基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下粉塵濃度監(jiān)測(cè)方法

任桂芹，田必勇

(1.青島市即墨區(qū)綜合檢驗(yàn)檢測(cè)中心，山東 青島 266200； 2.南京益彩環(huán)境科技股份有限公司，江蘇 南京 210000)

近年來(lái)，全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，工業(yè)生產(chǎn)效率也逐漸增加，與此同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生很多危害人體健康的因素。尤其是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的粉塵污染，輕則影響工作人員的健康，重則威脅工作人們的生命。中國(guó)目前主要消耗能源為煤炭，平均每年煤炭產(chǎn)量在全球煤炭產(chǎn)量中占比高達(dá)40%以上[1]。由此可見(jiàn)，煤礦開(kāi)采行業(yè)是中國(guó)的主要行業(yè)之一。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，井下會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。而粉塵是危害人體健康的主要因素之一，若人類長(zhǎng)期生活在粉塵濃度較高的環(huán)境，極易引發(fā)肺部疾病。另外，若煤礦井下粉塵濃度超過(guò)一定的限值，極易發(fā)生爆炸事故，不但會(huì)危害工作人員的生命安全，也會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

煤礦井下粉塵指的是生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的煤炭、細(xì)小金屬、碎石、二氧化硅等固體顆粒的總稱。常規(guī)情況下，煤礦作業(yè)環(huán)節(jié)非常復(fù)雜，每個(gè)環(huán)節(jié)均可能產(chǎn)生大量粉塵，致使粉塵爆炸成為威脅煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵災(zāi)害之一。據(jù)研究調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)煤炭行業(yè)工作人員塵肺病人數(shù)已經(jīng)超過(guò)了44萬(wàn)，該疾病會(huì)逐漸侵蝕患者的肺部功能，并具有較高的死亡率。上述觸目驚心的數(shù)字表明，對(duì)煤礦井下粉塵進(jìn)行治理刻不容緩。要想有效地治理粉塵，需要對(duì)煤礦井下粉塵濃度進(jìn)行精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)，已有方法存在著數(shù)據(jù)處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差大等問(wèn)題，無(wú)法滿足現(xiàn)今煤礦開(kāi)采安全需求，因此提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦井下粉塵濃度監(jiān)測(cè)方法研究。

1 煤礦井下粉塵濃度監(jiān)測(cè)方法研究

1.1 煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)組織架構(gòu)搭建

已有煤礦井下粉塵濃度監(jiān)測(cè)方法由于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的缺陷，無(wú)法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的、及時(shí)的處理，則導(dǎo)致粉塵濃度監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性較差，沒(méi)辦法對(duì)粉塵爆炸進(jìn)行提前預(yù)警，增加了煤礦開(kāi)采的風(fēng)險(xiǎn)[3]。為了改善已有方法存在的問(wèn)題，此研究引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)組織架構(gòu)，為粉塵濃度監(jiān)測(cè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)組織架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)組織架構(gòu)Fig.1 Organization structure of underground Internet of Things in coal mine

如圖1所示，搭建的煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)組織架構(gòu)主要分為3個(gè)層次，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層。其中，感知層主要由交換機(jī)、無(wú)線基站、粉塵濃度傳感器、各種終端等設(shè)備構(gòu)成，承擔(dān)著煤礦井下粉塵濃度數(shù)據(jù)采集的任務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層指的是以太網(wǎng)，承擔(dān)著粉塵濃度數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，也是感知層與應(yīng)用層之間的連接介質(zhì)；應(yīng)用層接收傳輸?shù)姆蹓m濃度數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，獲得精準(zhǔn)的粉塵濃度數(shù)值，對(duì)其是否超限進(jìn)行判定，若粉塵濃度數(shù)值超限，發(fā)出聲光報(bào)警，并采取相應(yīng)的粉塵爆炸防治措施；若粉塵濃度數(shù)值未超限，也需要對(duì)數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)的記錄，以此來(lái)保障煤礦井下的安全[4]。

1.2 粉塵濃度傳感器選取

以上述搭建的煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)組織架構(gòu)為基礎(chǔ)，選取適當(dāng)?shù)姆蹓m濃度傳感器，為粉塵濃度的監(jiān)測(cè)做充足的準(zhǔn)備[5]。傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，方便計(jì)算機(jī)的處理與應(yīng)用。根據(jù)粉塵濃度監(jiān)測(cè)需求，此研究選取GCG1000型全塵濃度測(cè)量?jī)x器作為煤礦井下粉塵濃度傳感器，該設(shè)備能夠在危險(xiǎn)性氣體混合物中穩(wěn)定作業(yè)，并具有靈敏度高、精準(zhǔn)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)今煤礦開(kāi)采主要應(yīng)用設(shè)備之一[6]。GCG1000型全塵濃度傳感器工作原理如圖2所示。根據(jù)實(shí)際煤礦開(kāi)采情況，對(duì)全塵濃度傳感器性能參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置，具體見(jiàn)表1。另外，配合CCHZ-1000型呼塵濃度傳感器、DP-1型粉塵粒度傳感器與GFW15型風(fēng)速傳感器，共同實(shí)現(xiàn)煤礦井下粉塵濃度的監(jiān)測(cè)[7]。由于篇幅的限制，不對(duì)上述傳感器細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的贅述。

圖2 傳感器工作原理示意Fig.2 Schematic diagram of sensor working principle

1.3 粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合

在實(shí)際煤礦井下粉塵濃度監(jiān)測(cè)過(guò)程中，傳感器應(yīng)用數(shù)量較多，并且布局較為復(fù)雜，再加之煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，實(shí)際獲得的傳感器數(shù)據(jù)可信度不高，容易出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象，無(wú)法獲得精確的粉塵濃度。研究利用數(shù)據(jù)融合算法處理粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在錯(cuò)誤、冗余數(shù)據(jù)加工基礎(chǔ)上，融合粉塵濃度多個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，獲得精確的粉塵濃度數(shù)值，為煤礦井下安全提供更加精確的數(shù)據(jù)支撐[8]。

表1 全塵濃度傳感器性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of total dust concentration sensor

粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合程序如圖3所示。

圖3 粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合程序Fig.3 Data fusion procedure of dust concentration monitoring

由圖3可知，數(shù)據(jù)融合算法主要是對(duì)多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，主要解決監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤報(bào)、漏報(bào)、冗余等問(wèn)題，提升粉塵濃度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，也為后續(xù)粉塵治理提供可靠的依據(jù)[9]。

基于數(shù)據(jù)融合算法獲取最終粉塵濃度數(shù)值的步驟如下。

(1)設(shè)定井下粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為X1，X2，…，Xn，定義粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的相對(duì)距離，計(jì)算公式為:

dij=|Xi-Xj|

(1)

式中，dij為粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Xi與Xj的相對(duì)距離；Xi與Xj為任意2個(gè)粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[10]。

(2)以步驟(1)計(jì)算的數(shù)據(jù)之間相對(duì)距離為基礎(chǔ)，定義支持度函數(shù)，表達(dá)式為:

(2)

式中，qij為Xi對(duì)Xj的支持度，即在Xi角度看，Xj為真實(shí)數(shù)據(jù)的可能程度；max(dij)為數(shù)據(jù)之間相對(duì)距離的最大值[11]。

由式(2)可以看出，支持度與數(shù)據(jù)之間相對(duì)距離呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)2個(gè)粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)間距離較大時(shí)，相互支持程度就越小[12]。

(3)根據(jù)數(shù)據(jù)融合需求，構(gòu)建支持度矩陣，其表達(dá)式為:

(3)

(4)以步驟(3)構(gòu)建的支持度矩陣為依據(jù)，獲得某個(gè)特定粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合支持程度，即其在所有粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的權(quán)重系數(shù)，記為Wi。

為了方便粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)權(quán)重系數(shù)的計(jì)算，從信息分享角度出發(fā)，設(shè)定存在一組非負(fù)實(shí)數(shù)，使得:

Wi=r1qi1+r2qi2+…+rnqin

(4)

式中，r1，r2，…，rn為一組非負(fù)實(shí)數(shù)。

令R=[r1，r2，…，rn]T，W=[W1，W2，…，Wn]T，則式(4)能夠改寫成矩陣形式，表達(dá)式為:

W=QR

(5)

如式(5)所示，支持度矩陣Q實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非負(fù)矩陣[13]。因此，該矩陣存在非負(fù)最大特征值λmax，其對(duì)應(yīng)的特征向量為ri，則粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)權(quán)重系數(shù)計(jì)算公式為:

(6)

(5)加載步驟(4)計(jì)算得到的權(quán)重系數(shù)，將其與對(duì)應(yīng)粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘，再對(duì)全部乘積求和，即可獲得最終粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)值，計(jì)算公式為:

X=W1X1+W2X2+…+WnXn

(7)

通過(guò)上述過(guò)程完成了粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理與融合，獲得了最精準(zhǔn)的粉塵濃度數(shù)值，為后續(xù)粉塵濃度超限預(yù)警提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[14]。

1.4 粉塵濃度超限報(bào)警

粉塵濃度超限報(bào)警也是粉塵濃度監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保障煤礦井下生產(chǎn)安全的關(guān)鍵手段。此研究選取聲光報(bào)警設(shè)備作為粉塵濃度超限報(bào)警器件，其不但具有源蜂鳴器，還具備顯示燈。當(dāng)粉塵濃度超過(guò)一定限值時(shí)，有源蜂鳴器發(fā)出報(bào)警指示音，顯示燈由綠燈轉(zhuǎn)換為紅燈，使工作人員第一時(shí)間了解煤礦井下粉塵濃度超限情況，安排工作人員有序撤離，采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，例如噴水、降溫等，防止粉塵爆炸災(zāi)害的發(fā)生[15]。依據(jù)上述描述，制定粉塵濃度超限報(bào)警程序，如圖4所示。

圖4 粉塵濃度超限報(bào)警程序Fig.4 Alarm procedure for dust concentration exceeding limit

由圖4可知，粉塵爆炸不但需要粉塵濃度達(dá)到一定的限值，還需要環(huán)境溫度的引發(fā)。若是粉塵濃度超限，但是環(huán)境溫度較低，此時(shí)，發(fā)生粉塵爆炸的概率也較低。因此，在粉塵濃度監(jiān)測(cè)過(guò)程中，也需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境溫度，若是溫度超限，也需要進(jìn)行預(yù)警，提醒工作人員實(shí)施降溫措施，以此來(lái)保障煤礦井下生產(chǎn)的安全性[16]。

煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境溫度超限判斷規(guī)則如下：

(8)

式中，T為煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境溫度數(shù)值；T*為環(huán)境溫度限值。

綜上所述，此研究應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤礦井下粉塵濃度的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，為煤礦井下生產(chǎn)安全提供更加有效的手段支撐，也為粉塵濃度監(jiān)測(cè)研究提供一定的參考與借鑒。

2 應(yīng)用分析

2.1 準(zhǔn)備階段

為了驗(yàn)證提出方法的應(yīng)用性能，此研究選取某年產(chǎn)40萬(wàn)t原煤的煤礦作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并對(duì)煤礦井下生產(chǎn)每個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的粉塵濃度進(jìn)行采樣，為了方便實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，設(shè)置在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，煤礦處于滿負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)。煤礦井下生產(chǎn)情況如圖5所示。

圖5 煤礦井下生產(chǎn)情況Fig.5 Underground production of coal mine

由圖5可知，煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，并且粉塵濃度較高，極大地威脅著工作人員的健康與煤礦生產(chǎn)的安全。為了精確監(jiān)測(cè)煤礦井下粉塵濃度，在井下掘進(jìn)面、采煤面、運(yùn)輸巷道與錨噴點(diǎn)等場(chǎng)所均設(shè)置多臺(tái)粉塵濃度傳感器，盡可能獲取更全面的粉塵濃度數(shù)據(jù)。粉塵濃度傳感器布置情況如圖6所示。

圖6 粉塵濃度傳感器布置Fig.6 Layout of dust concentration sensor

由圖6可知，其只是采煤面的粉塵濃度傳感器布置情況，由于篇幅的限制，不對(duì)全部傳感器位置進(jìn)行顯示。

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，還需要將全部粉塵濃度傳感器進(jìn)行統(tǒng)一的初始化，并將其測(cè)量時(shí)間與采樣時(shí)間間隔設(shè)置為相同，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取提供便利。

以上述實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取結(jié)果與傳感器布置結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行煤礦井下粉塵濃度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，參與方法為提出方法與尿素造粒塔粉塵濃度監(jiān)測(cè)方法的探索(對(duì)比方法)[17]，選取粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間及其粉塵濃度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差作為應(yīng)用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過(guò)程如下。

2.2 粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間分析

粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間是決定粉塵濃度監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵指標(biāo)。一般情況下，粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間越短，表明方法的實(shí)時(shí)性越強(qiáng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間Tab.2 Processing schedule of dust concentration monitoring data

由表2可知，相較于對(duì)比方法，應(yīng)用提出方法獲得的粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間更短，表明提出方法粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

2.3 粉塵濃度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差分析

粉塵濃度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差是決定粉塵濃度監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵指標(biāo)。一般情況下，粉塵濃度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差越小，表明方法的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度越高。

粉塵濃度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差計(jì)算公式為:

(9)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得粉塵濃度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 粉塵濃度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差數(shù)據(jù)Fig.7 Relative error data of dust concentration monitoring

由圖7可知，相較于對(duì)比方法，應(yīng)用提出方法獲得的粉塵濃度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差較小，表明提出方法粉塵濃度監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度更高。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：與對(duì)比方法相比較，提出方法粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間更短，粉塵濃度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差更小，充分證實(shí)了提出方法具備更好的粉塵濃度監(jiān)測(cè)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

此研究應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了煤礦井下網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，選取了適當(dāng)?shù)姆蹓m濃度傳感器，提出了新的煤礦井下粉塵濃度監(jiān)測(cè)方法，縮短了粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間，減小了粉塵濃度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差，可以為粉塵濃度監(jiān)測(cè)提供更加有效的方法手段，也為煤礦井下生產(chǎn)安全提供更加有效的保障。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，與對(duì)比方法相比較，應(yīng)用提出方法獲得的粉塵濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間更短，粉塵濃度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差更小，充分證實(shí)了提出方法粉塵濃度監(jiān)測(cè)效果更佳。