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煤矿瓦斯浓度监控与在线异常预警系统解决方案合肥明信软件技术有限公司目录•背景条件•研发思路•威胁评估指标体系库•系统架构•系统功能•系统特点•应用案例一、背景条件•矿井安全监控系统最基本最重要的功能是实时监测矿井各采掘头面瓦斯、CO、风速、温度等参数动态变化情况，并在达到预先设定的报警值进行报警，在达到或超过预先设定的断电值实施监控断电控制功能。然而由于目前矿井安全监控系统只有只有在瓦斯浓度值达到设定的某个相对固定报警值才能报警，报警方式较为死板、单一，不能及时对瓦斯异常变化情况进行分析和预警。如：设定的瓦斯浓度报警值为0.8%，目前矿井安全监控系统只有在瓦斯浓度值达到或超过0.8%才能报警，而瓦斯浓度值从0.10%增长至0.79%，安全监控系统并不能及时捕捉期间瓦斯浓度异常变化的信息和瓦斯增长幅度。•经过大量观测研究发现，煤矿瓦斯的涌出、突出往往发生一些规律的变化。通过对这些变化规律的考察，结合计算机技术，是能够实现瓦斯浓度异常预警的。因此我们结合煤矿现有安全监控系统的运行情况，对井下瓦斯采集数据进行深层次的挖掘和利用，提出了建立《瓦斯浓度监控与在线异常预警系统》，最终实现对瓦斯浓度增幅过程实时监控和达到异常预警的目的。该系统对于预防瓦斯超限，尤其对于防止煤与瓦斯突出工作具有重要的意义和较高的应用价值。•《瓦斯浓度监控与在线异常预警系统》是基于煤矿安全监控数据平台研发的，装备安全监控系统的矿井都可以使用该预警系统，并且与安全监控系统相互独立，互不影响。系统支持外网预警方式，登录互联网即可实时监测矿井瓦斯浓度异常预警预报。矿井瓦斯浓度异常预警系统还可以接入安全监控系统中的风速、CO、温度等各类模拟量进行预警预报。目标方向•为确保井下瓦斯在发生异常涌出时能及时报警，及早推测瓦斯变化趋势，根据瓦斯增幅判断瓦斯突出事故前兆，为提前采取措施控制异常、及时撤出人员提供宝贵时间，减少或避免事故发生。我们结合矿井监控的实际特点和当前煤矿安全监控系统的运行状况，对井下瓦斯采集数据进行深层次挖掘，利用统计学原理提出了轻量级的短期内瓦斯浓度动态的综合分析异常预警理念，结合微软.NETFramework技术平台，研发《瓦斯浓度监控与在线异常预警系统》。通过对瓦斯浓度瞬间增幅、瓦斯浓度平均值增幅、绝对瓦斯涌出量等多维指标建立瓦斯威胁评估数学模型、瓦斯浓度变化趋势预测模型等，实现对瓦斯浓度增幅过程实时监控和异常预警的目的。•瓦斯预警系统可兼容矿井现有的KJ2000N、KJ90N、KJ91N等安全监控系统。二、研发思路•《煤矿安全规程》规定了煤矿所有矿井必须装备矿井安全监控系统。但矿井安全监控系统只能对瓦斯进行实时监测，当被测点瓦斯浓度超过规定浓度时，强行断电、报警，而没有对瓦斯浓度数据作进一步的分析处理，更没有对瓦斯增幅趋势作出预警。•《煤矿瓦斯浓度监控与在线异常预警系统》是在现有的煤矿安全监控系统基础之上进行的开发，应用威胁评估分析模型对监测系统采集的瓦斯数据再处理，实现瓦斯涌出异常前兆实时报警。系统研发思路如图所示。•异常分析预警包括三大部分：1、根据矿井实际瓦斯涌出历史数据，总结在不同区域布置的监测点瓦斯涌出变化规律，建立预警威胁态势的评测指标及指标评价体系库。按决策心态对监测点设置监测方式；2.结合监测点瓦斯、风速时间序列数据应用区间值的模糊综合评判对测点当前瓦斯值的危险性进行评估分析，根据威胁态势分析结果做出当前预警响应；3.结合测点最近历史数据动态建立时序分析预测模型，使用数据挖掘工具辅助分析，做出短时间内瓦斯浓度值的预测，再对预测数据进行超前预警分析。三、威胁评估指标体系库•1.威胁评估指标定义本项目建立瓦斯浓度动态值-历史时间段平均浓度值增幅衡量指标、瓦斯浓度动态值-前周期历史值增幅衡量指标、瓦斯涌出量动态值-瓦斯涌出量平均值增幅衡量指标、瓦斯涌出量动态值-瓦斯涌出量前周期历史值增幅衡量指标。图3-2威胁评估指标集瓦斯浓度瞬间增幅指标•瞬间增幅指标（TransientIncrease）是利用测点当前监测的瓦斯浓度数据与前一个巡检周期瓦斯浓度数据进行比较，实现增幅预警。瞬间增幅可通过下式计算：式中Dn——动态瓦斯浓度Dn-1——前一个巡检周期瓦斯浓度%100DDDTI(n)1n1nn瓦斯浓度平均值增幅法指标•平均值增幅指标（AverageIncrease）是利用测点当前监测瓦斯浓度数据与前N-1个巡检周期内（t为设定时间段，n=t/巡检周期）所有瓦斯数据的平均值进行比较，实现增幅预警。平均值增幅可通过下式计算：，式中A——前N-1个巡检周期的样本平均值，Di——实时动态瓦斯浓度，Dn+1——当前动态瓦斯浓度。niinA1D1%100AADAI(n)1n绝对瓦斯涌出量预警指标•绝对瓦斯涌出量预警指标（AbsoluteIncreaseInGasEmission）是利用测点的瓦斯浓度、风速及巷道断面积计算瞬时绝对瓦斯涌出量，根据需要可选择绝对瓦斯量临界值预警、瞬间增幅预警和平均值增幅预警三种形式。绝对瓦斯涌出量按下式计算：qCH4=60×S×V×C/100式中qCH4——绝对瓦斯涌出量，m3/min；S——巷道断面积，m2；V——风速，m/s；C——瓦斯浓度，％。•通过对矿井采集的历史数据进行瓦斯涌出规律总结，得出矿井各指标的衡量系数，建立综合分析模型和评价指标体系，为瓦斯浓度的威胁程度分析提供知识和规律。•当前一次采集的瓦斯浓度、瓦斯浓度平均值落在不同的区间，判断系数的取值也略有不同。下表为监测点布置在采煤工作面且瓦斯浓度值在[0.2%,0.4%]区间的各种指标评测系数。区间系数取值偏低可能引起误报，提高的话又可能漏报，取值关系到预警性能。在实际使用中，需根据矿井历史数据做模型训练和验证。采煤工作面回风巷、上隅角、岩头等地点的传感器指标评测系数设置略。•2.威胁评估评测体系•预测预警法是利用数据挖掘趋势预测理论，构建井下测点瓦斯浓度预测模型。使用微软BI(商业智能BusinessIntelligence)中的数据库分析服务（MicrosoftSQLServerAnalysisServices，即SSAS)提供的数据挖掘方案，以SSAS自带的Microsoft时序分析算法为预测算法基础，建立井下测点的瓦斯浓度挖掘结构和挖掘模型。以测点瓦斯采集历史数据为基础数据分析源，对瓦斯浓度数据进行了短期预测。•根据统计回归模型针对瓦斯浓度变化特征，预测前实时导入最新采集数据并重构测点瓦斯浓度动态预测模型，预测模型数据的保持更新的特性，使得对瓦斯浓度的预测更加准确、可靠。再对达到的预测数据进行类似的超前预警分析，使得瓦斯预警更提前。同时提供了挖掘正确性图表分析辅助功能，如预测数据与实际数据分析比较图的查询。•3.趋势预测及超前预警瓦斯预测分析模型预测分析流程图预测分析模型图四、系统架构系统架构图预警系统组件构成内网预警+外网预警在监控中心站内网架设瓦斯预警Web服务器，该服务器为监控中心内网以外的矿局域网用户（‘一通三防’科室相关技术人员、管理人员）提供井下瓦斯预警服务。外网用户通过浏览器即可同步接收预警消息、查询和分析历史预警记录。Web预警与安全监控系统、内网各预警组件完全独立，避免了外网预警对监控中心内部网络可能造成的安全性、稳定性、性能等威胁。系统由内网预警和外网预警构成。预警系统运行在现有安全监控主系统平台之上，系统仅对采集到的测点数据进行二次开发和利用。系统由预警判断组件、广播发送组件、广播接收组件和广播转存组件构成。预警判断组件内置于SQLServer服务器内部，对安全监控的数据采集无任何影响；预警组件与采集数据库之间没有数据交互，不需要访问安全监控的数据库即可知道是否有预警消息。因此，瓦斯浓度异常预警系统与现有安全监控系统彼此相互独立、互不干扰，不影响安全监控系统的正常运行。外网预警五、系统功能介绍系统用户验证•为保证预警程序正常运行工作，避免恶意、误操作等关闭程序，导致预警中断现象发生，登录、退出预警系统采取用户验证机制。用户登录、退出预警程序，都必须输入用户名、密码，经验证通过才能进行相应操作。系统参数设置•为系统进行数据库配置、传感器巡检周期、周期预警时间、系统颜色设置、报警设置（语音、弹出窗体持续时间）、网络套接口设置等操作。瓦斯预警测点管理•针对监控系统已有分站下的瓦斯测点进行预警设置。设置内容包括是否公共预警、是否独立预警（及增幅模板选择）、是否绝对量预警（及绝对量参数配置）、是否瓦斯预测预警等。增降幅度值管理•可分别编辑瞬间增幅预警和平均值增幅预警中每条预警范围的下限值、上限值、增降值(%)，方便用户根据需要对预警范围进行局部调整。控制瓦斯预警、弹出报警窗口•启动预警：当服务器端接收到需要预警的测点实时数据，根据测点类别，按照预先设置的增降幅度，分析是否需要预警。若需要预警，则同时发出报警声音和弹出预警窗口。•暂停预警：预警功能暂停工作。外网浏览功能•在安全监控系统中心站建立Web服务器，外网用户直接访问该服务器即可登录瓦斯预警界面，与瓦斯预警终端数据及时同步。同时具备历史数据查寻功能，坐在办公室即可迅速掌握和分析瓦斯动态预警信息。预警历史记录查询•每次瓦斯预警后保存当时测点预警记录测点信息、报警时间等详细记录，同时能够以Excel表格的方式进行导出，以备今后查询参考使用。预警图表分析•系统提供了形象直观的曲线趋势（预测）图表查询功能。日志功能•系统提供操作日志查询功能，方便用户对过往操作进行查询。如果在运行过程中出现异常，系统会自动将异常记录到错误日志中去。系统特点•科学、完善、灵活的预警方法•直观的瓦斯曲线分析功能•操作方便、使用灵活•预警方式直观•预警系统运行稳定可靠•预警系统采用C/S（Client/Server，客户机/服务器）和B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）两种架构•预警系统兼容目前各大主流监控监测系统软件创新水平目前矿井安全监控系统只有在瓦斯浓度值达到设定的某个相对固定报警值时才能报警，这种报警方式不能及时对瓦斯异常变化情况进行分析和预警。本软件能捕获到矿井瓦斯增加过程的细微变化，主要通过平均值预警、瞬时增幅预警来对矿井瓦斯缓慢增长及锯齿状增长进行预警。从而在瓦斯浓度值增长到单一临界值（设定的0.6或0.8）之前预警。(1)瓦斯锯齿状变化：针对瓦斯锯齿状变化的情形，在上图中当前测点瓦斯浓度正常情况下都在0.1%左右波动，在某一时刻瓦斯浓度值突然从0.1%增长到0.4%，在普通监控系统中，0.4%还没达到预警临界值（一般0.6%以上）而不会预警，但在现实中，瓦斯浓度值瞬间的从0.1%增到0.4%，我们可以断定此瓦斯测点在此时是异常的，我们应该预警，至少应该引起工作人员的注意。针对瓦斯浓度值缓慢增长的情况，比如上图，瓦斯浓度值在正常情况下或说在之前的几个小时甚至几天之内，瓦斯浓度一直在0.23%左右波动，这段时间内瓦斯浓度的平均值应在0.2%~0.25%之间，但上图中瓦斯浓度在10点以后缓慢的增长，每次增长值都在0.1%以下，一段时间以后，瓦斯浓度值增长到0.6%、0.7、甚至0、8以上，在我们的平均值增幅预警法中，当瓦斯浓度增长到0.6%的时候，当前瓦斯浓度相对平均值0.2%~0.25%而言增长了200%之多，我们就应当对当前瓦斯测点预警，而不用等瓦斯值增长到临界值的时候才预警。(2)瓦斯缓慢增长：项目实施效果2010年10月30日，安徽煤矿安全监察局在合肥组织专家对的研发报告、测试报告、查新报“煤矿瓦斯浓度异常及防突预警系统”进行鉴定。专家听取了项目告及现场应用报告。鉴定意见如下：1、提交的技术资料齐全，符合鉴定要求。2、该项目利用矿井安全监控系统，对井下瓦斯采集数据进行深层次挖掘，利用统计学原理提出了瓦斯浓度动态的综合分析异常预警理念，在.NETFramework技术平台上，研发了煤矿瓦斯浓度异常及防突预警系统。3、该项目在国内首次提出了瓦斯浓度瞬间增幅法、瓦斯浓度平均值增幅法、绝对瓦斯涌出量预警法及瓦斯预测预警法，对瓦斯异常变化进行及时预警。