基于触发密采技术的支架工作阻力监测系统研究与应用

於 帆

（中煤科工集团常州研究院有限公司）

近年来，随着煤矿综采工作面自动化、信息化的发展，工作面的安全性和生产效率得到了很大的提升。液压支架是综采工作面主要支护手段，支架工作状态可间接反映工作面开采过程中顶板运动状态，因此基于综采工作面支架工作状态的矿压监测已成为保障煤矿安全高效生产的重要手段。支架工作阻力监测设备也日趋信息化和智能化，目前系统多采用Zigbee无线传输的手段，虽然此方式解决了有线系统难以部署的问题，但受制于无线传感器电池供电、传感器功耗、无线传输机制等因素，系统无法准确及时地捕捉升架、降架、顶板来压等载荷动态变化过程中的有效数据。针对这一问题，设计了基于WaveMesh 无线传输和有效采样机制的监测系统，并对系统试验采样数据进行了研究与分析［1-8］。

1 基于触发密采技术的监测系统设计

1.1 系统整体结构设计

国家能源局、国家矿山安全监察局研究颁布的《煤矿智能化建设指南（2021 年版）》将煤矿智能化发展提到了新的高度和要求。要求智能化煤矿将人工智能、工业互联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发技术进行深入融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘（剥）、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等全过程的智能化运行。

基于触发密采技术的支架工作阻力监测系统利用无线传感器技术，将煤矿实际生产过程中综采支架的静态受力和移动受力的信息捕获组成数据网络，通过矿井搭建的基础4G/5G 网络传输通道，将支架的感知数据传输至服务器。服务器通过专业软件对大量数据进行统计分析，建立顶板压力预警模型，为煤矿安全生产提供保障。

系统构建了“数据采集端—无线监测子站—矿井4G/5G 环网—服务器”的无线传输网络，解决了煤矿复杂生产环境和监测施工困难的问题，将发展成为智能化矿山的重要组成部分。系统组成如图1 所示。

数据采集端主要负责采集液压支架的压力数据并进行处理，通过WaveMesh 无线传输至监测子站，监测子站接收多个数据采集端的压力信息，经过统计、分析、显示后使用4G/5G 传输模块与矿井无线基站进行通信，借助矿井基础环网将大量数据上传至服务器；服务器在存储大量数据后，创建支架压力分析的数据模型，用于研究和建立支架压力预警体系。

1.2 数据采集端硬件设计

数据采集部分由数据采集仪和高精度压力变送器组成。在实际生产过程中，支架立柱腔体内的压力变化直接反映支架的各种形态及受力的变化，所以将压力变送器固定安装在支架立柱腔体阀上，实时监测压力变化，如图2所示。

在煤矿实际生产中，支架受压变化是由顶板内部岩层构造变化产生的；当顶板内部岩层发生微小破裂，压力缓慢增长聚集，逐渐形成冲击性，造成顶板破裂跨落。为了实现超前预警，系统必须在较小压力变化的过程中进行数据的捕捉，对每次工作过程的数据进行统计分析，形成指导性的预警参数模型。

压力变送器采用单晶硅片为弹性元件，利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散1组等值电阻，并将电阻接成桥路，当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号，测量精度可达0.1，可准确测量支架动态压力。

A/D 采集模块以高精度的低功耗16 位模数转换器ADS118 为核心，在采集压力电压信号后，在内部可编程增益放大器（PGA）、电压基准、振荡器和温度补偿器的工作下，通过串行通信的方式，将滤波后的有效数据传输至微处理器。

微处理器为ARM 平台的低功耗芯片STM32L072，其具有在低耗能状态下高速处理数据的特性，通过触发密采的算法，将有效数据通过WaveMesh无线模块传输至无线监测子站。数据采集端电路模块线程流如图3所示。

1.3 无线监测子站设计

在实际生产过程中，工作面支架数量多达200台，且支架是随工作面回采不断移动调整，所以在支架范围内部署有线传输通道的方案是难以实施的。系统设计采用Wave Mesh 无线自组网方式建立传输网络，固定在每台支架上的数据采集端作为网络传输的节点，安装在工作面迎头的监测子站作为网络传输的无线网关，通过树形网络拓扑结构，任意监测点的数据信息汇集至监测子站，监测子站通过4G/5G矿井基础环网设施将数据传输至服务器。

无线监测子站（简称子站）在系统中主要完成数据汇集、传输以及可靠性保证的功能。其硬件电路主要由Mesh 无线模块、微处理器、液晶显示模块、数据存储模块、网络通信模块（4G/5G）等构成，如图4所示。

以32 位高性能ARM 处理器STM32F407 作为微处理器，使用DSP 指令进行大数据运算处理；Mesh 无线模块内嵌WaveMesh 组网协议，具有较大的路由表项和报文长度，支持异步、同步、自主、被动等休眠方式，满足低功耗应用场景；子站可通过Mesh无线模块收集各数据采集端的数据信息，通过网络通信模块（4G/5G）与矿井基础环网（4G/5G）通信，将数据传输至服务器；设备上的存储模块具有较大内存空间，可存储通信中断过程中的传输数据，保证有效数据的完整性。

2 系统关键技术

2.1 触发密采算法的实现

触发密采机制：设计数据采集端设的工作模式为“低功耗—数据采集—无线传输”的循环模式，将传感器信号采样周期设置为t，系统无线传输周期设置为T，每间隔时间t，有效压力变化阈值为value。在单位时间内（ms 级）进行多次压力采集、数据排序过滤取平均值，将平均值记录为此时刻的有效值data，例如，t1时刻的2n次压力采样分别为AD1，AD2，AD3……AD2n，通过过滤排序算法，取中间n个数据进行平 均值计 算，t1 有 效值data1=（ADn+1+ ADn+1+ADn+3+……+AD2n）/n，同时将第一次采样值data1 记录在固定地址存储空间内。同理在t2 时刻获得有效值为data2，将data2 与data1 进行比对处理分析，当|data2-data1|≠value 时，此时刻的有效值不再放入缓冲区，继续进入工作循环。当|data2-data1|≥value 时，系统触发密集采集机制，缩短系统采样周期为tv，进行密集采集，同时比对密集采集前后时刻的数据变化，当|datan-1-datan|≥value，记录每个tv时刻的数据，当|datan-1-datan|≠value 时，恢复正常采样周期，进入工作循环，等待无线传输周期的到来，将存储缓冲区内的有效数据通过无线传输至子站。运行周期如图5 所示。

通过上述处理机制对采样数据的冗余数据进行过滤清除，保证有效数据的可靠性，提高无线传输效率，降低设备功耗。

2.2 无线休眠机制

（1）系统中数据采集端无线节点工作在异步休眠和同步休眠的混合模式下工作。当监测子站端的无线模块root广播同步休眠报文后，所有采集端节点立刻进入同步休眠的低功耗状态，每次同步休眠接收后进行数据传输，子站判断所有采集端数据接收完成后，再次广播同步报文，使得所有节点再次进入低功耗同步休眠模式。

（2）在监测子站端增加数据接收完成确认报文。当监测子站接收完成每个采集端数据，发送同步休眠报文之前，子站通过高速数据处理运算，将接收到的采集端设备信息生成“数据完成”报文，广播到无线网络中，采集端接收到数据完成报文后，判断本机数据是否已经到达目标，确认到达后清除缓冲区数据，进行正常循环；如果判断未到达目标子站，相应采集端会再次尝试数据的发送，若3 次未发送成功，将定义本机无线通道中断，立刻将数据存入存储芯片，在无线通道正常后，将数据传输至子站。

无线休眠机制优先保证了有效数据的完整性，降低了设备的功耗，提高了无线传输效率。交互机制如图6所示。

3 触发密采技术监测支架工作阻力应用

3.1 工作面概况

为验证基于触发密采技术的支架工作阻力监测系统在现场的实际应用效果，选取某矿35009工作面进行现场监测及应用分析。

35009工作面可采走向长2 409 m，倾斜长平均为110 m，工作面采用大倾角走向长壁倾斜分层综合机械化放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板，分层厚度为10.8 m，设计采高为2.7 m，放顶煤高度为8.1 m，采放比为1∶3。工作面采用“两采一放”生产工艺，采煤机截深为0.8 m，放煤步距为1.6 m。工作面选用ZF6300/19/30型液压支架支护顶板，采用全部垮落法处理采空区。

3.2 矿压监测

为确定35009 工作面支架工况，对顶板的适应性以及顶板来压规律提供依据，根据35009工作面回采情况及动压显现状况，构建基于触发密采技术为基础的支架工作阻力物联网硬件监测系统，动态监测工作面支架工况，全面开展回采工作面的矿压观测技术试验。

3.3 支架工作阻力数据处理

在支架工作阻力监测过程中时，采集的数值为支架沿推进方向的压力，通过提取工作面矿压显现特征参数进行来压显现规律分析。要实现支架工作阻力的数据分析，其关键是要对动态数据进行实时捕捉与记录，关键数据为初撑力、循环末阻力及动载等情况下的压力变化数值，随后再进行一些分析参数的提取与计算，如图7所示。

3.4 定时轮询和触发密采的对比分析

数据采集仪采集压力值为固定周期（定时采集），若监测周期内压力发生变化，此时不能对数据进行采集，特别是在动载发生时间点处于采集间隙，将无法捕捉动态变化数据，造成监测数据丢失，这将对数据的分析处理及结果判断造成巨大影响。因此，对定时轮询和触发密采2种监测机制进行试验对比，以判断2种方式的监测效果。结果如图8所示。

从图8可以看出，触发密采机制监测可对液压支架全动载过程中的安全阀开启、循环末阻力、初撑力及最大工作阻力等动态变化点进行触发机制的捕捉，保证了监测数据的有效性，利于基于监测数据的矿压分析；而定时轮询机制检测对部分动态变化过程中的来压不能及时记录，影响了监测数据的分析与判断。以图中6～9 min 监测数据为例，当液压支架发生移架动作后，其工作阻力会在20 s内发生瞬时动态变化，定时轮询采样周期为3 min，无法及时捕捉短周期内数据变化趋势，造成循环末阻力关键数据点的丢失；触发密采为动态变化采样周期，能根据数据变化调整采样周期，可及时捕捉短周期内数据的变化趋势，有效获取循环末阻力关键数据点。

4 结 语

基于触发密采技术的矿用支架工作阻力无线监测系统实现了对矿山动态载荷监测数据的有效采集与动态捕捉功能。目前该系统已经开始应用于我国煤矿井下，依靠智能触发加密采样频率的独特技术，有效避免数据冗余，减少传感器功耗，增加监测数据传输的有效性，对矿山无线安全监测系统在必定起到深远影响。该技术未来还可扩展至对动态变化数值要求较高的相关矿山监测系统，进一步提高煤矿安全监测水平和信息化管理能力。