合肥明信公司《煤礦瓦斯?jié)舛犬惓Ｔ诰€預(yù)警系統(tǒng)》技術(shù)方

1、煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控與在線異常預(yù)警系統(tǒng)解決方案合肥明信軟件技術(shù)有限公司 目 錄 背景條件 研發(fā)思路 威脅評估指標(biāo)體系庫 系統(tǒng)架構(gòu) 系統(tǒng)功能 系統(tǒng)特點(diǎn) 應(yīng)用案例一、 背景條件礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)最基本最重要的功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測礦井各采掘頭面瓦斯、CO、風(fēng)速、溫度等參數(shù)動(dòng)態(tài)變化情況，并在達(dá)到預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值進(jìn)行報(bào)警，在達(dá)到或超過預(yù)先設(shè)定的斷電值實(shí)施監(jiān)控?cái)嚯娍刂乒δ?。然而由于目前礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)只有只有在瓦斯?jié)舛戎颠_(dá)到設(shè)定的某個(gè)相對固定報(bào)警值才能報(bào)警，報(bào)警方式較為死板、單一，不能及時(shí)對瓦斯異常變化情況進(jìn)行分析和預(yù)警。如：設(shè)定的瓦斯?jié)舛葓?bào)警值為0.8%，目前礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)只有在瓦斯?jié)舛戎颠_(dá)到或超過0.8%才能報(bào)

2、警，而瓦斯?jié)舛戎祻?.10%增長至0.79%，安全監(jiān)控系統(tǒng)并不能及時(shí)捕捉期間瓦斯?jié)舛犬惓Ｗ兓男畔⒑屯咚乖鲩L幅度。經(jīng)過大量觀測研究發(fā)現(xiàn)，煤礦瓦斯的涌出、突出往往發(fā)生一些規(guī)律的變化。通過對這些變化規(guī)律的考察，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，是能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯?jié)舛犬惓ｎA(yù)警的。因此我們結(jié)合煤礦現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對井下瓦斯采集數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的挖掘和利用，提出了建立瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控與在線異常預(yù)警系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對瓦斯?jié)舛仍龇^程實(shí)時(shí)監(jiān)控和達(dá)到異常預(yù)警的目的。該系統(tǒng)對于預(yù)防瓦斯超限，尤其對于防止煤與瓦斯突出工作具有重要的意義和較高的應(yīng)用價(jià)值。瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控與在線異常預(yù)警系統(tǒng)是基于煤礦安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)平臺(tái)研發(fā)的，裝備安全監(jiān)控系統(tǒng)

3、的礦井都可以使用該預(yù)警系統(tǒng)，并且與安全監(jiān)控系統(tǒng)相互獨(dú)立，互不影響。系統(tǒng)支持外網(wǎng)預(yù)警方式，登錄互聯(lián)網(wǎng)即可實(shí)時(shí)監(jiān)測礦井瓦斯?jié)舛犬惓ｎA(yù)警預(yù)報(bào)。礦井瓦斯?jié)舛犬惓ｎA(yù)警系統(tǒng)還可以接入安全監(jiān)控系統(tǒng)中的風(fēng)速、CO、溫度等各類模擬量進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。目標(biāo)方向 為確保井下瓦斯在發(fā)生異常涌出時(shí)能及時(shí)報(bào)警，及早推測瓦斯變化趨勢，根據(jù)瓦斯增幅判斷瓦斯突出事故前兆，為提前采取措施控制異常、及時(shí)撤出人員提供寶貴時(shí)間，減少或避免事故發(fā)生。我們結(jié)合礦井監(jiān)控的實(shí)際特點(diǎn)和當(dāng)前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對井下瓦斯采集數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次挖掘，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理提出了輕量級的短期內(nèi)瓦斯?jié)舛葎?dòng)態(tài)的綜合分析異常預(yù)警理念，結(jié)合微軟.NET Framew

4、ork技術(shù)平臺(tái)，研發(fā)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控與在線異常預(yù)警系統(tǒng)。通過對瓦斯?jié)舛人查g增幅、瓦斯?jié)舛绕骄翟龇?、絕對瓦斯涌出量等多維指標(biāo)建立瓦斯威脅評估數(shù)學(xué)模型、瓦斯?jié)舛茸兓厔蓊A(yù)測模型等，實(shí)現(xiàn)對瓦斯?jié)舛仍龇^程實(shí)時(shí)監(jiān)控和異常預(yù)警的目的。瓦斯預(yù)警系統(tǒng)可兼容礦井現(xiàn)有的KJ2000N、KJ90N、KJ91N等安全監(jiān)控系統(tǒng)。二、研發(fā)思路 煤礦安全規(guī)程規(guī)定了煤礦所有礦井必須裝備礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)。但礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)只能對瓦斯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)被測點(diǎn)瓦斯?jié)舛瘸^規(guī)定濃度時(shí)，強(qiáng)行斷電、報(bào)警，而沒有對瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析處理，更沒有對瓦斯增幅趨勢作出預(yù)警。 煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控與在線異常預(yù)警系統(tǒng)是在現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)

5、之上進(jìn)行的開發(fā)，應(yīng)用威脅評估分析模型對監(jiān)測系統(tǒng)采集的瓦斯數(shù)據(jù)再處理，實(shí)現(xiàn)瓦 斯涌出異常前兆實(shí)時(shí)報(bào) 警。系統(tǒng)研發(fā)思路如圖 所示。異常分析預(yù)警包括三大部分：1、根據(jù)礦井實(shí)際瓦斯涌出歷史數(shù)據(jù)，總結(jié)在不同區(qū)域布置的監(jiān)測點(diǎn)瓦斯涌出變化規(guī)律，建立預(yù)警威脅態(tài)勢的評測指標(biāo)及指標(biāo)評價(jià)體系庫。按決策心態(tài)對監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測方式；2.結(jié)合監(jiān)測點(diǎn)瓦斯、風(fēng)速時(shí)間序列數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)間值的模糊綜合評判對測點(diǎn)當(dāng)前瓦斯值的危險(xiǎn)性進(jìn)行評估分析，根據(jù)威脅態(tài)勢分析結(jié)果做出當(dāng)前預(yù)警響應(yīng)；3.結(jié)合測點(diǎn)最近歷史數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)建立時(shí)序分析預(yù)測模型，使用數(shù)據(jù)挖掘工具輔助分析，做出短時(shí)間內(nèi)瓦斯?jié)舛戎档念A(yù)測，再對預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行超前預(yù)警分析。三、威脅評估指標(biāo)體系庫

6、 1. 威脅評估指標(biāo)定義 本項(xiàng)目建立瓦斯?jié)舛葎?dòng)態(tài)值-歷史時(shí)間段平均濃度值增幅衡量指標(biāo)、瓦斯?jié)舛葎?dòng)態(tài)值-前周期歷史值增幅衡量指標(biāo)、瓦斯涌出量動(dòng)態(tài)值-瓦斯涌出量平均值增幅衡量指標(biāo)、瓦斯涌出量動(dòng)態(tài)值-瓦斯涌出量前周期歷史值增幅衡量指標(biāo)。圖圖3-2威脅評估指標(biāo)集威脅評估指標(biāo)集瓦斯?jié)舛人查g增幅指標(biāo) 瞬間增幅指標(biāo)（Transient Increase）是利用測點(diǎn)當(dāng)前監(jiān)測的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)與前一個(gè)巡檢周期瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)增幅預(yù)警。 瞬間增幅可通過下式計(jì)算： 式中 Dn動(dòng)態(tài)瓦斯?jié)舛?Dn-1前一個(gè)巡檢周期瓦斯?jié)舛?%100DDDTI(n)1n1nn瓦斯?jié)舛绕骄翟龇ㄖ笜?biāo) 平均值增幅指標(biāo)（Average

7、 Increase）是利用測點(diǎn)當(dāng)前監(jiān)測瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)與前N-1個(gè)巡檢周期內(nèi)（t為設(shè)定時(shí)間段，n=t/巡檢周期）所有瓦斯數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)增幅預(yù)警。 平均值增幅可通過下式計(jì)算： ， 式中 A前N-1個(gè)巡檢周期的樣本平均值， Di實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)瓦斯?jié)舛龋?Dn+1當(dāng)前動(dòng)態(tài)瓦斯?jié)舛取?niinA1D1%100AADAI(n)1n絕對瓦斯涌出量預(yù)警指標(biāo) 絕對瓦斯涌出量預(yù)警指標(biāo)（Absolute Increase In Gas Emission）是利用測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速及巷道斷面積計(jì)算瞬時(shí)絕對瓦斯涌出量，根據(jù)需要可選擇絕對瓦斯量臨界值預(yù)警、瞬間增幅預(yù)警和平均值增幅預(yù)警三種形式。 絕對瓦斯涌出量按下式計(jì)

8、算： qCH4=60SVC/100 式中 qCH4絕對瓦斯涌出量，m3/min； S巷道斷面積，m2； V風(fēng)速，m/s； C瓦斯?jié)舛?，?通過對礦井采集的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行瓦斯涌出規(guī)律總結(jié)，得出礦井各指標(biāo)的衡量系數(shù)，建立綜合分析模型和評價(jià)指標(biāo)體系，為瓦斯?jié)舛鹊耐{程度分析提供知識和規(guī)律。 當(dāng)前一次采集的瓦斯?jié)舛?、瓦斯?jié)舛绕骄德湓诓煌膮^(qū)間，判斷系數(shù)的取值也略有不同。下表為監(jiān)測點(diǎn)布置在采煤工作面且瓦斯?jié)舛戎翟?.2%,0.4%區(qū)間的各種指標(biāo)評測系數(shù)。區(qū)間系數(shù)取值偏低可能引起誤報(bào)，提高的話又可能漏報(bào)，取值關(guān)系到預(yù)警性能。在實(shí)際使用中，需根據(jù)礦井歷史數(shù)據(jù)做模型訓(xùn)練和驗(yàn)證。采煤工作面回風(fēng)巷、上隅角、巖頭等

9、地點(diǎn)的傳感器指標(biāo)評測系數(shù)設(shè)置略。2.威脅評估評測體系 預(yù)測預(yù)警法是利用數(shù)據(jù)挖掘趨勢預(yù)測理論，構(gòu)建井下測點(diǎn)瓦斯?jié)舛阮A(yù)測模型。使用微軟BI(商業(yè)智能Business Intelligence)中的數(shù)據(jù)庫分析服務(wù)（Microsoft SQL Server Analysis Services，即SSAS)提供的數(shù)據(jù)挖掘方案，以SSAS自帶的Microsoft時(shí)序分析算法為預(yù)測算法基礎(chǔ)，建立井下測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛韧诰蚪Y(jié)構(gòu)和挖掘模型。以測點(diǎn)瓦斯采集歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析源，對瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行了短期預(yù)測。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸模型針對瓦斯?jié)舛茸兓卣?，預(yù)測前實(shí)時(shí)導(dǎo)入最新采集數(shù)據(jù)并重構(gòu)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛葎?dòng)態(tài)預(yù)測模型，預(yù)測模型數(shù)

10、據(jù)的保持更新的特性，使得對瓦斯?jié)舛鹊念A(yù)測更加準(zhǔn)確、可靠。再對達(dá)到的預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行類似的超前預(yù)警分析，使得瓦斯預(yù)警更提前。同時(shí)提供了挖掘正確性圖表分析輔助功能，如預(yù)測數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)分析比較圖的查詢。3.趨勢預(yù)測及超前預(yù)警 瓦斯預(yù)測分析模型預(yù)測分析流程圖預(yù)測分析模型圖四、系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)圖預(yù)警系統(tǒng)組件構(gòu)成內(nèi)網(wǎng)預(yù)警+外網(wǎng)預(yù)警n在監(jiān)控中心站內(nèi)網(wǎng)架設(shè)瓦斯預(yù)警Web服務(wù)器，該服務(wù)器為監(jiān)控中心內(nèi)網(wǎng)以外的礦局域網(wǎng)用戶（一通三防科室相關(guān)技術(shù)人員、管理人員）提供井下瓦斯預(yù)警服務(wù)。外網(wǎng)用戶通過瀏覽器即可同步接收預(yù)警消息、查詢和分析歷史預(yù)警記錄。Web預(yù)警與安全監(jiān)控系統(tǒng)、內(nèi)網(wǎng)各預(yù)警組件完全獨(dú)立 ，避免了外網(wǎng)預(yù)警對監(jiān)控中

11、心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可能造成的安全性、穩(wěn)定性、性能等威脅。n系統(tǒng)由內(nèi)網(wǎng)預(yù)警和外網(wǎng)預(yù)警構(gòu)成。預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行在現(xiàn)有安全監(jiān)控主系統(tǒng)平臺(tái)之上，系統(tǒng)僅對采集到的測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)和利用。系統(tǒng)由預(yù)警判斷組件、廣播發(fā)送組件、廣播接收組件和廣播轉(zhuǎn)存組件構(gòu)成。預(yù)警判斷組件內(nèi)置于SQL Server服務(wù)器內(nèi)部，對安全監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集無任何影響；預(yù)警組件與采集數(shù)據(jù)庫之間沒有數(shù)據(jù)交互，不需要訪問安全監(jiān)控的數(shù)據(jù)庫即可知道是否有預(yù)警消息。因此，瓦斯?jié)舛犬惓ｎA(yù)警系統(tǒng)與現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)彼此相互獨(dú)立、互不干擾，不影響安全監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。外網(wǎng)預(yù)警五、系統(tǒng)功能介紹系統(tǒng)用戶驗(yàn)證 為保證預(yù)警程序正常運(yùn)行工作，避免惡意、誤操作等關(guān)閉程序，導(dǎo)致預(yù)

12、警中斷現(xiàn)象發(fā)生，登錄、退出預(yù)警系統(tǒng)采取用戶驗(yàn)證機(jī)制。用戶登錄、退出預(yù)警程序，都必須輸入用戶名、密碼，經(jīng)驗(yàn)證通過才能進(jìn)行相應(yīng)操作。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫配置、傳感器巡檢周期、周期預(yù)警時(shí)間、系統(tǒng)顏色設(shè)置、報(bào)警設(shè)置（語音、彈出窗體持續(xù)時(shí)間）、網(wǎng)絡(luò)套接口設(shè)置等操作。 瓦斯預(yù)警測點(diǎn)管理 針對監(jiān)控系統(tǒng)已有分站下的瓦斯測點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警設(shè)置。設(shè)置內(nèi)容包括是否公共預(yù)警、是否獨(dú)立預(yù)警（及增幅模板選擇）、是否絕對量預(yù)警（及絕對量參數(shù)配置）、是否瓦斯預(yù)測預(yù)警等。增降幅度值管理 可分別編輯瞬間增幅預(yù)警和平均值增幅預(yù)警中每條預(yù)警范圍的下限值、上限值、增降值(%)，方便用戶根據(jù)需要對預(yù)警范圍進(jìn)行局部調(diào)整。控制瓦斯預(yù)警、彈

13、出報(bào)警窗口 啟動(dòng)預(yù)警：當(dāng)服務(wù)器端接收到需要預(yù)警的測點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)測點(diǎn)類別，按照預(yù)先設(shè)置的增降幅度，分析是否需要預(yù)警。若需要預(yù)警，則同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲音和彈出預(yù)警窗口。暫停預(yù)警：預(yù)警功能暫停工作。外網(wǎng)瀏覽功能 在安全監(jiān)控系統(tǒng)中心站建立Web服務(wù)器，外網(wǎng)用戶直接訪問該服務(wù)器即可登錄瓦斯預(yù)警界面，與瓦斯預(yù)警終端數(shù)據(jù)及時(shí)同步。同時(shí)具備歷史數(shù)據(jù)查尋功能，坐在辦公室即可迅速掌握和分析瓦斯動(dòng)態(tài)預(yù)警信息。預(yù)警歷史記錄查詢 每次瓦斯預(yù)警后保存當(dāng)時(shí)測點(diǎn)預(yù)警記錄測點(diǎn)信息、報(bào)警時(shí)間等詳細(xì)記錄，同時(shí)能夠以Excel表格的方式進(jìn)行導(dǎo)出，以備今后查詢參考使用。 預(yù)警圖表分析 系統(tǒng)提供了形象直觀的曲線趨勢（預(yù)測）圖表查詢功能。

14、日志功能 系統(tǒng)提供操作日志查詢功能，方便用戶對過往操作進(jìn)行查詢。如果在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將異常記錄到錯(cuò)誤日志中去。系統(tǒng)特點(diǎn)科學(xué)、完善、靈活的預(yù)警方法直觀的瓦斯曲線分析功能操作方便、使用靈活預(yù)警方式直觀預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠 預(yù)警系統(tǒng)采用C/S（Client/Server，客戶機(jī)/服務(wù)器）和B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）兩種架構(gòu)預(yù)警系統(tǒng)兼容目前各大主流監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng) 軟件創(chuàng)新水平 目前礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)只有在瓦斯?jié)舛戎颠_(dá)到設(shè)定的某個(gè)相對固定報(bào)警值時(shí)才能報(bào)警，這種報(bào)警方式不能及時(shí)對瓦斯異常變化情況進(jìn)行分析和預(yù)警。本軟件能捕獲到礦井瓦斯增加過程的細(xì)微變化，主要通過平均值

15、預(yù)警、瞬時(shí)增幅預(yù)警來對礦井瓦斯緩慢增長及鋸齒狀增長進(jìn)行預(yù)警。從而在瓦斯?jié)舛戎翟鲩L到單一臨界值（設(shè)定的0.6或0.8）之前預(yù)警。(1)瓦斯鋸齒狀變化： 針對瓦斯鋸齒狀變化的情形，在上圖中當(dāng)前測點(diǎn)瓦斯?jié)舛日Ｇ闆r下都在0.1%左右波動(dòng)，在某一時(shí)刻瓦斯?jié)舛戎低蝗粡?.1%增長到0.4%，在普通監(jiān)控系統(tǒng)中，0.4%還沒達(dá)到預(yù)警臨界值（一般0.6%以上）而不會(huì)預(yù)警，但在現(xiàn)實(shí)中，瓦斯?jié)舛戎邓查g的從0.1%增到0.4%，我們可以斷定此瓦斯測點(diǎn)在此時(shí)是異常的，我們應(yīng)該預(yù)警，至少應(yīng)該引起工作人員的注意。 針對瓦斯?jié)舛戎稻徛鲩L的情況，比如上圖，瓦斯?jié)舛戎翟谡Ｇ闆r下或說在之前的幾個(gè)小時(shí)甚至幾天之內(nèi)，瓦斯?jié)舛纫恢?/p>

16、在0.23%左右波動(dòng)，這段時(shí)間內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊钠骄祽?yīng)在0.2% 0.25%之間，但上圖中瓦斯?jié)舛仍?0點(diǎn)以后緩慢的增長，每次增長值都在0.1%以下，一段時(shí)間以后，瓦斯?jié)舛戎翟鲩L到0.6%、0.7、甚至0、8以上，在我們的平均值增幅預(yù)警法中，當(dāng)瓦斯?jié)舛仍鲩L到0.6%的時(shí)候，當(dāng)前瓦斯?jié)舛认鄬ζ骄?.2% 0.25% 而言增長了200%之多，我們就應(yīng)當(dāng)對當(dāng)前瓦斯測點(diǎn)預(yù)警，而不用等瓦斯值增長到臨界值的時(shí)候才預(yù)警。(2)瓦斯緩慢增長：項(xiàng)目實(shí)施效果2010年10月30日，安徽煤礦安全監(jiān)察局在合肥組織專家對的研發(fā)報(bào)告、測試報(bào)告、查新報(bào)“煤礦瓦斯?jié)舛犬惓＜胺劳活A(yù)警系統(tǒng)”進(jìn)行鑒定。專家聽取了項(xiàng)目告及現(xiàn)場應(yīng)用報(bào)告。鑒定意見如下：1、提交的技術(shù)資料齊全，符合鑒定要求。2、該項(xiàng)目利用礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，對井下瓦斯采集數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次挖掘，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理提出了瓦斯?jié)舛葎?dòng)態(tài)的綜合分析異常預(yù)警理念，在.NET Framework技術(shù)平臺(tái)上，研發(fā)了煤礦瓦斯?jié)舛犬惓＜胺劳活A(yù)警系統(tǒng)。3、該項(xiàng)目在國內(nèi)首次提出了瓦斯?jié)舛人查g增幅法、瓦斯?jié)舛绕骄翟龇ā⒔^對瓦斯涌出量預(yù)警法及瓦斯預(yù)測預(yù)警法，對瓦斯異常變化進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。4、該系統(tǒng)在淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋煤礦應(yīng)用，預(yù)警及時(shí)、運(yùn)行穩(wěn)定。5、該項(xiàng)目對分析瓦斯異常涌出,預(yù)防煤與瓦斯突出具有重要的意義，有較好的推廣應(yīng)用前景。 該系統(tǒng)也在安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)、安徽皖北煤電集團(tuán)、山西李雅莊煤電集團(tuán)