CN108301872B - 一种基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿井安全监测领域，涉及一种基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统及方法，通过布置在矿井任意位置的多个传感器采集多个定位点的风速、风量等基本参数数据；对采集的数据进行过滤，消除虚假数据以及无效数据；地面监控系统通过GIS矿井可视化模型监测整个矿井任意位置的情况；当某个区域发生危险时，触发报警装置，同时通过远程控制及时采取救护措施；同时公开一种报警系统。本发明可以确定每一个点的基本参数数据信息，该参数包括(气体的流速、压力、粉尘浓度、以及巷道内气流的温度)，通过GIS可视化模型对每一个区域进行监测预警，当发生危险时自动触发报警装置，以保证矿井的安全生产。

Description

一种基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统及方法

技术领域

本发明属于矿井安全监测领域，尤其涉及一种基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统及方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：现有煤矿安全监控系统是主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、矿尘浓度、风速、风压、湿度、温度等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等功能的系统。该系统包括井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等技术装备。由于矿井下环境复杂多变，目前安全监控系统仍有很多不足，安全监控系统会产生误报警、重复报警，为建设完善矿井监测监控系统，充分发挥其安全避险的预警作用，需要做进一步改进。我国是一个产煤大国，数字化采煤以及矿井安全系统的监测是未来的一个大趋势，在矿井实时监测系统中，实现矿井的可视化，以及矿井报警系统的即时性是非常重要的。由于在数据采集的过程中，当传感器受到外部条件干扰时，会使传感器测量的值不准确，当这部分错误数据传到安全监控系统，当数值超出安全范围就会引起误报警。例如，通风系统的数据具有不稳定性，比如有人或者车通过巷道内的风速传感器附近时，所测得的风速数据就会产生波动，这时数据的变化可能很大，但维持时间较短。这种波动有可能导致报警系统的误报警。温度传感器，风流压力传感器，粉尘浓度传感器在采集数据时，都可能会因为设备的损坏或环境的影响，造成数据的采集出现偏差，不能反映巷道内的真实情况。误报警会给工作人员带来操作上的不便，同时会影响煤矿的正常生产，造成了一定的经济损失。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有的安全监测报警系统会出现重复报警和误报警的情况，数据过滤的技术没有提出；同时现有技术不拥有GIS可视化模型系统；当出现危险情况时，不能及时的采取救援措施。

(2)如何合理进行井下区域性的监测点的布置，以及数据采集的可靠性问题，现有技术没有提供依据。

解决上述技术问题的难度和意义：

如何合理进行井下区域性的监测点的布置，以及数据采集的可靠性问题，是现有技术难以解决的。

本发明对采集的数据进行过滤，当数据在报警上下限之间时不会触发报警装置，一些错误数据及时过滤也能有效克服因偶然因素引起的误报警。随着通信技术的快速发展，本发明充分发挥互联网在一些领域的优化和集成作用，把一些高科技成果运用到煤矿的安全生产中来，建立煤矿地理信息系统，该系统能够有效的建立矿山空间数据库，实现矿山的全景、动态显示，包括矿井作业环境的自动生成图，实现矿山生产环境的风险评价，任何区域一个动态的监测，煤矿三维地理信息系统可以有效地利用现有资料对危险进行预测。当某区域发生危险时及时触发报警装置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统及方法。本发明解决如何合理进行井下区域性的监测点的布置，以及数据采集的可靠性问题。由于在数据采集的过程中，当传感器受到外部条件干扰时，会使测量值有一定偏差，当这部分错误数据传到安全监控系统，当数值超出安全范围就会引起误报警。因此如何保证矿井通风系统安全稳定运行，怎样进行数据过滤以解决现有矿井安全监测系统误报警和重复报警等可靠性低的技术问题，非常关键。

本发明是这样实现的，一种基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警方法，包括：

通过布置在矿井任意位置的多个传感器采集多个定位点的风速、风量基本参数数据，进行灾害监测及灾害预警；

对采集的数据进行过滤，消除虚假数据以及无效数据；

地面监控系统通过GIS矿井可视化模型监测整个矿井任意位置的情况；当某个区域发生危险时，触发报警装置，同时通过远程控制及时采取救护措施。

进一步，数据过滤的方法包括：

通过建立的数据库系统，对井下安全时大量收集各种气体指标的数据整理分析，每一项气体指标得到一个安全数据区间，数据库会对输入的数据进行分析，当传输的数据在这个安全区间内时，不触发报警装置，当某个数据波动较大且维持时间较短时自动过滤掉，不触发报警装置，即所述数据库系统自动过滤掉。

进一步，多个传感器采集多个定位点风速、风量等基本参数数据的方法包括：

对于同一位置点同一类型传感器传输数据一致时视为有效数据，当两个传感器的数据相差较大时该数据无效，提高了精度，减少了误差；风速的测定采用：真实速度＝测量速度+修正函数；用x与y的关系描述如下：

y_i＝α*y_i-1+(1-α)*x_i

即第i时刻y的值等与α乘以上一单位时间y的值，再加上(1-α)乘以实际测得值；α的取值范围0.98-0.985。

气体压力、粉尘浓度、以及巷道内气流的温度采用以下公式，当采集的数据Y不在安全区间范围内，维持10秒后，报警装置发生报警；公式如下：

Y＝(X₁+X₂…+X_N)/N

Y为固定时间段内参数均值，X为数据点，N为固定时间段内数据点总量。

进一步，所述GIS矿井可视化系统模型利用三维立体可视化仿真技术与GIS相结合的方式，以三维仿真地图测绘为基础，将工程建设相关数据以三维仿真的方式建立三维可视化矿井安全监测系统，用以展现空间信息。将传感器布置位置点导入GIS矿井可视化系统模型使信息可视化，实现对定点数据的动态监测，当矿井下出现危险时，能够及时采取措施。

本发明的另一目的在于提供一种基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统包括：

布置在矿井任意位置，采集多个定位点的风速、风量等基本参数数据的多个传感器；

对采集的数据进行过滤，消除虚假数据以及无效数据的数据过滤系统；

利用三维立体可视化仿真技术与GIS相结合的方式，以三维仿真地图测绘为基础，将工程建设相关数据以三维仿真的方式建立模型，用以展现空间信息的GIS矿井可视化模型；

与数据过滤系统连接，用于进行报警提示的报警装置。

进一步，所述传感器为：风速传感器、温度传感器、风流压力传感器及粉尘浓度传感器；

所述风速传感器通过风杯转动带动轴承转动，进行光电转换，数字量化后得到风速值。

风流压力传感器选用为GF型风流压力传感器，它适用于煤矿井下巷道及瓦斯管道负压的连续实施监测，是监测风压变化，保证矿井正常通风管路安全，可输出多种信号制供选用，并且能够在瓦斯煤尘爆炸危险的场所连续工作。粉尘浓度传感器使用GCG1000型粉尘浓度传感器，GCG1000型粉尘浓度传感器广泛适用于存在易燃易爆等危险性气体混合物的工作环境中对作业场所总粉尘的连续监测。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警方法的信息数据处理终端。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

(1)本发明可以确定每一个点的基本参数数据信息，该参数包括(气体的流速、压力、粉尘浓度、以及巷道内气流的温度)，通过GIS可视化模型对每一个区域进行监测预警，实现监测的可视化。

(2)该系统可以消除误报警，当出现危险可以对其进行远程控制，自动触发报警装置，实现了解决问题的即时性，以保证矿井的安全生产。

(3)通过GIS可视化模型对通风系统进行监测，当通风系统出现问题时，实现通风系统的快速恢复。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统示意图。

图中：1、传感器；2、数据过滤系统；3、GIS矿井可视化模型；4、报警装置。

图2是本发明实施例提供的基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警方法流程图。

图3是本发明实施例提供的一分钟内通风系统稳定时风速参数的实测值绘制图形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明对采集的数据进行过滤，当数据在报警上下限之间时不会触发报警装置，一些错误数据及时过滤也能有效克服因偶然因素引起的误报警。随着通信技术的快速发展，本发明充分发挥互联网在一些领域的优化和集成作用，把一些高科技成果运用到煤矿的安全生产中来，建立煤矿地理信息系统，该系统能够有效的建立矿山空间数据库，实现矿山的全景、动态显示，包括矿井作业环境的自动生成图，实现矿山生产环境的风险评价，任何区域一个动态的监测，煤矿三维地理信息系统可以有效地利用现有资料对危险进行预测。当某区域发生危险时及时触发报警装置。

GIS矿井可视化系统模型具备用户管理煤矿地图浏览以及信息定位的基本功能，该系统对煤矿的瓦斯灾害预警的现状具有较好的空间分析能力以及整点定位能力，系统可以借助于稳定的网络环境，实现对一些事故的预测预警，同时对预警的有效性和实时性提出了严格的要求，地面工作人员通过系统能够及时采集各测点的信息数据。三维GIS技术具有强大的应用功能，针对空间地理数据实现索引，操作，显示，储存等实际应用效果，从而为解决各种环境问题进而提供重要的数据资源。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统，包括：

布置在矿井任意位置，采集多个定位点的风速、风量基等本参数数据的多个传感器1；

对采集的数据进行过滤，消除虚假数据以及无效数据的数据过滤系统2；

利用三维立体可视化仿真技术与GIS相结合的方式，以三维仿真地图测绘为基础，将工程建设相关数据以三维仿真的方式建立模型，用以展现空间信息的GIS矿井可视化模型3；

与数据过滤系统连接，用于进行报警提示的报警装置4。

所述基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统，可以准确定位每一个点的基本参数数据信息，对于采集的数据经过数据过滤系统，消除一些虚假数据以及无效数据，当某个区域发生危险时触发报警装置，数据过滤系统避免了矿井安全监控系统的重复报警，或者是误报警。该系统内传感器通过矿井已有线路可以布置在矿井任意位置。地面监控系统通过GIS矿井可视化模型能够监测整个矿井任意位置的情况，当发生危险时，会自动触发井上报警装置和井下报警装置，同时工作人员通过远程控制及时采取救护措施。

所述数据过滤系统，即建立一个数据库系统，该系统通过对大量数据的收集，对于安全数据的整理分析，得到一个数据区间，当传输的数据在这个正常区间内时该系统自动过滤掉，此时不会触发报警装置。

由于风速的测定受环境的影响比较大，需要在巷道内布置多个数据传感器，即同一位置布置两个风速传感器，风速数据的传输有一个判定装置，当两个传感器传输数据一致时视为有效数据，当两个传感器的数据不一致时该数据无效。其中风速的测定采用一种修正函数，真实速度＝测量速度+修正函数，本修正函数，可将公式看作x与y的函数，y与x的关系如下：

y_i＝α*y_i-1+(1-α)*x_i

即第i时刻y的值等与α乘以上一单位时间y的值，再加上(1-α)乘以实际测得值。通过对大量风速数据的统计分析，α的取值范围处于0.98-0.985之间。

对于其他参数的测定可以采取多次测量求平均值得出最优化的报警上限和最优化的报警下限存入报警参数数据库中，当采集的数据在报警上下限之间时，系统自动过滤掉，不会触发报警装置。当数据超出这个范围，维持10秒后，报警装置发生报警。公式如下：

Y＝(X₁+X₂…+X_N)/N

Y为固定时间段内参数均值，X为数据点，N为固定时间段内数据点总量。

所述GIS矿井可视化系统模型具备用户管理煤矿地图浏览以及信息定位的基本功能，该系统对煤矿的瓦斯灾害预警的现状具有较好的空间分析能力以及整点定位能力，系统可以借助于稳定的网络环境，实现对一些事故的预测预警，同时对预警的有效性和实时性提出了严格的要求，地面工作人员通过系统能够及时采集各测点的信息数据。三维GIS技术具有强大的应用功能，针对空间地理数据实现索引，操作，显示，储存等实际应用效果，从而为解决各种环境问题进而提供重要的数据资源。

所述传感器包括风速传感器，温度传感器，风流压力传感器，粉尘浓度传感器。

所述风速传感器是可连续监测上述地点的风速、风量(风量＝风速x横截面积)大小，能够对所处巷道的风速风量进行实时显示，是矿井通风安全参数测量的重要仪表。其传感器组件由风速传感器、风向传感器、传感器支架组成。风速传感器工作原理为风杯转动带动轴承转动进行光电转换通过数字量化得到风速值。

温度传感器采用接触式温度传感器；

风流压力传感器选用为GF型风流压力传感器，它适用于煤矿井下巷道及瓦斯管道负压的连续实施监测，是监测风压变化，保证矿井正常通风管路安全，可输出多种信号制供选用，并且能够在瓦斯煤尘爆炸危险的场所连续工作。

粉尘浓度传感器使用GCG1000型粉尘浓度传感器，GCG1000型粉尘浓度传感器广泛适用于存在易燃易爆等危险性气体混合物的工作环境中对作业场所总粉尘的连续监测。

GIS矿井可视化系统模型中所述的可视化是指利用三维立体可视化仿真技术与GIS相结合的方式以三维仿真地图测绘为基础，将工程建设相关数据以三维仿真的方式建立三维可视化矿井安全监测系统，用以展现空间信息，从而使用户能够更加直观深切地体会到工程建设实际效果，并产生身临其境的感觉，实现空间信息的立体化与可视化。由于数字化测绘技术的进一步发展，地理信息的可视化形式也随之拓展，不再局限于文本、表格或图片的呈现形式以进行信息的传递。三维仿真技术结合现代化GIS技术，能够将空间信息以动画、声音和视频一体化方式传输出去，该项技术的迅速发展，让地理信息可视化随之进步，地图的动画表达方式，也逐渐成为当前应用广泛的三维立体表达方式，并通过在二维空间与三维空间中加入时间维度的方式加以展现，用以表现出时空数据的模型

下面结合报警方法的原理对本发明作进一步描述。

如图2所示，本发明实施例提供的基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警方法，包括：

首先该系统内传感器通过矿井已有线路可以布置在矿井任意位置。传感器包括风速传感器，温度传感器，风流压力传感器，粉尘浓度传感器。

风速传感器是可连续监测上述地点的风速、风量(风量＝风速x横截面积)大小，能够对所处巷道的风速风量进行实时显示，是矿井通风安全参数测量的重要仪表，其传感器组件由风速传感器、风向传感器、传感器支架组成。风速传感器工作原理为风杯转动带动轴承转动进行光电转换通过数字量化得到风速值。温度传感器本系统采用接触式温度传感器。风流压力传感器选用为GF型风流压力传感器，它适用于煤矿井下巷道及瓦斯管道负压的连续实施监测，是监测风压变化，保证矿井正常通风管路安全，可输出多种信号制供选用，并且能够在瓦斯煤尘爆炸危险的场所连续工作。粉尘浓度传感器使用GCG1000型粉尘浓度传感器，GCG1000型粉尘浓度传感器广泛适用于存在易燃易爆等危险性气体混合物的工作环境中对作业场所总粉尘的连续监测。这些传感器采集的信息通过有线传输，传输到井下安全监测系统，由井下安全监测系统传到地面井下安全监控中心，该数据通过过滤，把一些干扰数据过滤掉，过滤系统包涵对安全区间内数据的过滤以及错误数据的过滤，通过过滤系统避免了误报警和重复报警。当数据超出安全范围时，触发报警装置，通过GIS矿井可视化系统，确定报警位置，由地面工作人员采取处理措施，危险处置后报警解除。由于风速的测定受环境的影响较大，对于风速和风量的测定需要在同一位置布置多个风速传感器，风速数据的传输有一个判定装置，当同一位置两个传感器传输数据一致时视为有效数据，当两个传感器的数据不一致时该数据无效。避免了某一个传感器的损坏造成的数据传输错误，避免了因为传感器的自身故障产生的误报警。同时通风系统的数据具有不稳定性，比如有人或者车通过巷道内的风速传感器附近时，所测得的风速数据就会产生波动，这时数据的瞬时变化可能很大，这种波动有可能导致报警系统的误报警。经过对大量的数据分析，风速的测定采用一种修正函数，真实速度＝测量速度+修正函数；

本修正函数，可将修正函数看作x与y的函数，y与x的关系如下：

y_i＝α*y_i-1+(1-α)*x_i

即第i时刻y的值等与α乘以上一单位时间y的值，再加上1-α乘以实际测得值，α的取值范围处于0.98-0.985之间，由于α的取值与多个因素有关，当使用该函数是应进行α值的判定，经过对大量数据的论证确定一个α的具体取值。

风速的测定传输情况如图3所示，取一分钟内通风系统稳定时风速参数的实测值绘制图形如图3所示，测量值在曲线范围内上下波动，当传输值在该安全区间内时自动过滤掉。当传输值超出安全区间维持10s时触发报警装置。对于气流压力、粉尘浓度、以及巷道内气流的温度采取多次测量求平均值的方法。公式如下：

Y＝(X₁+X₂…+X_N)/N

Y为固定时间段内参数均值，X为数据点，N为固定时间段内数据点总量。

即对短时间内收集多个数据进行综合分析得到一个值，该值具有一个浮动范围，将该范围，存入报警参数数据库中，当数据超出这个范围，维持一段10s后，自动报警装置才会发生报警。通过跟GIS矿井可视化模型系统结合起来当某一个点发生异常时在可视化模型中显示出来。有利于井上工作人员及时采取措施。GIS矿井可视化模型系统所述可视化指的是三维立体可视化利用仿真技术与GIS相结合的方式以三维仿真地图测绘为基础，将工程建设相关数据以三维仿真的方式建立模型，用以展现空间信息，从而使用户能够更加直观深切地体会到工程建设实际效果，并产生身临其境的感觉，实现空间信息的立体化与可视化、而由于数字化测绘技术的进一步发展，地理信息的可视化形式也随之拓展，不再局限于文本、表格或图片的呈现形式，以进行信息的传递、三维仿真技术结合现代化GIS技术，能够将空间信息以动画、声音和视频一体化方式传输出去，该项技术的迅速发展，让地理信息可视化随之进步，地图的动画表达方式，也逐渐成为当前应用广泛的三维立体表达方式，并通过在二维空间与三维空间中，加入时间维度的方式加以展现，用以表现出时空数据的立体模型。当某一个点发生危险时在GIS矿井可视化模型中显示出来，便于工作人员及时定位和采取措施。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警方法，其特征在于，所述基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警方法包括：

通过布置在矿井任意位置的多个传感器采集多个定位点的风速、风量、气体的压力、浓度、以及巷道内气流的温度基本参数数据；

对采集的数据进行过滤，消除虚假数据以及无效数据；

地面监控系统通过GIS矿井可视化模型监测整个矿井任意位置的情况；当某个区域发生危险时，触发报警装置，同时通过远程控制及时采取救护措施；

数据过滤的方法包括：

通过建立的数据库系统，对大量收集的数据整理分析，得到一个安全数据区间，当传输的数据在这个正常区间内时，所述数据库系统自动过滤掉，当某一点的数据异常增大且维持时间较短时数据库系统自动过滤掉，不触发报警装置；

多个传感器采集定位点风速、风量基本参数数据的方法包括：

对于同一位置点同一类型传感器传输数据一致时视为有效数据，当两个传感器的数据相差较大时该数据无效；

风速的测定采用：真实速度＝测量速度+修正函数；用xi与yi的关系描述如下：

y_i＝α*y_i-1+(1-α)*x_i

第i时刻y的值等于α乘以上一单位时间y的值，再加上(1-α)乘以实际测得值x_i；α的取值范围0.98-0.985；

气体压力、粉尘浓度、以及巷道内气流的温度采用以下公式，当采集的数据Y不在安全区间范围内，维持10秒后，报警装置发生报警；公式如下：

Y＝(X₁+X₂…+X_N)/N；

Y为固定时间段内参数均值，X为数据点，N为固定时间段内数据点总量；

所述GIS矿井可视化系统模型利用三维立体可视化仿真技术与GIS相结合的方式，以三维仿真地图测绘为基础，将工程建设相关数据以三维仿真的方式建立模型，用以展现空间信息。

2.一种如权利要求1所述基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警方法的基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统，其特征在于，所述基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统包括：

布置在矿井任意位置，采集多个定位点的风速、风量参数的多个传感器；

对采集的数据进行过滤，消除虚假数据以及无效数据，避免重复报警和误报警的数据过滤系统；

利用三维立体可视化仿真技术与GIS相结合的方式，以三维仿真地图测绘为基础，将工程建设相关数据以三维仿真的方式建立模型，用以展现空间信息的GIS矿井可视化模型；

与数据过滤系统连接，用于进行报警提示的报警装置。

3.如权利要求2所述的基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警系统，其特征在于，所述传感器为：风速传感器、温度传感器、风流压力传感器及粉尘浓度传感器；

所述风速传感器通过风杯转动带动轴承转动，进行光电转换，数字量化后得到风速值。

4.一种实现权利要求1所述基于数据过滤的可视化矿井实时监测报警方法的信息数据处理终端。

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