左 嵐

（湖北省咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，437100）

1 引言

多傳感器系統(tǒng)實際上構(gòu)成了一個協(xié)同及互補(bǔ)的體系，為了充分發(fā)揮整個監(jiān)測監(jiān)控信息融合系統(tǒng)的效能，需要按照某些工作準(zhǔn)則或算法適當(dāng)?shù)毓芾磉@些傳感器資源。傳感器是信息融合系統(tǒng)中最基本的單元，為了提高信息融合的效果，有必要對作為信息融合系統(tǒng)基礎(chǔ)的傳感器進(jìn)行必要的管理。系統(tǒng)在對煤礦生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控時，也會使用到大量的傳感器，這些傳感器就像是監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的“眼睛”和“耳朵”，如何使“眼睛”和“耳朵”看得更清楚、聽得更明白，將目標(biāo)對象分辨得更清晰，就需要對傳感器資源進(jìn)行管理。因此建立一套傳感器自動管理系統(tǒng)可大大提高信息融合系統(tǒng)的效能。為了實現(xiàn)傳感器管理的目的，傳感器管理的首要目標(biāo)是有效地指導(dǎo)可利用的傳感器資源來收集相關(guān)信息，以便有效地完成某項任務(wù)。

2 傳感器管理的功能

多傳感器信息融合的基本功能與人類或其他邏輯系統(tǒng)中常見的基本功能類似。不同傳感器的信息分別具有不同的特征：實時的或者非實時的，突變的或者緩變的，模糊的或者確定的，它們可能相互支持或互補(bǔ)，也可能互相矛盾或競爭。多傳感器信息融合就是充分利用多個傳感器資源，通過對這些傳感器及其觀測信息的合理調(diào)配，把多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)各種準(zhǔn)則來進(jìn)行綜合，以獲得被測對象的一致性全面解釋或描述。信息融合的基本目標(biāo)是通過對多個數(shù)據(jù)的綜合，以獲取更確切、更有價值的信息，這是最佳協(xié)同作用的結(jié)果。對于任何給定的應(yīng)用，必須定義傳感器管理各項準(zhǔn)則并加以量化，以便詳細(xì)說明傳感器的最優(yōu)分配方案。這些準(zhǔn)則通常包括一些可量化的參數(shù)，如測量范圍、分辨率、目標(biāo)檢測概率、狀態(tài)估計精度、目標(biāo)更新速率及識別精度等。傳感器控制管理依賴于人工輸入、信息融合以及外部提示或沒有預(yù)計到的請求。進(jìn)行傳感器管理或傳感器分配的目的，是使上述各項管理內(nèi)容的目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。一般來說，一組傳感器很難做到監(jiān)測所有的目標(biāo)，或達(dá)到系統(tǒng)要求的所有性能指標(biāo)，需要探索使各種相互矛盾的需求之間達(dá)到滿意的方案。

3 傳感器技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)不能從根本上滿足井下特殊作業(yè)環(huán)境。例如，采掘面的大型機(jī)械設(shè)備的移動、主要設(shè)備的現(xiàn)場檢修等臨時施工點，不能滿足和適應(yīng)傳感器節(jié)點的快速布防和對安全監(jiān)控信息的動態(tài)檢測與實時傳輸?shù)囊?。目前，大多使用的便攜式檢測裝置(如個人數(shù)字助理(PDA))，也只能完成小范圍的測量，不能形成大范圍的監(jiān)控和檢測信息的實時傳輸，致使井下臨時施工點成為煤礦井下安全隱患主要場所之一。

3.1 多傳感器管理

多傳感器管理是指對多個傳感器進(jìn)行管理。多個傳感器可以是同類傳感器，也可以是異類傳感器。例如在某煤礦主通風(fēng)機(jī)上分別布置了三個傳感器：傳感器1為加速度傳感器，裝在主通風(fēng)機(jī)的軸承座上，經(jīng)積分后取出振動速度信號；傳感器2和傳感器3為電流互感器，裝在三相交流電機(jī)的A相和B相。通過傳感器1來測量軸承的振動狀態(tài)，用傳感器2、3來測量電機(jī)電流的變化。根據(jù)傳感器測量到的時域信號及頻譜發(fā)現(xiàn)，傳感器2、3的信號波形比較相似，頻譜接近；傳感器1與傳感器2、3的信號波形及頻譜相差較大。根據(jù)Matlab編程計算得到傳感器兩兩之間的冗余度，結(jié)果如表1所示。表中，R12表示傳感器1和傳感器2之間的冗余度，R13、R23分別表示傳感器1、3和2、3之間的冗余度。

表1 傳感器兩兩之間的冗余度計算值

對三個傳感器進(jìn)行兩兩比較，如果某兩個傳感器之間的冗余度較大，則說明這兩個傳感器信息的關(guān)聯(lián)性大。由表1可以看出，傳感器1、2和傳感器1、3之間的冗余度較小，而電流傳感器2、3之間的冗余度較大，關(guān)聯(lián)性也較大，這也符合實際情況。在實際的故障診斷系統(tǒng)中需要布置多個同類或異類的傳感器，則可計算兩兩傳感器之間的冗余度。再給出一個評價冗余度的閾值，便可判斷各傳感器之間信息的冗余程度。對高度冗余的傳感器從數(shù)量上進(jìn)行剔除，對高度互補(bǔ)的傳感器信息進(jìn)行融合，這樣可以降低信息融合過程的計算量。這是進(jìn)行各級信息融合之前的準(zhǔn)備工作。

3.2 安全監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器管理設(shè)計

3.2.1 傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點的電路結(jié)構(gòu)方框所示。從該電路結(jié)構(gòu)中可以看出，如果打開電池和電源開關(guān)，甲烷濃度傳感器和溫度傳感器則分別從井下臨時施工點周圍環(huán)境中采集瓦斯?jié)舛群蜏囟?。從這兩種傳感器輸出的數(shù)據(jù)輸入到信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)輸入給單片機(jī)，由單片機(jī)對數(shù)據(jù)作模/數(shù)轉(zhuǎn)換、打包等進(jìn)一步處理后，將數(shù)據(jù)輸入無線通信模塊，無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，單片機(jī)同時由控制的狀態(tài)指示燈閃爍一次，無數(shù)通信模塊亦可將從信宿節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)輸入給單片機(jī)。

當(dāng)打開電源開關(guān)后，狀態(tài)指示燈亮，按信宿節(jié)點上的0號按鍵，從單片機(jī)輸出一個開始指令進(jìn)入輸入無線通信模塊，無線通信模塊將該指令發(fā)送出去，等待一段時間后，無線通信模塊將接收到的由無線傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)，這時狀態(tài)指示燈滅，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送到顯示模塊顯示，同時送到存儲器存儲。當(dāng)有異常情況發(fā)生時，單片機(jī)控制報警電路報警。當(dāng)臨時施工點作業(yè)結(jié)束后，將USB接口與計算機(jī)相連接，這時存儲器將記錄的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)。單片機(jī)將數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口輸入計算機(jī)，同時可將計算機(jī)中的數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口輸入單片機(jī)中。

3.2.2 傳感器管理中的多目標(biāo)排序問題

傳感器管理器外部命令，傳感器管理器主要由三個子模塊組成，即方案生成模塊、方案優(yōu)化模塊和任務(wù)規(guī)劃模塊。方案生成模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)置的方案給當(dāng)前監(jiān)測空問的某個特定目標(biāo)指定一些傳感器或虛擬傳感器對其進(jìn)行進(jìn)一步檢測，以提供該目標(biāo)的確定信息；方案優(yōu)化模塊按照任務(wù)需求優(yōu)選上述方案，形成最終配對方案；任務(wù)管理模塊則負(fù)責(zé)具體的傳感器任務(wù)分配。首先要選取4個監(jiān)測區(qū)域作為目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域，對這4個目標(biāo)進(jìn)行排序。影響目標(biāo)威脅程度的主要因素有：目標(biāo)的類型、最大突出強(qiáng)度、平均突出強(qiáng)度、突出頻率、事故應(yīng)急能力等。以上幾個因素對目標(biāo)威脅程度的影響是不同的，分別求出各因素影響目標(biāo)威脅程度的權(quán)系數(shù)：，且

權(quán)系數(shù)的取值取決于目標(biāo)威脅程度的輕重。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，目標(biāo)的類型可由信息融合評價后給出，事故應(yīng)急能力可由專家給出，其他幾項因素均和目標(biāo)密切相關(guān)，由記錄數(shù)據(jù)庫給出。以上威脅因素只有目標(biāo)類型和事故應(yīng)急能力與其他因素不同，目標(biāo)類型設(shè)有較強(qiáng)瓦斯突出礦井、中等瓦斯突出礦井、較弱瓦斯突出礦井三種級別，其威脅程度的權(quán)系數(shù)分別為：1。事故應(yīng)急能力設(shè)有易處理、一般和較難處理三種情況，其威脅程度的權(quán)系數(shù)分別為

多傳感器管理系統(tǒng)的核心是依據(jù)一定的最優(yōu)準(zhǔn)則構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，確定傳感器資源的分配。

4 結(jié)論

煤礦井下無線通信實質(zhì)上是借用巷道的縱向?qū)w作為波導(dǎo)，電波在巷道中傳播呈現(xiàn)導(dǎo)波特性。理論研究和實驗均表明，利用900MHz-3000MHz這一頻段可以實現(xiàn)井下徑向無線通信。井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層設(shè)計主要通過理論分析和現(xiàn)場測量的方法，根據(jù)井下復(fù)雜環(huán)境和地質(zhì)條件對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)挠绊?，建立井下無線信號傳播模型；選擇電磁干擾和煤巖壁吸收相對較小的無線頻段及信道編碼方式；實現(xiàn)低成本、低功耗、多功能集成化的傳感器節(jié)點設(shè)計；滿足煤礦井下高溫、高濕、高塵、高電磁干擾和爆炸性生產(chǎn)環(huán)境的工作要求。

[1] 梁濤，侯友夫，吳楠楠.掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].礦山機(jī)械，2008，16(01)：112-113.

[2] 關(guān)志剛，程千里，王為曉，張會.基于PLC的分布式控制系統(tǒng)在某采煤機(jī)電機(jī)控制上的應(yīng)用[J].節(jié)能，2011，20(06)：176-177.

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