CN109471378B - 突出煤层多物理场参数可视化采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了突出煤层多物理场参数可视化采集方法及系统，其特征在于，包括以下步骤：S1：采集传感器的数据并保存：采集并保存突出煤层中第一传感器和第二传感器的参数数据以及相对应的时间，并记录第一传感器和第二传感器相对应的空间坐标；S2：对采集的数据进行处理：对采集的参数数据进行噪声去除、物理值计算、平面插值处理，根据已观测点的参数数据计算突出煤层未测点的参数数据；S3：将处理后的数据可视化，用于反映突出煤层参数的变化。通过本发明，可建立突出煤层中气压、温度等物理场参数的三维云图，实时观测突出煤层任意位置的参数变化。

Description

突出煤层多物理场参数可视化采集方法及系统

技术领域

本发明涉及煤矿井下动力灾害预测领域，特别涉及突出煤层多物理场参数可视化采集方法及系统。

背景技术

随着煤矿开采深度递增，高地应力及瓦斯气压作用下的煤与瓦斯突出危险性骤增。如何预测煤与瓦斯突出，其关键点在于煤储层中的各物理场参数的采集及呈现。煤层中的瓦斯气压作为突出煤层最重要的预测指标之一，及由其引起的温度变化作为附加因素，如何更加直观的反应整个煤层的瓦斯气压及温度变化，对于突出预测预报至关重要。

现有技术中，突出煤层瓦斯的气压及温度的采集数据可用于反映煤层的状态。但现在的采集技术中只能采集传感器分布点的数据，而传感器分布有限，不能很好地反映整个煤层的连续变化情况。

发明内容

针对现有技术中突出煤层中参数只能以点数据的形式呈现，本发明提供突出煤层多物理场参数可视化采集方法及系统，用于通过实时采集不同点的煤层数据，并经过数据处理，从而以三维云图等形式展示整个煤层的实时参数变化。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种突出煤层多物理场参数可视化采集方法，包括以下步骤：

S1：采集传感器的数据并保存；

建立突出煤层的三维空间模型，分别将第一传感器和第二传感器分布在突出煤层中作为采集点并记录采集点相对应的三维空间坐标；第一传感器和第二传感器分别采集第一数据和第二数据以及相对应的时间点并进行保存；

S2：对采集的数据进行处理；

分别对采集的第一数据和第二数据依次进行噪声去除、物理值计算处理得到采集点相对应的物理值；对采集点的物理值进行平面插值处理得到未采集点的物理值；

S3：将处理后的数据可视化，用于反映突出煤层参数的变化。

优选的，所述S2包括以下步骤：

S2-1：对数据进行噪声去除处理；

采用算术平均值滤波的方法分别对所述第一数据和所述第二数据进行噪声去除处理得到第三数据和第四数据；

S2-2：对数据进行物理值计算处理；

采用物理值计算的方法分别对第三数据和第四数据进行处理得到第五数据和第六数据，即突出煤层中第一传感器对应采集点的物理值为第五数据，第二传感器对应采集点的物理值为第六数据；

S2-3：对数据进行平面插值处理；

分别对第五数据和第六数据进行平面插值处理，用于计算未采集点的物理值，从而得到第七数据和第八数据。

优选的，所述物理值计算的公式为：

G＝kV+b (1)

公式(1)的意义是将采集到的数据换算成相对应的物理量，G表示第五数据或第六数据，k、b表示校准参数，V表示第三数据或第四数据。

优选的，所述平面插值的表达式为以下公式：

其中,W_i满足以下条件：

式中，P_j表示第一传感器未采集点j的物理参数值，N表示第一传感器已采集点的数量，P_i表示第一传感器已采集点i的物理参数值，W_i表示P_i所占的权重，d表示未采集点j到已采集点i的空间距离，u表示超参数，可将u取值为2，u值越大，插值结果的变化越平缓，(X_i，Y_i，Z_i)表示第一传感器已采集i的空间坐标，(X_j，Y_j，Z_j)表示第一传感器未采集点j的空间坐标。

优选的，所述S3中，所述可视化包括以下的一种或多种：三维云图、曲线以及表格；

所述三维云图用于显示突出煤层中任意横截面的瓦斯气压或温度变化趋势，所述曲线用于表示某个点的瓦斯气压或温度的变化趋势，所述表格用于记录所有采集点的实时数据。

优选的，本发明采用颜色由浅到深的变化来显示突出煤层中任意横截面的瓦斯气压或温度由低到高的变化。

一种突出煤层多物理场参数可视化采集系统，包括第一传感器、第二传感器、第一端口、第二端口、信号接口箱、工控机及显示器；

第一传感器通过第一端口与信号接口箱相连，第二传感器通过第二端口与信号接口箱相连，信号接口箱与工控机相连，工控机与显示器相连接；第一传感器和第二传感器采集数据信号后，分别通过第一端口和第二端口传输到信号接口箱；信号接口箱对数据信号进行处理后，发送到工控机；工控机对数据信号进行处理、分析后，发送到显示器，用于工作人员进行直观分析。

所述信号接口箱包括信号调理模块，第一端口与第一信号调理模块输入端连接，第一信号调理模块输出端与工控机连接；第二端口与第二信号调理模块输入端连接，第二信号调理模块输出端与工控机连接。

优选的，所述第一传感器和所述第二传感器分别为以下传感器中一种：温度传感器、气压传感器、应力传感器、渗透压传感器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明用于采集突出煤层中不同位置的瓦斯气压及煤层内温度数据，建立突出煤层中实时物理参数变化的三维云图，并可通过点、线、面的形式展现，便于工作人员对突出煤层中参数的变化进行直观地分析。

附图说明：

图1为根据本发明示例性实施例的突出煤层多物理场参数可视化采集系统示意图。

图2为根据本发明示例性实施例的突出煤层多物理场参数可视化采集方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

图1为本发明示例性实施例的煤层参数采集系统示意图。本发明提供一种煤层参数采集系统，用于采集煤层中瓦斯的气压和温度分布数据，包括第一传感器10、第二传感器11、第一端口12、第二端口13、信号接口箱14、工控机15及显示器16。第一传感器和所述第二传感器分别为以下传感器中一种或多种：温度传感器、气压传感器、应力传感器、渗透压传感器等，上述传感器用于检测突出煤层中物理场参数。

第一传感器10，分布在煤层的任意一个位置，例如可采用气压传感器，用于采集煤层的气压数据；其通过第一端口12与信号接口箱14相连。

第二传感器11，分布在煤层的任意一个位置，例如可采用温度传感器，用于采集煤层的温度数据；其通过第二端口13与信号接口箱14相连。

信号接口箱14，用于将采集的气压数据和温度数据传输到相连的工控机15，工控机15用于对接收到的数据进行处理分析，并进行保存。

本发明可通过工控机15进行采集频率的切换，例如第一采集频率可为50Hz，用于系统短时间数据采集。例如系统采集数据的时间小于24小时；第二采集频率可为1KHz，用于系统长时间数据采集，例如系统连续采集数据的时间大于240小时。

本发明中第一端口12和第二端口13的数量分别为48个和16个，且能根据采集数据的需求进行端口数量的调整；每个第一端口连接一个第一传感器，每个第二端口连接一个第二传感器。

显示器16与工控机15连接，用于将采集的数据可视化。

本实施例中，本发明提供的一种煤层参数采集系统还包括信号调理模块，用于对采集的数据信号进行调理，使其转换成工控机15可识别的信号。第一端口12与第一信号调理模块的输入端连接，第一信号调理模块的输出端与工控机15连接；第二端口13与第二信号调理模块的输入端连接，第二信号调理模块的输出端与工控机15连接；本发明中每个端口均分别与独立的信号调理模块连接，用于提高信号处理的效率和防止信号之间的相互干扰。

本发明的信号调理模块为前级毫伏级正负双极性信号输入，后级正负双极性信号输出的有源信号隔离模块，模块内部嵌入了一个高效微功率电源，可以对信号调理模块供电。该信号调理模块的输入端、输出端以及电源相互隔离，用于承受更高的电压，例如可承受高达2.5KVDC的耐压；模块内部可采用电磁隔离以保障信号调理模块具有更好的温漂特性和线性度。

工控机中还包括数据传输模块和数据管理模块；工控机通过数据传输模块中的UDP协议向指定IP和端口定时发送传感器采集的数据，用于远程查看，提高工作效率；通过数据管理模块将传感器数据导出Excel文件，用于后续处理。

参考图1和图2，本发明具体包括以下步骤：

S1：采集传感器的数据并保存。

本发明中，建立突出煤层的三维空间模型(X轴、Y轴、Z轴)，用于将传感器的空间位置标记，并直观地显示传感器采集数据的变化状态，以便工作人员进行分析。

本发明将第一传感器10和第二传感器11随机分布在突出煤层中，并记录下第一传感器10的空间坐标U(X，Y，Z)和第二传感器11的空间坐标U^*(X^*，Y^*，Z^*)。第一传感器10和第二传感器11的空间分布位置可以是相同，也可以是不同。

本发明采用第一传感器10和第二传感器11，分别用于采集煤层中瓦斯的气压电压值V_压和温度电压值V_温，第一传感器10为气压传感器且数量可为48个，第二传感器11为温度传感器且数量可为16个。第一传感器10将采集到的第一数据(即气压电压值V_压)通过第一端口12传送到信号接口箱14，第二传感器11将采集到的第二数据(即温度电压值V_温)通过第二端口13传送到信号接口箱14；信号接口箱14将接收到的第一数据和第二数据传输到工控机15上进行处理和保存。

本实施例中，本发明中传感器在采集突出煤层参数(第一数据和第二数据)的同时记录数据采集相对应的时间点，用于实时显示数据的变化以及数据采集时间的追溯。

S2:对采集的数据进行处理。

S2-1：对数据进行噪声去除。

本发明第一数据和第二数据中包含有许多的噪声，例如电源噪声、交流分量，因此本发明需对第一数据和第二数据进行噪声去除，从而得到相应的第三数据(即气压电压值

)和第四数据(即温度电压值

)。本发明可采用算术平均值滤波的方法对数据进行噪声去除。

S2-2：物理值计算。

本发明通过物理值计算，将采集到的电压值换算成相对应的物理量，例如第三数据对应的物理量为气压P(第五数据)，第四数据对应的物理量为温度T(第六数据)。

物理值计算的表达式为以下公式：

G＝kV+b(1)

公式(1)的意义是将采集的数据换算成相对应的物理值，G表示物理量(第五数据或第六数据)，k、b表示校准参数，V表示电压值(第三数据或第四数据)。

S2-3：对数据进行平面插值处理，以建立三维云图模型。

本发明中第一传感器10和第二传感器11分布在突出煤层的任意一点，第五数据和第六数据只是表示该分布点(已观测点)的状态(气压和温度)，因此需对第五数据和第六数据分别进行平面插值处理，计算其它未测点的数值(气压和温度)，用于建立三维云图模型，便于工作人员直观分析。

第一传感器10分布的空间坐标集合为U＝{U₁,U₂,...U_n}，U_n表示第n个第一传感器的空间坐标；则相对应的第五数据集合为P＝{P₁,P₂,...P_n}，P_n表示第n个第一传感器分布点的气压，n≥1且为正整数。

第二传感器11分布的空间坐标集合为

表示第m个第二传感器的空间坐标；则相对应的第六数据集合为T＝{T₁,T₂,…T_m}，T_m表示第m个第二传感器分布点的温度，m≥1且为正整数。

本发明需建立气压三维云图模型，因此需对第五数据进行平面插值处理，对已观测点的气压赋予相应的权重，距离未测点较近的已观测点的气压被赋予大的权重，距离未测点较远的已观测点的气压被赋予较小权重。例如已观测点i的空间坐标U_i为(X_i，Y_i，Z_i)，其第五数据为P_i；未测点j的空间坐标U_j为(X_j，Y_j，Z_j),第七数据为P_j；则可根据平面插值表达式计算P_j。

第五数据平面插值表达式为以下公式：

其中,W_i满足以下条件：

公式(2)、(3)、(4)、(5)中，P_j表示第一传感器未测点j的值，N表示第一传感器已观测点的数量，P_i表示第一传感器已观测点i的值，W_i表示P_i所占的权重，d表示未测点j到已观测点i的空间距离，u表示超参数，可将u取值为2，u值越大，插值结果的变化越平缓。

同理，本发明需建立温度三维云图模型，因此需对第六数据进行平面插值处理，对已观测点的温度赋予相应的权重，距离未测点较近的已观测点的温度被赋予大的权重，距离未测点较远的已观测点的温度被赋予较小权重。例如已观测点e的空间坐标

为

其第六数据为T_e；未测点f的空间坐标

为

第八数据为T_f；则可根据平面插值表达式计算T_f。

第六数据平面插值表达式为以下公式：

其中,W_e满足以下条件：

公式(6)、(7)、(8)、(9)中，T_f表示第二传感器未测点f的值，M表示第二传感器已观测点的数量，T_e表示第二传感器已观测点e的值，W_e表示T_e所占的权重，d^*表示未测点f到已观测点e的空间距离，u表示超参数，可将u取值为2，u值越大，插值结果的变化越平缓。

S3:将处理后的数据可视化。

本实施例中，本发明可通过三维绘图软件将处理后的数据(第五数据和第七数据相结合或第六数据和第八数据相结合)进行汇总分析，建立关于瓦斯气压或温度的三维云图模型并在显示器上显示，用于表示任意横截面的气压或温度变化；本实施例中采用颜色由浅到深的变化来表示瓦斯气压或温度的变化，例如用红色来表示温度的变化，浅红色区域表示的温度小于深红色区域表示的温度，更有利于工作人员进行直观地分析。

本实施例中，本发明可实时采集突出煤层中单独一个传感器分布点的数据，经过数据处理，绘制成曲线显示在显示器上，用于表示突出煤层中某个点的瓦斯气压或温度的连续变化。

本实施例中，所有传感器采集的数据可采用表格的形式保存在工控机上，用于工作人员查询。例如工作人员在显示器上可看到第一个第一传感器是否处于工作状态，采集数据的物理值以及相对应的时间点。

Claims (7)

1.突出煤层多物理场参数可视化采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采集传感器的数据并保存；

建立突出煤层的三维空间模型，分别将第一传感器和第二传感器分布在突出煤层中作为采集点并记录采集点相对应的三维空间坐标；第一传感器和第二传感器分别采集第一数据和第二数据以及相对应的时间点并进行保存；

S2：对采集的数据进行处理；

分别对采集的第一数据和第二数据依次进行噪声去除、物理值计算处理得到采集点相对应的物理值；对采集点的物理值进行平面插值处理得到未采集点的物理值；

所述平面插值的表达式为以下公式：

其中,W_i满足以下条件：

式中，P_j表示第一传感器未采集点j的物理参数值，N表示第一传感器已采集点的数量，P_i表示第一传感器已采集点i的物理参数值，W_i表示P_i所占的权重，d表示未采集点j到已采集点i的空间距离，u表示超参数，u值越大，插值结果的变化越平缓，(X_i，Y_i，Z_i)表示第一传感器已采集i的空间坐标，(X_j，Y_j，Z_j)表示第一传感器未采集点j的空间坐标；

S3：将处理后的数据可视化，用于反映突出煤层参数的变化。

2.如权利要求1所述的突出煤层多物理场参数可视化采集方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：

S2-1：对数据进行噪声去除处理；

采用算术平均值滤波的方法分别对所述第一数据和所述第二数据进行噪声去除处理得到第三数据和第四数据；

S2-2：对数据进行物理值计算处理；

采用物理值计算的方法分别对第三数据和第四数据进行处理得到第五数据和第六数据，即突出煤层中第一传感器对应采集点的物理值为第五数据，第二传感器对应采集点的物理值为第六数据；

S2-3：对数据进行平面插值处理；

分别对第五数据和第六数据进行平面插值处理，用于计算未采集点的物理值，从而得到第七数据和第八数据。

3.如权利要求2所述的突出煤层多物理场参数可视化采集方法，其特征在于，所述物理值计算的公式为：

G＝kV+b (1)

公式(1)的意义是将采集到的数据换算成相对应的物理量，G表示第五数据或第六数据，k、b表示校准参数，V表示第三数据或第四数据。

4.如权利要求1所述的突出煤层多物理场参数可视化采集方法，其特征在于，所述S3中，所述可视化包括以下的一种或多种：三维云图、曲线以及表格；

所述三维云图用于显示突出煤层中任意横截面的瓦斯气压或温度变化趋势，所述曲线用于表示某个点的瓦斯气压或温度的变化趋势，所述表格用于记录所有采集点的实时数据。

5.如权利要求4所述的突出煤层多物理场参数可视化采集方法，其特征在于，三维云图采用颜色由浅到深变化来显示任意横截面的瓦斯气压或温度由低到高的变化。

6.突出煤层多物理场参数可视化采集系统，其特征在于，包括第一传感器、第二传感器、第一端口、第二端口、信号接口箱、工控机及显示器；

第一传感器通过第一端口与信号接口箱相连，第二传感器通过第二端口与信号接口箱相连，信号接口箱与工控机相连，工控机与显示器相连接；第一传感器和第二传感器采集数据信号后，分别通过第一端口和第二端口传输到信号接口箱；信号接口箱对数据信号进行处理后，发送到工控机；工控机对数据信号进行处理、分析后，发送到显示器，用于工作人员进行直观分析；

所述信号接口箱包括信号调理模块，第一端口与第一信号调理模块输入端连接，第一信号调理模块输出端与工控机连接；第二端口与第二信号调理模块输入端连接，第二信号调理模块输出端与工控机连接；

所述工控机还用于切换采集的频率，以适应不同时长的数据采集。

7.如权利要求6所述的突出煤层多物理场参数可视化采集系统，其特征在于，所述第一传感器和所述第二传感器分别为以下传感器中一种或多种：温度传感器、气压传感器、应力传感器、渗透压传感器。

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