瓦斯智能预警系统的构建研究.pdf

科技导报2 0 0 7年第2 5卷第2 2期 总第2 4 4期 0引言 瓦斯灾害是煤矿最严重的灾害之一。 从2 0 0 4年1 0 月2 0日河南省大平煤矿瓦斯爆炸死亡1 4 8人算起, 到 2 0 0 5年1 2月7日河北省唐山刘官屯煤矿瓦斯爆炸死 亡1 0 8人为止, 一年多的时间内, 我国发生了5次死亡 人数在1 0 0以上的煤矿特大瓦斯事故,这在中国乃至 世界采煤史上都是惊人的。瓦斯事故主要是煤与瓦斯 突出、 瓦斯爆炸、 瓦斯窒息伤人等, 此类事故一旦发生 常常影响巨大, 不但给矿井局部带来毁灭性损失, 影响 煤炭生产的正常进行, 更给企业员工、 矿工及其家属带 来难以估量的经济损失和心理伤害。而且瓦斯事故诱 因复杂, 长期以来一直是以瓦斯检测为主, 对瓦斯的治 理和防范仍然是当前煤矿安全的重中之重。 在当前国民经济以信息化带动工业化的大形势 下,信息技术在煤矿安全生产中的推广应用是必然选 择。而推广煤矿瓦斯数字化远程监控系统, 是国务院第 8 1次常务会议确定的“ 七项措施” 之一, 是贯彻实施“ 科 技兴安” 战略、 依靠科技进步治理煤矿瓦斯灾害的有效 途径。而现行的信息化管理手段如监测监控系统等都 存在一定的缺陷和不足[ 1 ]。2 0世纪7 0年代后期以来, 人 瓦斯智能预警系统的构建研究 王 莉, 田水承 西安科技大学能源学院, 西安7 1 0 0 5 4 [摘要]煤矿瓦斯的治理和防范是煤矿安全的重要内容。现行的信息化安全管理手段如监测监控系统等都存在一定的缺陷和不足, 例 如通信协议不规范、 监测信息可靠性不高、 智能化较低等。本文综述了监测监控系统的现状和不足, 对煤矿安全预警系统的框架进行了 构建, 提出了构建瓦斯智能预警平台的系统思想; 从三类危险源角度列出煤矿事故致因模型; 提出了煤矿瓦斯预警系统结构和主要模 块, 并介绍了系统的主要功能; 最后提出系统设计方法及其中的主要关键技术。 [关键词]瓦斯事故; 智能预警; 信息融合 [中图分类号] T D 7 1 2[文献标识码] A[文章编号] 1 0 0 0 - 7 8 5 7 2 0 0 7 2 2 - 0 0 4 3 - 0 5 O nt h e C o n s t r u c t i o no f I n t e l l i g e n t G a s E a r l y - w a r n i n gS y s t e m WA N GL i , T I A NS h u i c h e n g S c h o o l o f E n e r g y E n g i n e e r i n g , X i a nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y , X i a n7 1 0 0 5 4 A b s t r a c t T h ec o n t r o l a n dp r e v e n t i o no f g a s h a z a r di s a ni m p o r t a n t i s s u eo f s a f e t yi nc o a l m i n e s . T h e r ea r ec e r t a i nl i m i t a t i o n s i n i n f o r m a t i o n - b a s e ds a f e t ym a n a g e m e n t s u c ha sg a sm o n i t o r i n gs y s t e m sa t p r e s e n t , f o re x a m p l e , n o t s t a n d a r d i z e dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l , p o o r r e l i a b i l i t yo f m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n , n o t f u l l yi n t e l l i g e n t s y s t e m s , e t c . T h ep r e s e n t s i t u a t i o na n dl i m i t a t i o n so f g a s m o n i t o r i n gs y s t e m s i nc o a l m i n e s a s w e l l a s t h ec o n c e p t s o f g a s e a r l y - w a r n i n gs y s t e ma r er e v i e w e da n dd i s c u s s e di nt h i s p a p e r . T h em o d e l o f a c c i d e n t - c a u s et h e o r yb a s e do nt h r e et y p e s o f h a z a r d s i s p r e s e n t e d , a n dt h es t r u c t u r eo f g a s e a r l y - w a r n i n gs y s t e m a n dm a j o r m o d u l e s w i t ht h e i r b a s i c f u n c t i o n s a r e d e s c r i b e d . F i n a l l y , t h e m e t h o d s a n dk e yp o i n t s i ns y s t e md e s i g na r ep r e s e n t e di n o r d e r t o p r o v i d e s o m e n e wa p p r o a c h e s i nc o n t r o l l i n g g a s h a z a r da n di m p r o v i n g t h e s a f e t y i nc o a l m i n e s . K e yWo r d s g a s a c c i d e n t s ; i n t e l l i g e n t e a r l y - w a r n i n g ; i n f o r m a t i o nf u s i o n C L CN u mb e r T D 7 1 2D o c u me n t C o d e AA r t i c l eI D 1 0 0 0 - 7 8 5 7 2 0 0 7 2 2 - 0 0 4 3 - 0 5 收稿日期2 0 0 7 - 0 9 - 0 6 资助项目国家自然科学基金项目7 0 6 7 3 0 7 9 , 中国博士后科学基金项目2 0 0 3 0 3 4 4 6 2 , 陕西省自然科学基金项目2 0 0 1 C 3 8 , 陕西省 教育厅基金项目0 0 J K 2 1 4 作者简介王 莉, 西安市雁塔中路5 8号西安科技大学能源学院, 博士研究生, 研究方向为安全管理与安全系统工程、 危险源辨识与安 全评价;E - m a i l w a n g l i c a n d y y a h o o . c o m . c n 田水承 通讯作者 , 西安市雁塔中路5 8号西安科技大学能源学院, 教授, 研究方向为安全管理与安全经济、 危险源辨识与安 全评价;E - m a i l t i a n _ s c y a h o o . c o m . c n 研究论文A r t i c l e s 4 3 S c i e n c e 第二类危险源为物的故障、 物理性环境因素, 个体人失误; 第三类危险源为组织因素, 包括不符合安 全的组织因素组 织 程 序 、 组 织 文 化 规 则 、 制 度 等[ 2 ]。必须从广义安全管理的视角出发, 考虑人及其所 处群体或组织因素对安全系统事故所产生的作用。而 事故的重复性发生为开展向事故学习、根据事故案例 推理以做出智能决策支持提供了契机[ 3 ]。因此, 从信息 技术、 安全科学技术与管理集成的综合科学角度, 结合 案例推理开展煤矿瓦斯预警系统基础理论和关键技术 研究就成为我国煤矿安全生产工作中迫切需要解决的 重大课题。 1我国目前瓦斯管理现状及存在的问题 1 . 1煤矿监测监控系统现状 国内外瓦斯治理的主要手段是对瓦斯进行监测监 控。 我国煤矿安全监控技术应用较晚。1 9 8 3 - 1 9 8 5年, 从 欧美国家先后引进了数十套矿井监控系统,装备了部 分煤矿。1 9 8 3年以后, 通过消化吸收国外产品的精髓, 先 后 研 制 出K J 2,K J 4,K J 1 0,K J 1 3,K J 1 9,K J 6 6,K J 7 5, K J 8 0,K J 9 2等 煤 矿 安 全 监 控 系 统 , 后 来 又 出 现 了 M S N M,WE B G I S等煤矿安全综合化和数字化网络监测 管理系统[ 4 ], 对保障煤矿安全生产、 提高生产效率都具 有非常重要的作用。主要功能如下。 1环境监测。监测煤矿井下各种有毒有害气体及 工作面的作业条件, 如甲烷、 一氧化碳、 氧气的浓度, 风 速, 温度, 顶板压力, 粉尘浓度等。 2生产监控。 主要监控井上、 下主要生产环节的各 种生产参数和重要设备的运行状态参数, 如水泵、 提升 机、 局扇、 主扇、 胶带输送机、 采煤机、 开关、 磁力起动器 运行状态和参数, 以及煤仓煤位、 水仓水位、 供电电压、 电流、 功率等。 3显示测量参数、 数据报表、 图形生成、 曲线显示、 数据存储、 故障统计和报表、 打印功能; 部分系统可实 现局域网络连接功能。 煤炭科学研究总院抚顺分院利用We b G I S技术达 到图形和数据的无缝集成和浏览,实现了安全信息的 共享和设备隐患排查等。还有部分监控监测系统升级 版本具备矿井采空区火灾早期预测预报和专家决策分 析功能、皮带运输机全线火灾监测功能和井下瓦斯抽 放监控功能。 1 . 2存在的问题和不足 在实际使用过程中, 由于技术原因、 管理原因、 操 作原因等多种主客观因素,使得煤矿监测监控系统存 在一些问题。 1 . 2 . 1通信协议不规范 在国家尚没有统一技术标准的情况下,厂家各自 制定自己的通信传输协议和接口、 子系统标准, 致使各 生产厂家间的设备不能互联互通, 信息不能共享[ 5 ]。通 信协议不规范的后果是造成设备购置重复,不能随意 进行软硬件升级的改造,严重影响了煤炭生产企业的 技术进步和新技术的推广,并且妨碍了监控信息网络 化的实现。 1 . 2 . 2系统误报 由于系统原因、 电磁场干扰、 线路、 传感器故障或 可靠性差、 电源故障等, 都会造成系统在实时监测中不 定时地出现“ 误报” 问题。 1 . 2 . 3智能化水平不高 这些矿用监测监控系统均是综合型监测系统, 但 侧重于安全参数的监测和控制, 大多仅限于故障、 警情 提示, 对监测信息做简单处理, 不能详细地判断警情的 性质, 因此无法由监测系统进行危险性评价, 也无法进 行事故预警, 并借助公有知识和专家知识, 通过智能分 析得出解决方案或瓦斯事故应急方案,更无法根据实 时监控信息给出智能决策支持。 1 . 2 . 4传感器的稳定性和可靠性需提高 瓦斯传感器是煤矿监测监控系统能否正确反映被 测环境和设备参数的关键。据统计, 虽然已出现了多种 新型瓦斯传感器, 例如光纤瓦斯传感器、 红外瓦斯传感 器等,但催化燃烧型瓦斯传感器仍在当前煤矿中使用 得最普遍。我国的载体催化元件存在使用寿命短、 工作 稳定性差和调校期频繁等缺点, 加上智能化、 功能化缺 乏, 设置地点不尽合理, 以致监测信息不够全面、 可 靠[ 6 ]。煤矿井下的工作环境较恶劣, 由于监测系统长期 处于不间断的工作状态,各种干扰都会对监测系统的 测量产生严重的影响。如何提高测量准确度是整个监 测系统的关键。 1 . 2 . 5现场管理和维护水平有待加强 有些煤矿尤其是乡镇小煤矿,由于缺乏专业技术 人员而不能正常使用、 调校和维护已装备的系统, 有些 由于管理、 操作原因会降低监控监测系统的实用性。 2瓦斯智能预警系统构建 2 . 1系统思想 预警一词源于军事, 后来多应用于经济领域。我国 研究论文A r t i c l e s 4 4 科技导报2 0 0 7年第2 5卷第2 2期 总第2 4 4期 图1煤矿事故致因模型 F i g . 1 C a u s emo d e l o f c o a l mi n ea c c i d e n t 图2煤矿瓦斯预警系统结构 F i g . 2 S t r u c t u r eo f g a se a r l y - w a r n i n gs y s t e mi nc o a l mi n e 的预警管理研究从2 0世纪8 0年代开始,经历了从宏 观经济预警到企业预警、从定性为主到定性与定量相 结合、 从点预警到状态预警转变的过程。国内一些学者 从不同的角度探讨了煤矿安全预警的内容[ 7 - 8 ]。安全科 学承认事故的发生虽具有随机性和不确定性,但也遵 循一定的规律性, 大多是可以预防的。因此通过预警研 究, 可以有效地预防和控制灾害及事故的发生。 煤矿瓦斯预警管理从瓦斯监测出发,重视警源分 析及预警评价,结合计算机技术变事故处理为事故预 防。以往的煤矿瓦斯预警常以监控监测为手段, 主要集 中在对灾变点的监测、预报,以及对监测数据进行采 集、 曲线分析, 并且主要针对设备故障和环境指标等硬 件参数, 很少有对人失误管理、 评价的集成, 缺乏根据 以往案例对监测信息的智能化处理和决策支持。而根 据三类危险源观点[ 2 ], 在紧急状况出现时, 决策人员有 可能由多种外界因素导致决策失误或非最佳决策而贻 误最佳控制及应急时机, 因此集成人、 机、 环、 管理因 素, 研究采用向事故学习的机制, 参考案例并根据监测 的各种信息能够综合得出瓦斯隐患警报,给出相应的 对策措施,必要时给出应急预案的煤矿瓦斯智能预警 系统是今后控制煤矿瓦斯事故乃至整体煤矿安全预警 的重要发展方向。 针对煤矿监控监测中准确度不高、稳定性差等问 题, 可采用信息融合理论, 对煤矿瓦斯涌出监测数据的 处理过程看作是一个多源信息融合处理过程, 对瓦斯、 温度、 风速等信号数据采样, 提取其特征量, 对数据进 行数据融合,实现对矿井瓦斯进行实时监测、预测控 制, 可有效地解决信息处理过程中的融合问题[ 9 ], 为矿 井安全生产提供了有力的保障。煤矿事故致因模型见 图1。 2 . 2系统介绍 煤矿瓦斯预警系统结构如图2所示。 煤矿瓦斯预警系统的主要功能如下。 1监测煤矿井下瓦斯、 一氧化碳浓度, 风速, 温度, 烟雾, 风门开关等环境参数; 机电设备的运行状态; 变 电所电网电压、 负荷电流、 功率、 电度等电量参数。 2实时数据报警, 如瓦斯、 温度、 一氧化碳超限、 电 流超限报警等, 并有报警值、 地点、 报警时间、 声音等显 示和提示。 3识别和分析其他相关的监测数据。对采集的二 次数据, 与专家信息库结合, 应用数据融合、 人工智能等 相关理论和算法对事件进行预测预报, 给出预警级别。 4根据专家知识库内对知识化、规则化的事故和 案例, 进行案例推理和智能匹配, 列出当前警情所对应 的可能原因及措施、 应急预案, 提供智能决策支持。 5利用网络化工具传递警情信息, 上报有关部门。 监测信息的数据融合可采用多传感器系统对井下 的状态参量进行测定,得出经分批估计的数据融合对 数据进行处理,得出初步融合结果,然后送入预测融 合, 采用基于专家知识的数据融合方法, 实现对矿井瓦 斯的实时监测和预测控制。图3给出了基于信息融合 的智能瓦斯预警结构。 预测部分融合的输入包括多传感器检测系统的融 合结果和井下参数及人工检测信息的转换结果。专家 知识库中收集的是井下专业人员的专业知识,由计算 机代替、 模仿人类专家做出系统决策。瓦斯智能预警系 统包括4个主要模块 安全监测、 预警分析、 事故学习 和决策模块, 如图4所示。 研究论文A r t i c l e s 4 5 S c i e n c e 可采用V C,V B等 建立实时监测安全信息数据平台;各种数据库可采用 O r a c l e或M SS Q LS e r v e r; 系统运行于Wi n d o w s环境, 采 用客户/服务器C l i e n t / S e r v e r 方式,I E6 . 0以上浏览器。 安全预警还需要辅助监测、 监控设备、 工业电视监视系 统、 实时数据远程通信系统等配合系统的应用。 瓦斯智能预警系统建立的关键技术如下。 1瓦斯事故综合数据信息指标选择与评判准则研 究。须建立一套完善、 合理、 科学的评价指标体系, 并遵 循系统性、 科学性、 综合性和可行性原则。在设立煤矿 安全评价指标时, 还需考虑预防性、 指标化、 动态化、 敏 感度高、 实效性与预见性、 规范性、 相对独立、 可操作性 等原则。 2采用无盲区、采集信息全面的低成本、高灵敏 度、 高可靠性的瓦斯传感器, 并与监控监测网络对接, 解决数据转换、 记录、 网络通信等问题, 充分利用和整 合现有信息资源。 3智能预警知识凝练、 提取推理规则。 将以往的案 例, 瓦斯事故的特点、 警兆、 原因、 对策等规则化、 知识 化, 存入案例库, 结合专家知识、 案例推理和智能决策 方法实现瓦斯事故的推理、 预测预报及智能决策支持。 4安全生产管控一体化理论与方法研究。由于煤 矿事故多为人因事故, 因此对人的操作、 管理的考核、 评判也需要作为指标纳入瓦斯智能预警体系的研究范 围, 努力推进煤矿安全生产的管控一体化的实现。 5多传感器信息融合技术研究。信息融合采用的 主要技术有概率论方法、 证据理论、 模糊集理论、 神经 网络、 贝叶斯方法、 估值理论、 熵法、 品质因数F O M 技 术、 专家系统或人工智能系统、 人工神经元网络技术、 分布式和并行处理技术等[ 1 0 ]。 不同的方法可能导致不同 的预报预测结果,因此需研究多传感器信息融合方法 研究论文A r t i c l e s 4 6 科技导报2 0 0 7年第2 5卷第2 2期 总第2 4 4期 的选择。 4结论 煤矿瓦斯智能预警的研究影响到煤矿重大瓦斯事 故的控制, 对我国煤矿安全生产工作意义重大。开展向 事故学习、 基于案例推理能够丰富人们的安全知识; 结 合监控监测信息和人工智能技术促进煤矿信息智能 化, 为事故控制和决策提供参考, 是个体、 企业通向安 全、 健康及和谐之门的金钥匙。从信息技术、 安全科学 技术与管理集成的综合科学角度,开展煤矿瓦斯智能 预警研究是煤矿瓦斯灾害控制的必然研究方向。 本文简述了我国目前的瓦斯管理煤矿监测监 控系统的现状和存在的问题,提出了构建瓦斯智能预 警平台的系统思想; 从三类危险源角度, 列出了煤矿事 故的致因模型; 提出了煤矿瓦斯预警系统结构, 由4个 主要模块组成, 并介绍了系统的主要功能; 最后提出了 系统设计及其中的主要关键技术。本文对煤矿安全预 警系统的框架进行了分析和构建,以期结合一些先进 的技术使系统更加完善,为煤矿安全信息设备研发单 位提供思路, 有助于整合信息资源、 促进我国煤矿安全 的智能化、 信息化和现代化的早日实现。 参考文献R e f e r e n c e s [ 1 ]潘伟尔.我国煤矿安全生产问题研究[ J ] .中国能源, 2 0 0 5 , 2 7 7 8 - 1 5 . 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F U H u ,Y I N L i n a ,WA N G Q i .E n v i r o n me n t a ls a f e t y mo n i t o r i n gb a s e do ni n f o r ma t i o no p t i mi z a t i o nf u s i o ni n c o a lmi n e s [ J ] . J o u r n a lo f H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c eT e c h n o l o g y , 2 0 0 7 , 1 7 2 1 1 2 - 1 1 5 . 责任编辑朱 宇 由中国生物化学与分子生物学会和中国科学院生物物理 研究所共同主办的第九届全国酶学学术讨论会暨邹承鲁先生 诞辰8 5周年纪念会定于2 0 0 8年5月1 5 - 1 7日在北京举行。 欢迎酶学领域的专家、 学者、 研究生参加, 共同交流最新研 究成果、 研究方法与技术, 探讨新世纪我国酶学研究的发展方 向与应用前景。届时将邀请两位著名专家做精彩的大会报告。 为缅怀和纪念邹承鲁先生,将于5月1 7日上午举行邹承 鲁先生诞辰8 5周年纪念活动, 包括“ 邹承鲁科学杂文” 、 “ 邹承 鲁先生画册” 的赠送发行仪式等。 欢迎邹承鲁先生的家人, 生前 友好、 同学、 同事、 学生踊跃参加。 联 系 人田玉兰, 电话0 1 0 - 6 4 8 8 8 4 8 5 电子信箱t y l s u n 5 . i b p . a c . c n 刘江红, 电话0 1 0 - 6 4 8 8 8 4 8 9 电子信箱l i u j h s u n 5 . i b p . a c . c n 诚邀参加第九届全国酶学学术讨论会 暨邹承鲁先生诞辰8 5周年纪念会 学术动态 研究论文A r t i c l e s “ “ “ “ 4 7