CN109826663B - 一种矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统及方法，该系统包含地面远程监控中心、工业以太网通信系统、风烟流智能调节装置、井下分布式区域联动监控系统。通信正常时通过地面远程指令实现风烟流区域联动与智能调控，通信异常时采用多元因子交叉研判技术，通过站点间通信状态、远程指令、温度、烟雾、风烟流组分中CH4、CO、O2浓度等多元信息的交叉感知与态势研判。运用决策树学习方法，建立多元因子树形模型，通过区域监测信息的数据挖掘与多因子交叉分析研判，实现自主决策型的灾变风烟流区域联动与智能调控。通过实时监测监控通风参数及环境参数并实现整个通风系统的智能化调控，可以有效防治各类通风异常导致的灾害事故。
Description
技术领域
本发明属于煤矿灾变风烟流区域联动监控领域，尤其涉及一种矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统及方法。
背景技术
煤炭是我国的主要能源，伴随着近年煤炭资源的大量开采，深部开采已成为煤炭行业发展的必然趋势，同时在深部开采中各类安全问题的防治则成为矿井管理工作的难点和重点所在。矿井通风系统抗灾变能力是指系统在排放瓦斯、防灭火、降温、救灾等方面具有的综合能力,以及是否具有可靠的通风系统、独立的安全出口、避灾路线以及其它安全措施。但是，我国矿井灾变通风分布式自动化系统目前还经验不足，灾变应急救援体系建设不完善，智能调控系统依旧缺乏一定的成熟性，事故发生后无法得到有效的控制，将会导致重特大事故的发生，影响矿井安全生产。近年来矿井最主要的灾害当属煤矿热动力灾害，统计结果表明，煤矿热动力灾害火灾重特大伤亡事故中，大量遇难人员受灾变气体的窒息、毒害作用致死，这与矿井风烟流的合理调控密不可分。矿井地下受限空间本身就不宜逃生，加上复杂的矿井风网结构，致使人员心理恐慌，增加逃生难度。现有研究成果对矿井风烟流自动调控、灾变风烟流区域联动协同性等基础理论仍不清楚，且缺乏对矿井灾变风烟流的控制机理及区域联动装置的配置方法的深入理论指导，无法满足我国矿井灾变应急救援模式的迫切需要。
因此，矿井灾变通风分布式区域联动智能调控系统应急救援机理研究势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统及方法，对区域灾情进行联动控制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统，包含地面远程监控中心、工业以太网通信系统、风烟流智能调节装置、井下分布式区域联动监控系统；
其中，地面远程监控中心用于实时监控井下的风烟流智能调节装置的状态，井下区域风烟流信息；灾变发生后通过服务器计算平台快速研判灾情，显示最佳的区域联动控制风烟流方案，通过一键式触发按钮实现井下风烟流的区域联动；
工业以太网通信系统，用于将获取的风烟流智能调节装置的状态、通风设施状态、区域风流组分浓度、烟气含量参数传递给地面远程监控中心，同时将地面监控中心的控制指令传输给风烟流智能调节装置；
风烟流智能调节装置，常态下实时监控区域环境参数和通风设施的状态，异常状态下实现风烟流的区域联动控制；
井下分布式区域联动监控系统，通过分析井下某个区域的重点灾害的致灾机理与灾变风烟流的控制方案，确定实现风烟流区域联动的关键调风地点，分布式监控站点和通风环境参数交叉感知模块组成井下分布式区域联动监控系统。
进一步地，所述地面远程监控中心包含PLC监控中心站、以太网通信模块、通风参数与调控设施状态显示终端、决策平台和服务器；
PLC监控中心站，用于对接与处理多个分布式监控站点，参数信号与风烟流调节装置传来的信号，进行监控参数预处理，远程控制指令分发；
以太网通信模块，用于地面远程监控中心与工业以太网通信系统的数据传输，将信息及时传达给决策平台；
通风参数与调控设施状态显示终端，用于实时显示煤矿风网通风组分参数与通风设施状态；
决策平台，用于对井下通风参数与调控设施状态采集信息的统计分析，通过数据深度挖掘，提出灾变风烟流的综合性区域联动方案，引导救灾人员决策指挥；
服务器，用于井下采集信息的存储、分析、挖掘、显示，决策平台的安装运行，后台运算处理，决策指令分发，地面监控中心站互动等，为用户提供服务。
进一步地，所述风烟流智能调节装置包含通风设施控制模块、可连续调节的通风设施、灾变备用动力源及自动切换模块；
通风设施控制模块，用于实现井下灾变区域联动控制点通风设施的状态监测与智能调控；
可连续调节的通风设施，用于井下灾变区域联动控制分支风烟流量的连续调节与控制，为区域风烟流的精确调节提供保障；
灾变备用动力源及自动切换模块，用于井下发生灾变后，电力与压风停掉后，系统为了实现区域联动控制，自动切换到备用电源和压气瓶保持预定功能。
进一步地，所述井下分布式区域联动监控系统包括分布式监控站点、通风环境参数交叉感知模块；
分布式监控站点，按照灾变风烟流区域联动控制方案在关键调控分支中部署，用于实时监测感知井下通风状态与异常信息，通信正常状态下接受远程指令，通信异常时能够实现自主决策，实现灾变区域风烟流的区域联动与智能调控；
通风环境参数交叉感知模块，用于实时监测井下通风环境参数的变化规律与异常信息的研判，所述通风环境参数包括风速、温度、风烟流中CH4浓度、CO浓度、O2浓度，以及灾变易发地点的烟雾。
本发明还提供基于上述矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统的调控方法，具体包含如下步骤：
步骤1，通过井下分布式区域联动监控站点实时监测拟定区域通风网络分支的通风参数、环境参数、通风设施状态，并通过工业以太网通信系统传输给地面远程监控中心；
步骤2，当井下分布式区域联动监控站点监测到井下风烟流信息或者其他显著灾害异常时，迅速将异常传输至地面远程监控中心，并发出报警，根据以太网通讯是否正常分配实施对应的调控方法：
当矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统的以太网通信正常时，地面远程监控中心将井下异常分支的通风环境参数进行数据分析与深度挖掘；将关键信息输入地面监控中心决策平台，自动生成灾变风烟流的综合性区域联动与智能调控方案；同时，服务器终端显示综合性决策方案的细节内容，并提供“一键式”的远程区域联动与智能调控服务；通过地面远程监控中心下达应急决策命令后，矿井风烟流智能调节装置开始执行动作，并实时反馈井下灾变风烟流受控后的通风环境参数和通风设施状态；同时，根据关键分支的需风量要求，对灾变区域的风烟流进行智能调节，达到最佳的风烟流控制效果，通过监测灾区风烟流的通风环境参数及通风设施状态，实现井下灾变风烟流区域联动与智能调控的可视化；
当矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统的以太网通信异常时，将监控分站内部和故障预测与健康管理(PHM)技术相融合，运用预计、监测、诊断、预测流程保障监控分站内部各组件的协同可靠工作，实现装备运行状态的修复、自主式保障、异常感知与响应；分站间发展机器学习、超高容错技术，通过定义异常问题、预处理感知数据、融合超高容错信息，结合站点间通信状态、温度、烟雾、风烟流组分中CH4浓度、CO浓度、O2浓度等信息的交叉感知，实现分布式站点协同区域联动的自主分析与研判。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统，将多个领域知识有机结合到一起，实现通风异常时期的风网智能化调节与统一控制；风烟流智能调节装置监控分站采用多元因子交叉研判技术，通过站点间通信状态、远程指令、温度、烟雾、风烟流组分中指标性气体浓度等多元信息的交叉感知与态势研判。运用决策树学习方法，建立多元因子树形模型，实现了可实时监测区域信息的数据。井下分布式区域联动监控系统实现自主决策型的灾变风烟流区域联动与智能调控。
2.地面监控中心会根据按照灾变风烟流区域联动控制方案在关键调控分支中部署，用于实时监测感知井下通风状态与异常信息，通信正常状态下接受远程指令，通信异常时能够实现自主决策，实现灾变区域风烟流的区域联动与智能调控。通过建设区域联动关键参数点感知测点分布模型，开发灾变通风系统远程智能调控系统，保障调节过程的安全，排除通风异常。矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统实时监测监控通风参数及环境参数并实现整个通风系统的智能化调控，可以有效防治各类通风异常导致的灾害事故。
附图说明
图1是本发明的矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统示意图。
图2是本发明的本矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统运行流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统将煤矿监测监控系统与计算机技术、PLC控制技术、风机变频调控技术、智能化软件开发等多个领域知识有机结合到一起，实现通风异常时期的风网智能化调节与控制。风烟流智能调节装置监控分站采用多元因子交叉研判技术，通过站点间通信状态、远程指令、温度、烟雾、风烟流组分中指标性气体浓度等多元信息的交叉感知与态势研判，运用决策树学习方法，建立多元因子树形模型，实现了可实时监测区域信息的数据。井下分布式区域联动监控系统实现自主决策型的灾变风烟流区域联动与智能调控。地面远程监控中心会根据按照灾变风烟流区域联动控制方案在关键调控分支中部署，用于实时监测感知井下通风状态与异常信息，通信正常状态下接受远程指令，通信异常时能够实现自主决策，实现灾变区域风烟流的区域联动与智能调控。通过建设区域联动关键参数点感知测点分布模型，开发灾变通风系统远程智能调控系统，保障调节过程的安全，排除通风异常。矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统实时监测监控通风参数及环境参数并实现整个通风系统的智能化调控，可以有效防治各类通风异常导致的灾害事故。
如图1所示，本矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统，包含地面远程监控中心、工业以太网通信系统、风烟流智能调节装置、井下分布式区域联动监控系统；
所述的地面远程监控中心包含PLC监控中心站、以太网通信模块、通风参数与调控设施状态显示终端、决策平台和服务器；其中，
所述的PLC监控中心站，用于对接与处理多个分布式监控站点，参数信号与风烟流调节装置传来的信号，进行监控参数预处理，远程控制指令分发；主要选用的PLC控制器为西门子S7-200(CPU226)模块的基本单元和其扩展模块EM223组成。通过PPI多主站电缆直接连接计算机，PPI多主站电缆选用RS-232电缆；
所述的以太网通信模块，选用S7-243与井下千兆以太网交换机连接，用于地面远程监控中心与工业以太网通信系统的数据传输，将信息及时传达给决策平台；
所述的通风参数与调控设施状态显示终端，用于实时显示煤矿风网通风组分参数与通风设施状态；
所述的决策平台，用于对井下通风参数与调控设施状态采集信息的统计分析，通过数据深度挖掘，提出灾变风烟流的综合性区域联动方案，引导救灾人员决策指挥；
所述的服务器，选用研华RICH-300B系列工控机，用于井下采集信息的存储、分析、挖掘、显示，决策平台的安装运行，后台运算处理，决策指令分发，地面监控中心站互动，为用户提供服务。
所述的工业以太网通信系统包括光纤网络和千兆以太网交换机；用于将获取的风烟流智能调节装置的状态、通风设施状态、区域风流组分浓度、烟气含量参数传递给地面远程监控中心，同时将地面监控中心的控制指令传输给风烟流智能调节装置。
所述的风烟流智能调节装置包含通风设施控制模块、可连续调节的通风设施、灾变备用动力源及自动切换模块；其中，
所述的通风设施控制模块，主要由自动风门，风窗，风硐和及其他调节设施组成，用于实现井下灾变区域联动控制点通风设施的状态监测与智能调控；
所述的可连续调节的通风设施，主要为主风机变频调节与自动反风装置，风机变频主要采用EM232模块和传递函数(PID)调节模型控制和调节风机的变频器，用于井下灾变区域联动控制分支风烟流量的连续调节与控制，为区域风烟流的精确调节提供保障；
所述的灾变备用动力源及自动切换模块，由备用电源和利用NE555施密特触发器设计的开关自动切换电路组成，用于井下发生灾变后，电力与压风停掉后，系统为了实现区域联动控制，自动切换到备用电源和压气瓶保持预定功能。
所述的井下分布式区域联动监控系统包括分布式监控站点、通风环境参数交叉感知模块，其中，所述的分布式监控站点，按照灾变风烟流区域联动控制方案在关键调控分支中部署，用于实时监测感知井下通风状态与异常信息，通信正常状态下接受远程指令，通信异常时能够实现自主决策，实现灾变区域风烟流的区域联动与智能调控；
所述的通风环境参数交叉感知模块，用于实时监测井下通风环境参数的变化规律与异常信息的研判，其包括各分支上的风速传感器、温度传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器、氧气传感器、烟雾传感器。
所述的风速传感器选用电子叶轮式风速传感器MSF-1，实现风速的自动记录和数字显示。
所述的温度传感器选用KG3007型温度传感器，采用半导体PN结为敏感元件，测温范围为-100～+100℃，灵敏度较高。
所述的甲烷传感器选用KG9701型智能低浓度甲烷传感器，能够实现就地显示甲烷浓度值、超限声光报警等。
所述的一氧化碳传感器选用CT2000X型一氧化碳报警仪，监测范围为0～2000ppm，设计简便，蜂鸣报警。
所述的氧气传感器选用GY25型矿用氧气传感器，测量范围为0～25％O2，可实现遥控与检测自动化。
所述的烟雾传感器选用KG8005型电离感烟传感器，当烟雾被吸入检测电离室时，经过电路处理识别，发出光报警，实现就地监控或遥测、遥控。
如图2所示，具体工作原理如下：
通过矿井灾变通风分布式区域联动监控装置实时监测某巷道或区域(回风巷道/采掘工作面火灾/避难硐室火灾等)通风参数、环境参数、通风设施状态，并通过工业以太网通信系统传输给地面远程监控中心，监控中心的上位机终端实时显示环境参数和通风参数。
当矿井灾变通风分布式区域联动监控装置监测到某区域风烟流信息异常时，迅速将异常传输至地面远程监控中心，并发出报警，同时根据以太网通讯是否正常分配实施对应的调控方法：
方案一：当矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统的以太网通信正常时，地面远程监控中心将区域异常分支的通风环境参数进行数据分析与深度挖掘；服务器中心运用数据库中预置的通风模型和监测的通风参数高速地进行通风网络的迭代解算与风网分支通风的安全性检验，分析确定最小余数分支，智能地将关键信息输入区域联动决策平台，自动生成灾变风烟流的综合性区域联动与智能调控方案。服务器终端显示综合性决策方案的细节内容，并提供“一键式”的远程区域联动与智能调控服务。通过地面远程监控中心下达应急决策命令后，矿井灾变通风分布式区域联动系统执行动作，并实时反馈该区域灾变风烟流受控后的通风环境参数和通风设施状态。同时，根据关键分支的需风量要求，对参数异常，信息异常的风烟流进行智能调节，达到最佳的风烟流控制效果，通过监测灾区风烟流的通风环境参数及通风设施状态，实现井下灾变风烟流区域联动与智能调控的可视化，直至风烟流状态异常排除。
方案二：当矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统的以太网通信异常(中断)时，为了保障区域联动系统的可靠性，该系统提出，将监控分站内部和故障预测与健康管理(PHM)技术相融合，运用预计、监测、诊断、预测流程保障监控分站内部各组件的协同可靠工作，实现装备运行状态的修复、自主式保障、异常感知与响应。分站间发展机器学习、超高容错技术，通过定义异常问题、预处理感知数据、融合超高容错信息，结合站点间通信状态、温度、烟雾、风烟流组分中CH4、CO、O2浓度等多元信息的交叉感知，实现分布式站点协同区域联动的自主分析与研判。井下分布式区域联动监控系统融入决策树学习方法，将深度挖掘的区域监测信息代入多元因子树形结构模型，通过区域内多元因子交叉分析与态势研判，实现自主决策型的灾变风烟流区域联动与智能调控。
Claims (5)
1.一种矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统，其特征在于，包含地面远程监控中心、工业以太网通信系统、风烟流智能调节装置、井下分布式区域联动监控系统；
其中，地面远程监控中心用于实时监控井下的风烟流智能调节装置的状态，井下区域风烟流信息；灾变发生后通过服务器计算平台快速研判灾情，显示最佳的区域联动控制风烟流方案，通过一键式触发按钮实现井下风烟流的区域联动；
工业以太网通信系统，用于将获取的风烟流智能调节装置的状态、通风设施状态、区域风流组分浓度、烟气含量参数传递给地面远程监控中心，同时将地面监控中心的控制指令传输给风烟流智能调节装置；
风烟流智能调节装置，用于常态下实时监控区域环境参数和通风设施的状态，异常状态下实现风烟流的区域联动控制；
井下分布式区域联动监控系统，通过分析井下某个区域的重点灾害的致灾机理与灾变风烟流的控制方案，确定实现风烟流区域联动的关键调风地点，分布式监控站点和通风环境参数交叉感知模块组成井下分布式区域联动监控系统。
2.根据权利要求1所述的一种矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统，其特征在于，所述地面远程监控中心包含PLC监控中心站、以太网通信模块、通风参数与调控设施状态显示终端、决策平台和服务器；
PLC监控中心站，用于对接与处理多个分布式监控站点，参数信号与风烟流调节装置传来的信号，进行监控参数预处理，远程控制指令分发；
以太网通信模块，用于地面远程监控中心与工业以太网通信系统的数据传输，将信息及时传达给决策平台；
通风参数与调控设施状态显示终端，用于实时显示煤矿风网通风组分参数与通风设施状态；
决策平台，用于对井下通风参数与调控设施状态采集信息的统计分析，通过数据深度挖掘，提出灾变风烟流的综合性区域联动方案，引导救灾人员决策指挥；
服务器，用于井下采集信息的存储、分析、挖掘、显示，决策平台的安装运行，后台运算处理，决策指令分发，地面监控中心站互动，为用户提供服务。
3.根据权利要求1所述的一种矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统，其特征在于，所述风烟流智能调节装置包含通风设施控制模块、可连续调节的通风设施、灾变备用动力源及自动切换模块；
通风设施控制模块，用于实现井下灾变区域联动控制点通风设施的状态监测与智能调控；
可连续调节的通风设施，用于井下灾变区域联动控制分支风烟流量的连续调节与控制，为区域风烟流的精确调节提供保障；
灾变备用动力源及自动切换模块，用于井下发生灾变后，电力与压风停掉后，系统为了实现区域联动控制，自动切换到备用电源和压气瓶保持预定功能。
4.根据权利要求1所述的一种矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统，其特征在于，所述井下分布式区域联动监控系统包括分布式监控站点、通风环境参数交叉感知模块；
分布式监控站点，按照灾变风烟流区域联动控制方案在关键调控分支中部署，用于实时监测感知井下通风状态与异常信息，通信正常状态下接受远程指令，通信异常时能够实现自主决策，实现灾变区域风烟流的区域联动与智能调控；
通风环境参数交叉感知模块，用于实时监测井下通风环境参数的变化规律与异常信息的研判，所述通风环境参数包括风速、温度、风烟流中CH4浓度、CO浓度、O2浓度，以及灾变易发地点的烟雾。
5.一种基于权利要求1至4任一项所述的矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统的调控方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1，通过井下分布式区域联动监控站点实时监测拟定区域通风网络分支的通风参数、环境参数、通风设施状态，并通过工业以太网通信系统传输给地面远程监控中心；
步骤2，当井下分布式区域联动监控站点监测到井下风烟流信息或者其他显著灾害异常时，迅速将异常传输至地面远程监控中心，并发出报警，同时根据以太网通讯是否正常分配实施对应的调控方法：
当矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统的以太网通信正常时，地面远程监控中心将井下异常分支的通风环境参数进行数据分析与深度挖掘；将关键信息输入地面监控中心决策平台，自动生成灾变风烟流的综合性区域联动与智能调控方案；同时，服务器终端显示综合性决策方案的细节内容，并提供“一键式”的远程区域联动与智能调控服务；通过地面远程监控中心下达应急决策命令后，矿井风烟流智能调节装置执行动作，并实时反馈井下灾变风烟流受控后的通风环境参数和通风设施状态；同时，根据关键分支的需风量要求，对灾变区域的风烟流进行智能调节，达到最佳的风烟流控制效果，通过监测灾区风烟流的通风环境参数及通风设施状态，实现井下灾变风烟流区域联动与智能调控的可视化；
当矿井灾变通风分布式区域联动与智能调控系统的以太网通信异常时，将监控分站内部和故障预测与健康管理技术相融合，运用预计、监测、诊断、预测流程保障监控分站内部各组件的协同可靠工作，实现装备运行状态的修复、自主式保障、异常感知与响应；分站间发展机器学习、超高容错技术，通过定义异常问题、预处理感知数据、融合超高容错信息，结合站点间通信状态、温度、烟雾、风烟流组分中CH4浓度、CO浓度、O2浓度信息的交叉感知，实现分布式站点协同区域联动的自主分析与研判。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221101 Address after: No. 12, Luoshan Road, Xuzhou Economic and Technological Development Zone, Xuzhou, Jiangsu 221000 Patentee after: XUZHOU ZHONGKUANG KEGUANG MACHINE & ELECTRICITY TECHNIQUE Co.,Ltd. Address before: 221116 No. 1 Tongshan University Road, Xuzhou City, Jiangsu Province Patentee before: CHINA University OF MINING AND TECHNOLOGY |
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