基于多傳感器數據融合的煤礦采空區火災預警系統

易 瑜

（婁底職業技術學院，湖南婁底，417000）

基于多傳感器數據融合的煤礦采空區火災預警系統

易 瑜

（婁底職業技術學院，湖南婁底，417000）

本文致力于構建一種綜合多種傳感器信息，并運用數據融合中分層融合思想的煤礦采空區火災預警系統模型。介紹了傳感器性能，設計了火災監測系統架構，構建了多傳感器分層數據融合模型，對采空區遺煤發火階段狀態進行了預測，實驗得出了火災監測系統的主要功能特點。并在火災區已得到有效治理，實現成功滅火。使防治火災工作更加合理化和科學化。

傳感器；數據融合；煤礦采空區；預警

0　引言

火災是煤礦主要災害之一，其中采空區遺煤自燃發火占很高比例。研究表明，采空區自燃區域隨著工作面的推進而移動。本文建立了采空區自燃危險區架構模型。找到了采空區自燃危險帶，并采取一定的技術手段，有效地防治采空區火災。

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、顯示值穩定性、響應時間、誤差范圍以及體積大小，電池電量等多方面有嚴格要求。根據前文所述綜合多方面考量，選取目前應用最為廣泛的三種傳感器作以介紹。

1.1KYJ-2000型遙控甲烷傳感器。KYJ-2000型遙控甲烷傳感器用于監測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儀表，采用本安電路設計，可以對甲烷濃度進行連續檢測。該儀器最大特點是:免開蓋就可用遙控器調零、調精度(靈敏度)和非線性補償等。并具有精度高、兼容性好、穩定可靠等優點。

1.2溫度傳感器。礦井環境溫度是礦井生產環境的重要指標外，還是煤炭自然發火的重要指標之一。因此，礦井環境溫度監測是礦井安全監測的重要指標之一。目前溫度傳感器主要有以下幾種:

（1）半導體式溫度傳感器。利用半導體三極管基級一發射極電壓Ube的溫度特性及外部電路，可測得環境溫度的變化。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芯片上。因此，半導體溫度傳感器具有體積小、成本低、響應快、線性度好的優點，在礦井監控系統中獲得了廣泛的應用。

（2）紅外式溫度傳感器。溫度高于絕對零度(-273 0C)的任何物體均會產生紅外輻射，輻射頻率P隨溫度增大而增大。

（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風速傳感器。bKGF2礦用智能風速傳感器，主要用于煤礦井下各種坑道、風口、通風機井口等處的風速、風量的檢測，以確保煤礦的安全生產。

2　火災監測系統設計架構

采空區火災監測系統是一種綜合安全防滅火監測系統，由監控中心站、環網交換機、監控分站、分布式光纖測溫主機、傳感器組、聲光報警器、閥門及其控制器、傳輸電纜( 光纜) 、滅火管網以及常規消防聯動設施構成。通過對采空區發火特征參數進行在線檢測、分析監測數據。通過井下環網準確地將井下的氣體分析結果傳輸給地面中心站，實現礦井采空區發火區域定位，進行實時、無盲區溫度監測及火災特征參數監測，達到對采空區火災預警、發火區域惰性氣體充填和發火區域自動封堵提示預警，以及發火區域火災發展趨勢預測等。

3　多傳感器分層數據融合模型構建

信息融合作為一種數據處理方法近年來在各個行業得到廣泛的應用，特別是“大數據”時代的到來時的數據處理更加成為一個急待于拓展和提高的領域。經過過去幾十年的發展，根據不同的數據類型和針對目標已經研究出了多種數據處理算法，但具體每種算法所應用的領域沒有作嚴格的界限。同時，在“大數據”時代，多源多傳感器信息融合需要構建一個綜合的融合模型，應該包括傳感器管理系統，數據預處理單元，多源信息數據處理中心、數據庫等。因此，結合已經相對成熟的數據分層思想，本文重點介紹一種多傳感器的分層數據融合模型，以此達到提高對煤礦采空區事故的預警判定準確率的目的。

3.1一般數據融合算法介紹。信息融合算法主要功能是在按照數據特征級別分層構造的融合模型中對于不同級別的數據信號進行有效描述，同時它對這些數據進行篩選、提取、處理、分析和綜合，最后以適應于目標對象的形式輸出和表現這些數據。根據過去幾十年研究者對于融合算法的研究，信息融合算法按信息特點分:基于特征的算法、物理模型算法及基于知識模型算法。

3.2分層融合系統模型概念。多傳感數據融合系統模型中，多傳感器采集不同的指標因素并且初始數據的類型不同，針對于不同的數據類型將融合系統分層，在不同的層次選擇不同的算法進行融合。根據融合對象的特點以及對象的層次，數據融合算法和著眼點有十分巨大的差別，這就是不同的數據融合算法不能相互交換利用的原因，進行決策的融合算法與處理電信號的融合算法在本質上與實現手段上可以是天壤之別，因此，在構建融合中心模型之前，先具體討論不同的信息數據層析十分重要，僅僅討論融合算法而不考慮數據的層次問題是脫離實際需要的。根據過去大量的文獻資料結果，大多數學者對融合層次的分類是將多傳感器系統由低到高分為四個層次:信號級(Signal)、點級(Pixel)、特征級(Feature)和符號級(Symbol)，而信號級和點級因為數據類型的相近又可統稱為信號級，因此一般情況下將數據融合分為三個層次即:信號級、特征級和符號級。每一級都是上級的融合結果又是下級融合來源，符號級是最高的系統決策部分又稱為決策級，信號級則是最低的系統數據采集端的感應數據，不同層次之間沒有明確的界限劃分，而對于融合系統來說，以往運算只作用于一個或兩個層次，而沒能在各個層次上進行全面綜合的融合。

4　火災監測系統主要功能特點

該火災監測系統采用多元信息融合探測技術:以分布式光纖測溫系統為主與井下發火區域特征參數傳感器實時檢測數據進行多判據信息融合，從而實現煤炭自燃發火區域的探測和識別。該系統具有以下特點：（1）分布式光纖測溫技術在采空區實現了無盲區溫度檢測和定位。監測范圍廣，感溫光纜既是信號傳輸通道又是傳感器，由感溫光纜即可監測光纜沿線每一點溫度值，溫度監測實時、連續、范圍大。（2）報警功能豐富，報警分區可根據現場條件變化任意設定，且每個分區可設定不同的報警值；可設置多種報警方式，并可設多級預警模式，能在火災發生前做到早期預警。本質安全，采用感溫光纜作為溫度傳感器，不需供電，本質安全系統聯動。（3）可實現煤礦井下溫度、CO、O2、CxHx氣體、粉塵濃度、消防管路水壓等參數的遠程在線監測。（4）可實現全礦井發火區域自動定位、遠程在線監測和自動控制。

5　結語

通過對基于多傳感器數據融合的煤礦采空區火災預警系統方法及技術手段等方面進行研究，并對煤礦安全事故進行調研、分析的基礎上，建立了分層數據融合系統模型；綜合考慮多種融合算法的優缺點結合煤礦井下復雜多變的環境，采用了分布式光纖測溫技術在采空區實現了無盲區溫度檢測和定位；選取利用典型現代化程度高的礦區驗證了多源分層數據融合模型預警系統的可行性和有效性，從而有效地提高了對采空區火災預警事故這一災害進行預警的可靠性。

[1]尚賽花.基于信息融合的煤礦采空區火災預警研究[D].西安科技大學，2013.06.

[2]劉凱．多源傳感器分層數據融合在煤礦采空區預警系統的應用與研究[D].太原理工大學，2014.05.

[3]李軍等.基于復合傳感信號的采空區火災監測系統設計[J].煤礦機電，2015（28）.

Fire warning system based on multi sensor data fusion in coal mining area

Yi Yu
（Loudi Vocational and Technical College,Loudi Hunan,417000）

This paper is committed to building a comprehensive variety of sensor information, and the use of data fusion in the hierarchical integration of the thought of coal mine goaf fire warning system model. The sensor performance,the design of fire monitoring system architecture,constructs the multisensor data fusion model of layered,coal in goaf combustion stage are predicted,the main functions and features of the fire monitoring system.And in the fire area has been effectively control,to achieve a successful fire.To make the fire prevention work more reasonable and scientific.

sensor;data fusion;coal mining area;early warning

本文為2016年婁底市科技局科研項目：基于多傳感器數據融合的煤礦采空區火災預警系統；湖南省教育廳優秀青年項目：基于物聯網和云計算技術的葡萄園監測系統研究（編號：16B219）；湖南省科技廳自科聯合基金項目：基于云計算的現代農業物聯網監控系統研究；婁底職業技術學院課題：基于物聯網的農業溫室智能管理系統的研究成果。

易瑜（1980-），女，湖南婁底職業技術學院，副教授，碩士研究生，研究方向：教育管理，網站設計與安全管理。