基于INTEMOR的煤矿瓦斯事故智能预警系统.pdf

基于 INTEMOR 的煤矿瓦斯事故智能 预警系统 曾丽君1， 张金锁2， 闫海强3 1. 山东科技大学 经济管理学院， 山东青岛 266510; 2. 西安科技大学， 陕西 西安 710054; 3. 宿迁学院， 江苏 宿迁 223800 摘要 以 INTEMOR 为开发平台， 综合运用人工智能技术、 计算机技术、 煤矿瓦斯方面的专家知 识， 在煤矿现有安全监控系统基础上进行二次开发， 构建了煤矿瓦斯事故智能预警系统。首先对 系统进行了总体设计， 然后对系统 3 个主要模块 数据接口、 专家系统知识库和超媒体显示系统 分别进行了设计和开发。经实际验证可知， 该系统设计合理， 人机界面友善， 具有较好的应用前 景。 关键词 煤矿; 瓦斯事故; 预警系统; INTEMOR; 智能 中图分类号 TD76文献标识码 B 文章编号 1003 －496X 2009 11 －0053 －04 煤炭是国民经济和社会发展的基础，但煤矿安 全生产形势十分严峻。瓦斯灾害始终是煤矿安全生 产的最大威胁， 重、 特大瓦斯事故 瓦斯爆炸、 煤与 瓦斯突出 时有发生， 严重影响煤矿职工的生命安 全和煤炭工业的可持续发展。目前， 科研院所研发 和煤矿使用的安全监测监控系统， 对提高煤矿安全 水平起到了重要作用。但是， 这些系统在事故预警、 事故处理方面显得 “力不从心” 。如 KJ95 系统的超 限报警功能为 当某个实时数据超过了限定值后， 在 警示窗口给出文字提示。至于下一步该如何分析大 量的数据， 数据的变化会引起什么样的后果， 以及如 何采取有效预防和处理措施来防止可能发生的事故 等等， 则需要技术人员根据自己的经验进行分析和 判断。本文所研究的煤矿瓦斯事故智能预警系统是 在煤矿现有安全监控系统基础上进行的二次开发， 以中国加拿大智能控制工程联合研究中心研制开 发的 INTEMOR 为开发平台， 综合运用自动控制理 论、 人工智能技术、 计算机技术、 煤矿瓦斯方面的公 有知识和私有知识， 其目的就是在原来的安全监控 系统上加入“智能” 的功能， 以及时发现事故隐患， 并采取应对措施， 从而消除隐患。 1系统的总体设计 以 INTEMOR 为平台， 构建煤矿瓦斯事故智能 预警系统， 需要实现以下主要功能 超限报警和事故 预警， 报警和预警时给出其发生的原因、 后果以及应 该采取的措施， 智能在线操作手册。 根据 INTEMOR 平台和本系统要解决的问题之 特点， 我们设计了系统的逻辑结构， 如图 1 所示。在 这一结构中， 由服务器将各组成部分连成为一体; 数 据接口模块负责将煤矿现有安全监控系统或其他渠 道获取的数据进行标准化处理并输入到系统; 事故 预警预报专家系统是本系统的核心模块， 通过其知 识库中的知识对数据进行智能分析和判断; 超媒体 显示系统用来展示和解释系统运行处理的结果， 它 将显示实时数据、 超限报警和事故预警、 事故分析报 告、 智能在线操作手册等等。在 INTEMOR 平台上 构建煤矿瓦斯事故智能预警系统主要是对数据接口 模块、 专家系统和超媒体显示系统进行设计与开发， 这也是本文研究的重点。 图 1系统的逻辑结构 35 技术经验煤 矿 安 全 2009 －11 2系统主要模块的设计与开发 2. 1数据接口模块的设计与开发 该模块的主要功能是对实时与非实时数据进行 标准化处理， 并将数据传送到因特摩 DDP 供服务器 和数据库使用。不同类别的数据在用不同的技术进 行鉴别处理之后， 还要进行数据格式的转化和数据 压缩， 然后， 才能送去服务器供数据库和专家系统使 用。 因特摩数据采集和预处理器目前有两种通讯机 制 〔1〕 一是利用因特网 TCP/IP 协议的 API 调用， 把 实时数据发送给因特摩数据服务器。 二是利用微软操作平台的剪切板 Clipboard 技 术和实时数据通讯。 无论使用哪种方法， 其目的都是将从其它通道 获取的实时数据送往因特摩服务器 INTEMOR Server 。在煤矿瓦斯事故智能预警系统中， 采用 TCP/IP 协议的 API 调用方式， 利用因特摩系统提供 的动态链接库文件 SendData. dll 来设计数据接口程 序。 从数据库中读出的实时数据， 在发送之前要进 行标准化处理， 即要将所有的实际值 PV 、 操作值 MV 和设定值 SV 标准化到 0 ～1 的取值范围， 公 式如下 设 vStandard 为标准值， vRealValue 为实际值， nScaleHigh 为上限， nScaleLow 为下限， 则 vStandardvRealValue－nScaleLow / nScaleHign － nScaleLow 实时数据在系统中的处理和传输过程如下 从 数据库中读出每一个实时数据， 按照上述公式进行 转换， 计算出标准值， 然后将转换后的数据送入缓冲 区。当所有的实时数据处理完后， 将缓冲区中的一 批实时数据一次发送给 INTEMOR 的 DDP。INTE- MOR 的 DDP 接收到数据后， 进行分析处理， 然后将 数据传送到因特摩服务器供各个因特摩 View 使用。 2. 2专家系统的设计与开发 知识获取和专家系统的建立是煤矿瓦斯事故智 能预警系统成功开发的关键， 也是本系统的核心任 务。专家系统从本质上讲就是用某种特定的语言环 境所编写的一种特殊的计算机程序， 针对具体的问 题， 该程序能够模拟人类领域专家求解问题时的推 理过程， 以解决实际问题 〔2〕。 2. 2. 1知识的获取与整理 在煤矿瓦斯事故智能预警系统的开发中， 结合 实际情况， 专家知识的获取主要通过以下几个方法 1 会谈式知识获取。①从生产现场获取专家 知识。②通过与技术科的工程师等专家的交流获取 专家知识。③通过与科研院所该领域专家的交流获 取专家知识。 2 案例分析式知识获取。 3 集成已有的专家知识。 4 归纳式知识获取。 按以上几种方法收集到专家知识以后， 需要将 知识进行合理地整理和组织， 才能使专家系统的开 发工作有效地进行。在本系统的开发中， 首先按照 事故的类型将获取的知识分为 3 类， 即瓦斯爆炸类、 瓦斯中毒窒息类、 煤与瓦斯突出类。然后对每类事 故的预警知识用事故树分析方法来进一步整理， 从 而把每类事故的知识按事故树逻辑化、 条理化地组 织起来。 2. 2. 2知识库的结构 本系统的专家系统以 INTEMOR 平台提供的 KB Builder 为工具来进行开发， 主要是对知识库的 设计和开发。为实现系统对煤矿瓦斯事故的智能预 警， 本专家知识库中存放的是对煤矿瓦斯事故智能 预警的知识规则。 首先， 煤矿瓦斯事故主要有 3 种 瓦斯爆炸事 故、 瓦斯中毒窒息事故和煤与瓦斯突出事故。据此， 可以将知识库按事故的类型设计为 3 个大的模块。 其次， 在每个模块内部， 把用事故树分析法组织 起来的知识按事故树的逻辑结构将其转化成知识规 则， 这样既能使知识库程序结构清晰、 可读性强， 又 能避免在知识库开发和以后的维护过程中的规则冲 突和包容。 再者， 对于收集到的专家知识， 包括公有知识和 私有知识， 考虑到私有知识的特性， 总会有一些私有 知识无法与逻辑系统的用事故树表示出来的知识建 立明确的关系， 或者这些知识本身就是对多个因素 的综合， 因此这部分知识需要用 1 个独立的综合模 块来编写。 2. 2. 3规则的编写 本系统的专家系统知识库用 INTEMOR 系统中 的 KBBuilder 工具来开发， KBBuilder 支持知识库开 发语言 KBL。在 KBL 中， 专家知识用产生式规则来 表达。所谓知识库的创建， 就是将专家知识编制成 INTEMOR 系统能识别的一系列规则。INTEMOR 系 统的规则采用 IF － THEN 结构， IF 部分描述事故发 45 煤 矿 安 全 Total 420技术经验 生的判断依据， 它支持一般的函数运算， 还可以对多 个条件进行与、 或、 非和异或逻辑运算; 在 THEN 部 分对事故进行预报， 并发出显示信号。比如 Rule Incident of High CH4at Heading Face {If CH4_jjm 1. 0 Then Send_Message 掘进工作面瓦斯含量超标 } 其中， Rule 是关键字， 表示 1 条规则的定义。 Incident of High CH4at Heading Face 是规则名称， CH4_jjm 1. 0 表示条件， 它可以是简单的关系 表达式， 也可以由若干关系表达式通过逻辑运算符 AND/ OR 联结。Then 后面是结论， 表明条件满足 时发生的事件和相应的动作。Send_Message 是内嵌 变量， 在每条规则中只能出现一次。 2. 3超媒体显示系统的设计与开发 各种数据、 信息和知识通过数据库、 知识库和在 线操作手册集成在一起， 在一个计算机屏幕上用超 媒体方式显示出来， 超媒体显示系统是一个展示和 解释这些数据、 信息和知识的强有力的工具。超媒 体显示系统是煤矿瓦斯事故智能预警系统的核心模 块之一， 通过该模块用户可以利用非线性的查询， 实 现对安全生产的监控; 同时当出现事故预警时， 能够 得到事故分析报告， 分析事故发生的原因、 地点、 后 果以及应该采取的措施， 从而及时进行事故的早期 处理; 它还能将各种操作规程、 管理制度等公有知识 编制成智能在线操作手册。 超媒体显示系统采用超媒体多显示空间的切分 窗口技术， 将全屏显示划分为 4 个空间 左上方为 “过程空间” Process Space ， 主要显示过程的带控 制点的流程图 P＆ID 并以多种方式显示实时数据; 左下方为“实时预警空间” Real － time Alerting Space ， 一旦事故发生， 该空间一方面将显示事故的 名称和发生时间， 另一方面可以声音和电子邮件形 式警告事故发生 〔3〕; 右上方为“超媒体空间” Hy- permedia Space ， 它用来显示事故分析报告、 在线操 作手册、 计算机视觉系统的显示内容等超媒体信息; 右下方是 “管理空间” Organization Space ， 它将展 示公有知识、 私有知识和在线操作手册的文件树状 结构， 并对这些文件进行编辑和管理。超媒体显示 系统的界面如图 2 所示。超媒体显示系统的开发主 要包括 过程空间显示界面的开发、 超媒体显示信息 文件的开发和管理空间的组织。 2. 3. 1过程空间显示界面的开发 在过程空间， 用户可以利用因特摩提供的工具， 图 2超媒体显示系统的界面 自己设计工业现场流程示意图， 针对具体变量， 创建 及编辑各种数据显示方案。 过程空间显示界面的开发包括 2 个主要任务 1 设计主流程显示界面。 2 设计各种实时数据显示界面。针对实时数 据， 因特摩超媒体显示系统提供 3 种实时显示界面 文本显示、 趋势曲线显示和棒状图显示。 主流程图有 2 种设计方法 一是利用因特摩系 统提供的简单绘图工具绘制主流程图， 二是用“In- sert OLE Object” 的方法导入 1 个已经制作好的导入 * . bmp 类型的位图。在本系统的开发过程中， 过程 空间主流程图的设计采用第二种方法。 实时数据显示窗口的界面文档是“IMX” 文件。 通过菜单操作“File”－“New” ， 可以在实时数据显 示窗口中， 新建 1 个空白的显示界面文档， 并在该空 白文档中制作图形; 也可以通过菜单操作“File”－ “Open” ， 打开 1 个已有的实时数据显示窗口界面文 档。 2. 3. 2超媒体显示信息文件的开发 进行超媒体显示信息文件的开发， 就是用微软 的 FrontPage 或 DreamWeaver 等软件来编写 HTML 或 XML 格式的事故分析报告、 公有知识和在线操作 手册 主要包括煤矿安全生产规程、 设备操作规程、 安全生产制度等信息 。在本系统的开发过程中选 用 FrontPage。 2. 3. 3管理空间的组织 用 FrontPage 编制好各种事故分析报告、 公有知 识和操作手册后， 需要将这些 Html 文件 或是 XML 文件 的组织到 INTEMOR 系统中来， 超媒体显示系 统的管理空间用来实现这一功能。启动因特摩 VIEW 之后， 在右下角的管理空间 Organization Space 的 “Manual View” 窗口里， 将分别有“Knowl- edge” 和“On － line Manual” 表示分别用来存放知识 55 技术经验煤 矿 安 全 2009 －11 和在线操作手册。打开 “Knowledge” ， 下面又分别有 “Private” 和 “Common” ， 分别用来存放私有知识 即 事故分析报告 和公有知识。在该空间中， 开发人 员可以修改、 增加或删除操作将以上内容按结构有 机地组织起来。 3系统的开发环境及应用情况 操作系统 因特摩运行在微软公司的 Windows 平台上。它采用客户服务器结构。建议 INTEMOR Server 及 INTEMOR WebView Server 安装在 Windows 的服务器平台上， 其中， INTEMOR WebView Server 需要安装在运行 Microsoft Internet Ination Server IIS的服务器上。其他客户端软件 INTEMOR View，INTEMOR Driver DDP ，INTEMOR WebView 可安装在任何 Windows 平台上。 硬件 CPU 为 Pentium III 800 MHz 或以上; 256 M 以上内存; 20 G 以上硬盘。 本系统主要用于煤矿瓦斯事故的预警防范， 还 可用于培训员工应对和处理各种紧急状态和突发事 件。为了更好地检验系统的功能， 更好地查看系统 功能的实现情况， 我们以仿真数据库代替煤矿安监 系统的实时数据库作为数据源来运行系统， 取得了 较好的效果 能成功实现对异常和事故隐患的预警， 并能给出事故分析报告， 系统的各项功能都已成功 实现。如图 3 所示是出现采煤工作面 CH4含量超 标时的超媒体显示界面 在报警空间出现了报警， 同 时能听到急促的报警声; 过程空间能看到采煤工作 面的瓦斯含量数据; 在超媒体空间显示的则是采煤 工作面 CH4含量超标的分析报告。目前， 我们已将 该系统运用于临沂矿业集团王楼煤矿， 取得了较好 的效果。 图 3报警时的超媒体显示界面 4结束语 本文以 INTEMOR 为开发平台， 在煤矿原有安 全监控系统基础上进行二次开发， 构建了煤矿瓦斯 事故智能预警系统， 主要设计和开发了数据接口、 专 家知识库和超媒体显示系统。经初步的实际应用可 知， 该系统设计合理， 人机界面友善， 只要进一步充 实知识库中的知识并完善某些功能， 就可真正应用 于实际。 参考文献 〔1〕 饶明. 实时在线智能管理和控制系统 〔R〕 . 中国 － 加 拿大智能控制工程联合研究中心， 2003. 〔2〕 王万森. 人工智能原理及其应用 〔M〕 . 北京 电了工业 出版社， 2002. 〔3〕 杨玉丽， 刘振鹏， 杨忠华. 基于实时在线智能管控系统 INTEMOR 的煤矿安全检测系统〔J〕 . 工业控制计算 机， 2005， 18 8 5 －6. 作者简介 曾丽君 1980 － ， 女， 湖南益阳人， 山东科技 大学教师， 山东科技大学资源经济与管理在读博士， 研究方 向 管理决策与智能管理系统， 科技经济与管理、 产业转型与 可持续发展等。 收稿日期; 2009 －03 －12; 责任编辑 金丽华 65 煤 矿 安 全 Total 420技术经验