井下自动防火风门监控系统设计研究

2022-09-25于杰

机械管理开发 2022年8期

于杰

（晋能控股煤业集团云岗矿，山西大同 037001）

引言

随着煤炭开采技术的不断革新，矿井深度不断加深，井下环境也逐渐恶劣。复杂的井下环境一旦发生瓦斯突出、爆炸或者火灾等事故，巨大的冲击波以及大量的有害气体会迅速蔓延，严重威胁井下人员财产安全。传统的安全监控系统大多是对矿井环境参数的监测，无法做到热动力灾变监控以及相关决策等，抢险救灾较为乏力[1-4]。针对这一现象，本文提出了基于信息融合技术的井下自动防火风门监控系统设计研究，利用信息融合技术对监控系统进行智能化升级，提高井下抗灾能力，保障井下人身财产安全。

1 信息融合技术简介

信息融合技术其实就是利用多种传感器对对象信息进行监测监控，并利用相关算法将所有相关信息进行汇总计算，得出更加全面、科学的对象信息的方法。在信息处理方面，信息融合技术与传统的信号处理有本质上的差别。信息融合技术是在信息层、决策层以及特点层三层进行融合处理[5-6]。火灾的发生常伴随着光现象、热现象、烟雾以及一氧化碳等因素的发生，信息融合技术将上述因素进行关联计算处理，使井下火灾预警更加高效准确，具体的数据融合框架如图1 所示。数据层主要进行传感数据预处理，特征层运用BP 神经网络进行非线性处理，决策层主要对各类信号运用模糊推理方法进行态势决断。

图1 数据融合框架示意图

2 自动防火风门监控硬件系统

2.1 整体设计

自动防火风门监控系统主要由控制室、以太环网、基站、控制箱、视频服务器、水箱、环境传感器以及风门组成。其中，控制室是自动防火风门监控系统的控制核心，可接收整个监控的信息并依据信息进行决策处理；以太环网是信息传输、接收的主要通信载体；基站是信息传输的枢纽；控制箱是自动防火风门监控系统的主要执行元件，可控制视频服务器、风门、传感器以及水箱执行动作，本系统采用Winbond 华邦的W77E58 控制器作为核心控制元件；视频服务器是井下环境视频音频监控的主要元件，本系统选用超清公司的GL-6001F 型视频服务器，采用的摄像头为超小型防爆高清摄像头，安装位置在风门4 m 处，并配备照明灯，保证视频音频质量，在每套风门处有2 个摄像头安装；环境传感器是火灾温度、风速、一氧化碳、烟雾以及粉尘浓度的主要监测元件，需用的传感器包括温度传感器、风速传感器、粉尘传感器、烟雾传感器以及一氧化碳传感器[7-8]。其中，温度传感器量程应为-5～85 ℃，风速传感器量程应为0.4～15 m/s，粉尘传感器量程为0～1 000 mg/m3，烟雾传感器灵敏度应为Ⅰ级，一氧化碳传感器量程为0～1 000 mg/m3。监控系统结构示意如图2 所示。

图2 自动防火风门监控系统结构示意图

2.2 风门设计

为配合防火风门自动控制系统，防火风门也许进行相应设计，自动风门结构示意图如图3 所示。自动防火风门主要由风门、联锁控制部件、推杆、摄像头、球阀、喷头、传感器以及电源组成。其中，每扇风门由1 组控制气阀组成，具体包括总气阀、开门气阀以及关门气阀，气阀是防火风门开关的主要控制元件。依据不同的实际使用要求，防火风门共可分为单道风门、键盘控制双道风门以及全自动控制常闭双道风门三种。单道风门又可分为只供人通过与可供人、车通过的两种，单道风门只有在无法安装双道风门时才可使用；键盘控制双道风门包括普通双道门、灾时隔离通风双道门以及日常隔离通风双道门。普通双道门只可供行人与车辆通过，日常隔离通风双道门与灾时隔离通风双道门都可进行隔离通风，但日常隔离通风双道门在发生灾害后还可短路风流；全自动控制常闭双道风门主要用于人流以及车辆通行较为频繁的场所，并且可保证前后通风门一个处于开启状态另一个处于关闭状态，保证通道的安全[9]。

图3 自动防火风门结构示意图

风门的控制采用无线遥控设计，每套风门都设有无线采集控制箱，通信模块采用433 MHz 无线模块，接口为RS485 接口，使用无线遥控器可对风门进行开门和关门控制，同时控制箱还可将当下控制风门信息传输至遥控器，方便操作人员对所控制风门进行全面了解。当遥控器接收到多台风门的控制信息后，控制器还可手动选择所需控制风门，然后再进行控制操作，取消键还可清楚控制风门信息，方便下一次操作。

3 自动防火风门监控软件系统

自动防火风门监控系统需实现的功能包括控制室远程控制、各场景参数以及声图监控、救灾决策依据分析、信息传输等。自动防火风门监控系统会将井下相关的火灾信息参数以及相关影像传输到控制室并对传输的信息进行决策分析，得出结论后，操作人员可在控制室直接对井下执行部分进行手动控制。自动防火风门监控系统也可设置自动控制，依据程序设置直接控制执行部分，防止火灾蔓延。

自动防火风门监控软件系统设计采用的是C/S式INTOUCH 组态软件，还可实现历史记录查询以及紧急控制风门功能。自动防火风门监控软件系统设计采用层次具体化概念设计，可分成数据层、表现层以及业务层三层，保证系统灵活性、兼容性、高效性以及扩展性要求，软件系统设计架构图如图4 所示。

图4 软件系统设计架构示意图

4 火灾仿真实验

为更好确定自动防火风门监控系统的实用效果，选取包含明火与阴燃火的20 组火灾数据进行归一化处理并输入至特征层后，验证监控系统监控准确性。在特征层方面，系统输出的数据应包括火焰种类以及干扰因素概率。在决策层方面，系统输出数据应包括火焰概率、报警等级以及是否决策指令显示。其中，报警等级分为报警、严重报警以及警戒三种[10]。报警为明火发生在较为安全区域的报警，严重报警为明火或阴燃火发生在十分危险的区域的报警，警戒为阴燃火发生在较为安全区域的报警。经实验分析，自动防火风门监控系统输出结果与实验数据一致，符合监控系统的相关设计要求。火灾仿真实验的部分数据如表1、下页表2 所示。