矿井安全监测可视化信息处理系统的研究.pdf

第 30 卷第 1 期煤 炭 学 报Vol. 30 No. 1 2005 年2 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYFeb. 2005 文章编号 0253 -9993 （2005） 01 -0071 -04 矿井安全监测可视化信息处理系统的研究 邬剑明，吴玉国，王俊峰 （太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024） 摘 要针对目前矿井安全监测系统信息处理手段落后、可靠性低的缺点，建立了动态预测灰色 模型，开发了基于组态软件的灾变预测预报动态化、可视化、决策可靠性高的矿井安全监测可视 化信息处理系统. 实践证明该系统实用性强、易于操作，模型准确可靠，能满足现场的实际需 要. 关键词矿井安全监测；灰色预测；动态预测；组态软件 中图分类号TD76 文献标识码A 收稿日期2004-11-08 基金项目山西省科技攻关资助项目（982092） 作者简介邬剑明（1964 - ） ，男，山西河曲人，博士研究生，副教授. Tel0351 -6187815，E - mailtyutwjm263. net Study on the visualization and ination processing for the coal mine safety monitoring system WU Jian-ming，WU Yu-guo，WANG Jun-feng （School of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China） AbstractAimed at shortcomings of ination processing way falling behind and low reliability at present，the gray model of dynamic prediction was set up，high decision reliability ination processing system for mine safety monitoring based on configuration software was developed. Practices showed that the system is very practical and easy to operate and dynamic prediction model is accurate and reliable，and also the system can give engineer much help and has great practicality. Key wordsmining safety monitoring；gray prediction；dynamic prediction；configuration software 矿井安全监测系统是集世界三大技术于一体的高技术产物，它包括信息采集（电子传感技术） 、信息 传输（数字通讯技术） 、信息处理（微计算机技术） ，是具有现代先进水平的产品 ［1］. 矿井安全监控系统 是增强矿山安全，提高生产率的有效工具. 世界主要产煤国对此都很重视，开发了多个系统，为煤矿井下 安全生产和采、掘、运、通、排等主要生产环节的协调工作创造了条件，为我国的矿井安全生产提供了可 靠的保证. 目前我国大中型矿井均装备了安全监测系统. 但大量的应用实践表明，其信息处理手段落后，对瓦 斯、火灾等灾害监测信息仅作简单的统计报表，预测预报和动态图像显示功能较少，不能有效、及时、准 确地预测预报事故，从而造成决策失误和管理疏忽 ［2］. 随着煤矿生产的信息化、数字化、网络化，研制 具有灾变预测预报动态化、决策可靠性高的矿井安全监测可视化信息处理系统必将提高我国煤矿安全生产 信息化水平，为我国煤矿的安全生产提供可靠的保证 ［3］. 1 系统的组成 组态软件是一种通用的工具性软件，它有别于通常所说的程序设计过程. 程序设计是指用户在一定的 煤 炭 学 报 2005 年第 30 卷 操作平台下，利用基本的计算机语言，根据具体情况编写程序代码. 而组态软件则淡化了计算机程序设计 这一概念，把应用软件的实现过程变为一种形象化、直观的功能模块的组合过程. 用户通过对各功能模块 的定义及组合后而自动生成完整的系统应用软件 ［4， 5］. 本系统正是利用这一思想开发出适用于矿井监测系 统的较为通用性的软件. 它是针对煤炭生产所具有的特殊生产条件和生产环境而开发的，能够满足全矿井 监测系统的要求. 组态软件向用户提供了许多基本的软件模块，它们能分别实现在煤炭生产中所要求的特 定功能. 利用这些基本的模块，用户无须编写任何源代码，只需根据实际的应用对象和控制任务的要求， 通过搭积木的方式对各类功能模块进行灵活地配置和组合，即可生成所需要的矿井监测系统软件 ［6， 7］. 此系统采用模块化设计方法，用面向对象的方法把相近的功能归类，按不同的职能确定模块，将其封 装. 各模块只需限定所完成的任务和功能程序名，无须限定处理软件，让程序设计员有较大的创造自由 度. 各独立模块按可单独运行的方式编程、调试，目标代码尽可能采用动态链接库技术进行连接. 整个软 件由系统配置组态模块、数据库组态模块、通信组态模块、报表生成组态模块、数据处理组态模块、图形 生成组态模块、动态预测预报模块等 7 部分构成. 2 基于组态软件的矿井安全监测可视化信息处理系统 基于组态软件的数据处理系统包括安全监测参数的统计和分析、实时监控，存储和查询、报警、报表 图 1 系统结构及功能 Fig. 1 Structure and function of system 统计和打印输出，监测参数的动态预测预报. 开发 过程中，把每一项功能作为一个单独的子系统，在 不同的界面中完成.本系统结构与功能如图 1 所 示. 2. 1 实时监控和报警 在软件系统设计中，实时监控作为独立的一项 在 1 个界面上实现. 在组态软件开发系统中，提供 了实时趋势曲线，可实时显示采集到的数据. 通过 实时趋势曲线，操作人员可监视矿井井下各作业场 所机器的运行情况及环境参数. 实时趋势曲线在组 态软件运行时由系统自动更新，更新的频率可在画 面设计时设定. 趋势曲线的属性主要有X 轴表示时间，Y 轴表示数值的大小；对时间轴可以设定格式、 时间长度和更新频率等. 2. 2 报表显示、打印 监测室对井下各监测量的统计和分析都是以报表的形式输出，要求简洁、直观，便于监测人员统计和 分析. 输出的报表包括单表所有实时数据报表，各监测参数各小时、班、天、月、年的报表等. 组态软 件提供了数据报告处理功能，包括生成历史数据报告和实时数据报告. 数据报告处理过程创建数据报告 格式文件；运行数据报告处理函数；报告输出文件. 报表是整个处理系统的最终结果. 2. 3 安全监测参数动态预测预报 预测是指对不确定的或不知道的事件作出叙述，在多数情况下，这些事件是未来事件. 进行预测的主 要目的是要弄清楚哪些是对我们决策至关重要的不确定事件的情况（进行预测的前提条件是有可利用的 资料和对有关专家和现场操作管理人员的意见进行合理的分析与研究） . 预测预报系统运用神经网络、灰色系统理论对瓦斯、火灾气体进行动态预测预报，准确率高，改善了 我国目前煤矿监测信息处理系统落后的状况，为我国煤矿的安全生产提供了可靠的保证. 根据灰色预测功能的不同，灰色预测可以分为数列预测、灾变预测、季节灾变预测、拓扑预测和系 统预测等. 本论文主要是利用数列预测、灾变预测对监测的数据进行动态预测 ［8］. （1）灰色数列预测模型的建立 ［9， 10］ 设 x （0）为监测数据时间序列，n 为数据个数，x（1）为 x（0）的 I - 27 第 1 期邬剑明等矿井安全监测可视化信息处理系统的研究 AGO 序列，即 x （0） x （0） （1） ，x （0） （2） ，⋯，x （0） （n） ， x （1） （k） k i 1 x （0） （i） ， x （1） （x （1） （1） ，x （1） （2） ，⋯，x （1） （n） ）（x （1） （1） ，x （0） （1） x （0） （2） ，⋯，x （1） （n - 1） x （0） （n） ） . x （1）可以建立下述白化形式的方程，即 dx （1） dk ax （1） b.（1） 式（1）为一阶单变量灰微分方程模型，记为 GM（1，1） ；a，b 为方程的系数. 记参数列（或参数向量）为 a [ ] a b ， 式中，参数列 a 可用最小二乘法求解，即 a （BTB） -1BTY N， 式中，B 为数据矩阵，B - 1 2 （x （1） 1 （1） x （1） 1 （2） ）1 - 1 2 （x （1） 1 （2） x （1） 1 （3） ）1 - 1 2 （x （1） 1 （n -1） x （1） 1 （n） ）                   1 ；YN为数据列，YN ［ x （0） （2） ， x （0） （3） ，⋯，x （0） （n） ］ T. 式（1）的解为 x ˆ（0） （k 1）（x （0） （1）- b a ） e -ak b a （k 1， 2，⋯，n） .（2） 对式（2）求导，得还原模型为 x ˆ（0） （k 1）（ - a） x （0） （1）- b [] a e -ak， （3） 式（2） ， （3）即为 GM（1，1）模型灰色预测的基本计算公式. （2）灾变预测 灾变预测是对某个时间是否发生“灾变” ，或是某个异常的数据可能出现在什么时间 进行预测. 如对矿井监测系统监测的瓦斯、CO 等监测量出现灾变的时间及灾变值进行预测. 灾变预测实 质上是关于跳变灰过程、跳变点时间分布序列的建模问题. 令 x （0）为监测数据的时间序列，n 为数据个数，则 x （0） （x （0） （1） ，x （0） （2） ，⋯，x （0） （n） ） . 第 k 点（k 时刻）的元素 x （0） （k）对应二维平面的点 ak（k，x （0） （k） ） ， 若记 Pn为二维平面的水平投 影算子，有 Pn（ak） Pn（k，x （0） （k） ） k，则称集｛Pn（1，x （0） （1） ） ，Pn（2，x （0） （2） ） ，⋯，Pn（n， x （0） （n） ） ｝为 x （0）的编序（或序集） ，记为 V 0，这样，可将 ak记为 ak （k，x （0） （k） ） ， k.V0. 给定 ζ 为灾变异常值， 简称阈值， 若 x （0） ζ （x （0） ζ （1） ，x （0） ζ （2） ，⋯，x （0） ζ （n） ） ，① 当 /x （0） ζ（i）“ ζ，i . （1， 2，⋯，n） ，/x （0） ζ（i）. x （0）时，则称 x（0） ζ（i）为 x （0）的上灾变集；② /x（0） ζ（i） ζ，i . （1， 2，⋯，n） ，/x （0） ζ（i） .x （0）时，则称 x（0） ζ（i） 为x （0）的下灾变集. 上下灾变集统称为灾变集. 类似地称集 ｛Pn（1，x （0） （1） ） ，Pn（2，x （0） （2） ） ，⋯，Pn（n，x （0） （n） ） ｝（1， 2，⋯，n）为 x （0） ζ 的编序，记为 Vζ. 显然通过建立了 x （0）到 x（0） ζ 的一种映射，记为 ζ ｛x （0）｝｛x（0） ζ ｝ ， 37 煤 炭 学 报 2005 年第 30 卷 若有 x （0） ζ（i） x （0） ζ（Q） ， 并且记 i到 Q 的映射为 P，则有 P ｛i｝｛Q｝ ， 其中Q.｛ 1， 2， ⋯， n｝ ， Q.Vn， i .｛ 1， 2，⋯，n｝ ，i . Vζ，n n 为灾变预测基本计算式. 3 结 论 基于组态软件的矿井安全监测可视化信息处理系统将会随着组态软件的不断升级，功能越来越强大. 灵活利用组态软件特性和功能，开发更多高效实用的矿井安全监测数据处理系统，更好地使矿井安全监测 从以下几个方面进行了转变 （1）从手工管理向计算机管理转变. 手工管理速度慢、信息传递不及时而且容易出错，而计算机处 理则速度快，信息传递及时，出错可能性非常小. （2）从事后处理向事前预测转变. 以前是事故发生后，针对事故资料进行分析，引入计算机软件分 析系统后便可根据以往的数据资料预测出将来的发展趋势，以便于安全管理工作者采取相应的措施防止事 故的发生. （3）从静态处理向动态处理转变. 静态处理只能对现有的数据进行分析，而动态处理可以对近期内 数据的发展、变化用曲线或图表直观地反映出来. （4）从滞后信息到实时信息. 过去由于信息处理手段的落后，所得到的信息往往是过去一段时间的 信息，随着计算机在矿山安全监测中的应用，管理者可以在计算机上看到每隔一定周期，不断变化的实时 数据. 参考文献 ［1］ 闫广祥，郭圣义. 数字化煤矿安全监测监控系统的应用与实践［J］ . 中国煤炭，2004（2） 74 ～79. ［2］ 李建文. 可视化矿井安全监测系统的开发与应用［D］ . 北京北京科技大学，2001. ［3］ 梁伟文. 基于组态软件的能源计量点数据采集与处理系统研究［J］ . 中国电力，2001（3） 14 ～16. ［4］ 王 晖. 精通 Visual C 6. 0［M］ . 北京电子工业出版社，1999. ［5］ 陈增荣. 软件开发方法［M］ . 上海复旦大学出版社，1997. ［6］ 赵忠玲，蒋国安，石永奎. 矿井井巷工程可视化数据管理系统研究［J］ . 西安科技学院学报，2004，24（2） 76 ～ 81. ［7］ 高红波，王跃明，刘玉彬. 矿井可视化通风系统的研究［J］ . 太原理工大学学报，2004，35（3） 336 ～338. ［8］ 邓聚龙. 五种灰色预测［J］ . 模糊数学，1985（2） 24 ～26. ［9］ 吕光华. 矿业灰色系统［M］ . 北京煤炭工业出版社，1993. ［10］ 黄培之. 时间序列空间数据可视化中有关问题的研究［J］ . 武汉大学学报，2004，29（7） 584 ～587. 47