２０１０年第６期 煤矿机 电 ・１７・ 基于数据融合的煤矿瓦斯涌出量预测系统设计 胡江为，李敬兆，刘璐，杭俊 （安徽理工大学，安徽淮南２３２００１） 摘 要： 将基于小波神经网络的多传感器数据融合算法应用到煤矿瓦斯涌出量的预测系统中。 实验结果表明：该预测系统可以及时、有效地预测瓦斯涌出量。 关键词： 小波神经网络；多传感器；数据融合；瓦斯预测；嵌入式系统 中图分类号：ＴＤ７１２ ．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１－０８７４（２０１０｝０６－００１７—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｉｎｅ Ｇａｓ Ｆｏｒｅｃａｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄａｔａ Ｆｕｓｉｏｎ ＨＵＪｉａｎｇ—ｗｅｉ，ＬＩＪｉｎｇ—ｚｈａｏ，ＬＩＵＬｕ，ＨＡＮＧ Ｊｕｎ （Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｍｎａｎ ２３２００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｓｅｎｓｏｒ ｄａｔａ ｆｕｓｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗａｖｅｌｅｔ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇ ｏｕｔ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｉｎ ｔｉｍｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｗａｖｅｌｅｔ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｍｕｌｔｉ—ｓｅｎｓｏｒ；ｄａｔａ ｆｕｓｉｏｎ；ｇａｓ ｆｏｒｅｃａｓｔ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ 矿井瓦斯是煤矿生产过程的主要不安全因素之 一¨ ，然而瓦斯涌出是非常复杂的动力学过程，瓦 经网络提出的算法。它以小波函数代替神经元激励 函数Ｓｉｇｍｏｉｄ的前馈网络模型，把小波变换和神经 网络有机地结合起来，小波的伸缩、平移因子以及连 接权重在对误差能量函数的优化过程中被自适应调 整。其优点是Ｈ］：①结构确定，避免了ＢＰ网络结构 设计的盲目性；②网络权系数线性分布和学习目标 斯浓度、温度、风速、压力等影响参数之间有着非常 复杂的非线性关系 Ｊ。本文在检测瓦斯浓度、温 度、风速、压力等参数的基础上，运用小波神经网络 进行数据融合，应用嵌入式微处理器完成煤矿瓦斯 涌出量预测系统的设计。 １ 多传感器数据融合系统 函数的凸性，使网络训练过程可避免局部最优化等 问题；③有较强的函数学习能力，可以精确逼近任 意非线性函数。 一人工神经网络具有高度非线性映射、自组织结 构、平行分布处理、学习和自适应等特点，在预测领 域显示了很大的优势。尤其是小波神经网络对非平 －Ｉ瓦斯浓度传感器｝＿一 小波 瓦 煤 －矿 ４ 温度传感器｝＿一 神经 网络 －．环 －斯 涌 稳信号具有良好的时频局部特性和变焦能力，可以 提高神经网络对非平稳信号的逼近能力。煤矿瓦斯 涌出受多种因素的交叉影响。利用多传感器数据融 境 ４压力传感器 －数据 融合 出 量 ４风速传感器｝＿一 图１煤矿瓦斯涌出量检测系统结构图 合系统的理论和方法 ，将影响瓦斯涌出量的多因 素通过一定方式联系起来，可以更准确地预测煤矿 瓦斯涌出量。本文设计的检测系统结构如图ｌ所 示。 本文采用的小波神经网络结构，如图２所示。 小波神经网络的算法设计： （１）网络参数的初始化 输入层和输出层的节点数分别为Ｍ和１。隐含 ２小波神经网络及算法设计 小波神经网络是在小波理论基础上结合人工神 层的节点数为Ｊ７、ｒ，其值大小取决于伸缩因子和位移 因子。选用表达简明的Ｍｏｒｌｅｔ小波作为网络隐含层 的变换基函数： ・１８・ 煤矿机电 ２０１０年第６期 咖（ ）＝ＣＯＳ（１．７５ｘ）ｅｘｐ（一Ｘ２／２） （１） 输入层 隐含层 输出层 图２小波神经网络模型结构图 输出层神经元用Ｓｉｇｍｏｉｄ函数： （ ）＝ｅｘｐ（ｘ）／［１＋ｅｘｐ（ｘ）］ （２） （２）输入学习样本 （ｍ为学习样本数）和目 标期望值 （３）利用当前网络参数计算网络的输出 对于有Ｍ个输入的小波神经网络，网络的实际 输出为： Ｍ Ｙ＝ 鸯 （ ） （３） 式中：ｌ，为输出层输出； （ｉ＝１，２，…， ）为输入层 第ｉ个输人样本； 为连接输入层节点ｉ和隐含层节 点Ｊ（Ｊ＝１，２，…，Ｎ）的权值； 为连接隐含层节点ｉ 和输出层节点的权值；∑ 为小波基的输入； 和６ 分别为小波基的伸缩因子和平移因子。 （４）计算系统平均误差 Ｅ＝ ∑（ 一 ） （４） 式中： 和）， 分别是第ｍ（ｍ＝１，２，…， ）个样本 的期望输出和实际输出。 （５）误差的反向传递 为使误差Ｅ最小，采用学习速率为ｒ／的一阶梯 度优化法 调整网络的各个参数。 ＝ 一 ＋ △ （５） ＝ 一叩 ＋ △ （６） ＝ 一叼 ＋ （７） ｂｉ＝ 一 ＯＥ＋ △ （８） 式中， 为学习率， 为动量因子。 当输出误差值小于预先设定的某个值时，停止 网络的学习，否则继续学习步骤。 ３瓦斯涌出量指示仪的实现 选用三星公司基于ＡＲＭ９内核的￥３Ｃ２４４０嵌 入式处理器 ，并辅以相应的接口电路组成煤矿瓦 斯涌出量指示仪，如图３所示。 压 瓜 存储器 ｌ００Ｍｂｉｆｓ 以太网接口 Ａ／Ｄ采样 ｌｌ瓦斯浓度ｌｌ压力Ｉｌ温度ｌｌ风速ｌ 传感器ｌｌ传感器ｌｌ传感器ｌｌ传感器Ｉ 图３瓦斯涌出量指示仪结构图 （１）硬件设计 ￥３Ｃ２４４０芯片中集成了下列模块：１６ ｋＢ Ｃａｃｈｅ、 外部存储器控制器、ＬＣＤ控制器、８通道１０ ｂｉｔ的 ＡＤ、１６８脚通用ＧＰＩＯ等。采用标准的６４ ＭＢ Ｎａｎｄ— Ｆｌａｓｈ存储器用于数据存储，６４ ＭＢ ＳＤＲＡＭ存储器 用于程序运行。 Ａ／Ｄ转换单元采用ＭＡＸ１２９７ＡＥＥＧ实现１２位 并行模数转换，直接与核心板的Ｉ／Ｏ线连接。由于 ￥３Ｃ２４４０自带有ＬＣＤ控制器，免去了ＬＣＤ控制器的 设计。采用ＮＥＣ公司的３．５时压电式触摸ＬＣＤ显 示屏。以太网接口采用ＴＣ３０９７Ｆ￣芯片。 （２）软件设计 瓦斯涌出量指示仪主程序如图４所示。 图４系统主程序 ２０１０年第６期 煤矿机电 ・１９・ 单体液压支柱的生产安全可靠性研究 尚慧岭 ，王晨明 ，赵恒 ，孙亚鹏 ，程松 （１．中平能化集团设备租赁分公司，河南平顶山４６７０２１；２．中平能化集团天工机械制造有限公司，河南平顶山４６７０２１） 摘 要： 针对单体液压支柱在生产过程中出现的变形损坏及失效现象，分析了额定工作压力对单 体支柱稳定性的影响、支柱高度与额定工作压力之间的变化趋势，采用试验室实验和铁谱分析等技 术方法，找出了三用阀失效产生的深层次原因。并对升降柱背压对单体液压支柱工作性能的危害 性及作用机理作出分析。据此提出了改善、加强、提高单体液压支柱的生产安全可靠性的对策措 施，在生产中应用后，取得了明显的技术经济效果。 关键词： 单体液压支柱；变形损坏；研究 中图分类号：ＴＤ３５５ ．３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—０８７４（２０１０）０６—００１９－０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｒｏｐ ＳＨＡＮＧ Ｈｕｉ—ｌｉｎｇ１。ＷＡＮＧ Ｃｈｅｎ—ｍｉｎｇ１，ＺＨＡＯ Ｈｅｎｇ 。ＳＵＮ Ｙａ－ｐｅｎｇｚ，ＣＨＥＮＧ ｓｏｎｇＬ （１．Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｌｅａｓｉｎｇ Ｃｏ．，Ｚｈｏｎｇｐｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ ４６７０２１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｉａｎｇｏｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ Ｃｏ．，Ｌｉｄ．，Ｚｈｏｎｇｐｉｎｇ Ｅｎｅｒｙｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ ４６７０２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｏｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄａｍａｇｅ ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ｒａｔｅｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｒｏｐ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｔｒｅｎｄｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌｅｇ’Ｓ ｈｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｅｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｒｅ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｄｅｅｐ—ｓｅａｔｅｄ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｗａｙ ｖａｌｖｅ ｆａｉｌｕｒｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｉｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｄａｎｇｅｒ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｂａｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｌｉｋｉｎｇ ｃｏｌｕｍｎ ｔｏ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｏｐ ａｒｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ，ｅｎｈａｎｃｅ ａｎｄ ａｄｖａｎｃｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｏｐ ｉｎ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｒｅ ａｃｈｉｅｖｅ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｏｐ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄａｍａｇｅ；ｓｔｕｄｙ １概述 工作阻力；三是顶板来压时，出现弯曲变形较多；四 是三用阀的安全阀动作失效，据升井大修时抽检结 目前，高档普采工作面和综采面端头支护中使 果表明：其失效比例达８０％以上，这在一定程度上 用的单体液压支柱在生产过程中发现的主要问题： 降低了单体液压支柱的支护能力，也对井下的安全 一是缸体胀缸串流，出现自降现象；二是达不到额定 生产造成了影响。 参考文献： ［Ｊ］．模式识别与人工智能，１９９７，１０（３）． ［１］ 于不凡，王佑安．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［Ｍ］．北 ［５］李人厚．智能控制理论与技术［Ｍ］．西安：西安电子科技大学 京：煤炭工业出版社，２００５． 出版社，１９９７． ［２］邵良杉．计算机煤矿瓦斯监测系统［Ｊ］．计算机应用研究， ［６］ Ｓａｍｓｕｎｇ Ｉｎｃ．￥３Ｃ２４４０Ｘ ３２一Ｂｉｔ ＲＩＳＣ ｍｉｃｒｏ・ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｕｓｅｒ ｍａｎｕａｌ １９９６（１）． ｒｅｖｉｓｉｏｎ１．２００３． ［３］何友，等．多传感器信息融合及应用［Ｍ］．北京：电子工业出版 作者简介：胡江为（１９８５一），男，在读硕士研究生。研究方向为控 社，２００７． 制工程与控制理论。 ［４］李银国，张邦礼，曹长修．小波神经网络及其结构设计方法 （收稿日期：２０１０—０６—１１；责任编辑：陶驰东）
