面向煤田安全檢測監控的傳感器管理研究

黃理軍，朱 臣

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

面向煤田安全檢測監控的傳感器管理研究

黃理軍1，朱 臣2

（1.宿州學院 機械電子與工程學院，安徽 宿州，234000；2.安徽煤田地質局第三勘探隊，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備存在隱患的可能性，提供重要管理參數值.對單傳感器和多傳感器在煤礦安全監測監控中進行管理以及信息融合，實現了對有限傳感器資源的合理科學分配和有效利用，滿足一般煤礦安全生產監測點布局監控需求.

傳感器；信息融合；貝葉斯概率

由于現代傳感器種類繁多、靈敏性高、復雜性大,使得傳感器執行任務選擇多樣化.如何分配傳感器資源，排列傳感器的工作時間和方式,成為當前研究傳感器管理的主要任務.特別在煤礦井這些條件惡劣的環境下，優化資源配置,提高獲取數據的準確性、穩定性，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備隱患概率，最后結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、事件的優先級、對象變化等因素驅動，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雜環境中，數據形式多樣化，傳感器種類多，包含的獲取數據有互補，也有冗余，則要按照某種工作準則或算法獲取最接近事實的合理數據.數據獲取常用準則有跟蹤和性能檢測、對時間的連續性以及目標的識別、檢測范圍和速率等.在煤田煤礦監測環境中，傳感器系統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，對數據處理計算，合理分配傳感器資源，以達到實時監控、準確檢測，給決策層提供有效的直觀的決策數據[1].

傳感器管理的主要功能有:完成對事件發生的預測、對監測對象的排列組合順序、傳感器對檢測目標的分配、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用

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

這里：

將數字帶入得：

檢測結果說明這種檢測方法還有待改進.當檢測報警時，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，設備確實有隱患的概率達33.4%.

3 煤田安全監測監控傳感器管理設計

3.1 單傳感器管理

單傳感器的管理一方面要考慮環境因素，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 傳感器數據不完整性.比如，只檢測到瓦斯涌出量的數據，沒有巷道風量信息、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據，最大程度上彌補信息的缺失，可以根據以往生產實踐的經驗，如利用歷史平均值，也可以在某條件比值權重改變的情況下采用一些加權二乘法之類算法處理結果來代替缺失數據.

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，組網自然復雜，其中一些傳感器有可能出故障.例如：假設其中某一個檢測瓦斯信息的傳感器數據偏差變化很大，而其它的傳感器變化波動屬正常范圍時，則需要檢測相應工作層面的傳感器，判斷該傳感器是否出現故障，如果出現故障，則相應數據可以利用以往數據均值或其它傳感器對故障傳感器的估值來替換.

3.1.3 數據傳輸故障.由于煤田礦井環境惡劣，通信數據傳輸容易出故障，則需要增強網絡傳輸的魯棒性，以及數值的合理分析處理.當信息融合中心接收不到某個傳感器數據，數據通信中斷，可以考慮調用數據庫中歷史數據，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、考慮傳感器的環境因素，對數據獲取的合理性、準確性、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、均勻風量、空氣濕度小的位置安置風速傳感器，還要注意風速換能器的風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安全.

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

3.2 多傳感器管理

現代系統中傳感器的數量越來越多,種類也很多，有效管理眾多傳感器，使之高效協同工作，獲得最大有效信息數據成為多傳感器研究工作的重點之一.煤礦檢測監控系統有礦井主通風機安檢監控系統、礦井升降機監控系統、瓦斯濃度檢測系統等.所有系統中都大量運用了傳感器，監測對象不一樣，選擇傳感器的類別有所不同，但即使有的監測對象一樣，甚至檢測量也一樣，工程仍然需要不同類別傳感器加以監測，以獲得更全面可靠信息.

3.2.1 礦井主通風機安檢監控系統包含傳感器種類多，信息冗余和互補處理復雜.該系統有：溫度、濕度、壓力、位置傳感器以及軸承監測和頻率監測儀等等.通過對該系統中多傳感器的有效管理，發揮傳感器最大程度效用，獲取準確、可靠數據，為下一步的信息融合提供良好的原始數據基礎.某煤礦的主通風機上設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，用以監測獲取軸承旋轉速度信號，電流互感器裝在兩臺電機上，用以監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據，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，說明兩者的關聯很大[3].如果值小，則反之.現將兩兩傳感器之間測得的冗余數據結果列在下表中.

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傳感器，關聯性很小.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，關聯大.這也符合事實，傳感器類別不一樣相似度小，同類相似大.

4 結語

煤礦煤田工程現場環境惡劣，情況變化多，要根據實際情況調整傳感器管理方案，所以要設計具有彈性可伸縮或者是可重配置的傳感器系統，本文針對一般煤礦環境傳感網絡研究,通過對傳感器的有效管理可以節省資源、加強系統的可靠性，為煤礦的安全生產提供重要的安全保障措施.

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

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

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

TP212

A

1673-260X（2011）11-0142-02

宿州學院智能信息處理實驗室開放課題資助項目(2011YKF15)