於 帆

（中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司）

近年來，隨著煤礦綜采工作面自動(dòng)化、信息化的發(fā)展，工作面的安全性和生產(chǎn)效率得到了很大的提升。液壓支架是綜采工作面主要支護(hù)手段，支架工作狀態(tài)可間接反映工作面開采過程中頂板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此基于綜采工作面支架工作狀態(tài)的礦壓監(jiān)測(cè)已成為保障煤礦安全高效生產(chǎn)的重要手段。支架工作阻力監(jiān)測(cè)設(shè)備也日趨信息化和智能化，目前系統(tǒng)多采用Zigbee無線傳輸?shù)氖侄危m然此方式解決了有線系統(tǒng)難以部署的問題，但受制于無線傳感器電池供電、傳感器功耗、無線傳輸機(jī)制等因素，系統(tǒng)無法準(zhǔn)確及時(shí)地捕捉升架、降架、頂板來壓等載荷動(dòng)態(tài)變化過程中的有效數(shù)據(jù)。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了基于WaveMesh 無線傳輸和有效采樣機(jī)制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)試驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究與分析［1-8］。

1 基于觸發(fā)密采技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)家能源局、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局研究頒布的《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 年版）》將煤礦智能化發(fā)展提到了新的高度和要求。要求智能化煤礦將人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)技術(shù)進(jìn)行深入融合，形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦開拓、采掘（剝）、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理等全過程的智能化運(yùn)行。

基于觸發(fā)密采技術(shù)的支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用無線傳感器技術(shù)，將煤礦實(shí)際生產(chǎn)過程中綜采支架的靜態(tài)受力和移動(dòng)受力的信息捕獲組成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，通過礦井搭建的基礎(chǔ)4G/5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，將支架的感知數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。服務(wù)器通過專業(yè)軟件對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立頂板壓力預(yù)警模型，為煤礦安全生產(chǎn)提供保障。

系統(tǒng)構(gòu)建了“數(shù)據(jù)采集端—無線監(jiān)測(cè)子站—礦井4G/5G 環(huán)網(wǎng)—服務(wù)器”的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，解決了煤礦復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境和監(jiān)測(cè)施工困難的問題，將發(fā)展成為智能化礦山的重要組成部分。系統(tǒng)組成如圖1 所示。

數(shù)據(jù)采集端主要負(fù)責(zé)采集液壓支架的壓力數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，通過WaveMesh 無線傳輸至監(jiān)測(cè)子站，監(jiān)測(cè)子站接收多個(gè)數(shù)據(jù)采集端的壓力信息，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、分析、顯示后使用4G/5G 傳輸模塊與礦井無線基站進(jìn)行通信，借助礦井基礎(chǔ)環(huán)網(wǎng)將大量數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器；服務(wù)器在存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)后，創(chuàng)建支架壓力分析的數(shù)據(jù)模型，用于研究和建立支架壓力預(yù)警體系。

1.2 數(shù)據(jù)采集端硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分由數(shù)據(jù)采集儀和高精度壓力變送器組成。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，支架立柱腔體內(nèi)的壓力變化直接反映支架的各種形態(tài)及受力的變化，所以將壓力變送器固定安裝在支架立柱腔體閥上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力變化，如圖2所示。

在煤礦實(shí)際生產(chǎn)中，支架受壓變化是由頂板內(nèi)部巖層構(gòu)造變化產(chǎn)生的；當(dāng)頂板內(nèi)部巖層發(fā)生微小破裂，壓力緩慢增長(zhǎng)聚集，逐漸形成沖擊性，造成頂板破裂跨落。為了實(shí)現(xiàn)超前預(yù)警，系統(tǒng)必須在較小壓力變化的過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)的捕捉，對(duì)每次工作過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成指導(dǎo)性的預(yù)警參數(shù)模型。

壓力變送器采用單晶硅片為彈性元件，利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴(kuò)散1組等值電阻，并將電阻接成橋路，當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使直接擴(kuò)散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測(cè)壓力成比例的變化，再由橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信號(hào)，測(cè)量精度可達(dá)0.1，可準(zhǔn)確測(cè)量支架動(dòng)態(tài)壓力。

A/D 采集模塊以高精度的低功耗16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS118 為核心，在采集壓力電壓信號(hào)后，在內(nèi)部可編程增益放大器（PGA）、電壓基準(zhǔn)、振蕩器和溫度補(bǔ)償器的工作下，通過串行通信的方式，將濾波后的有效數(shù)據(jù)傳輸至微處理器。

微處理器為ARM 平臺(tái)的低功耗芯片STM32L072，其具有在低耗能狀態(tài)下高速處理數(shù)據(jù)的特性，通過觸發(fā)密采的算法，將有效數(shù)據(jù)通過WaveMesh無線模塊傳輸至無線監(jiān)測(cè)子站。數(shù)據(jù)采集端電路模塊線程流如圖3所示。

1.3 無線監(jiān)測(cè)子站設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，工作面支架數(shù)量多達(dá)200臺(tái)，且支架是隨工作面回采不斷移動(dòng)調(diào)整，所以在支架范圍內(nèi)部署有線傳輸通道的方案是難以實(shí)施的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Wave Mesh 無線自組網(wǎng)方式建立傳輸網(wǎng)絡(luò)，固定在每臺(tái)支架上的數(shù)據(jù)采集端作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)，安裝在工作面迎頭的監(jiān)測(cè)子站作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臒o線網(wǎng)關(guān)，通過樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，任意監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息匯集至監(jiān)測(cè)子站，監(jiān)測(cè)子站通過4G/5G礦井基礎(chǔ)環(huán)網(wǎng)設(shè)施將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。

無線監(jiān)測(cè)子站（簡(jiǎn)稱子站）在系統(tǒng)中主要完成數(shù)據(jù)匯集、傳輸以及可靠性保證的功能。其硬件電路主要由Mesh 無線模塊、微處理器、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊（4G/5G）等構(gòu)成，如圖4所示。

以32 位高性能ARM 處理器STM32F407 作為微處理器，使用DSP 指令進(jìn)行大數(shù)據(jù)運(yùn)算處理；Mesh 無線模塊內(nèi)嵌WaveMesh 組網(wǎng)協(xié)議，具有較大的路由表項(xiàng)和報(bào)文長(zhǎng)度，支持異步、同步、自主、被動(dòng)等休眠方式，滿足低功耗應(yīng)用場(chǎng)景；子站可通過Mesh無線模塊收集各數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)信息，通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊（4G/5G）與礦井基礎(chǔ)環(huán)網(wǎng)（4G/5G）通信，將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器；設(shè)備上的存儲(chǔ)模塊具有較大內(nèi)存空間，可存儲(chǔ)通信中斷過程中的傳輸數(shù)據(jù)，保證有效數(shù)據(jù)的完整性。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 觸發(fā)密采算法的實(shí)現(xiàn)

觸發(fā)密采機(jī)制：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集端設(shè)的工作模式為“低功耗—數(shù)據(jù)采集—無線傳輸”的循環(huán)模式，將傳感器信號(hào)采樣周期設(shè)置為t，系統(tǒng)無線傳輸周期設(shè)置為T，每間隔時(shí)間t，有效壓力變化閾值為value。在單位時(shí)間內(nèi)（ms 級(jí)）進(jìn)行多次壓力采集、數(shù)據(jù)排序過濾取平均值，將平均值記錄為此時(shí)刻的有效值data，例如，t1時(shí)刻的2n次壓力采樣分別為AD1，AD2，AD3……AD2n，通過過濾排序算法，取中間n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平 均值計(jì) 算，t1 有 效值data1=（ADn+1+ ADn+1+ADn+3+……+AD2n）/n，同時(shí)將第一次采樣值data1 記錄在固定地址存儲(chǔ)空間內(nèi)。同理在t2 時(shí)刻獲得有效值為data2，將data2 與data1 進(jìn)行比對(duì)處理分析，當(dāng)|data2-data1|≠value 時(shí)，此時(shí)刻的有效值不再放入緩沖區(qū)，繼續(xù)進(jìn)入工作循環(huán)。當(dāng)|data2-data1|≥value 時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)密集采集機(jī)制，縮短系統(tǒng)采樣周期為tv，進(jìn)行密集采集，同時(shí)比對(duì)密集采集前后時(shí)刻的數(shù)據(jù)變化，當(dāng)|datan-1-datan|≥value，記錄每個(gè)tv時(shí)刻的數(shù)據(jù)，當(dāng)|datan-1-datan|≠value 時(shí)，恢復(fù)正常采樣周期，進(jìn)入工作循環(huán)，等待無線傳輸周期的到來，將存儲(chǔ)緩沖區(qū)內(nèi)的有效數(shù)據(jù)通過無線傳輸至子站。運(yùn)行周期如圖5 所示。

通過上述處理機(jī)制對(duì)采樣數(shù)據(jù)的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾清除，保證有效數(shù)據(jù)的可靠性，提高無線傳輸效率，降低設(shè)備功耗。

2.2 無線休眠機(jī)制

（1）系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集端無線節(jié)點(diǎn)工作在異步休眠和同步休眠的混合模式下工作。當(dāng)監(jiān)測(cè)子站端的無線模塊root廣播同步休眠報(bào)文后，所有采集端節(jié)點(diǎn)立刻進(jìn)入同步休眠的低功耗狀態(tài)，每次同步休眠接收后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，子站判斷所有采集端數(shù)據(jù)接收完成后，再次廣播同步報(bào)文，使得所有節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入低功耗同步休眠模式。

（2）在監(jiān)測(cè)子站端增加數(shù)據(jù)接收完成確認(rèn)報(bào)文。當(dāng)監(jiān)測(cè)子站接收完成每個(gè)采集端數(shù)據(jù)，發(fā)送同步休眠報(bào)文之前，子站通過高速數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，將接收到的采集端設(shè)備信息生成“數(shù)據(jù)完成”報(bào)文，廣播到無線網(wǎng)絡(luò)中，采集端接收到數(shù)據(jù)完成報(bào)文后，判斷本機(jī)數(shù)據(jù)是否已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)，確認(rèn)到達(dá)后清除緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，進(jìn)行正常循環(huán)；如果判斷未到達(dá)目標(biāo)子站，相應(yīng)采集端會(huì)再次嘗試數(shù)據(jù)的發(fā)送，若3 次未發(fā)送成功，將定義本機(jī)無線通道中斷，立刻將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)芯片，在無線通道正常后，將數(shù)據(jù)傳輸至子站。

無線休眠機(jī)制優(yōu)先保證了有效數(shù)據(jù)的完整性，降低了設(shè)備的功耗，提高了無線傳輸效率。交互機(jī)制如圖6所示。

3 觸發(fā)密采技術(shù)監(jiān)測(cè)支架工作阻力應(yīng)用

3.1 工作面概況

為驗(yàn)證基于觸發(fā)密采技術(shù)的支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用效果，選取某礦35009工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及應(yīng)用分析。

35009工作面可采走向長(zhǎng)2 409 m，傾斜長(zhǎng)平均為110 m，工作面采用大傾角走向長(zhǎng)壁傾斜分層綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板，分層厚度為10.8 m，設(shè)計(jì)采高為2.7 m，放頂煤高度為8.1 m，采放比為1∶3。工作面采用“兩采一放”生產(chǎn)工藝，采煤機(jī)截深為0.8 m，放煤步距為1.6 m。工作面選用ZF6300/19/30型液壓支架支護(hù)頂板，采用全部垮落法處理采空區(qū)。

3.2 礦壓監(jiān)測(cè)

為確定35009 工作面支架工況，對(duì)頂板的適應(yīng)性以及頂板來壓規(guī)律提供依據(jù)，根據(jù)35009工作面回采情況及動(dòng)壓顯現(xiàn)狀況，構(gòu)建基于觸發(fā)密采技術(shù)為基礎(chǔ)的支架工作阻力物聯(lián)網(wǎng)硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面支架工況，全面開展回采工作面的礦壓觀測(cè)技術(shù)試驗(yàn)。

3.3 支架工作阻力數(shù)據(jù)處理

在支架工作阻力監(jiān)測(cè)過程中時(shí)，采集的數(shù)值為支架沿推進(jìn)方向的壓力，通過提取工作面礦壓顯現(xiàn)特征參數(shù)進(jìn)行來壓顯現(xiàn)規(guī)律分析。要實(shí)現(xiàn)支架工作阻力的數(shù)據(jù)分析，其關(guān)鍵是要對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉與記錄，關(guān)鍵數(shù)據(jù)為初撐力、循環(huán)末阻力及動(dòng)載等情況下的壓力變化數(shù)值，隨后再進(jìn)行一些分析參數(shù)的提取與計(jì)算，如圖7所示。

3.4 定時(shí)輪詢和觸發(fā)密采的對(duì)比分析

數(shù)據(jù)采集儀采集壓力值為固定周期（定時(shí)采集），若監(jiān)測(cè)周期內(nèi)壓力發(fā)生變化，此時(shí)不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，特別是在動(dòng)載發(fā)生時(shí)間點(diǎn)處于采集間隙，將無法捕捉動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)丟失，這將對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理及結(jié)果判斷造成巨大影響。因此，對(duì)定時(shí)輪詢和觸發(fā)密采2種監(jiān)測(cè)機(jī)制進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，以判斷2種方式的監(jiān)測(cè)效果。結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，觸發(fā)密采機(jī)制監(jiān)測(cè)可對(duì)液壓支架全動(dòng)載過程中的安全閥開啟、循環(huán)末阻力、初撐力及最大工作阻力等動(dòng)態(tài)變化點(diǎn)進(jìn)行觸發(fā)機(jī)制的捕捉，保證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，利于基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的礦壓分析；而定時(shí)輪詢機(jī)制檢測(cè)對(duì)部分動(dòng)態(tài)變化過程中的來壓不能及時(shí)記錄，影響了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與判斷。以圖中6～9 min 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，當(dāng)液壓支架發(fā)生移架動(dòng)作后，其工作阻力會(huì)在20 s內(nèi)發(fā)生瞬時(shí)動(dòng)態(tài)變化，定時(shí)輪詢采樣周期為3 min，無法及時(shí)捕捉短周期內(nèi)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，造成循環(huán)末阻力關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)的丟失；觸發(fā)密采為動(dòng)態(tài)變化采樣周期，能根據(jù)數(shù)據(jù)變化調(diào)整采樣周期，可及時(shí)捕捉短周期內(nèi)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，有效獲取循環(huán)末阻力關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)。

4 結(jié) 語

基于觸發(fā)密采技術(shù)的礦用支架工作阻力無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效采集與動(dòng)態(tài)捕捉功能。目前該系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用于我國(guó)煤礦井下，依靠智能觸發(fā)加密采樣頻率的獨(dú)特技術(shù)，有效避免數(shù)據(jù)冗余，減少傳感器功耗，增加監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，?duì)礦山無線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在必定起到深遠(yuǎn)影響。該技術(shù)未來還可擴(kuò)展至對(duì)動(dòng)態(tài)變化數(shù)值要求較高的相關(guān)礦山監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高煤礦安全監(jiān)測(cè)水平和信息化管理能力。