井下自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

于 杰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037001）

引言

隨著煤炭開采技術(shù)的不斷革新，礦井深度不斷加深，井下環(huán)境也逐漸惡劣。復(fù)雜的井下環(huán)境一旦發(fā)生瓦斯突出、爆炸或者火災(zāi)等事故，巨大的沖擊波以及大量的有害氣體會迅速蔓延，嚴(yán)重威脅井下人員財(cái)產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)大多是對礦井環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，無法做到熱動力災(zāi)變監(jiān)控以及相關(guān)決策等，搶險(xiǎn)救災(zāi)較為乏力[1-4]。針對這一現(xiàn)象，本文提出了基于信息融合技術(shù)的井下自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，利用信息融合技術(shù)對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級，提高井下抗災(zāi)能力，保障井下人身財(cái)產(chǎn)安全。

1 信息融合技術(shù)簡介

信息融合技術(shù)其實(shí)就是利用多種傳感器對對象信息進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，并利用相關(guān)算法將所有相關(guān)信息進(jìn)行匯總計(jì)算，得出更加全面、科學(xué)的對象信息的方法。在信息處理方面，信息融合技術(shù)與傳統(tǒng)的信號處理有本質(zhì)上的差別。信息融合技術(shù)是在信息層、決策層以及特點(diǎn)層三層進(jìn)行融合處理[5-6]。火災(zāi)的發(fā)生常伴隨著光現(xiàn)象、熱現(xiàn)象、煙霧以及一氧化碳等因素的發(fā)生，信息融合技術(shù)將上述因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算處理，使井下火災(zāi)預(yù)警更加高效準(zhǔn)確，具體的數(shù)據(jù)融合框架如圖1 所示。數(shù)據(jù)層主要進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)預(yù)處理，特征層運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性處理，決策層主要對各類信號運(yùn)用模糊推理方法進(jìn)行態(tài)勢決斷。

圖1 數(shù)據(jù)融合框架示意圖

2 自動防火風(fēng)門監(jiān)控硬件系統(tǒng)

2.1 整體設(shè)計(jì)

自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)主要由控制室、以太環(huán)網(wǎng)、基站、控制箱、視頻服務(wù)器、水箱、環(huán)境傳感器以及風(fēng)門組成。其中，控制室是自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，可接收整個(gè)監(jiān)控的信息并依據(jù)信息進(jìn)行決策處理；以太環(huán)網(wǎng)是信息傳輸、接收的主要通信載體；基站是信息傳輸?shù)臉屑~；控制箱是自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，可控制視頻服務(wù)器、風(fēng)門、傳感器以及水箱執(zhí)行動作，本系統(tǒng)采用Winbond 華邦的W77E58 控制器作為核心控制元件；視頻服務(wù)器是井下環(huán)境視頻音頻監(jiān)控的主要元件，本系統(tǒng)選用超清公司的GL-6001F 型視頻服務(wù)器，采用的攝像頭為超小型防爆高清攝像頭，安裝位置在風(fēng)門4 m 處，并配備照明燈，保證視頻音頻質(zhì)量，在每套風(fēng)門處有2 個(gè)攝像頭安裝；環(huán)境傳感器是火災(zāi)溫度、風(fēng)速、一氧化碳、煙霧以及粉塵濃度的主要監(jiān)測元件，需用的傳感器包括溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、粉塵傳感器、煙霧傳感器以及一氧化碳傳感器[7-8]。其中，溫度傳感器量程應(yīng)為-5～85 ℃，風(fēng)速傳感器量程應(yīng)為0.4～15 m/s，粉塵傳感器量程為0～1 000 mg/m3，煙霧傳感器靈敏度應(yīng)為Ⅰ級，一氧化碳傳感器量程為0～1 000 mg/m3。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。

圖2 自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 風(fēng)門設(shè)計(jì)

為配合防火風(fēng)門自動控制系統(tǒng)，防火風(fēng)門也許進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，自動風(fēng)門結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。自動防火風(fēng)門主要由風(fēng)門、聯(lián)鎖控制部件、推桿、攝像頭、球閥、噴頭、傳感器以及電源組成。其中，每扇風(fēng)門由1 組控制氣閥組成，具體包括總氣閥、開門氣閥以及關(guān)門氣閥，氣閥是防火風(fēng)門開關(guān)的主要控制元件。依據(jù)不同的實(shí)際使用要求，防火風(fēng)門共可分為單道風(fēng)門、鍵盤控制雙道風(fēng)門以及全自動控制常閉雙道風(fēng)門三種。單道風(fēng)門又可分為只供人通過與可供人、車通過的兩種，單道風(fēng)門只有在無法安裝雙道風(fēng)門時(shí)才可使用；鍵盤控制雙道風(fēng)門包括普通雙道門、災(zāi)時(shí)隔離通風(fēng)雙道門以及日常隔離通風(fēng)雙道門。普通雙道門只可供行人與車輛通過，日常隔離通風(fēng)雙道門與災(zāi)時(shí)隔離通風(fēng)雙道門都可進(jìn)行隔離通風(fēng)，但日常隔離通風(fēng)雙道門在發(fā)生災(zāi)害后還可短路風(fēng)流；全自動控制常閉雙道風(fēng)門主要用于人流以及車輛通行較為頻繁的場所，并且可保證前后通風(fēng)門一個(gè)處于開啟狀態(tài)另一個(gè)處于關(guān)閉狀態(tài)，保證通道的安全[9]。

圖3 自動防火風(fēng)門結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)門的控制采用無線遙控設(shè)計(jì)，每套風(fēng)門都設(shè)有無線采集控制箱，通信模塊采用433 MHz 無線模塊，接口為RS485 接口，使用無線遙控器可對風(fēng)門進(jìn)行開門和關(guān)門控制，同時(shí)控制箱還可將當(dāng)下控制風(fēng)門信息傳輸至遙控器，方便操作人員對所控制風(fēng)門進(jìn)行全面了解。當(dāng)遙控器接收到多臺風(fēng)門的控制信息后，控制器還可手動選擇所需控制風(fēng)門，然后再進(jìn)行控制操作，取消鍵還可清楚控制風(fēng)門信息，方便下一次操作。

3 自動防火風(fēng)門監(jiān)控軟件系統(tǒng)

自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能包括控制室遠(yuǎn)程控制、各場景參數(shù)以及聲圖監(jiān)控、救災(zāi)決策依據(jù)分析、信息傳輸?shù)取Ｗ詣臃阑痫L(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)會將井下相關(guān)的火災(zāi)信息參數(shù)以及相關(guān)影像傳輸?shù)娇刂剖也鬏數(shù)男畔⑦M(jìn)行決策分析，得出結(jié)論后，操作人員可在控制室直接對井下執(zhí)行部分進(jìn)行手動控制。自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)也可設(shè)置自動控制，依據(jù)程序設(shè)置直接控制執(zhí)行部分，防止火災(zāi)蔓延。

自動防火風(fēng)門監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是C/S式INTOUCH 組態(tài)軟件，還可實(shí)現(xiàn)歷史記錄查詢以及緊急控制風(fēng)門功能。自動防火風(fēng)門監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用層次具體化概念設(shè)計(jì)，可分成數(shù)據(jù)層、表現(xiàn)層以及業(yè)務(wù)層三層，保證系統(tǒng)靈活性、兼容性、高效性以及擴(kuò)展性要求，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)示意圖

4 火災(zāi)仿真實(shí)驗(yàn)

為更好確定自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用效果，選取包含明火與陰燃火的20 組火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理并輸入至特征層后，驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控準(zhǔn)確性。在特征層方面，系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)應(yīng)包括火焰種類以及干擾因素概率。在決策層方面，系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)應(yīng)包括火焰概率、報(bào)警等級以及是否決策指令顯示。其中，報(bào)警等級分為報(bào)警、嚴(yán)重報(bào)警以及警戒三種[10]。報(bào)警為明火發(fā)生在較為安全區(qū)域的報(bào)警，嚴(yán)重報(bào)警為明火或陰燃火發(fā)生在十分危險(xiǎn)的區(qū)域的報(bào)警，警戒為陰燃火發(fā)生在較為安全區(qū)域的報(bào)警。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)輸出結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，符合監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求。火災(zāi)仿真實(shí)驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1、下頁表2 所示。

表1 特征層實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 決策層實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

隨著井下煤炭開采環(huán)境的不斷惡劣，防火抗災(zāi)的要求也不斷提升。傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)僅對礦井環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，已無法滿足礦井防火抗災(zāi)的實(shí)際要求。針對這一現(xiàn)象，本文提出了井下自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，通過分析本文得出了以下結(jié)論：

1）信息融合技術(shù)可利用相關(guān)算法將井下環(huán)境信息進(jìn)行匯總計(jì)算，可使得到的信息更加科學(xué)、準(zhǔn)確，適用于自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

2）對自動防火風(fēng)門監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)相一致，符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之中。