采煤工作面CH4大樣本數(shù)據(jù)感知關(guān)鍵技術(shù)及監(jiān)測模式研究

關(guān)鍵詞：智能礦山；采煤工作面；安全監(jiān)控；CH4 監(jiān)測；大樣本數(shù)據(jù)感知；全面感知；實(shí)時(shí)互聯(lián)；空間數(shù)字云圖

中圖分類號：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

2020年，國家發(fā)改委、國家能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出智能化煤礦需要具有全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的能力。在這些能力要素中，最基本的要素莫過于全面感知和實(shí)時(shí)互聯(lián)。其一方面為智能礦山提供分析決策、自主學(xué)習(xí)、動態(tài)預(yù)測所需的大樣本數(shù)據(jù)，另一方面為數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、協(xié)同控制提供必要的技術(shù)手段[1]。近年來，我國煤礦智能化建設(shè)雖取得了顯著成果，但仍處于初級階段，存在很多不足，如礦井尤其是采煤工作面整體感知能力不足，末端無線網(wǎng)絡(luò)不夠健全，缺乏高精度的位置服務(wù)，間接導(dǎo)致礦井與采煤工作面全面感知所需的數(shù)據(jù)樣本偏少，信息透明度不夠，隱患識別和安全預(yù)警準(zhǔn)確性低，影響采煤工作面安全、生產(chǎn)系統(tǒng)間的協(xié)同作業(yè)能力。針對這些不足，眾多學(xué)者在大樣本數(shù)據(jù)感知技術(shù)方面做了大量研究工作，主要集中在透明地質(zhì)[2-5]、AI 視頻[6-8]、環(huán)境泛在感知[9-10]等方面。其中透明地質(zhì)和AI視頻方面的大樣本數(shù)據(jù)感知技術(shù)已有一定的場景應(yīng)用，煤礦作業(yè)環(huán)境泛在感知方面還需研究技術(shù)適應(yīng)性難題，解決大量使用帶來的成本高和維護(hù)難等問題。

采煤工作面是全礦井生產(chǎn)的源頭，其安全性尤為重要。而CH₄是采煤工作面環(huán)境參數(shù)感知最主要的監(jiān)測對象。因此，本文以采煤工作面作為應(yīng)用場景，研究探討CH₄大樣本數(shù)據(jù)感知關(guān)鍵技術(shù)與監(jiān)測模式，為其他礦井作業(yè)環(huán)境參數(shù)的深度感知研究提供基礎(chǔ)技術(shù)積累。

1采煤工作面CH₄大樣本數(shù)據(jù)分級處理模式

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定采煤工作面、回風(fēng)巷與上隅角需設(shè)置CH₄ 傳感器，瓦斯突出礦井還需要在進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置CH4 傳感器，采煤機(jī)必須設(shè)置CH₄斷電儀，并能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域斷電控制。現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)基本按照上述要求在固定地點(diǎn)安裝CH₄傳感器并提供有限地點(diǎn)的CH₄時(shí)間序列數(shù)據(jù)，再以該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映相關(guān)作業(yè)區(qū)域的CH₄濃度分布與變化情況。很顯然，用3～4個(gè)有限傳感測點(diǎn)的監(jiān)測值來替代整個(gè)采煤工作面區(qū)域CH₄含量雖符合《煤礦安全規(guī)程》要求，但很多現(xiàn)代化采煤工作面長度超過200m，有的甚至達(dá)到300m，以上做法監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本量偏少，難以真正體現(xiàn)整個(gè)采煤工作面的CH₄濃度分布與變化，無法實(shí)現(xiàn)對采煤工作面CH₄全面感知的技術(shù)要求。對此，需研究探索一種可滿足整個(gè)采煤工作面CH₄全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)的監(jiān)測模式，作為傳統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)中CH₄監(jiān)測的補(bǔ)充。該模式下需在采煤工作面部署大量CH₄傳感設(shè)備，通過無線方式傳輸交互數(shù)據(jù)，這對感知設(shè)備的數(shù)量和功耗、智能化程度，以及無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延、數(shù)據(jù)分級處理方式提出較高要求。由于全面感知產(chǎn)生的CH₄監(jiān)測數(shù)據(jù)量比較龐大，為了保證感知信息高效處理與實(shí)時(shí)互聯(lián)，參考工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“云、邊、端”體系架構(gòu)，對采煤工作面CH4 感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分級處理，并對處理流程進(jìn)行規(guī)范，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源與負(fù)載在“云、邊、端”之間的動態(tài)優(yōu)化均衡[11-12]。工作面CH4 大樣本數(shù)據(jù)分級處理模式如圖1 所示。

該模式最底層為“ 端” 。為實(shí)現(xiàn)采煤工作面CH₄濃度全面感知， 需安裝布設(shè)大量的CH₄ 傳感器。按照采煤工作面每臺液壓支架布置3個(gè)CH₄傳感器的方式，在液壓支架底座后方、行人區(qū)域和液壓支架前方各布置１個(gè)CH₄傳感器，分別監(jiān)測采空區(qū)CH₄涌出量、工作面CH₄濃度和工作面落煤處CH₄含量。按照120臺液壓支架和2臺端頭支架計(jì)算，共需布置366臺CH₄傳感器。為確保現(xiàn)場感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，每臺終端傳感設(shè)備需具備自主感知和自診斷能力，且每臺傳感器需實(shí)現(xiàn)相互之間的無線數(shù)據(jù)傳輸與交互，為作業(yè)現(xiàn)場及時(shí)提供環(huán)境安全信息。

現(xiàn)階段安全監(jiān)控系統(tǒng)主要通過采集分站采集并向地面主機(jī)傳輸環(huán)境工況數(shù)據(jù)，同時(shí)對區(qū)域超限情況進(jìn)行斷電控制。無論采集分站采用哪種技術(shù)，受限于煤安認(rèn)證要求，能夠接入的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常有限，一般包含各類負(fù)載不超過64個(gè)，顯然無法滿足采煤工作面CH₄全面感知要求。此外，井下運(yùn)輸巷等重要監(jiān)測區(qū)域也需要布置大量CH₄傳感器。這就需要采用計(jì)算能力更強(qiáng)的裝置來實(shí)現(xiàn)工作面和其他重要監(jiān)測區(qū)域CH₄濃度的采集、分析與計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)區(qū)域連續(xù)監(jiān)測。因此，考慮采用邊緣計(jì)算技術(shù)。該技術(shù)最初由美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室提出，后來美國韋恩州立大學(xué)施巍松教授團(tuán)隊(duì)重新定義，認(rèn)為邊緣計(jì)算是在網(wǎng)絡(luò)邊緣端執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模式，用于計(jì)算來自于云端的下行數(shù)據(jù)和來自于現(xiàn)場物聯(lián)的上行數(shù)據(jù)。邊緣計(jì)算具有2 個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)：①在數(shù)據(jù)源端直接處理現(xiàn)場海量數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需要將處理結(jié)果上傳到云端，進(jìn)而減輕網(wǎng)絡(luò)帶寬占用和數(shù)據(jù)中心計(jì)算壓力。②在作業(yè)現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)，大大減少了處理延遲，增強(qiáng)了服務(wù)響應(yīng)能力。因此，邊緣計(jì)算裝置在處理作業(yè)現(xiàn)場海量數(shù)據(jù)方面具有很大的技術(shù)優(yōu)勢，可滿足采煤工作面CH₄ 全面感知要求。采用邊緣計(jì)算技術(shù)，可以通過邊緣計(jì)算裝置實(shí)現(xiàn)更多區(qū)域CH₄ 信息的連續(xù)采集、處理和計(jì)算分析，還可以作為現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)的補(bǔ)充而輸出監(jiān)測數(shù)據(jù)給采集分站，實(shí)現(xiàn)斷電控制功能。

由于涉及全礦井包括CH₄ 在內(nèi)的各類有害氣體集中監(jiān)測與斷電控制，需在地面設(shè)置計(jì)算能力更強(qiáng)的監(jiān)控中心，即私有云端，負(fù)責(zé)全礦井各作業(yè)區(qū)域CH₄的全面感知、大數(shù)據(jù)分析和一些算法模型的訓(xùn)練、應(yīng)用，并統(tǒng)一協(xié)調(diào)井下作業(yè)現(xiàn)場各執(zhí)行控制裝置的控制執(zhí)行，確保礦井生產(chǎn)本質(zhì)安全。

如果采煤工作面和井下其他重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域的CH₄ 感知信息全部傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心處理，則會進(jìn)一步加大整個(gè)礦井傳輸網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，降低數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控中心控制指令的執(zhí)行效率。因此，由采煤工作面的邊緣計(jì)算裝置對區(qū)域內(nèi)的CH₄大樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并將處理結(jié)果分級上傳給地面私有云端的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可根據(jù)實(shí)際需求通過計(jì)劃調(diào)度方式分時(shí)索要井下邊緣計(jì)算裝置的數(shù)據(jù)，從而形成數(shù)據(jù)分級采集處理模式，提高全礦井?dāng)?shù)據(jù)處理效率。

2無線低功耗CH₄傳感與自標(biāo)校技術(shù)

2.1低功耗傳感技術(shù)

根據(jù)前文可知， 采煤工作面受限空間區(qū)域CH₄全面感知與監(jiān)測需要部署大量感知設(shè)備，而傳統(tǒng)的感知技術(shù)功耗大，需要供電和有線傳輸，且需要間隔較短的時(shí)間進(jìn)行標(biāo)校，維護(hù)工作量大。對此，需從降低感知設(shè)備功耗入手，研究低功耗CH₄傳感技術(shù)。基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)）工藝的傳感技術(shù)具備低功耗、小體積、低成本特征，目前國外已進(jìn)行大量技術(shù)研究，并推出系列成果應(yīng)用，如英國GSS公司推出的超低功耗MEMS CO₂傳感器CozIR?LP3，其基于非分光紅外原理，在不斷電的情況下將電流消耗降低至小于1 μA，平均功耗僅為3.5mW。國內(nèi)在MEMS氣體傳感技術(shù)領(lǐng)域也已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，以中國科學(xué)院微電子研究所、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、微納感知（合肥）技術(shù)有限公司、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、中北大學(xué)等為代表的高校和科研機(jī)構(gòu)在MEMS 氣體傳感基礎(chǔ)技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化探索方面均取得了較好的成果，已經(jīng)在地面工業(yè)氣體檢測領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，涉及煤礦的場景應(yīng)用也在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證[13]。筆者在總結(jié)分析已有技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，針對煤礦井下應(yīng)用場景和需求，分別進(jìn)行了基于金屬氧化物和催化燃燒2 種原理的技術(shù)研究探索，并從3個(gè)方面進(jìn)一步研究如何降低傳感器功耗。

1） MEMS元件結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇。研究2種MEMS工藝傳感元件的共性技術(shù)——MEMS微加熱板。MEMS微型加熱板為制備基于催化燃燒、金屬氧化物原理氣體傳感器的核心功能器件，其主要功能是為催化材料、金屬氧化物等氣敏材料提供加熱區(qū)間，與傳統(tǒng)繞絲加熱器相比具有低功耗、低成本、性能穩(wěn)定、響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)。作為典型的加熱裝置，MEMS微型加熱板主要由懸臂梁層、微加熱層、絕緣層及叉指電極層組成。加熱板工作時(shí)，分別向微加熱層、叉指電極層電路施加額定電壓，基于焦耳效應(yīng)，叉指電極層上的敏感材料將被持續(xù)加熱，當(dāng)被測CH₄ 擴(kuò)散至敏感材料層時(shí)會發(fā)生電阻變化，從而實(shí)現(xiàn)氣體濃度感知。

微型加熱板芯片結(jié)構(gòu)主要有封閉隔膜型、懸空隔膜型、橋型3 種，如圖2所示。在相同條件下，封閉隔膜型微型加熱板功耗最大，懸空隔膜型功耗較低，橋型功耗最低。從力學(xué)角度來看，支撐物的減少會導(dǎo)致微型加熱板的力學(xué)結(jié)構(gòu)脆弱。考慮懸空隔膜型微型加熱板功耗相對較低，且具有力學(xué)性能優(yōu)異和耐震動的優(yōu)點(diǎn)，選擇懸空隔膜型微型加熱板作為低功耗設(shè)計(jì)依據(jù)。

2）傳感模組硬件及軟件低功耗設(shè)計(jì)。在低功耗MEMS 傳感模組設(shè)計(jì)中，作為傳感節(jié)點(diǎn)核心的微控制電路是功耗較大的部分。選擇一款合適的單片機(jī)微控制器，并對內(nèi)部寄存器及其功能進(jìn)行合理選擇使用，對于降低模組功耗非常重要。在低功耗設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，選用具有超低功耗的高性能微控制器STM32L431。該控制器基于最高頻率達(dá)80MHz 并帶有DSP 和FPU（Floating Point Unit，浮點(diǎn)處理單元）的ARM? Cortex??M4 內(nèi)核，采用新型結(jié)構(gòu)制造，具有7 種低功耗模式。另外，可通過編程對微控制器中的特殊功能寄存器和相關(guān)功能模塊進(jìn)行選擇使用，對于無需使用的功能模塊，使其停止工作，進(jìn)一步降低傳感模組的額外能耗。

3）傳感元件的能耗特性和間歇工作特性研究，通過優(yōu)化間歇周期降低功耗。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用及傳感元件的工作特性，通過微處理器控制傳感元件供電方式，使傳感元件周期性工作，在不需要采集數(shù)據(jù)時(shí)斷電以降低功耗，優(yōu)化間歇周期，實(shí)現(xiàn)低功耗，如圖3所示。進(jìn)一步地，采用合理的休眠策略（圖4），使CH₄傳感器模組在不需要收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)休眠，在需要工作時(shí)通過定時(shí)器喚醒傳感器，并通過優(yōu)化協(xié)議來避免不必要的數(shù)據(jù)發(fā)送行為，降低重傳數(shù)據(jù)引起的能耗。

通過相關(guān)技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)，研制出具備良好性能指標(biāo)的MEMS CH₄ 元件和模組。經(jīng)測試，模組平均功耗不超過2mW，基于金屬氧化物原理的MEMSCH₄ 元件量程達(dá)0～2%CH₄，基于催化燃燒的MEMSCH₄ 元件量程達(dá)0～ 4%CH₄， 實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定性超過30 d。

2.2自標(biāo)校與免維護(hù)技術(shù)

《煤礦安全規(guī)程》要求對傳感設(shè)備進(jìn)行定期標(biāo)校。當(dāng)采煤工作面部署大量低功耗CH₄傳感設(shè)備時(shí)，對設(shè)備維護(hù)提出較高要求。為了提升設(shè)備的易維護(hù)性，需從延長標(biāo)校時(shí)間入手。資料顯示，美國Gas Clip Tec.公司推出的基于MEMS 技術(shù)的4 參數(shù)（CH₄，O₂，CO，H₂S）便攜式氣體檢測儀在不標(biāo)校的情況下可連續(xù)使用2a。結(jié)合煤礦井下實(shí)際情況，筆者認(rèn)為可從環(huán)境參數(shù)與老化補(bǔ)償、靈敏度漂移自補(bǔ)償、參考點(diǎn)佐證、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)反哺等方面研究感知設(shè)備的自標(biāo)校與免維護(hù)技術(shù)，以延長傳感器標(biāo)校時(shí)間，從設(shè)置故障探針、增加輔助檢測技術(shù)等方面提高傳感器的智能化水平。

CH₄傳感元件受環(huán)境溫度、濕度及壓力影響，需進(jìn)行環(huán)境溫濕度和壓力自補(bǔ)償，以提高傳感設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性[14]。一方面，利用高低溫箱設(shè)置不同的溫度和濕度，對傳感模組的輸出信號進(jìn)行對比分析；另一方面，將傳感模組置于混合氣體測試設(shè)備中，通過改變一定范圍內(nèi)的壓力參數(shù)，對比分析傳感模組在相同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體下輸出數(shù)據(jù)的變化情況，針對環(huán)境溫度、濕度或壓力參數(shù)變化，通過數(shù)據(jù)分析處理，對傳感元件進(jìn)行自補(bǔ)償設(shè)計(jì)，以提高其在各種環(huán)境下的適應(yīng)性。

CH₄傳感器長時(shí)間運(yùn)行會發(fā)生老化，環(huán)境中的其他氣體也可能對探測器產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致探測器輸出信號發(fā)生漂移，影響傳感器的穩(wěn)定性。通過構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并根據(jù)歷史樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)CH₄ 傳感元件的靈敏度漂移自補(bǔ)償。經(jīng)過43d的測試，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對未補(bǔ)償傳感模組的實(shí)測值進(jìn)行曲線擬合， 然后進(jìn)行預(yù)測， 結(jié)果如圖5所示。可看出該模型預(yù)測值與傳感模組產(chǎn)生靈敏度漂移后的實(shí)測值基本一致，表明該模型可實(shí)現(xiàn)靈敏度漂移自補(bǔ)償。

由于無線傳感設(shè)備數(shù)量多，采用傳統(tǒng)標(biāo)校方式不可行，需要在區(qū)域內(nèi)設(shè)置固定的經(jīng)過標(biāo)校的精準(zhǔn)傳感設(shè)備，并建立算法模型，由區(qū)域內(nèi)無線傳感設(shè)備定期通過算法與精準(zhǔn)傳感設(shè)備進(jìn)行對比并自動標(biāo)校（圖6）。也可由地面監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)通過算法模型進(jìn)行分析，利用分析結(jié)果對作業(yè)現(xiàn)場傳感設(shè)備進(jìn)行反哺、標(biāo)校。

3設(shè)備對象編碼與定位技術(shù)

采煤工作面部署的CH₄感知單元數(shù)量大，當(dāng)數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)竭吘売?jì)算裝置時(shí)，測點(diǎn)的身份、狀態(tài)、監(jiān)測值、順序和位置需實(shí)時(shí)同步傳輸，這對于工作面CH₄全面、連續(xù)監(jiān)測及故障位置診斷、遠(yuǎn)程運(yùn)維具有重要作用。這就需要為每個(gè)智能CH₄傳感單元賦予唯一的編碼[15]，并在每個(gè)傳感設(shè)備上配置定位精度較高的位置服務(wù)模組。

當(dāng)傳感器數(shù)量較大時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間、先后順序均隨機(jī)。因此，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要有唯一的身份標(biāo)志，以便精準(zhǔn)識別。為了解決唯一性身份識別問題，需對每個(gè)智能CH₄傳感單元進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)編碼。采煤工作面涉及的傳感種類較多，CH₄傳感器只是其中一種，考慮對各類傳感器均能統(tǒng)一識別，且后期還涉及傳感器的自診斷、聯(lián)網(wǎng)傳輸和廠家維修/維護(hù)，需進(jìn)行可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)。目前國際上廣泛采用的物聯(lián)網(wǎng)編碼體系有Ecode、GS1、EPC（Electronic ProductCode，產(chǎn)品電子代碼）、OID（Object identifier，對象標(biāo)志符）等。經(jīng)研究對比， OID編碼技術(shù)采用樹狀結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際情況利用“.”分隔符分成多個(gè)層級，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，非常適合作為煤礦物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對象標(biāo)志方法。因此， 采用OID標(biāo)志體系對CH₄傳感器進(jìn)行標(biāo)志，也可以擴(kuò)展標(biāo)志其他類型的傳感設(shè)備。

煤礦傳感設(shè)備（智能設(shè)備）對象編碼分層結(jié)構(gòu)如圖7 所示。標(biāo)志碼由7個(gè)層級組成，層級之間用符號“.”分隔。標(biāo)志碼的前3 層級標(biāo)志代表國家節(jié)點(diǎn)，用1.2.156固定表示物聯(lián)網(wǎng)中國節(jié)點(diǎn)代碼；第4 層級標(biāo)志傳感設(shè)備（智能設(shè)備）所在行業(yè)節(jié)點(diǎn)代碼，可由礦山行業(yè)機(jī)構(gòu)向國家OID 注冊中心申請注冊；第5層級標(biāo)志煤礦監(jiān)測對象的類別代碼，如人、各類智能或感知設(shè)備等；第6層級標(biāo)志監(jiān)測對象生產(chǎn)單位的組織機(jī)構(gòu)代碼，用企業(yè)的統(tǒng)一社會信用代碼表示；第7層級標(biāo)志監(jiān)測對象的具體代碼，如果是人則采用煤礦企業(yè)的員工工號，如果是傳感或智能設(shè)備則由設(shè)備分類代碼、設(shè)備（傳感）型號代碼、設(shè)備序列號組成，還可根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展。

另外，只有具有時(shí)間和位置標(biāo)簽的感知數(shù)據(jù)才能真正實(shí)現(xiàn)采煤工作面的時(shí)空全域感知，因此需在每個(gè)傳感設(shè)備上配置定位精度較高的位置服務(wù)模組。近年來，在煤礦井下移動目標(biāo)精確定位中應(yīng)用較多的定位技術(shù)為UWB（Ultra Wide Band， 超寬帶）。該技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高（達(dá)1 Gbit/s）、功耗低、抗多徑干擾能力強(qiáng)、成本低、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為煤礦井下移動目標(biāo)精確定位的首選。目前，基于UWB 的靜態(tài)定位技術(shù)用于煤礦井下人員定位中精度已達(dá)30 cm 以內(nèi)，如果用于固定設(shè)備定位，精度將達(dá)到10 cm 以內(nèi)。傳感模組集成定位功能后，會導(dǎo)致功耗增加。對此，可為帶定位功能的CH4 傳感器設(shè)計(jì)合理的休眠策略，如圖4 所示。

4工作面無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

由于采煤工作面設(shè)備經(jīng)常移動，CH₄全面感知與監(jiān)測需部署大量感知設(shè)備，有線傳輸會給日常維護(hù)帶來極大不便，所以采用無線傳輸技術(shù)比較合理。針對煤礦井下的無線傳感數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用較廣泛的有ZigBee，WaveMesh，LoRa，4G/5G 等[16-17]。這些無線通信技術(shù)應(yīng)用于不同廠家的安全監(jiān)控系統(tǒng)末端傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充，可接入少量傳感器。ZigBee，WaveMesh，LoRa 等屬于低速傳輸技術(shù)，傳輸帶寬和速率難以滿足采煤工作面CH4 大樣本數(shù)據(jù)傳輸要求，而4G/5G等由于功耗相對大、成本高，主要用于語音、視頻通信，難以在短期內(nèi)批量用于煤礦井下傳感設(shè)備。因此，需研究新的低功耗、高帶寬、低成本的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與裝備，以滿足井下巷道和采煤工作面等鏈狀線性空間大量傳感模組的多跳接數(shù)據(jù)傳輸與自組網(wǎng)絡(luò)通信需求。

目前，在地面物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中較成熟的無線傳輸技術(shù)為BLE（Bluetooth Low Energy，藍(lán)牙低能耗），廣泛用于智能家居、健康監(jiān)測等場景。目前BLE5.0功耗很低，通過運(yùn)行策略可使平均功耗降至2mW，傳輸帶寬達(dá)2 Mbit/s，傳輸距離達(dá)300m，有效載荷達(dá)255B，抗干擾能力和傳輸穩(wěn)定性強(qiáng)。文獻(xiàn)[18]通過實(shí)驗(yàn)分析了BLE 模塊的能耗特征，驗(yàn)證了其可應(yīng)用于類似采煤工作面的線性空間。當(dāng)采煤工作面無線CH₄ 傳感設(shè)備數(shù)量較多時(shí)，采用單路鏈接網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟桩a(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，根據(jù)井下采煤工作面等鏈狀線性空間的多跳接數(shù)據(jù)傳輸與自組網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)要求，筆者采用BLE5.0 技術(shù)設(shè)計(jì)了無線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8 所示。基于冗余思想來設(shè)計(jì)混合鏈接組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌杀苊庥捎谝馔庹趽趸蚺鲎矊?dǎo)致單個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)故障影響網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)作，提升網(wǎng)絡(luò)健壯性[19-21]。圖8 中，1—4號無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為主要骨干節(jié)點(diǎn)，組成無線傳輸主鏈路，用于傳輸正常數(shù)據(jù)；2.1號、3.1號節(jié)點(diǎn)分別為2號、3號節(jié)點(diǎn)的備用節(jié)點(diǎn)，在無線自組網(wǎng)絡(luò)中作為輔助鏈路節(jié)點(diǎn)，當(dāng)骨干網(wǎng)主鏈路意外斷開或骨干網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)量較大并達(dá)到擁塞臨界值時(shí)，可快速啟用骨干網(wǎng)輔助鏈路傳輸數(shù)據(jù)，使主干通道的傳輸速率和可靠性有效提高約25%。

骨干節(jié)點(diǎn)組成與通信方式如圖9所示。每個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)包含2 個(gè)BLE模塊，分別作為組網(wǎng)模塊和接入模塊。骨干節(jié)點(diǎn)間的鏈接和數(shù)據(jù)傳輸由組網(wǎng)模塊完成，相鄰節(jié)點(diǎn)依次以主從結(jié)構(gòu)相鏈接，終端節(jié)點(diǎn)（無線CH₄傳感節(jié)點(diǎn)）通過接入模塊與骨干節(jié)點(diǎn)完成鏈接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，終端節(jié)點(diǎn)同樣包含1個(gè)BLE模塊。

采煤工作面工況復(fù)雜，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可能隨時(shí)出現(xiàn)故障，因此，在設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，要充分考慮骨干節(jié)點(diǎn)的路由自發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)故障自主發(fā)現(xiàn)、故障節(jié)點(diǎn)及時(shí)隔離和自恢復(fù)能力，并根據(jù)礦井環(huán)境下無線傳感節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)的特殊網(wǎng)絡(luò)特征改進(jìn)AODV（Ad hoc on-Demand" Distance Vector Routing，平面距離向量路由）協(xié)議。

5基于邊緣計(jì)算的CH4 大樣本數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測模式

5.1 CH₄大樣本數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測技術(shù)路線

井下采煤工作面的安全與生產(chǎn)智能均離不開人、機(jī)、環(huán)等多元信息的支撐。作為作業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算中心，需研發(fā)部署一定數(shù)量的邊緣計(jì)算裝置，用來采集、處理、存儲大量的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，承載各種算法模型。考慮采煤工作面大量CH₄ 數(shù)據(jù)采集與計(jì)算需求，以及后期其他有害氣體、人員、設(shè)備、粉塵等環(huán)境工況的數(shù)據(jù)采集與融合分析需求，研發(fā)至少具有RS485、CAN、以太網(wǎng)等有線接口和Mini PCIe 無線接口（BLE），具有數(shù)據(jù)協(xié)同交互能力的智能邊緣計(jì)算裝置。該裝置需具備一定的內(nèi)存、存儲、計(jì)算資源，保障各類算法運(yùn)行。

與傳統(tǒng)的以少量離散位置點(diǎn)監(jiān)測為主的礦井環(huán)境安全監(jiān)測模式不同，因?qū)崿F(xiàn)采煤工作面CH₄ 全面感知需布設(shè)數(shù)量龐大的無線傳感設(shè)備，且設(shè)備帶有位置信息，這為區(qū)域環(huán)境參數(shù)連續(xù)監(jiān)測提供了條件。在氣象監(jiān)測中，往往利用數(shù)字云圖把衛(wèi)星探測器感應(yīng)到的每個(gè)像素或每幾個(gè)像素的平均溫度通過數(shù)字或經(jīng)過客觀分析的數(shù)字等值線方式直觀顯示。

在此，筆者提出利用數(shù)字云圖動態(tài)構(gòu)建技術(shù)，融合感知采煤工作面各類人、機(jī)、環(huán)因素（本文主要考慮CH₄），構(gòu)建空間數(shù)字場數(shù)學(xué)分析模型，將大量的離散點(diǎn)信息就地形成具有面域監(jiān)測信息能力的空間數(shù)字云圖，再利用邊緣計(jì)算裝置強(qiáng)大的通信、存儲、計(jì)算能力，對采煤工作面CH₄ 進(jìn)行空間動態(tài)連續(xù)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對采煤工作面局部作業(yè)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)全面感知和透明化處理。由地面監(jiān)控中心融合井下各邊緣計(jì)算裝置的空間數(shù)字云圖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全礦井CH₄ 全面感知。技術(shù)路線如圖10所示。

傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)主要通過現(xiàn)場采集分站獲取系統(tǒng)內(nèi)有限的對應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)，由監(jiān)控中心按照約定規(guī)則判斷處理并根據(jù)需要下發(fā)控制指令，而基于邊緣計(jì)算的空間數(shù)字云圖動態(tài)構(gòu)建技術(shù)則是融合帶有位置信息的人、機(jī)、環(huán)多元數(shù)據(jù)信息，將作業(yè)區(qū)域的大量離散環(huán)境信息形成連續(xù)的面域監(jiān)測信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)區(qū)域的全面感知和透明化連續(xù)監(jiān)測，大大提高了區(qū)域范圍數(shù)據(jù)分析和處理能力。

5.2 CH4大樣本數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測模式設(shè)計(jì)方案

構(gòu)建數(shù)字云圖所需的支撐數(shù)據(jù)是一組連續(xù)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，需要構(gòu)建面域動態(tài)連續(xù)監(jiān)測數(shù)學(xué)模型，將離散的CH₄大樣本數(shù)據(jù)補(bǔ)充完整，形成連續(xù)像素的數(shù)據(jù)。由于無線低功耗CH₄ 傳感器數(shù)量較大，相互之間的距離間隔較小，外部干擾因素對于數(shù)學(xué)模型的影響較小，所以筆者設(shè)計(jì)CH₄ 面域動態(tài)連續(xù)監(jiān)測數(shù)學(xué)模型時(shí)，暫不考慮空間風(fēng)流、生產(chǎn)工藝，以及由于重力作用引起的CH₄ 三維分布狀態(tài)變化和工作面其他干擾因素，直接在二維坐標(biāo)系下基于已采集的大樣本數(shù)據(jù)，通過三次樣條插值法生成數(shù)字云圖所需的支撐數(shù)據(jù)組，進(jìn)而生成CH₄面域連續(xù)監(jiān)測動態(tài)數(shù)字云圖，實(shí)現(xiàn)模擬環(huán)境下CH₄ 大樣本數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測。

筆者以某煤礦井下模擬巷道為試驗(yàn)場所，設(shè)計(jì)采煤工作面CH₄大樣本數(shù)據(jù)感知與連續(xù)監(jiān)測應(yīng)用場景。由于模擬巷道中工作面長度較短，將CH₄傳感器均勻間隔布置即可通過數(shù)據(jù)插值模型形成面域動態(tài)連續(xù)監(jiān)測數(shù)學(xué)模型。具體布置方案如圖11所示。進(jìn)風(fēng)巷有9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；回風(fēng)巷有16個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；采煤工作面共7 個(gè)監(jiān)測站，每個(gè)監(jiān)測站有A，B，C3個(gè)測點(diǎn)， 共計(jì)21個(gè)測點(diǎn)。整個(gè)受限空間共布設(shè)46 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)自帶無線自組網(wǎng)與通信模組。

設(shè)計(jì)邊緣計(jì)算采煤工作面CH₄面域動態(tài)連續(xù)監(jiān)測軟件時(shí)，先設(shè)計(jì)已布置的MEMS CH₄傳感器和《煤礦安全規(guī)程》要求的安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器，然后在工作面采用二維三次樣條插值法、在巷道采用一維三次樣條插值法，根據(jù)每個(gè)MEMS CH₄ 傳感器的監(jiān)測值，通過數(shù)學(xué)模型在任意2 個(gè)MEMS CH₄ 傳感器之間補(bǔ)充連續(xù)的插值，形成數(shù)字云圖所需的連續(xù)像素支撐數(shù)據(jù)組，利用該數(shù)據(jù)組構(gòu)建工作面CH₄ 空間數(shù)字云圖（圖12） ， 模擬連續(xù)空間分布， 實(shí)現(xiàn)工作面CH₄ 全面感知與面域動態(tài)連續(xù)監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，后期可將人員位置信息和設(shè)備工況信息映射到已生成的空間數(shù)字云圖上，形成區(qū)域范圍內(nèi)完整的安全信息空間數(shù)字云圖。

通過工作面CH₄ 空間數(shù)字云圖，可動態(tài)連續(xù)、全面監(jiān)測進(jìn)風(fēng)巷、工作面及回風(fēng)巷區(qū)域內(nèi)的CH₄ 分布情況。任選區(qū)域內(nèi)一傳感器編號，可顯示該傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測值及其預(yù)警狀態(tài)（預(yù)警區(qū)域根據(jù)監(jiān)測值劃分，以綠色、黃色、橙色、紅色顯示），并在云圖中以閃爍圖標(biāo)顯示該傳感器位置。此外，可點(diǎn)擊查看該傳感器歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況。監(jiān)測界面如圖13所示。點(diǎn)擊插值區(qū)域時(shí)，會顯示當(dāng)前插值點(diǎn)的實(shí)時(shí)變化曲線，并在云圖中顯示標(biāo)記位置。

6結(jié)論

1）分析了現(xiàn)階段煤礦智能化建設(shè)存在的感知能力不足、工作面全面感知所需數(shù)據(jù)樣本數(shù)量偏少、信息透明度不夠的現(xiàn)狀，以采煤工作面作為應(yīng)用場景研究CH₄ 大樣本數(shù)據(jù)感知關(guān)鍵技術(shù)與監(jiān)測模式，為其他礦井環(huán)境參數(shù)的全面感知提供基礎(chǔ)技術(shù)積累。

2）提出了基于“云、邊、端”體系架構(gòu)的大樣本數(shù)據(jù)采集處理模式。當(dāng)采煤工作面和井下其他重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域部署大量低功耗MEMS CH₄ 傳感器后，可由采煤工作面的邊緣計(jì)算裝置對區(qū)域內(nèi)的CH₄大樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并將處理結(jié)果分級上傳給地面私有云端的監(jiān)控中心，形成數(shù)據(jù)分級采集處理模式。地面監(jiān)控中心可根據(jù)實(shí)際需求分時(shí)索要井下邊緣計(jì)算裝置的數(shù)據(jù)，從而提高全礦井的數(shù)據(jù)處理效率。

3） 提出了基于邊緣計(jì)算的CH₄ 大樣本數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測模式，分析研究了該模式的技術(shù)路線，對采集的CH₄ 大樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值，形成空間數(shù)字云圖所需的連續(xù)支撐數(shù)據(jù)組，利用數(shù)據(jù)組構(gòu)建工作面CH₄ 空間數(shù)字云圖，實(shí)現(xiàn)工作面CH₄ 的全面感知與面域動態(tài)連續(xù)監(jiān)測。

4） 在模擬巷道布置一定數(shù)量的低功耗無線MEMS CH₄ 傳感器，對提出的CH₄大樣本數(shù)據(jù)感知關(guān)鍵技術(shù)與監(jiān)測模式進(jìn)行驗(yàn)證，應(yīng)用效果符合預(yù)期。后期將持續(xù)改進(jìn)MEMS CH₄傳感器的穩(wěn)定性，并進(jìn)行礦用化驗(yàn)證，為智能礦山環(huán)境參數(shù)全面感知提供技術(shù)支撐。