一种矿井监测数据异常波动预警方法和装置与流程

本发明属于矿井安全监测数据异常监控技术领域，具体是一种矿井监测数据异常波动预警方法和装置。

背景技术：

矿井各类监测数据是直观反映安全生产动态的重要依据，目前各类监测系统主要通过数据集成入库，并为比较监测值与数据自身传感器限值或设定报警限值方式实现数据的超限报警，对数据在报警限值内的异常波动没有相关的计算鉴别技术，且因每一个传感器监测数据正常值不同，对于某一类型传感器设置报警限值的方式触发报警较为粗放，风险辨识较为滞后，无法进行报警限值内的异常波动分析和判断预警可能发生的风险。

技术实现要素：

针对目前矿井监测数据报警方式存在的不足之处，本发明提供了一种矿井监测数据异常波动预警方法和装置。所述监测数据异常波动预警方法基于矿井监测数据和异常波动预警指标体系实现监测数据的异常波动预警功能，通过连接矿端监测监控数据库查询历史监测数据并计算出各类监测点监测值的拟合函数及正常波动范围，查询实时监测数据计算实时偏差，并配置不同的预警分析方法计算实时偏差与参考标准差的对比值，结合多级预警指标的区间设定值判断是否为异常波动预警及对应预警级别。采用gis空间地图服务可直观展示各区域监测数据实时异常波动情况，通过区域监测异常波动辨识风险存在，为风险隐患治理赢取宝贵时间，大幅度降低了事故发生的概率。

具体如下：

第一方面，为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种矿井监测数据异常波动预警方法，优选的，所述方法基于矿井监测数据和异常波动预警指标体系，具体实现方法包括以下步骤：

步骤1：连接矿端监测监控数据库，查询矿井各类监测点实时监测数据和历史监测数据；其中，所述矿井各类监测点表示监测值为模拟量的监测点；

步骤2：根据异常过滤系数对基数取值范围内的所述历史监测数据进行异常过滤处理，得到监测正常的参考基数；

步骤3：按设置的基数颗粒度对所述参考基数进行分割均值计算生成参考基数集，并根据所述参考基数集及预警拟合方式计算生成对应的拟合函数；其中，所述预警拟合方式包括：均值拟合、线性拟合及非线性拟合；

步骤4：根据所述拟合函数计算所述参考基数集中每个元素对应的偏差，生成基数偏差集，并利用所述基数偏差集计算生成参考标准差作为监测点的监测数据正常波动范围参考基准值；

步骤5：根据拟合函数计算所述实时监测数据的实时偏差，结合预警分析方法计算所述实时偏差和所述参考标准差的对比值，将所述对比值与多级预警指标的区间设值进行对比，判断所述实时监测数据是否为异常波动，以及判断所述实时监测数据对应的预警级别；

步骤6：将所述拟合函数对应的拟合线、所述参考基数集、所述实时监测数据、所述参考标准差在同一坐标系中采用不同颜色、线形进行展示，并结合gis空间地图服务通过布点方式展示全矿各类测点异常波动实时预警情况。优选的，所述判断所述实时监测数据是否为异常波动的步骤，包括：

将所述对比值与多级预警指标区间设值进行对比，判断所述对比值是否在所述预警指标区间内；

若否，跳转执行所述步骤2；

若是，判断所述测点状态是否为持续预警状态；如果是，则更新实时预警状态；若果否，则生成异常波动实时预警数据，并将所述实时监测数据标记为异常监测数据并存储，所述异常监测数据参与下一轮计算过程中的数据异常过滤计算，跳转执行步骤2。

优选的，所述得到监测正常的参考基数的方法，包括：

(1)当时，将异常数据全部过滤剔除，得到所述监测正常的参考基数，并执行所述步骤3；

(2)当时，保留所述异常数据，不作过滤处理，得到所述监测正常的参考基数，并执行所述步骤3；

(3)当0.5≤k时，视作本轮取值范围内数据异常率较高，不能用作监测点正常波动参考标准的生成，续用上一轮参考标准差作为监测正常的所述参考基准值，跳转执行步骤5；

其中：为异常过滤系数；k为异常率。

优选的，所述查询矿井各类监测点实时监测数据和历史监测数据的方法，包括：

根据设置的所述基数取值范围获取该时间范围内的历史监测数据；其中，所述基数取值范围表示当前时间至历史某一时刻的时间长度。

优选的，所述按设置的基数颗粒度对所述参考基数进行分割均值计算生成参考基数集的方法，包括：

根据所述基数颗粒度所设的值将所述基数取值范围分割为若干个时间段，取每个时间段中间时间点组成拟合时间集ti(t1,t2,t3,t4......ti)，并将每个时间段内的所述参考基数取平均值；

将所述平均值组成所述参考基数集ai{(t1,a1),(t2,a2),(t3,a3)......(ti,ai)}。

优选的，所述利用所述基数偏差集计算生成参考标准差的方法，包括：

将所述拟合时间集带入所述拟合函数中进行计算，得到所述参考基数集对应的标准拟合集；

利用所述参考基数集和所述标准拟合集，得到所述基数偏差集；

利用所述基数偏差集进行计算，得到所述参考标准差；其中，所述参考标准差计算如下：

其中：δ为所述参考标准差，n为所述参考基数集中元素个数，ai为拟合时间ti对应的参考基数，bi为拟合时间ti对应的标准拟合计算值。

优选的，所述预警分析方法包括“实时偏差/标准差”和“实时偏差-标准差”两种；

所述预警分析方法的计算公式如下：

x＝s-δ或x＝s/δ

其中：x为实时偏差与参考标准差的对比值，δ为所述参考标准差，s为实时监测数据的实时偏差。

优选的，所述实时监测数据对应的预警级别的判断方法，包括：

(1)设置多级预警指标ii{(0,ii],(ii,ii-1]......(i3,i2],(i2,i1],(i1,+∞)}。

(2)当判断对比值x属于预警指标ii中第i区间时，则该预警级别为i级。

第二方面，为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种矿井监测数据异常波动预警装置，优选的，所述装置基于矿井监测数据和异常波动预警指标体系，所述装置，包括：

数据库查询模块，用于步骤1：连接矿端监测监控数据库，查询矿井各类监测点实时监测数据和历史监测数据；其中，所述矿井各类监测点表示监测值为模拟量的监测点；

异常过滤模块，用于步骤2：根据异常过滤系数对基数取值范围内的所述历史监测数据进行异常过滤处理，得到监测正常的参考基数；

拟合函数计算模块，用于步骤3：按设置的基数颗粒度对所述参考基数进行分割均值计算生成参考基数集，并根据所述参考基数集及预警拟合方式计算生成对应的拟合函数；其中，所述预警拟合方式包括：均值拟合、线性拟合及非线性拟合；

参考标准差计算模块，用于步骤4：根据所述拟合函数计算所述参考基数集中每个元素对应的偏差，生成基数偏差集，并利用所述基数偏差集计算生成参考标准差作为监测点的监测数据正常波动范围参考基准值；

异常波动及预警级别判断模块，用于步骤5：根据拟合函数计算所述实时监测数据的实时偏差，结合预警分析方法计算所述实时偏差和所述参考标准差的对比值，将所述对比值与多级预警指标的区间设值进行对比，判断所述实时监测数据是否为异常波动，以及判断所述实时监测数据对应的预警级别；

展示模块，用于步骤6：将所述拟合函数对应的拟合线、所述参考基数集、所述实时监测数据、所述参考标准差在同一坐标系中采用不同颜色、线形进行展示，并结合gis空间地图服务通过布点方式展示全矿各类测点异常波动实时预警情况。

优选的，所述异常波动及预警级别判断模块，包括：

区间判断子模块，用于将所述对比值与多级预警指标区间设值进行对比，判断所述对比值是否在所述预警指标区间内。

优选的，所述异常过滤模块，包括：

第一异常过滤子模块，用于当时，将异常数据全部过滤剔除，得到所述监测正常的参考基数，并执行所述步骤3；

第二异常过滤子模块，用于当时，保留所述异常数据，不作过滤处理，得到所述监测正常的参考基数，并执行所述步骤3；

第三异常过滤子模块，用于当0.5≤k时，视作本轮取值范围内数据异常率较高，不能用作监测点正常波动参考标准的生成，续用上一轮参考标准差作为监测正常的所述参考基准值,跳转执行所述步骤5；

其中：为异常过滤系数；k为异常率。

优选的，所述数据库查询模块，包括：

获取子模块，用于根据设置的所述基数取值范围获取该时间范围内的历史监测数据；其中，所述基数取值范围表示当前时间至历史某一时刻的时间长度。

优选的，所述拟合函数计算模块，包括：

平均值获取子模块，用于根据所述基数颗粒度所设的值将所述基数取值范围分割为若干个时间段，取每个时间段中间时间点组成拟合时间集ti(t1,t2,t3,t4......ti)，并将每个时间段内的所述参考基数取平均值；

参考基数集组成子模块，用于将所述平均值组成所述参考基数集ai{(t1,a1),(t2,a2),(t3,a3)......(ti,ai)}。

优选的，所述参考标准差计算模块，包括：

标准拟合集计算子模块，用于将所述拟合时间集带入所述拟合函数中进行计算，得到所述参考基数集对应的标准拟合集；

基数偏差集获取子模块，用于利用所述参考基数集和所述标准拟合集，得到所述基数偏差集；

参考标准差获取子模块，用于利用所述基数偏差集进行计算，得到所述参考标准差。

优选的，所述异常波动及预警级别判断模块中的所述预警分析方法包括“实时偏差/标准差”和“实时偏差-标准差”两种；

所述预警分析方法的计算公式如下：

x＝s-δ或x＝s/δ

其中：x为实时偏差与参考标准差的对比值；δ为所述参考标准差；s为实时监测数据的实时偏差。

优选的，所述异常波动及预警级别判断模块，包括：

预警指标设置子模块，用于设置多级预警指标ii{(0,ii],(ii,ii-1]......(i3,i2],(i2,i1],(i1,+∞)}。

预警级别判断子模块，用于当判断对比值x属于预警指标ii中第i区间时，则该预警级别为i级。

本发明提出了一种矿井监测数据异常波动预警方法和装置，用于判断各类监测点实时监测数据是否出现异常波动，并通过gis空间地图服务直观展示各区域监测数据实时异常波动情况，通过区域监测异常波动辨识风险存在，为风险隐患治理赢取宝贵时间，大幅度降低了事故发生的概率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种矿井监测数据异常波动预警方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种矿井监测数据异常波动预警装置结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例发明点更加清晰，下面结合本发明的实施例流程图，对本发明实施例中的预警方法进行清楚、完整地描述。本发明提供一种矿井监测数据异常波动预警方法和装置，实施例选用某一类型监测数据进行计算过程描述。

参考图1，图1是本发明实施例提供的一种矿井监测数据异常波动预警方法流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1，采集矿井各类传感器监测数据并储于服务器中，包括瓦斯浓度、流量、风速、顶板压力、水位、水压、氧气浓度、一氧化碳浓度等类型监测数据，并分实时数据库和历史数据库存储。

步骤2，配置异常波动预警指标体系，包括波动预警名称、监测数据类型、预警拟合方式、基数取值范围、预警分析方法、异常过滤系数多级预警指标值i、基数颗粒度γ。

(1)波动预警名称用于描述异常波动预警的业务描述，作为判断规则的唯一标识。

(2)监测数据类型配置用于设置异常波动监测对象。

(3)预警拟合方式包括均值拟合、非线性拟合、线性拟合三种方式。

(4)基数取值范围表示当前时间至历史某一时刻的时间长度，数据查询过程中将根据设置的基数取值范围获取该时间范围内的历史监测数据。

(5)优选地，预警分析方法包括“实时偏差/标准差”和“实时偏差-标准差”两种方式。

(6)异常过滤系数用于对参考取值范围内异常数据过滤的参考指标。

(7)多级预警指标值作为异常波动预警的参考对比标准，根据预警分析方法设定算法的计算结果与指标值对比分析，生成对应级别的预警实时数据，优选地，本实施例多级预警指标分四级，分别为红色一级预警i1、橙色二级预警i2、黄色三级预警i3、蓝色四级预警i4。

(8)基数颗粒度γ用于确定参考基数取值范围的时间分割次数。

步骤3，连接矿端监测监控数据库，查询矿井各类监测点实时监测数据和历史监测数据，获取历史数据库中基数取值范围以及矿井各类传感器监测的历史监测数据；获取实时数据库中矿井各类传感器监测的实时监测数据。其中矿井各类监测点安装有步骤1中的各类传感器，且矿井各类监测点表示监测值为模拟量的监测点。

步骤4，根据异常过滤系数对基数取值范围内的历史监测数据进行异常过滤处理，得到监测正常的参考基数。异常过滤处理是根据该基数取值范围内异常数据量与总数据量的比值k(异常率)与过滤系数α的关系对比确定是否过滤处理，具体判断逻辑如下：

(1)当时，将异常数据全部过滤剔除，得到所述监测正常的参考基数，执行步骤5。

(2)当时，保留异常数据，不作过滤处理，得到所述监测正常的参考基数，执行步骤5。

(3)当0.5≤k时，视作本轮取值范围内数据异常率较高，不能用作监测点正常波动参考标准的生成，续用上一轮参考标准差作为正常波动范围参考基准值，跳转执行步骤8。

其中：为异常过滤系数，k为异常率，即监测数据个数与基数取值范围内总监测数据量的比值。

步骤5，根据基数颗粒度γ所设的值将基数取值范围分割为若干个时间段，取每个时间段中间时间点组成拟合时间集ti(t1,t2,t3,t4......ti)，并将每个时间段内的参考基数取平均值计算，各时间段计算生成的平均值集合称为参考基数集ai{(t1,a1),(t2,a2),(t3,a3)......(ti,ai)}。

步骤6，根据上述参考基数集及设置的预警拟合方式分别计算出均值拟合、非线性拟合、线性拟合这三种方式对应拟合函数，将上述拟合时间集ti(t1,t2,t3,t4.....i.t)带入上述拟合函数中进行计算，得到所述参考基数集对应的标准拟合集bi{(t1,b1),(t2,b2),(t3,b3)......(ti,bi)}。

步骤7，根据上述拟合函数计算参考基数集中每个元素对应的偏差，生成基数偏差集ci{(a1-b1),(a2-b2),(a3-b3)......(ai-bi)}，即真实参考值ai减去拟合值bi中对应的每个元素，得到每个元素对应的偏差，再将这些偏差组成偏差集。并利用基数偏差集计算生成标准差作为正常波动范围参考基准值，即历史监测数据在拟合线上下波动的正常范围，参考基准值的计算过程如下：

其中：δ为参考标准差，n为参考基数集中元素个数，ai拟合时间对应的参考基数，bi为拟合时间对应的标准拟合计算值。

步骤8，查询数据库中的实时监测数据，结合拟合函数计算实时监测值的实时偏差，其中实时偏差计算过程如下：

设实时监测数据点r(t,ν)，对应的拟合标准点为bt(t,bt)，则所述实时偏差计算如下：

s＝|ν-bt|

其中：ν为t时间点对应的实时监测数据中的数值，bt为t时间点对应的拟合函数的计算值，s为t时间点所述实时监测数据中的数值对应的实时偏差。

步骤9，结合预警分析方法计算实时偏差和参考标准差的对比值，得到对比值x，将该对比值与多级预警指标的区间设值进行对比，判断该对比值是否在所述预警指标区间内；

若否，跳转执行所述步骤3；

若是，判断所述测点状态是否为持续预警状态；如果是，则更新实时预警状态，例如上次是黄色三级预警，现在的上述对比值在红色一级预警区间，因此将预警状态从黄色三级预警更新为红色一级预警；若否，则生成异常波动实时预警数据，将所述实时监测数据标记为异常监测数据并存储，所述异常监测数据参与下一轮计算过程中的数据异常过滤计算，跳转执行步骤3；

其中，预警分析方法包括：“实时偏差/标准差”和“实时偏差-标准差”两种，预警级别判断区间包括：红色一级预警[i1,∞)、橙色二级预警[i2,i1)、黄色三级预警[i3,i2)、蓝色四级预警[i4,i3)。

该预警分析方法的具体计算公式如下：

x＝s-δ或x＝s/δ

其中：x为实时偏差与参考标准差的对比值；δ为参考标准差；s为当前监测值的实时偏差。

另外，还需判断上述实时监测数据对应的预警级别，其方法如下：

(1)设置多级预警指标ii{(0,ii],(ii,ii-1]......(i3,i2],(i2,i1],(i1,+∞)}。

(2)当判断对比值x属于预警指标ii中第i区间时，则该预警级别为i级。

步骤10，生成异常波动实时预警数据后，将拟合函数对应的拟合线、参考基数集、实时监测数据、参考标准差在同一坐标系中采用不同颜色、线形进行展示；结合gis空间地图服务通过布点方式展示全矿各类测点异常波动实时预警情况，可直观反馈矿井综合安全状况及区域风险预警情况。

本实施例的有益效果如下：

本发明提出了一种矿井监测数据异常波动预警方法和装置，用于判断各类监测点实时监测数据是否出现异常波动，并通过gis空间地图服务直观展示各区域监测数据实时异常波动情况，通过区域监测异常波动辨识风险存在，为风险隐患治理赢取宝贵时间，大幅度降低了事故发生的概率。

在另一实施例中，参照图2，出示了本发明的一种矿井监测数据异常波动预警装置结构图，具体可以包括如下模块：

数据库查询模块21，用于步骤1：连接矿端监测监控数据库，查询矿井各类监测点实时监测数据和历史监测数据；其中，所述矿井各类监测点表示监测值为模拟量的监测点。

在一个可选的实现方式中，所述数据库查询模块21包括：

获取子模块，用于根据设置的所述基数取值范围获取该时间范围内的历史监测数据；其中，所述基数取值范围表示当前时间至历史某一时刻的时间长度。

异常过滤模块22，用于步骤2：根据异常过滤系数对基数取值范围内的所述历史监测数据进行异常过滤处理，得到监测正常的参考基数。

在一个可选的实现方式中，所述异常过滤模块22包括：

第一异常过滤子模块，用于当时，将异常数据全部过滤剔除，得到所述监测正常的参考基数，并执行所述步骤3；

第二异常过滤子模块，用于当时，保留所述异常数据，不作过滤处理，得到所述监测正常的参考基数，并执行所述步骤3；

第三异常过滤子模块，用于当0.5≤k时，视作本轮取值范围内数据异常率较高，不能用作监测点正常波动参考标准的生成，续用上一轮参考标准差作为监测正常的所述参考基准值，跳转执行所述步骤5；

其中：为异常过滤系数；k为异常率。

拟合函数计算模块23，用于步骤3：按设置的基数颗粒度对所述参考基数进行分割均值计算生成参考基数集，并根据所述参考基数集及预警拟合方式计算生成对应的拟合函数；其中，所述预警拟合方式包括：均值拟合、线性拟合及非线性拟合。

在一个可选的实现方式中，所述拟合函数计算模块23包括：

平均值获取子模块，用于根据所述基数颗粒度所设的值将所述基数取值范围分割为若干个时间段，取每个时间段中间时间点组成拟合时间集ti(t1,t2,t3,t4......ti)，并将每个时间段内的所述参考基数取平均值；

参考基数集组成子模块，用于将所述平均值组成所述参考基数集ai{(t1,a1),(t2,a2),(t3,a3)......(ti,ai)}。

参考标准差计算模块24，用于步骤4：根据所述拟合函数计算所述参考基数集中每个元素对应的偏差，生成基数偏差集，并利用所述基数偏差集计算生成参考标准差作为监测点的监测数据正常波动范围参考基准值。

在一个可选的实现方式中，所述参考标准差计算模块24包括：

标准拟合集计算子模块，用于将所述拟合时间集带入所述拟合函数中进行计算，得到所述参考基数集对应的标准拟合集；

基数偏差集获取子模块，用于利用所述参考基数集和所述标准拟合集，得到所述基数偏差集；

参考标准差获取子模块，用于利用所述基数偏差集进行计算，得到所述参考标准差。

异常波动及预警级别判断模块25，用于步骤5：根据拟合函数计算所述实时监测数据的实时偏差，结合预警分析方法计算所述实时偏差和所述参考标准差的对比值，将所述对比值与多级预警指标的区间设值进行对比，判断所述实时监测数据是否为异常波动，以及判断所述实时监测数据对应的预警级别。

在一个可选的实现方式中，所述异常波动及预警级别判断模块25包括：

区间判断子模块，用于将所述对比值与多级预警指标区间设值进行对比，判断所述对比值是否在所述预警指标区间内。

在一个可选的实现方式中，所述异常波动及预警级别判断模块25还包括：

所述异常波动及预警级别判断模块中的所述预警分析方法包括“实时偏差/标准差”和“实时偏差-标准差”两种；

所述预警分析方法的计算公式如下：

x＝s-δ或x＝s/δ

其中：x为实时偏差与参考标准差的对比值；δ为所述参考标准差；s为实时监测数据的实时偏差。

展示模块26，用于步骤6将所述拟合函数对应的拟合线、所述参考基数集、所述实时监测数据、所述参考标准差在同一坐标系中采用不同颜色、线形进行展示，并结合gis空间地图服务通过布点方式展示全矿各类测点异常波动实时预警情况。

以上对本发明所提供的一种矿井监测数据异常波动预警方法和装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。