基于多传感器数据融合的煤矿采空区火灾预警系统

易 瑜

（娄底职业技术学院，湖南娄底，417000）

基于多传感器数据融合的煤矿采空区火灾预警系统

易 瑜

（娄底职业技术学院，湖南娄底，417000）

本文致力于构建一种综合多种传感器信息，并运用数据融合中分层融合思想的煤矿采空区火灾预警系统模型。介绍了传感器性能，设计了火灾监测系统架构，构建了多传感器分层数据融合模型，对采空区遗煤发火阶段状态进行了预测，实验得出了火灾监测系统的主要功能特点。并在火灾区已得到有效治理，实现成功灭火。使防治火灾工作更加合理化和科学化。

传感器；数据融合；煤矿采空区；预警

0　引言

火灾是煤矿主要灾害之一，其中采空区遗煤自燃发火占很高比例。研究表明，采空区自燃区域随着工作面的推进而移动。本文建立了采空区自燃危险区架构模型。找到了采空区自燃危险带，并采取一定的技术手段，有效地防治采空区火灾。

1　传感器性能介绍

矿用传感器不同于普通传感器，在安全防爆、显示值稳定性、响应时间、误差范围以及体积大小，电池电量等多方面有严格要求。根据前文所述综合多方面考量，选取目前应用最为广泛的三种传感器作以介绍。

1.1KYJ-2000型遥控甲烷传感器。KYJ-2000型遥控甲烷传感器用于监测煤矿井下空气中的甲烷含量。它是一种红外遥控智能型检测仪表，采用本安电路设计，可以对甲烷浓度进行连续检测。该仪器最大特点是:免开盖就可用遥控器调零、调精度(灵敏度)和非线性补偿等。并具有精度高、兼容性好、稳定可靠等优点。

1.2温度传感器。矿井环境温度是矿井生产环境的重要指标外，还是煤炭自然发火的重要指标之一。因此，矿井环境温度监测是矿井安全监测的重要指标之一。目前温度传感器主要有以下几种:

（1）半导体式温度传感器。利用半导体三极管基级一发射极电压Ube的温度特性及外部电路，可测得环境温度的变化。集成电路传感器AD590等就是将晶体管电路与放大电路等集成在一个芯片上。因此，半导体温度传感器具有体积小、成本低、响应快、线性度好的优点，在矿井监控系统中获得了广泛的应用。

（2）红外式温度传感器。温度高于绝对零度(-273 0C)的任何物体均会产生红外辐射，辐射频率P随温度增大而增大。

（3）光纤式温度传感器。光纤式温度传感器采用的工作原理较多，利用半导体材料吸收光谱特性随温度变化的原理，研制出装有GeAs(砷化锗)、CdTe(蹄化福)等晶片的光纤温度传感器。

1.3风速传感器。bKGF2矿用智能风速传感器，主要用于煤矿井下各种坑道、风口、通风机井口等处的风速、风量的检测，以确保煤矿的安全生产。

2　火灾监测系统设计架构

采空区火灾监测系统是一种综合安全防灭火监测系统，由监控中心站、环网交换机、监控分站、分布式光纤测温主机、传感器组、声光报警器、阀门及其控制器、传输电缆( 光缆) 、灭火管网以及常规消防联动设施构成。通过对采空区发火特征参数进行在线检测、分析监测数据。通过井下环网准确地将井下的气体分析结果传输给地面中心站，实现矿井采空区发火区域定位，进行实时、无盲区温度监测及火灾特征参数监测，达到对采空区火灾预警、发火区域惰性气体充填和发火区域自动封堵提示预警，以及发火区域火灾发展趋势预测等。

3　多传感器分层数据融合模型构建

信息融合作为一种数据处理方法近年来在各个行业得到广泛的应用，特别是“大数据”时代的到来时的数据处理更加成为一个急待于拓展和提高的领域。经过过去几十年的发展，根据不同的数据类型和针对目标已经研究出了多种数据处理算法，但具体每种算法所应用的领域没有作严格的界限。同时，在“大数据”时代，多源多传感器信息融合需要构建一个综合的融合模型，应该包括传感器管理系统，数据预处理单元，多源信息数据处理中心、数据库等。因此，结合已经相对成熟的数据分层思想，本文重点介绍一种多传感器的分层数据融合模型，以此达到提高对煤矿采空区事故的预警判定准确率的目的。

3.1一般数据融合算法介绍。信息融合算法主要功能是在按照数据特征级别分层构造的融合模型中对于不同级别的数据信号进行有效描述，同时它对这些数据进行筛选、提取、处理、分析和综合，最后以适应于目标对象的形式输出和表现这些数据。根据过去几十年研究者对于融合算法的研究，信息融合算法按信息特点分:基于特征的算法、物理模型算法及基于知识模型算法。

3.2分层融合系统模型概念。多传感数据融合系统模型中，多传感器采集不同的指标因素并且初始数据的类型不同，针对于不同的数据类型将融合系统分层，在不同的层次选择不同的算法进行融合。根据融合对象的特点以及对象的层次，数据融合算法和着眼点有十分巨大的差别，这就是不同的数据融合算法不能相互交换利用的原因，进行决策的融合算法与处理电信号的融合算法在本质上与实现手段上可以是天壤之别，因此，在构建融合中心模型之前，先具体讨论不同的信息数据层析十分重要，仅仅讨论融合算法而不考虑数据的层次问题是脱离实际需要的。根据过去大量的文献资料结果，大多数学者对融合层次的分类是将多传感器系统由低到高分为四个层次:信号级(Signal)、点级(Pixel)、特征级(Feature)和符号级(Symbol)，而信号级和点级因为数据类型的相近又可统称为信号级，因此一般情况下将数据融合分为三个层次即:信号级、特征级和符号级。每一级都是上级的融合结果又是下级融合来源，符号级是最高的系统决策部分又称为决策级，信号级则是最低的系统数据采集端的感应数据，不同层次之间没有明确的界限划分，而对于融合系统来说，以往运算只作用于一个或两个层次，而没能在各个层次上进行全面综合的融合。

4　火灾监测系统主要功能特点

该火灾监测系统采用多元信息融合探测技术:以分布式光纤测温系统为主与井下发火区域特征参数传感器实时检测数据进行多判据信息融合，从而实现煤炭自燃发火区域的探测和识别。该系统具有以下特点：（1）分布式光纤测温技术在采空区实现了无盲区温度检测和定位。监测范围广，感温光缆既是信号传输通道又是传感器，由感温光缆即可监测光缆沿线每一点温度值，温度监测实时、连续、范围大。（2）报警功能丰富，报警分区可根据现场条件变化任意设定，且每个分区可设定不同的报警值；可设置多种报警方式，并可设多级预警模式，能在火灾发生前做到早期预警。本质安全，采用感温光缆作为温度传感器，不需供电，本质安全系统联动。（3）可实现煤矿井下温度、CO、O2、CxHx气体、粉尘浓度、消防管路水压等参数的远程在线监测。（4）可实现全矿井发火区域自动定位、远程在线监测和自动控制。

5　结语

通过对基于多传感器数据融合的煤矿采空区火灾预警系统方法及技术手段等方面进行研究，并对煤矿安全事故进行调研、分析的基础上，建立了分层数据融合系统模型；综合考虑多种融合算法的优缺点结合煤矿井下复杂多变的环境，采用了分布式光纤测温技术在采空区实现了无盲区温度检测和定位；选取利用典型现代化程度高的矿区验证了多源分层数据融合模型预警系统的可行性和有效性，从而有效地提高了对采空区火灾预警事故这一灾害进行预警的可靠性。

[1]尚赛花.基于信息融合的煤矿采空区火灾预警研究[D].西安科技大学，2013.06.

[2]刘凯．多源传感器分层数据融合在煤矿采空区预警系统的应用与研究[D].太原理工大学，2014.05.

[3]李军等.基于复合传感信号的采空区火灾监测系统设计[J].煤矿机电，2015（28）.

Fire warning system based on multi sensor data fusion in coal mining area

Yi Yu
（Loudi Vocational and Technical College,Loudi Hunan,417000）

This paper is committed to building a comprehensive variety of sensor information, and the use of data fusion in the hierarchical integration of the thought of coal mine goaf fire warning system model. The sensor performance,the design of fire monitoring system architecture,constructs the multisensor data fusion model of layered,coal in goaf combustion stage are predicted,the main functions and features of the fire monitoring system.And in the fire area has been effectively control,to achieve a successful fire.To make the fire prevention work more reasonable and scientific.

sensor;data fusion;coal mining area;early warning

本文为2016年娄底市科技局科研项目：基于多传感器数据融合的煤矿采空区火灾预警系统；湖南省教育厅优秀青年项目：基于物联网和云计算技术的葡萄园监测系统研究（编号：16B219）；湖南省科技厅自科联合基金项目：基于云计算的现代农业物联网监控系统研究；娄底职业技术学院课题：基于物联网的农业温室智能管理系统的研究成果。

易瑜（1980-），女，湖南娄底职业技术学院，副教授，硕士研究生，研究方向：教育管理，网站设计与安全管理。