基于多源信息簇融的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究*

賈佳，肖軍

(1. 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院， 西安 710089; 2. 西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院, 西安 710077)

0 引言

煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)工作對(duì)于保障礦井環(huán)境安全具有重要的意義，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)礦井環(huán)境安全要求的不斷提高，逐漸意識(shí)到傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)存在諸多問題。因此要不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)的創(chuàng)新，找到可以提高監(jiān)測(cè)效果的技術(shù)至關(guān)重要。本文選擇的監(jiān)測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)有很大的區(qū)別，而且這一技術(shù)的使用對(duì)于提高礦井環(huán)境安全指數(shù)具有重要的作用。在今后的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)過程中，使用多源信息簇融技術(shù)，可以進(jìn)一步保證礦井工作人員的安全。

1 煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煤礦開采是社會(huì)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵部分，而瓦斯主要是伴隨著煤炭的開采產(chǎn)生的，而且礦井的環(huán)境是處于動(dòng)態(tài)的變化過程中，礦井中的氣體十分復(fù)雜，不僅是一種氣體，經(jīng)常表現(xiàn)為多種氣體的融合。而且隨著時(shí)間的流逝，礦井環(huán)境還會(huì)發(fā)生更多的變化，一旦出現(xiàn)問題，就會(huì)對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生巨大影響，必須給予足夠的重視。不過當(dāng)前我國的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍然使用的是傳統(tǒng)的傳感器監(jiān)測(cè)方式，這種監(jiān)測(cè)方式可以起到一定的作用，而且傳感器監(jiān)測(cè)方式雖然具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是隨著技術(shù)的發(fā)展以及人們要求的提高，這種傳感器監(jiān)測(cè)方式的弊端也逐漸凸現(xiàn)出來。傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)本身具備一些缺點(diǎn)，尤其是無法及時(shí)適應(yīng)礦井下環(huán)境的復(fù)雜性，因此無法有效的應(yīng)對(duì)礦井環(huán)境的變化，這時(shí)如果只用傳感器技術(shù)無法有效的評(píng)估煤礦瓦斯?jié)舛鹊膭?dòng)態(tài)變化情況，影響最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與真實(shí)的礦井狀態(tài)不符。此外，由于礦井下的環(huán)境比較復(fù)雜，結(jié)合了多種氣體，所以需要對(duì)每種氣體都進(jìn)行定量分析，不能只考慮瓦斯這種氣體，還要注意氣體氣體的影響，不同氣體的融合會(huì)造成礦井環(huán)境中氣體濃度的變化。

煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)選擇的方式，主要是依據(jù)傳感器的作用，然后結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行分析，從而有效的提高監(jiān)測(cè)的質(zhì)量，重點(diǎn)是突出傳感器的性能，或者是使用單一傳感器到多傳感器的過渡，不過使用這種傳感器的方式存在弊端，尤其是在使用單一傳感器的過程中，會(huì)存在很大的缺點(diǎn)，影響數(shù)據(jù)的計(jì)算。所以在工作的過程中，經(jīng)常使用的是多傳感器協(xié)同合作的方式，但是現(xiàn)存的多傳感器協(xié)作監(jiān)測(cè)瓦斯的方式，只是將一些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理，卻忽視了數(shù)據(jù)處理的科學(xué)性，有些不具有實(shí)際意義的數(shù)據(jù)也會(huì)被計(jì)算，很多冗余的數(shù)據(jù)會(huì)造成正常計(jì)算的阻礙，容易導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，或者是造成計(jì)算結(jié)果的誤差。多源信息簇融技術(shù)是在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，能夠保證瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性[1]。

2 多源信息簇融技術(shù)結(jié)構(gòu)

技術(shù)的創(chuàng)新為瓦斯監(jiān)測(cè)提供了更多便利，目前使用多源信息簇融技術(shù)發(fā)揮了更大的作用，主要是因?yàn)檫@一技術(shù)可以滿足監(jiān)測(cè)的基本要求，而且具有明顯的優(yōu)勢(shì)。多源信息簇融技術(shù)由3個(gè)模塊構(gòu)成，第一是多源信息采集模塊，組成部分是傳感器，其中傳感器還可以分成異質(zhì)傳感器和同質(zhì)傳感器，這種傳感器與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)中的傳感器存在很大的差別，因此也會(huì)起到不同的作用。這兩種傳感器的最大區(qū)別在于傳感器的監(jiān)測(cè)原理存在一定的差異，所以具有本質(zhì)上的不同，對(duì)于監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。其次是強(qiáng)分類模塊，這一模塊的功能是在所有的輸入?yún)?shù)信息中篩選出前后變化最大的參數(shù)，從而篩除一些沒有實(shí)際作用的數(shù)據(jù)，避免了一些無用數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，可以節(jié)約資源，減少了計(jì)算的時(shí)間，節(jié)約了人力和無力，所以有效的提高了計(jì)算的效率并且保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。第三是信息融合模塊，這一模塊的功能主要是對(duì)篩選出來的參數(shù)進(jìn)行融合計(jì)算，由于計(jì)算的數(shù)據(jù)比較多，包括對(duì)礦井環(huán)境中多種氣體的含量和成分進(jìn)行計(jì)算，單一氣體的計(jì)算無法保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，而這種融合計(jì)算不會(huì)忽視每一個(gè)有效的數(shù)據(jù)，在計(jì)算以后可以得到更加精準(zhǔn)的結(jié)果[2-3]。

傳感器的使用能夠?qū)Σ煌瑲怏w進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而有效的判斷瓦斯、氧氣等含量，而且在監(jiān)測(cè)的過程中可以有效避免采集信息的缺陷。根據(jù)不同監(jiān)測(cè)原理的傳感器監(jiān)測(cè)瓦斯，正是因?yàn)榭紤]到這一問題。在篩選數(shù)據(jù)的過程中，如果計(jì)算量太大會(huì)給傳感器帶來巨大的壓力，所以使用這一技術(shù)可以避免這一問題[4-5]。因此在輸入數(shù)據(jù)的過程中，最好將其輸入到最大的似然器中，可以求出這組數(shù)據(jù)中最接近真實(shí)值的值。之后，可以將求出的數(shù)據(jù)輸入到分類器中，在篩選過后，就可以明確其中變化最大的參數(shù)，將這一數(shù)據(jù)輸入融合器中融合，可以得出一個(gè)更加準(zhǔn)確的結(jié)論，最后可以有效的判斷礦井環(huán)境的安全性，從而明確環(huán)境的安全等級(jí)。在這一過程中，必須確保信息采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，可以更全面了解的信息，如圖1所示。

圖1 多源信息強(qiáng)分類深度融合方法結(jié)構(gòu)

礦井環(huán)境空間十分有限，在監(jiān)測(cè)和計(jì)算的過程中，需要注意布置一定數(shù)量的簇感知，注意收集該簇感知域中所有傳感器傳來的信息，并且將其傳給更高一級(jí)的智能節(jié)點(diǎn)。

(1) 基于改進(jìn)的最大似然算法求最大似然值

最大似然是利用已有的觀測(cè)樣本來估計(jì)樣本的真實(shí)概率密度，具有很多優(yōu)點(diǎn)。本文采用基于改進(jìn)的最大似然算法求最大似然值。使用最大似然值不是因?yàn)閿?shù)據(jù)的平均值而是為了達(dá)到近似于真實(shí)值，保證求值結(jié)果的精確性，才能更加準(zhǔn)確的反應(yīng)礦井環(huán)境的真實(shí)狀態(tài)，達(dá)到監(jiān)測(cè)的最終目標(biāo)。

(2) 優(yōu)化最大似然值

求完最大似然值之后可以過濾掉一部分的冗余數(shù)據(jù)，避免多余計(jì)算以及重復(fù)計(jì)算的問題。分類器的作用是可以解決和適應(yīng)井下環(huán)境的復(fù)雜性，在篩選數(shù)據(jù)之后，可以選擇出對(duì)區(qū)域安全有重大影響的參數(shù)，根據(jù)最相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，可以更貼近理想值。因此需要使用簡(jiǎn)單的分類器構(gòu)造一個(gè)強(qiáng)大的分類器從而滿足礦井環(huán)境的特殊要求。

3 多源信息的深度融合

為了更好的監(jiān)測(cè)礦井的環(huán)境，必須要結(jié)合相關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算并得出結(jié)論，從而獲得最接近真實(shí)的數(shù)值，做出最正確的判斷。因此需要根據(jù)礦井環(huán)境中氣體的本質(zhì)特征構(gòu)造一個(gè)融合器。為了得到更加接近與真實(shí)值的數(shù)據(jù)，本文使用的是模糊集理論和D-S證據(jù)理論相結(jié)合的信息融合算法，如圖2所示。

圖2 參數(shù)特性融合

D-S證據(jù)理論是基于統(tǒng)計(jì)的信息融合算法，需要借助非空的測(cè)試域完成計(jì)算，而之前提到的最大似然值自己和可以作為這樣的測(cè)試域。對(duì)于測(cè)試域需要進(jìn)行兩兩組合，而且測(cè)試域中的元素位置和元素之間的組和次序與最終的結(jié)果無關(guān)。使用多源信息簇融技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以將最大似然值子集合進(jìn)行規(guī)整處理，并且能夠發(fā)現(xiàn)在眾多的結(jié)果中，可以計(jì)算出最接近真實(shí)情況的值，由此可以更加準(zhǔn)確的判斷煤礦井下環(huán)境的安全等級(jí)，了解礦井環(huán)境中氣體的成分和基本的含量，根據(jù)數(shù)據(jù)分析并且采取有效的解決措施，并且有效的保證礦井環(huán)境的安全性[6-8]。

4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

為了進(jìn)一步的判斷使用這一方法的可行性和準(zhǔn)確性，需要采用模擬的方式在實(shí)驗(yàn)室和真實(shí)的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最好可以模擬出與實(shí)地監(jiān)測(cè)相似的環(huán)境，才能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和有效性。煤礦井下的環(huán)境一般比較復(fù)雜，而且處于動(dòng)態(tài)的變化過程中，所以在實(shí)驗(yàn)的過程中會(huì)遇到很多的問題，實(shí)驗(yàn)實(shí)施起來不夠便利，在實(shí)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)難度比較大，所以最好先在深部巖土實(shí)驗(yàn)室中利用人為構(gòu)造的實(shí)驗(yàn)室，模擬煤礦井下的真實(shí)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了有效的證實(shí)這一方法的準(zhǔn)確性，需要選擇一個(gè)相似的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況

從表1觀察并分析數(shù)據(jù)，證實(shí)這一方法的有效性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果可以看出，兩種實(shí)驗(yàn)方法存在著明顯的差異，而且多源信息簇融技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式比較，本文使用方法可以有效提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率。在不斷完善實(shí)驗(yàn)結(jié)果的同時(shí)，本文選擇了某礦井下的環(huán)境進(jìn)行了實(shí)際的驗(yàn)證，得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似[9]。

根據(jù)本次研究證明，多傳感器具有明顯的優(yōu)勢(shì)，傳感器的數(shù)量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也產(chǎn)生了重要的影響，多傳感器的使用和單一傳感器有著明顯的區(qū)別。采用多源信息強(qiáng)分類深度融合的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以得到更加接近真實(shí)情況的礦井情況，了解礦井下的真實(shí)環(huán)境。使用這一方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅減少了計(jì)算數(shù)據(jù)的時(shí)間，還可以避免因?yàn)閿?shù)據(jù)量太大而導(dǎo)致的計(jì)算錯(cuò)誤，因此減少了計(jì)算結(jié)果和真實(shí)情況的偏差，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性，保證了監(jiān)測(cè)的科學(xué)性，從而有助于保證檢測(cè)系統(tǒng)的性能，提高工作的效率。

5 總結(jié)

根據(jù)傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析，面對(duì)復(fù)雜的煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境，無法有效的保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式具有數(shù)據(jù)采集單一和誤差較大等缺點(diǎn)。本文使用的多源簇融技術(shù)可以有效的解決這一問題，這種方法首先對(duì)各種氣體進(jìn)行了采樣，然后使用強(qiáng)分類算法進(jìn)行了數(shù)據(jù)的篩選，選擇出最接近真實(shí)情況的信息，可以避免計(jì)算的失誤。此外，使用這一方法還可以提高信息的互補(bǔ)性，可以保證信息收集的效率[10]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，使得監(jiān)測(cè)過程更加科學(xué)，有助于保證礦井下環(huán)境的安全性。