一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统及其预测预警方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统及其预测预警方法。本发明的瓦斯预测预警系统包括：传感网络和控制中心；其中，传感网络包括多个传感网络节点，每个传感网络节点通过互联网与控制中心进行通讯。本发明基于互联网建立瓦斯传感器的传感网络，打破传感器地域限制；实时远程获取瓦斯数据，对数据进行挖掘和预测预警，并实时发布预测预警信息；系统在瓦斯尚未达到报警值之前预测瓦斯的变化趋势，根据预测结果给出相应级别的预警信息，及早发现危险隐患，提高了煤矿生产安全性；系统不用对现有的瓦斯传感器进行改变，不增加设备成本；通过传感网络发布数据，获取第一手数据，并及时、远程监控矿井安全状态，从而辅助煤矿安全生产决策。
【专利说明】一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统及其预测预警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及瓦斯预警技术，具体涉及一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统及其 预测预警方法。
【背景技术】
[0002] 煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的 固体可燃性矿物，主要由植物遗体经生物化学作用，埋藏后再经地质作用转变而成，它是 十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一。在高温、高压的环境中，在形成煤炭的同时， 由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。瓦斯是无色、无味的气体，不助燃也不能维持呼吸，达 到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。
[0003] 煤炭是我国的基础能源，我国在作为产煤大国的同时，也是煤矿安全形势极为严 峻的国家。建国以来发生一次死亡百人以上的特别重大事故23起，其中21起属于瓦斯事 故，煤矿安全生产形势严峻。
[0004] 为避免由瓦斯引起的爆炸事故发生，现有的矿山都安装了瓦斯传感器，用以监测 瓦斯浓度的变化。这种基于局域网的预警系统，上级部门只能通过下属矿井定期汇报的 方式获取最新数据，数据实时性不强，而且还会出现数据不准确等问题，不利于主管部门准 确、及时获取第一手数据。再者，现有的瓦斯预警系统都是采用局域网进行数据采集及报 警，只简单反映瓦斯传感器所在位置的瓦斯浓度情况，缺乏综合分析、实时趋势判断等功能 系统，不能基于实时瓦斯监测数据提供预测预警功能。
【发明内容】
[0005] 为了有效防止瓦斯事故发生，本发明提出一种基于传感网络的瓦斯预测预警系 统，本系统充分利用现有安全监控系统设备，主动地捕捉瓦斯变化信息，实时监测预警，并 及时通知相关人员进行应急处理。
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统。
[0007] 本发明的基于传感网络的瓦斯预测预警系统包括：传感网络和控制中心；其中， 传感网络包括多个传感网络节点，每个传感网络节点通过互联网与控制中心进行通讯；每 个传感网络节点包括监测服务器和多个瓦斯传感器，多个瓦斯传感器布置在煤矿井下，实 时采集瓦斯数据，并分别通过安全专用网络传输至监测服务器；控制中心包括数据采集系 统、数据中心、数据预处理及管理系统和预警分析发布系统；数据采集系统采集传感网络的 监测服务器通过互联网发布的数据，并将数据存储在数据中心；数据预处理及管理系统对 数据进行预处理，并将预处理后的数据传输至预警分析发布系统；预警分析发布系统通过 梯度分析和趋势分析，并与存储在数据中心的指标体系库中的预警级别进行比对，发出相 应级别的瓦斯的预测预警。
[0008] 传感网络节点建立在各个煤矿上，瓦斯传感器分别布置在煤矿开采工作面上隅 角、工作面皮带运输巷、工作面回风巷和主副井中。每个瓦斯传感器的参数包括地理位置、 报警值、数据单位和数据类型，瓦斯传感器的参数通过安全专用网络传输至监测服务器。瓦 斯传感器采集的瓦斯数据指甲烷CH4的浓度值。
[0009] 监测服务器将瓦斯传感器采集的数据，基于传感器观测服务SOS协议，通过互联 网发布给数据采集系统，实现数据的实时发布。
[0010] 数据采集系统采集数据后，将数据存储至数据中心，以便历史数据存放、查询以及 数据挖掘。
[0011] 数据预处理及管理系统对数据中心的数据预处理和统一管理，提供常用的数据浏 览、统计查询等功能。数据预处理包括：对瓦斯传感器统一编码；根据实际需求，对瓦斯传 感器的地理位置进行坐标转换，转换成相应的坐标。
[0012] 数据预处理及管理系统将处理后的数据传输至预警分析发布系统。预警分析发布 系统获取处理后的数据，对其进行数据挖掘产生预警信息，并及时发布预警信息。预警分 析发布系统将数据进行过滤、压缩和分析预警；过滤是指将无效值清除，压缩是指对数据进 行有选择的取样。预警分析发布系统主要基于存储在数据中心的历史数据和实时监测数 据，通过梯度分析和趋势分析，并与存储在数据中心的指标体系库中的预警级别进行比对， 发出相应级别的预测预警。预警分析发布系统中储存瓦斯传感器所在矿井负责人的相关 信息，包括所在单位、职务信息和联系方式。预警分析发布系统中设置有短信报警设备，自 动通过短信的形式将预警结果发送至相关的负责人。并且，预警分析发布系统中设置有在 线一键通话设备，位于控制中心的监控人员，只需要按下相应的按键，就可以直接接通相关 负责人员的电话，或者手动拨打电话，进行电话报警，并根据相关负责人员的职务或级别不 同，发布相应等级的预警信息。
[0013] 根据瓦斯的预警级别不同，将预警级别由低至高依次分为：蓝色预警、黄色预警、 橙色预警和红色预警。预警分析发布系统中设置有灯光报警设备，根据预警级别的程度由 低至高，分别自动显示不同颜色的灯光，分别为蓝色、黄色、橙色和红色。灯光报警系统根据 预警级别的不同，发出不同颜色的灯光提醒控制中心的监控人员，使得提醒效果更加突出， 信息更加直观。
[0014] 本发明的预警分析发布系统进一步包括声音报警设备，声音报警设备根据预警级 另IJ，发出相应的声音，实现对控制中心的监控人员进行提醒的功能。
[0015] 本发明的基于传感网络的瓦斯预测预警系统的预测预警方法，包括以下步骤：
[0016] 1)布置在煤矿内的多个瓦斯传感器采集瓦斯数据，并分别通过安全专用网络传输 至监测服务器；
[0017] 2)传感网络节点获取监测服务器的数据，并基于传感器观测服务SOS协议发布至 互联网，数据采集系统通过互联网采集传感网络节点的数据，并将数据存储到数据中心；
[0018] 3)数据预处理及管理系统对数据进行预处理，并将处理后的数据传输至预警分析 发布系统；
[0019] 4)预警分析发布系统对数据进行过滤和压缩，通过梯度分析和趋势分析，并与存 储在数据中心的指标体系库中的预警级别进行比对，发出相应级别的瓦斯的预测预警，同 时，根据负责人职务级别不同，发布不同级别的预警信息。
[0020] 其中，在步骤1)中，每个瓦斯传感器的参数包括地理位置、报警值、数据单位和数 据类型，瓦斯传感器的参数通过安全专用网络传输至监测服务器。
[0021] 在步骤2)中，监测服务器将瓦斯传感器采集的数据，基于传感器观测服务SOS协 议，通过互联网发布给数据采集系统，实现数据的实时发布。
[0022] 在步骤3)中，数据预处理包括：对瓦斯传感器统一编码；根据实际需求，对瓦斯传 感器的地理位置进行坐标转换，转换成相应的坐标。
[0023] 在步骤4)中，梯度分析是指，根据最近一段时间内的历史数据进行取样，由下式 求得实时的梯度值，
【权利要求】
1. 一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统，其特征在于，所述瓦斯预测预警系统包括： 传感网络和控制中心；其中，所述传感网络包括多个传感网络节点，每个传感网络节点通过 互联网与控制中心进行通讯；每个传感网络节点包括监测服务器和多个瓦斯传感器，多个 瓦斯传感器布置在煤矿井下，实时采集瓦斯数据，并分别通过安全专用网络传输至监测服 务器；所述控制中心包括数据采集系统、数据中心、数据预处理及管理系统和预警分析发布 系统；数据采集系统采集传感网络的监测服务器通过互联网发布的数据，并将数据存储在 数据中心；数据预处理及管理系统对数据进行预处理，并将预处理后的数据传输至预警分 析发布系统；预警分析发布系统通过梯度分析和趋势分析，并与存储在数据中心的指标体 系库中的预警级别进行比对，发出相应级别的瓦斯的预测预警。
2. 如权利要求1所述的瓦斯预测预警系统，其特征在于，所述预警分析发布系统中设 置有短信报警设备，自动通过短信的形式将预警结果发送至相关的负责人。
3. 如权利要求1所述的瓦斯预测预警系统，其特征在于，所述预警分析发布系统中设 置有在线一键通话设备，位于控制中心的监控人员，只需要按下相应的按键，就可以直接接 通相关负责人员的电话，或者手动拨打电话，进行电话报警，并根据相关负责人员的职务或 级别不同，发布相应等级的预警信息。
4. 一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统的预测预警方法，其特征在于，所述预测预 警方法包括以下步骤： 1) 布置在煤矿内的多个瓦斯传感器采集瓦斯数据，并分别通过安全专用网络传输至监 测服务器； 2) 传感网络节点获取监测服务器的数据，并基于传感器观测服务SOS协议发布至互联 网，数据采集系统通过互联网采集传感网络节点的数据，并将数据存储到数据中心； 3) 数据预处理及管理系统对数据进行预处理，并将处理后的数据传输至预警分析发布 系统； 4) 预警分析发布系统对数据进行过滤和压缩，通过梯度分析和趋势分析，并与存储在 数据中心的指标体系库中的预警级别进行比对，发出相应级别的瓦斯的预测预警，同时，根 据负责人职务级别不同，发布不同级别的预警信息。
5. 如权利要求4所述的预测预警方法，其特征在于，在步骤1)中，每个瓦斯传感器的参 数包括地理位置、报警值、数据单位和数据类型，瓦斯传感器的参数通过安全专用网络传输 至监测服务器。
6. 如权利要求4所述的预测预警方法，其特征在于，在步骤3)中，数据预处理包括：对 瓦斯传感器统一编码；根据实际需求，对瓦斯传感器的地理位置进行坐标转换，转换成相应 的坐标。
7. 如权利要求4所述的预测预警方法，其特征在于，在步骤4)中，梯度分析是指，根据 最近一段时间内的历史数据进行取样，由下式求得实时的梯度值，
其中，DiS最近一段时间内样本的历史数据，t为最近一段时间内的取样个数，A为取 样的均值，Dn为当前的数据，根据取样的均值和当前的数据求得实时的梯度值，然后将梯度 值与存储在数据中心的梯度指标体系库进行比对，如果梯度值满足梯度指标体系库中相应 的预警级别，则按照相应的级别发出预警。
8.如权利要求4所述的预测预警方法，其特征在于，在步骤4)中，趋势分析是指：利用 一元回归分析算法，根据最近一段时间内的历史数据，求得瓦斯数据与时间的一元线性回 归方程，结合传感器报警值，从而预测到传感器达到传感器报警值所需要的提前预警时间， 然后与存储在数据中心的趋势指标体系库进行比对，如果提前预警满足趋势指标体系库中 相应的预警级别，则按照相应的级别发出预警。
【文档编号】E21F17/18GK104454009SQ201410724794
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月3日 优先权日:2014年12月3日
【发明者】管增伦, 毛善君, 李鑫超, 殷东平, 孙振明 申请人:中国中煤能源集团有限公司, 北京大学, 北京龙软科技股份有限公司, 山西中煤华晋能源有限责任公司