǔn)確性高[12]、防爆等級(jí)高的優(yōu)勢，該傳感器存在溫度以及濕度補(bǔ)償功能。該傳感器選取INA128作為放大器，采用該放大器放大電壓信號(hào)。

2 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)軟件是基于云計(jì)算技術(shù)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)核心，是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，由監(jiān)測信息采集服務(wù)器、云服務(wù)管理、后臺(tái)集群、前臺(tái)服務(wù)器4部分組成，其總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture of coal mine safety production monitoring system

在系統(tǒng)軟件前臺(tái)服務(wù)器運(yùn)行前，需對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，該部分主要負(fù)責(zé)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)傳輸協(xié)議棧的設(shè)置，具體如圖4所示。由圖4知，首先要定義系統(tǒng)屬性，然后確定工作頻率和節(jié)點(diǎn)屬性，再配置數(shù)據(jù)庫和中心服務(wù)器。定義系統(tǒng)參數(shù)后，將上述系統(tǒng)配置連接到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行運(yùn)行判斷，以此來運(yùn)行系統(tǒng)并處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件運(yùn)行主程序，即系統(tǒng)完成一次任務(wù)所要進(jìn)行的主要程序。云計(jì)算技術(shù)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)軟件運(yùn)行主程序如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)參數(shù)初始化設(shè)置Fig.4 System parameter initialization settings

圖5 系統(tǒng)軟件運(yùn)行主程序Fig.5 Main program of system software operation

利用Web服務(wù)器作為煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)軟件的前臺(tái)服務(wù)器，利用前臺(tái)服務(wù)器提供訪問接口以及登錄界面于煤礦企業(yè)客戶端。前臺(tái)服務(wù)器依據(jù)系統(tǒng)資源以及云服務(wù)情況將云服務(wù)資源封裝[13]，分級(jí)數(shù)據(jù)中心的消費(fèi)以及各項(xiàng)服務(wù)。用戶所發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求利用負(fù)載均衡算法轉(zhuǎn)換為LSF命令，將所轉(zhuǎn)化命令傳送至云數(shù)據(jù)中心后臺(tái)集群。煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)利用后臺(tái)集群作為監(jiān)測核心。云計(jì)算全部集群的運(yùn)行利用所接收的LSF命令實(shí)現(xiàn)，將LSF命令以及所獲取作業(yè)結(jié)果傳送至不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)中。由各計(jì)算節(jié)點(diǎn)依據(jù)所接收任務(wù)調(diào)用相應(yīng)業(yè)務(wù)應(yīng)用程序，運(yùn)行計(jì)算任務(wù)。云計(jì)算中心的服務(wù)器需與系統(tǒng)中心服務(wù)器相連。

2.2 甲烷濃度變化預(yù)測模型

選取動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立甲烷濃度變化預(yù)測模型。甲烷濃度變化預(yù)測模型框架如圖6所示。

圖6 甲烷濃度變化預(yù)測模型框架Fig.6 Framework of methane concentration change prediction model

(1) 輸入層。設(shè)置輸入向量不同分量xi與輸入層中各節(jié)點(diǎn)存在關(guān)聯(lián)，用X=[x1，x2，…，xn]T表示輸入值，輸入層接收數(shù)據(jù)后將輸入值傳送至下層。各神經(jīng)元所接收數(shù)據(jù)通過式(1)轉(zhuǎn)換：

(1)

利用式(1)將輸入量值轉(zhuǎn)換至模糊域[-1，1]中，n為輸入變量。

(2)模糊化遞歸層。通過模糊化遞歸層模糊化處理輸入變量。將語言變量值利用節(jié)點(diǎn)表示，獲取不同語言變量值相應(yīng)輸入分量的隸屬度函數(shù)。選取高斯函數(shù)表示隸屬度函數(shù)公式：

(2)

式中，i=1，2，…，n，j=1，2，…，mi；mi與cij分別為xi的模糊分割線以及隸屬函數(shù)中心；σ為隸屬函數(shù)寬度。

時(shí)間為k時(shí)，動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第2次輸入公式：

(3)

式中，θij為遞歸神經(jīng)元連接權(quán)值。動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間為k-1時(shí)信息利用Oij(k-1)記錄，實(shí)現(xiàn)待數(shù)據(jù)處理動(dòng)態(tài)映射。

(3)規(guī)則層。動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理通過模糊規(guī)則庫完成，規(guī)則層運(yùn)算公式：

(4)

(4)歸一化層。歸一化層節(jié)點(diǎn)設(shè)置與規(guī)則層節(jié)點(diǎn)設(shè)置相同，通過歸一化層完成模型的解模糊操作。歸一化層需獲取全部規(guī)則輸出之和，即：

(5)

(5)輸出層。利用預(yù)測模型輸出層實(shí)現(xiàn)甲烷濃度變化預(yù)測的清晰化運(yùn)算，獲取甲烷濃度變化預(yù)測結(jié)果輸出值為：

(6)

3 系統(tǒng)性能的測試與分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測煤礦安全生產(chǎn)有效性，選取某煤礦集團(tuán)下屬單位作為監(jiān)測對(duì)象，設(shè)置7個(gè)監(jiān)測。采集該煤礦于2019年12月18日19：00—20：10的甲烷濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。采用本文系統(tǒng)獲取監(jiān)測點(diǎn)5的甲烷濃度監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。通過圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)過程中甲烷濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可依據(jù)時(shí)間序列點(diǎn)生成監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有較高的甲烷濃度監(jiān)測有效性。

圖7 甲烷濃度監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Methane concentration monitoring results

統(tǒng)計(jì)采用本文系統(tǒng)監(jiān)測所設(shè)置7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度、濕度、甲烷濃度、氧氣濃度，監(jiān)測結(jié)果如圖8—圖12所示。

通過圖8—圖12可以看出，采用本文系統(tǒng)可有效監(jiān)測煤礦安全生產(chǎn)過程中不同監(jiān)測點(diǎn)的溫度、濕度、氧氣、一氧化碳以及甲烷濃度，且監(jiān)測結(jié)果與煤礦安全生產(chǎn)實(shí)際結(jié)果極為接近，有效驗(yàn)證本文系統(tǒng)具有較高的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測結(jié)果。

圖8 溫度監(jiān)測結(jié)果Fig.8 Temperature monitoring results

圖9 濕度監(jiān)測結(jié)果Fig.9 Humidity monitoring results

圖10 甲烷濃度監(jiān)測結(jié)果Fig.10 Methane concentration monitoring results

圖11 氧氣濃度監(jiān)測結(jié)果Fig.11 Oxygen concentration monitoring results

圖12 一氧化碳濃度監(jiān)測結(jié)果Fig.12 Monitoring results of carbon monoxide concentration

分析以上監(jiān)測結(jié)果的平均誤差，并將本文系統(tǒng)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測結(jié)果與RFID系統(tǒng)(文獻(xiàn)[6])以及無線傳感器系統(tǒng)(文獻(xiàn)[7])對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖13所示。

圖13 平均監(jiān)測誤差Fig.13 Average monitoring error

通過圖13可以看出，采用本文系統(tǒng)監(jiān)測煤礦安全生產(chǎn)各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測誤差均低于0.6%；采用RFID系統(tǒng)以及無線傳感器系統(tǒng)監(jiān)測煤礦安全生產(chǎn)各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測誤差均高于0.8%。采用本文系統(tǒng)監(jiān)測煤礦安全生產(chǎn)各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測誤差均明顯低于另2種系統(tǒng)，有效驗(yàn)證了本文系統(tǒng)具有較高的監(jiān)測有效性，說明可將本文系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測中。

4 結(jié)論

將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)中，通過云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)以及中心架構(gòu)實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測。系統(tǒng)采用甲烷濃度變化預(yù)測模型實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)過程中甲烷濃度精準(zhǔn)預(yù)測，提升煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量。將所設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦企業(yè)中，通過系統(tǒng)測試結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的監(jiān)測精度，系統(tǒng)利用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)測穩(wěn)定性。煤礦管理人員可依據(jù)系統(tǒng)服務(wù)器端所接收數(shù)據(jù)明確井下生產(chǎn)狀況，保障煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)。