CN108521625B - 采空区高温点无线监测方法 - Google Patents

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CN108521625B CN201810180317.6A CN201810180317A CN108521625B CN 108521625 B CN108521625 B CN 108521625B CN 201810180317 A CN201810180317 A CN 201810180317A CN 108521625 B CN108521625 B CN 108521625B
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Abstract

本发明公开了一种采空区温度监测方法，其基本构思是利用无线传感技术进行温度的实时监测。在采空区间隔一定距离埋放传感器形成传感器阵列，在巷道内设置一定数量的无线传输中继节点，通过低频无线传输技术将传感节点采集到的温度信息及传感节点本身的位置信息发送到地面的监控中心。为了防止顶板坍塌和积水对传感器件造成损坏，传感器件采用柔性封装，同时在布放时采取预埋方式，从而降低冲击力度。另外，考虑到高温点距离传感节点件较远时，传感节点不能正确预报高温点的温度，本发明利用数学计算的方法确定高温点的准确位置和温度。

Description

采空区高温点无线监测方法
技术领域
本发明涉及煤矿井下监控领域，具体为一种采空区温度的无线监测方法，适用于煤矿采空区温度的实时监测。
背景技术
中国是世界上煤炭产量最大的国家，也是火灾事故频发的国家。近年来由于综采放顶技术的推广应用，极大地促进了煤炭的高效率生产，带来了较大的经济效益。然而在综采的过程中，采空区内包含了大量的浮煤和空气，煤层在采空区发生缓慢氧化，导致浮煤温度升高，火灾事故发生的几率急剧升高。据不完全统计，每年我国煤矿死亡人数是其他发达国家数十倍甚至数百倍，在已开采过的220个综采工作面中发生了约180次的火灾事故。在这些火灾严重的地区，95％以上的火灾都发生在采空区。因此，实现采空区浮煤氧化状态的高效监测和预警，对于矿井的安全生产和工作人员的安全保障具有重要意义和应用价值。
针对采空区内火灾的监测，最直接有效的方法是对采空区内的温度变化情况进行实时监测，但是采空区空间范围大，蓄热区不确定，并且采空区内通常没有支护措施，顶板状况不稳定，造成了监测的不便。目前采用的监测方法是通过向采空区内打钻，将测温探头送入钻孔内监测温度。但采用这种方法监测温度不仅成本较高，而且采空区顶板条件差，环境恶劣，工人在采空区打钻的人身安全无法保障，同时不具有实时监测的能力。为此，出现了三种不同的实时采集方法：光纤测温、气体预警和无线温度监测。
光纤测温系统包括分布式光纤温度测量主机、消防电源、工控机、感温光缆、报警装置和放线装置。此种监测方法是将感温光缆一端与测量主机相连接，另一端与放线装置连接，随工作面液压支架前移而随之铺设在采空区内，通过感温光缆探测的温度数据变化情况，对采空区温度实现实时监测。这种监测方法成本很高，且感温光缆铺设过程会影响生产进度；此外，感温光缆不能避免顶板垮落可能造成的损坏和采空区积水的影响，无法精确定位高温异常点，监测准确性得不到保证。气体预警是利用真空泵抽取上隅角和采空区等处的气体到分析仪器，由气相色谱分析仪完成对标志性气体的分析，进而间接监测采空区的氧化情况。此方法的缺点是管路较长，维护成本较高，采样测定时间相对滞后，不能及时反映工作面的情况，而且工作面煤尘大，容易堵塞气体管路，造成监测系统失效，影响监测效果。煤炭自燃无线监测系统包括信号发射器和便携式接收器，信号发射器又包括间隔排布的传感器、转换器、单片机及无线收发模块。此种监测方法是在工作面采空区内间隔布置多排信号发射器，在工作面附近设置用来接收信号的便携式接收器，通过接收器获得信号发射器发出的信号来监测采空区温度。由于温度在传输过程中的衰减，此方法无法对高温点进行准确定位。
综上所述，现有技术中尚没有一种成本较低、操作方便且监测效果理想的监测方法。
发明内容
本发明目的是克服已有技术的不足之处(包括顶板垮落和积水、信号屏蔽等)，提供一种定位准确的井下采空区温度监测方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种采空区高温点无线监测方法，步骤如下：
(1)、在回采工作面回采煤体的工作过程中，背后形成了采空区，在采空区内包含散热区、氧化区和窒息区，采空区中温度采集集中在氧化区内；
(2)、在采空区的氧化区内间隔一定距离埋放一个传感器形成阵列网；
(3)、在材巷和运巷内间隔一定距离排布一个无线通信的中继节点；
(4)、采用低频通信技术通过中继节点将传感器阵列网采集到的温度及传感器位置信息传输至地面监控室；当某一节点温度超过预设值时，实现自动报警；
其中，利用高温点周围传感器阵列节点的温度变化情况以及传感器阵列距离尺寸，结合远场算法和近场算法，通过几何运算计算出火源方向角和热流传播速度v，再通过传感器阵列组根据几何运算计算出高温点的位置，根据传热微分方程和距其最近点处传感器温度、距离，以及煤炭的热传导率，进而确定高温点温度，具体算法如下：
A、远场算法
以高温点为圆心，高温点与传感器阵列网中具体传感器间的距离为r，由此，在每一个以r为半径的圆形温度波前，传感器温度信号的期望由下面公式计算可得：
Figure BDA0001588589000000041
其中，T(x,y,t)＝T(r,t)；
在高温点定位的过程中，温度传感器阵列中的n个传感器通过扫描空间中的波场，输出模拟温度信号
Figure BDA0001588589000000042
这些模拟温度信号以频率fA进行抽样，得到离散时间温度信号Tn(k)；由于离散时间温度信号包括有用信号和噪声成分，则表达为：
Tn(k)＝Sn(k)+Nn(k),n＝1.2.3.4，k∈Z……………………(1-2)
其中，Sn(k)是气流中的信号部分，Nn(k)代表热噪声和潜在的干扰；如果选取距离高温点最近的传感器作为1号传感器S1，即作为参考传感器，则有S1(k)＝S(k)，α1＝α，随着时间前进的温度波前对其它传感器的影响为Sn(k)＝αnS(k-k1n)，k1n∈Z。因此信号模型修改为
Figure BDA0001588589000000043
其中，αn是信号的衰减因子，k1n是传感器S1和Sn之间的信号时延；
由互相关函数可知：R1n(m)＝E{T1(k)Tn(k+m)},n＝2,3,4......(1-4)
考虑到传感器附近的噪声N1(K)和Nn(k)是相互独立的或至少是互不相关的，且相应的热气流信号S(k)与噪声过程Nn(k)之间也是独立的，因此上式表达为：
R1n(m)＝E{S1(k)Sn(k-k1n+m)},n＝2,3,4………………………(1-5)
可知在m＝k1n时，互相关R1n(m)取得最大值R1n(k1n)，在此基础上，计算出传感器阵列内不同传感器之间的信号时延k12、k13、k14；根据所得到的信号延迟时间，计算出气流速度v。
高温点F的平面位置为(x0、y0)，温度传感器S1位于(x1、y1)，传感器S1、S2、S3、S4呈正方形分布，边长为d，传感器S1和传感器S2的连线与传感器S1和高温点F的连线之间的夹角为火源方向角α；在r>>d(r为d的20倍以上)的远场情况下，温度波前近似于平面的假设是成立的，这使得气流矢量对波前阵的关系用下列公式表达，
v*τ12＝d*cosα………………………………………………..(1-6)解上式，可得：
Figure BDA0001588589000000051
B、近场算法
高温点F的平面位置为(x0、y0)，温度传感器S1位于(x1、y1)，传感器S1、S2、S3、S4呈正方形分布，边长为d，利用几何关系，列式可求得r和θ；由(x0、y0)、S1、S2组成的三角形中，推导出近场高温点定位角αnear和其补角θ的关系式，由式可知，只需求出补角θ，即可求出近场高温点定位角αnear；同时，在火源点、S1分别与S2、S3、S4组成的三个三角形中，根据三角关系式，列出三个关于θ的关系式如下：
Figure BDA0001588589000000052
Figure BDA0001588589000000061
Figure BDA0001588589000000062
其中，
Figure BDA0001588589000000063
为热气流从传感器S1分别到传感器S2、S3、S4所需的渡越时间，k12、k13、k14在远场算法中进行求解得到；|v|在远场算法中进行求解得到；r是高温点(x0、y0)与传感器S1之间的距离，也是待求的未知量；d是传感器之间的距离，为已知量，由此三个公式，解出r、θ；
由式(1-14)-式(1-16)，可得：
Figure BDA0001588589000000064
由式(1-15)+式(1-17)，可得：
Figure BDA0001588589000000065
解出：
Figure BDA0001588589000000066
将式(1-19)，代入式(1-15)，可得：
Figure BDA0001588589000000067
将式(1-19)，代入式(1-16)，可得：
Figure BDA0001588589000000068
将(1-21)/(1-20)，可推出高温点定位角的补角θ：
Figure BDA0001588589000000071
C、火源温度确定
在确定了高温点位置之后，根据距其最近点处传感器温度以及两者距离，以及煤炭的热传导率，经计算可确定高温点温度；
其计算微分方程为：
Figure BDA0001588589000000072
初始条件：τ＝0，0≤x≤∞，t＝t0
解得：
Figure BDA0001588589000000073
t0是初始温度，tw是待测点温度，t为某时刻τ的温度值，a为松散煤体的热扩散系数，x为距离(即公式(1-19)中计算得到的r)，τ为时间；
(5)、地面监控室工作界面对氧化区内传感器的每天信号采集次数进行默认值设置，若在某一时段，温度信号波动频繁且范围较大，则自动增加采集次数。
总之，本发明所述的采空区温度监测方法，其基本构思是利用无线传感技术进行温度的实时监测。在采空区间隔一定距离埋放传感器形成传感器阵列，在巷道内设置一定数量的无线传输中继节点，通过低频无线传输技术将传感节点采集到的温度信息及传感节点本身的位置信息发送到地面的监控中心。为了防止顶板坍塌和积水对传感器件造成损坏，传感器件采用柔性封装，同时在布放时采取预埋方式，从而降低冲击力度。另外，考虑到高温点距离传感节点件较远时，传感节点不能正确预报高温点的温度，本发明利用数学计算的方法确定高温点的准确位置和温度。
附图说明
图1表示远场火源-传感器分布示意图。
图2表示远场算法示意图。
图3表示远场火源-传感器几何模型示意图。
图4表示近场算法分布示意图。
图5表示传感器分布示意图。
图6表示通讯方式示意图，其中，左图表示点对面寻找节点图；右图表示节点回发数据图。
图中：1-煤体，2-采空区，3-材巷，4-运巷，5-回采工作面，6-散热区，7-氧化区，8-窒息区，9-中继节点，10-(具有柔性封装的)传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种采空区高温点无线监测方法，采用无线传感器阵列对工作面采空区的温度进行实时监测，通过低频通信技术将监测数据传输到地面监控中心，当某一传感器节点温度超过预设值时，实现将自动报警。同时，结合数学反演方法对远离传感器的高温点进行分析和定位，从而扩大单个传感器的监测范围。高温点即为疑似的火源点，通过对高温点位置和温度的准确监测，保证井下安全生产。
具体步骤如下：
(1)、如图5所示，在回采工作面5回采煤体1的工作过程中，背后形成了采空区2，在采空区2内包含散热区6、氧化区7和窒息区8，采空区中温度采集集中在氧化区7内。
(2)、如图5所示，在采空区2的氧化区7内间隔10m埋放一个传感器10，形成传感器监测阵列网，并对每个传感器节点进行编号；传感器采用柔性防水封装工艺，减少顶板冒顶和积水带来的损坏，避免工作面顶板垮落造成破坏，同时消除采空区积水对电路系统的破坏，起到了良好的保护作用。
(3)、在巷道(材料巷道3和运输巷道4)内，间隔200m布置一个无线通信中继节点9，用于无线信号传输。当监测区域某点温度出现波动时，相应位置传感器通过无线发送方式将该点温度信息及编号传回至地面控制中心，监控中心便可显示高温点出现的位置。另外，考虑到井下环境恶劣，为了保证信号传输通畅，无线通信采用低频通信(如433MHz、315Hz等)。
(4)、采用低频通信技术通过中继节点9将传感器阵列网采集到的温度及传感器位置信息传输至地面监控室；当某一节点温度超过预设值时，实现自动报警；
当某一传感器节点由于传输距离太远或信号屏蔽等原因，无法直接与巷道的中继节点进行直接通信时，数据将通过该传感器节点周围的其他传感器节点传输至中继节点，实现无线信号的多级跳通信，避免监测数据的丢失。具体通讯方式如下(如图6所示)：传感器节点内置的发射模块同时具备点对点传输模式和点对面广播模式，在中继节点未接收到某一传感器节点的数据后，会以广播模式将未收到传感节点所在的坐标位置以及重新发送指令发出，其余传感器节点在接收到该广播数据后，会与自身坐标比对并将自身坐标与接收到的数据融合，继续以点对面广播模式进行转发，直至该传感器节点接收到重发指令后，分析数据包内的数据并计算最优路径，随后以点对点的方式，从最优路径进行传输数据。
当高温点距离传感器节点较远时，预设的报警温度阈值低于高温点的实际温度，此时若仍按预设的温度阈值进行预警监测，则很可能出现安全事故。本方案将利用高温点周围传感器阵列节点的温度变化情况以及传感器阵列距离尺寸，结合远场算法和近场算法,通过几何运算计算出火源方向角和热流传播速度v；再通过传感器阵列组根据几何运算计算出着火点的位置，根据传热微分方程和距其最近点处传感器温度、距离，以及煤炭的热传导率，进而确定高温点温度。
具体算法如下：
A、远场算法
将每一个圆环代表具有相同温度的波前，这样就通过温度波前把高温点定位由三维空间减化为二维平面问题的求解，如图1所示。以高温点为圆心，高温点与传感器阵列网中具体传感器间的距离为r，由此，在每一个以r为半径的圆形温度波前，传感器温度信号的期望由下面公式计算可得：
Figure BDA0001588589000000101
其中，T(x,y,t)＝T(r,t)，这是由于高温点发生时烟、温热气流是以圆形向四周扩散的，因而仅是时间和高温点定位距离的函数。由于传感器阵列的位置是已知条件，而且在每一个确定的高温点情况下，高温点的位置不会发生跳变，因而温度波前从火源中心点到达传感器阵列的距离是常数。由此可知，温度函数仅是时间的函数。在热气流速度匀速一定的情况下，如果能够求出温度波前到达各传感器的延迟时间，由于传感器阵列的几何尺寸已知，通过几何运算就可以确定火源方向。
在高温点定位的过程中，温度传感器阵列中的n个传感器通过扫描空间中的波场，输出模拟温度信号
Figure BDA0001588589000000112
这些模拟温度信号以频率fA进行抽样，得到离散时间温度信号Tn(k)。由于离散时间温度信号包括有用信号和噪声成分，则表达为：
Tn(k)＝Sn(k)+Nn(k),n＝1.2.3.4，k∈Z……………………(1-2)
其中，Sn(k)是气流中的信号部分，Nn(k)代表热噪声和潜在的干扰；如果选取距离高温点最近的传感器作为1号传感器S1，即作为参考传感器，则有S1(k)＝S(k)，α1＝α，随着时间前进的温度波前对其它传感器的影响为Sn(k)＝αnS(k-k1n)，k1n∈Z。因此信号模型修改为
Figure BDA0001588589000000111
其中，αn是信号的衰减因子，k1n是传感器S1和Sn之间的信号时延；
由互相关函数可知：R1n(m)＝E{T1(k)Tn(k+m)},n＝2,3,4......(1-4)
考虑到传感器附近的噪声N1(K)和Nn(k)是相互独立的或至少是互不相关的，且相应的热气流信号S(k)与噪声过程Nn(k)之间也是独立的，因此上式表达为：
R1n(m)＝E{S1(k)Sn(k-k1n+m)},n＝2,3,4………………………(1-5)
可知在m＝k1n时，互相关R1n(m)取得最大值R1n(k1n)，在此基础上，计算出传感器阵列内不同传感器之间的信号时延k12、k13、k14；根据所得到的信号延迟时间，计算出火源点方向角α和气流速度v。
如图2所示，高温点F的平面位置为(x0、y0)，温度传感器S1位于(x1、y1)，传感器S1、S2、S3、S4呈正方形分布，边长为d，传感器S1和传感器S2的连线与传感器S1和高温点F的连线之间的夹角为火源点方向角α；在r>>d的远场情况下，温度波前近似于平面的假设是成立的，这使得气流矢量对波前阵的关系用下列公式表达，
v*τ12＝d*cosα………………………………………………..(1-6)
v*τ13＝d*sinα………………………………………………………………(4-7)
Figure BDA0001588589000000121
解上式，可得：
Figure BDA0001588589000000122
Figure BDA0001588589000000123
考虑到算法的健壮性及减少误差的目的，应该尽可能多的利用已有的硬件资源所提供的数据信息。在图中，还可以观察到，温度波前依次通传感器S1、S3、S2、S4。由此，可以分别计算S1与S4、S2与S4、S3与S4以及S2与S3之间的渡越时间在不同的关系式里求出更多的关于火源方位角和热流速度的解。当获得了多组火源位置角和热流速度的解后，可以得到火源的平均方向角和热流平均速度。
在获取高温点方位角α后，可以开始进行高温点定位的计算了。考虑到起火点半径的计算，使用一个传感器阵列进行远距离的估计是很困难的，很难保障估计误差在一个可以容忍的范围内。因而，通过两组传感器阵列来确定火源点是更为直接而简便的方法。
根据图3中的三角形，可以列出两个三角关系式，求解出高温点半径r1，r2：
r1 sinα1＝r2 sinα2……………………………………………(1-9)
r1 cosα1+r2 cosα2＝l……………………………………………(1-10)
其中，r1，r2为高温点距离传感器阵列1和传感器阵列2的距离，是待求解的未知量；α1，α2分别为传感器阵列1和传感器阵列2的高温点方位角，已从前面的推导公式求出；l为两个传感器阵列之间的距离，为已知量，它是在两个传感器阵列安装时就已经设计好的固定值。根据r1和α1以及传感器阵列1的坐标，可以求出高温点的坐标(x0(k),y0(k))，以及相应的定位误差。
Figure BDA0001588589000000131
Figure BDA0001588589000000132
Figure BDA0001588589000000133
由远场算法的高温点定位原理的描述，可以分析得知：将温度波前近似为平面波的前提条件，只有在火源点与温度传感器阵列两者之间的距离r远远大于阵列内部传感器之间的距离时才能成立。这说明当高温点接近温度传感器阵列时，上述假设条件失效，温度波前不再是平面波，这使得基于平面波的推导公式不再适用于近场情况下的高温点定位要求。因而，使用近场算法进行高温点定位的方法尤为必要。
B、近场算法
基于近场算法的定位原理不再强调高温点与传感器阵列之间的距离r与传感器之间的距离的关系，即不再将热流温度波前视为平面波。近场算法考虑将温度波前看作一个标准的圆形，认为在圆形波前的每一点上温度均相等。虽然考虑到在实际情况中，肯定会有一些复杂的干扰因素如热干扰、潜流的骚动等促使波前起伏，造成温度传播前沿形状不是规则的圆形，但从统计和平均的角度来讲，可以认为温度波前类似圆形。采用圆形波前作为高温点定位前提条件的近场算法可以对距离传感器阵列远与近的火源点均能做出良好的估计，这使得高温点定位估计与高温点和传感器阵列的之间的位置不再紧密相关，克服了远场算法在这方面的缺限。
在近场算法中，由于采用了不同的前提条件，使得近场算法的推导公式与远场算法有了明显的不同。温度传感器阵列与火源点形成的新的三角关系如图4所示。高温点F的平面位置为(x0、y0)，温度传感器S1位于(x1、y1)，传感器S1、S2、S3、S4呈正方形分布，边长为d，利用几何关系，列式可求得r和θ；由(x0、y0)、S1、S2组成的三角形中，推导出近场高温点定位角αnear和其补角θ的关系式，补角θ为传感器S1与高温点的连线与传感器S1和传感器S2的连线之间的夹角，高温点定位角αnear为传感器S1和传感器S2的连线和过传感器S2与传感器S1与高温点的连线相平行线之间的夹角，由式可知，只需求出补角θ，即可求出近场高温点定位角αnear；同时，在高温点、S1分别与S2、S3、S4组成的三个三角形中，根据三角关系式，列出三个关于θ的关系式如下：
Figure BDA0001588589000000151
Figure BDA0001588589000000152
Figure BDA0001588589000000153
其中，
Figure BDA0001588589000000154
为热气流从传感器S1分别到传感器S2、S3、S4所需的渡越时间，k12、k13、k14在远场算法中进行求解得到；|v|是待求的未知量；r是火源点(x0、y0)与传感器S1之间的距离，也是待求的未知量；d是传感器之间的距离，为已知量，由此三个公式，解出|v|、r、θ；
由式(1-14)-式(1-16)，可得：
Figure BDA0001588589000000155
由式(1-15)+式(1-17)，可得：
Figure BDA0001588589000000156
解出：
Figure BDA0001588589000000161
将式(1-19)，代入式(1-15)，可得：
Figure BDA0001588589000000162
将式(1-19)，代入式(1-16)，可得：
Figure BDA0001588589000000163
将(1-21)/(1-20)，可推出高温点定位角的补角θ：
Figure BDA0001588589000000164
至此，已经推导出了近场算法中的距离r和高温点定位角的补角θ的计算公式。
最终，远场与近场相结合定位高温点，如下：
分别论述了远场算法和近场算法实现高温点定位的原理后，确定了相应的计算公式。在实际的算法运用中，采取了远场算法公式与近场算法公式相结合的方法取代远场算法来计算高温点方位角。
具体过程是通过在远场高温点定位算法中应用式来计算热气流流速ν，再将其代入近场高温点定位算法的中，求解距离r和高温点方位角α。使用这种远、近场相结合的高温点定位方法可以避免只应用远场算法进行高温点定位的不利因素，也可以不用涉及在近场算法中关于热气流速度的公式推导与计算。这种方法比远场算法具有更小的高温点定位误差，是一种更为行之有效的方法。
C、火源温度确定
在确定了高温点位置之后，根据距其最近点处传感器温度以及两者距离，以及煤炭的热传导率，经计算可确定高温点温度；
其计算微分方程为：
Figure BDA0001588589000000171
初始条件：τ＝0，0≤x≤∞，t＝t0
解得：
Figure BDA0001588589000000172
t0是初始温度，tw是待测点温度，t为某时刻τ的温度值，a为松散煤体的热扩散系数，x为距离(即公式(1-19)中计算得到的r)，τ为时间。
(5)、地面监控室工作界面对氧化区7内传感器的每天信号采集次数进行默认值设置(监控室的工作界面设置每天采集次数为3次)，若在某一时段，温度信号波动频繁且范围较大，则自动增加采集次数。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。

Claims (3)

1.一种采空区高温点无线监测方法，其特征在于：步骤如下：
(Ⅰ)、在回采工作面(5)回采煤体(1)的工作过程中，背后形成了采空区(2)，在采空区(2)内包含散热区(6)、氧化区(7)和窒息区(8)，采空区中温度采集集中在氧化区(7)内；
(Ⅱ)、在采空区(2)的氧化区(7)内间隔一定距离埋放一个传感器(10)形成阵列网；
(Ⅲ)、在材巷(3)和运巷(4)内间隔一定距离排布一个无线通信中继节点(9)；
(Ⅳ)、采用低频通信技术通过中继节点(9)将传感器阵列网采集到的温度及传感器位置信息传输至地面监控室；当某一节点温度超过预设值时，实现自动报警；
其中，利用高温点周围传感器阵列节点的温度变化情况以及传感器阵列距离尺寸，结合远场算法和近场算法，通过几何运算计算出火源方向角和热流传播速度v，再通过传感器阵列组根据几何运算计算出高温点的位置，根据传热微分方程和距其最近点处传感器温度、距离，以及煤炭的热传导率，进而确定高温点温度，具体算法如下：
A、远场算法
以高温点为圆心，高温点与传感器阵列网中具体传感器间的距离为r，由此，在每一个以r为半径的圆形温度波前，传感器温度信号的期望由下面公式计算可得：
Figure FDA0002330368270000011
其中，T(x,y,t)＝T(r,t)；
在高温点定位的过程中，温度传感器阵列中的n个传感器通过扫描空间中的波场，输出模拟温度信号
Figure FDA0002330368270000021
这些模拟温度信号以频率fA进行抽样，得到离散时间温度信号Tn(k)；由于离散时间温度信号包括有用信号和噪声成分，则表达为：
Tn(k)＝Sn(k)+Nn(k),n＝1.2.3.4，k∈Z……………………(1-2)
其中，Sn(k)是气流中的信号部分，Nn(k)代表热噪声和潜在的干扰；如果选取距离高温点最近的传感器作为1号传感器S1，即作为参考传感器，则有S1(k)＝S(k)，a1＝a，随着时间前进的温度波前对其它传感器的影响为Sn(k)＝anS(k-k1n)，k1n∈Z；因此信号模型修改为
Figure FDA0002330368270000022
其中，an是信号的衰减因子，k1n是传感器S1和Sn之间的信号时延；
由互相关函数可知：R1n(m)＝E{T1(k)Tn(k+m)},n＝2,3,4......(1-4)
考虑到传感器附近的噪声N1(K)和Nn(k)是相互独立的或至少是互不相关的，且相应的热气流信号S(k)与噪声过程Nn(k)之间也是独立的，因此上式表达为：
R1n(m)＝E{S1(k)Sn(k-k1n+m)},n＝2,3,4........................(1-5)
可知在m＝k1n时，互相关R1n(m)取得最大值R1n(k1n)，在此基础上，计算出传感器阵列内不同传感器之间的信号时延k12、k13、k14；根据所得到的信号延迟时间，计算出气流速度v；
高温点F的平面位置为(x0、y0)，温度传感器S1位于(x1、y1)，传感器S1、S2、S3、S4呈正方形分布，边长为d，传感器S1和传感器S2的连线与传感器S1和高温点F的连线之间的夹角为火源方向角α；在r>>d的远场情况下，温度波前近似于平面的假设是成立的，这使得气流矢量对波前阵的关系用下列公式表达，
v*τ12＝d*cosα........................................................(1-6)
解上式，可得：
Figure FDA0002330368270000031
B、近场算法
高温点F的平面位置为(x0、y0)，温度传感器S1位于(x1、y1)，传感器S1、S2、S3、S4呈正方形分布，边长为d，
利用几何关系，列式可求得r和θ；由(x0、y0)、S1、S2组成的三角形中，推导出近场高温点定位角αnear和其补角θ的关系式，由式可知，只需求出角θ，即可求出近场高温点定位角αnear；同时，在火源点、S1分别与S2、S3、S4组成的三个三角形中，根据三角关系式，列出三个关于θ的关系式如下：
Figure FDA0002330368270000032
Figure FDA0002330368270000033
Figure FDA0002330368270000034
其中，
Figure FDA0002330368270000035
为热气流从传感器S1分别到传感器S2、S3、S4所需的渡越时间，k12、k13、k14在远场算法中进行求解得到；|v|在远场算法中进行求解得到；r是高温点(x0、y0)与传感器S1之间的距离，也是待求的未知量；d是传感器之间的距离，为已知量，由此三个公式，解出r、θ；
由式(1-14)-式(1-16)，可得：
Figure FDA0002330368270000041
由式(1-15)+式(1-17)，可得：
Figure FDA0002330368270000042
解出：
Figure FDA0002330368270000043
将式(1-19)，代入式(1-15)，可得：
Figure FDA0002330368270000044
将式(1-19)，代入式(1-16)，可得：
Figure FDA0002330368270000045
将(1-21)/(1-20)，可推出高温点定位角的补角θ：
Figure FDA0002330368270000046
C、火源温度确定
在确定了高温点位置之后，根据距其最近点处传感器温度以及两者距离，以及煤炭的热传导率，经计算可确定高温点温度；
其计算微分方程为：
Figure FDA0002330368270000051
初始条件：τ＝0，0≤R≤∞，t＝t0
解得：
Figure FDA0002330368270000052
t0是初始温度，tw是待测点温度，t为某时刻τ的温度值，a为松散煤体的热扩散系数，R为距离，τ为时间；
(Ⅴ)、地面监控室工作界面对氧化区(7)内传感器的每天信号采集次数进行默认值设置，若在某一时段，温度信号波动频繁且范围较大，则自动增加采集次数。
2.根据权利要求1所述的采空区高温点无线监测方法，其特征在于：步骤(Ⅳ)中，由于传输距离太远或信号屏蔽原因使某个传感器无法直接与巷道的中继节点直接通信时，数据将通过周围传感器节点传输至中继节点，实现无线信号的多级跳通信，避免监测数据的丢失；
通讯方式如下：传感器节点内置的发射模块同时具备点对点传输模式和点对面广播模式，在中继节点未接收到某一传感器节点的数据后，会以广播模式将未收到传感器节点所在的坐标位置以及重新发送指令发出，其余传感器节点在接收到该广播数据后，会与自身坐标比对并将自身坐标与接收到的数据融合，继续以点对面广播模式进行转发，直至该传感器节点接收到重发指令后，分析数据包内的数据并计算最优路径，随后以点对点的方式，从最优路径进行传输数据。
3.根据权利要求1所述的采空区高温点无线监测方法，其特征在于：传感器(10)采用柔性封装处理。
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