卜滕滕，屈世甲，武福生，張衛(wèi)國(guó)，胡 然

（1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇常州 213015；2.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇常州 213015）

煤礦瓦斯災(zāi)害是井工煤礦最普遍、最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1]，眾多學(xué)者對(duì)煤層中瓦斯含量測(cè)定以及瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了大量的研究[2-4]，但是關(guān)于采煤工作面瓦斯監(jiān)測(cè)模式的研究少之又少?；夭擅媸峭咚巩a(chǎn)出最多的作業(yè)場(chǎng)所之一，掌握回采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律和分布特征是控制與治理瓦斯災(zāi)害的基礎(chǔ)，有效的監(jiān)測(cè)是防治瓦斯災(zāi)害的重要手段。

根據(jù)智能化礦山建設(shè)的要求，受限空間（工作面和回采巷道）安全環(huán)境的監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)該朝著連續(xù)自動(dòng)化、智能網(wǎng)絡(luò)化和信息可視化的方向發(fā)展[5]，因此要掌握回采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律和分布特征，應(yīng)構(gòu)造出回采面瓦斯動(dòng)態(tài)分布云圖，可視化展示回采面瓦斯流場(chǎng)分布狀態(tài)。

但是目前回采面瓦斯監(jiān)測(cè)都是單點(diǎn)監(jiān)測(cè)模式，即在進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷靠近采面10 m 以?xún)?nèi)的位置和上隅角位置安設(shè)瓦斯傳感器，只要3 個(gè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)沒(méi)有超過(guò)報(bào)警閾值（φ（CH4）=1%），則認(rèn)定整個(gè)回采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)處于安全值范圍內(nèi)。這種“以點(diǎn)代面”的監(jiān)測(cè)模式抓住了回采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高值，在一定程度上保障了工作面安全生產(chǎn)，但是無(wú)法多維展示回采面瓦斯流場(chǎng)分布狀態(tài)。

構(gòu)造回采面瓦斯動(dòng)態(tài)分布云圖，實(shí)現(xiàn)瓦斯流場(chǎng)可視化顯示需解決2 個(gè)問(wèn)題：一是回采面瓦斯全覆蓋監(jiān)測(cè)問(wèn)題；二是瓦斯體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)構(gòu)建及視覺(jué)顯示瓦斯流場(chǎng)問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，部分學(xué)者已有探討。屈世甲[6]提出了基于云、邊、端3 級(jí)的瓦斯邊緣監(jiān)測(cè)模式，同時(shí)詳細(xì)論述了MEMS 瓦斯傳感器的“微功耗、小尺寸、低成本、免標(biāo)校、自定位、自供電、自組網(wǎng)”功能以及礦用邊緣網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)南嚓P(guān)功能，為解決基于邊緣計(jì)算的瓦斯感知和傳輸問(wèn)題提供了思路，但是該論文并未涉及回采面瓦斯全覆蓋監(jiān)測(cè)、瓦斯體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)構(gòu)建以及瓦斯涌出異常捕捉等問(wèn)題。為此，提出了邊緣場(chǎng)景下瓦斯流場(chǎng)構(gòu)建及異常起伏捕捉的方法，以環(huán)境感知層、數(shù)據(jù)傳輸層和平臺(tái)應(yīng)用層為架構(gòu)，在邊緣計(jì)算驅(qū)動(dòng)下以瓦斯全覆蓋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)值插值算法生成可視化云圖和數(shù)字場(chǎng)的支撐數(shù)據(jù)組，實(shí)現(xiàn)井下實(shí)時(shí)就地構(gòu)建空間數(shù)據(jù)場(chǎng)、形成空間云圖數(shù)據(jù)基礎(chǔ)集以及礦井局部區(qū)域有害氣體的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

1 邊緣計(jì)算場(chǎng)景下瓦斯監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)

邊緣場(chǎng)景下瓦斯流場(chǎng)構(gòu)建及異常起伏捕捉方法的平臺(tái)架構(gòu)如圖1。

圖1 邊緣計(jì)算場(chǎng)景下瓦斯監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of methane monitoring platform in edge computing scenario

由圖1 可知，環(huán)境感知層指瓦斯全覆蓋監(jiān)測(cè)布置系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸層指通過(guò)無(wú)線(xiàn)或者有線(xiàn)方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至邊緣網(wǎng)關(guān)，平臺(tái)應(yīng)用層指邊緣網(wǎng)關(guān)能夠完成瓦斯數(shù)字場(chǎng)的構(gòu)建、瓦斯動(dòng)態(tài)云圖的顯示和瓦斯異常涌出的捕捉。

2 環(huán)境感知層

2.1 回采面瓦斯全覆蓋監(jiān)測(cè)布置

回采面瓦斯分布特征呈現(xiàn)極強(qiáng)的規(guī)律性，依據(jù)回采面瓦斯分布規(guī)律在必要位置安設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)即可完成回采面瓦斯的面域監(jiān)測(cè)，避免了安裝大量瓦斯傳感器。

2.1.1 回采面瓦斯分布特征

為搞清回采面瓦斯分布特征和變化規(guī)律，以某礦ZF211 工作面為對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)了綜放面在生產(chǎn)和檢修期間回采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)大小。ZF211 是高瓦斯厚煤層綜放開(kāi)采工作面，該工作面傾向長(zhǎng)度150 m，走向長(zhǎng)度1 670 m，已經(jīng)推采長(zhǎng)度200 m。工作面開(kāi)采煤厚9 m，割煤高度3 m，放煤高度6 m，采深625 m，煤層具有輕微沖擊傾向性，開(kāi)采前已進(jìn)行瓦斯抽放。

該采煤工作面共有98 架支架，每個(gè)支架作為1個(gè)監(jiān)測(cè)站，每個(gè)監(jiān)測(cè)站布置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（從煤壁至采空區(qū)依次為測(cè)點(diǎn)Bi、Ci、Ai）。縱向共有3 條測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)A 位于支架尾端頂部，測(cè)線(xiàn)B 位于支架前端頂部，測(cè)線(xiàn)C 位于支架中部頂部。

生產(chǎn)期間3 位檢測(cè)員分別沿著A、C、B 3 條測(cè)線(xiàn)從下隅角至上隅角檢測(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)，每次檢測(cè)要保證傳感器在測(cè)點(diǎn)停留至少20 s，20 s 后記錄該點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)。由于1#～3#液壓支架上堆煤嚴(yán)重妨礙了檢測(cè)任務(wù)，因此檢測(cè)任務(wù)從4#支架開(kāi)始，到98#支架結(jié)束，得到測(cè)線(xiàn)A、測(cè)線(xiàn)B 和測(cè)線(xiàn)C 瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化特征圖。生產(chǎn)班回采面瓦斯分布特征和變化規(guī)律如圖2。

由圖2 獲取了采煤工作面生產(chǎn)期間瓦斯分布特征：①瓦斯體積分?jǐn)?shù)從下隅角到上隅角慢慢上升，下隅角區(qū)域和中部區(qū)域呈現(xiàn)“臺(tái)階上升”方式，上隅角區(qū)域呈“漸變上升”方式；②以采煤機(jī)為分割點(diǎn)，采煤機(jī)前方瓦斯體積分?jǐn)?shù)明顯小于采煤機(jī)后方，這是因?yàn)槁涿寒a(chǎn)生的瓦斯被風(fēng)流從采煤機(jī)前方吹向后方，但落煤對(duì)采煤機(jī)前方也會(huì)造成影響，影響范圍大約20 m，如圖中藍(lán)色方框，采煤機(jī)后方都是落煤的影響范圍；③上隅角位置是采煤工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高點(diǎn)，佐證了“單點(diǎn)監(jiān)測(cè)”模式的有效性。

2.1.2 回采面瓦斯全覆蓋監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)采煤工作面瓦斯分布特征確定ZF211 采煤工作面瓦斯2 段式監(jiān)測(cè)方案。下隅角區(qū)域和中部區(qū)域瓦斯以“臺(tái)階方式”上升，相鄰臺(tái)階之間瓦斯體積分?jǐn)?shù)落差最大值為0.04%，因此在下隅角區(qū)域和中部區(qū)域瓦斯傳感器間隔布置，臺(tái)階長(zhǎng)度最短為10 m，最長(zhǎng)為42 m，在確保瓦斯傳感器數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的情況下，確定間隔距離為14 m，即每間隔6 個(gè)液壓支架設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測(cè)站，每個(gè)監(jiān)測(cè)站安設(shè)3 個(gè)瓦斯傳感器，共布置10 個(gè)監(jiān)測(cè)站，此為第1 段監(jiān)測(cè)布置方案。上隅角區(qū)域瓦斯以“漸變方式”上升，以每個(gè)液壓支架為監(jiān)測(cè)站依序瓦斯傳感器，共布置5 個(gè)監(jiān)測(cè)站，此為第2 段監(jiān)測(cè)布置方案。

2.2 MEMS 瓦斯傳感器

以ZF211 工作面為例，則需要安設(shè)45 個(gè)瓦斯傳感器。目前煤礦廣泛使用催化燃燒式瓦斯傳感器，但是該傳感器具有標(biāo)校頻繁、功耗高、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，如果工作面安設(shè)45 個(gè)催化燃燒式瓦斯傳感器，一方面井下一個(gè)通用監(jiān)控分站不允許連接這么多傳感器，另一方面后期維護(hù)工作量太大[7]。MEMS瓦斯傳感器的研制為該問(wèn)題的解決提供了思路。

MEMS 瓦斯傳感器集成了微機(jī)械和微電子功能，由硅基材料和半導(dǎo)體集成電路制造工藝制成，具有尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低、高可靠性、強(qiáng)大的抗振動(dòng)和沖擊性等優(yōu)勢(shì)[8-9]。MEMS 技術(shù)可以將功能類(lèi)型不同或敏感方向不同的傳感器集成起來(lái)形成一個(gè)“智能傳感系統(tǒng)”。因此通過(guò)整合微功耗瓦斯感知模組、無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)模組、主動(dòng)動(dòng)態(tài)標(biāo)校感知模組、定位模組、自發(fā)電模組于一體，實(shí)現(xiàn)瓦斯傳感器的“免標(biāo)校、自定位、自供電、自組網(wǎng)”等功能。免標(biāo)校指瓦斯傳感標(biāo)校周期≥1 年；自定位指可以將傳感器位置信息作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一起傳輸，為構(gòu)建瓦斯體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)提供位置信息；自供電指自發(fā)電模組發(fā)電功率≥0.5 mW，配合可充電電池實(shí)現(xiàn)傳感器自供電和連續(xù)供電；自組網(wǎng)指通過(guò)無(wú)線(xiàn)基站，1#瓦斯傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳給2#，2#連同1#監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳給3#，3#連同1#、2#監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳給4#，…，最后1 個(gè)瓦斯傳感器將所有瓦斯傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)[6]。

3 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸主要包括傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸、傳感器與邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)傳輸以及邊緣網(wǎng)關(guān)與邊緣服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1）傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于回采面多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)傳輸首選無(wú)線(xiàn)傳輸方式，通過(guò)功耗低、延時(shí)低、容量大的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)瓦斯傳感器信息交互和數(shù)據(jù)傳輸。井下常用無(wú)線(xiàn)接口包括WIFI、藍(lán)牙、4G、5G、Zigbee、UWB 和LoRa 模塊，WIFI、藍(lán)牙、4G 無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)已經(jīng)在煤礦運(yùn)用多年；蜂窩移動(dòng)通信5G 技術(shù)具備較低的網(wǎng)絡(luò)延遲和較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠滿(mǎn)足井下高速控傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)需求；Zigbee 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在人員定位系統(tǒng)中廣泛使用，適用于短距離和低速率下的無(wú)線(xiàn)傳輸；與Zigbee 相同，UWB 無(wú)線(xiàn)傳輸也應(yīng)用于人員定位系統(tǒng)中，但是精度要更高；LoRa 具備低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低速率、成本低和抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠適用于井下遠(yuǎn)距離中低速通信和小數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸。不論采用那種無(wú)線(xiàn)方式，都應(yīng)滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)射頻模組功耗小于200 mW、通信距離大于10 m、單節(jié)點(diǎn)傳輸延遲小于0.4 ms和通信網(wǎng)絡(luò)自愈時(shí)間小于10 ms 的要求。

2）傳感器和邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。傳感器和邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)可采用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)結(jié)合的方式，無(wú)線(xiàn)傳輸方式如上所述。有線(xiàn)傳輸在井下應(yīng)用相當(dāng)成熟，并且通用監(jiān)控分站與傳感器之間有線(xiàn)傳輸已經(jīng)形成了一些通用標(biāo)準(zhǔn)接口，主要包括RS485、CAN 和以太網(wǎng)等通信接口，可以直接應(yīng)用。同時(shí)考慮到邊緣網(wǎng)關(guān)會(huì)接收較多異構(gòu)數(shù)據(jù)，建議增加PLC 接口和MiniPCIe 外擴(kuò)接口，包括UART、SPI 和I2C 等板級(jí)通信總線(xiàn)，用于擴(kuò)展其他必要的有線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3）邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)和邊緣計(jì)算服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。由邊緣網(wǎng)關(guān)至邊緣服務(wù)器之間系統(tǒng)復(fù)雜、傳輸線(xiàn)路紛雜、數(shù)據(jù)量龐大，建議選用適合遠(yuǎn)距離通信、抗干擾能力強(qiáng)的有線(xiàn)傳輸方式。

4 平臺(tái)應(yīng)用層

如何對(duì)大量的瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，最終生成可視化云圖和數(shù)字場(chǎng)的支撐數(shù)據(jù)組以及進(jìn)行視覺(jué)展示也是個(gè)難題。在現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，瓦斯傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳至通用監(jiān)控分站，再由通用監(jiān)控分站上傳至地面計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理分析后下發(fā)控制指令給通用監(jiān)控分站實(shí)施斷電或復(fù)電功能。或者通用監(jiān)控分站自主完成瓦斯超限聲光報(bào)警、斷電和瓦斯風(fēng)電閉鎖控制等功能[10-14]?？梢?jiàn)，通用監(jiān)控分站僅具備與地面計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交換以及簡(jiǎn)單的控制功能，不具備數(shù)據(jù)的處理與分析、數(shù)字場(chǎng)的構(gòu)建以及可視化顯示等功能，應(yīng)尋找通用監(jiān)控分站的替代品。邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展為解決這一問(wèn)題提供了有效途徑。

“邊緣計(jì)算”最初由美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的RyanlaMothe 第一次提出，定義為“edge computing”，該定義已經(jīng)具備了云服務(wù)的下行和萬(wàn)物互聯(lián)的上行[15]。美國(guó)韋恩州立大學(xué)施巍松教授團(tuán)隊(duì)給出了邊緣計(jì)算的正式定義[16]：邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模型，邊緣計(jì)算操作的對(duì)象包括來(lái)自于云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)和來(lái)自于萬(wàn)物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)，而邊緣計(jì)算的邊緣是指從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心路徑之間的任意計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源，是一個(gè)連續(xù)統(tǒng)。與云計(jì)算相比，邊緣計(jì)算具有2 個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)[17-18]：①直接在數(shù)據(jù)源端處理大量數(shù)據(jù)，不必全部上傳云端，減輕了網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)中心功耗的壓力；②在靠近數(shù)據(jù)源端做數(shù)據(jù)處理，不需要通過(guò)云計(jì)算中心的響應(yīng)，大大減少了系統(tǒng)延遲，增強(qiáng)了服務(wù)響應(yīng)能力。

由此可知，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)屬于嵌入式設(shè)備，其具備工業(yè)場(chǎng)合常用的通信能力，可接入?yún)^(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠在數(shù)據(jù)源附近處理大量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，可以有效減小計(jì)算系統(tǒng)的延遲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?。為此在邊緣?jì)算網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌數(shù)據(jù)處理模型、單點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)異常波動(dòng)判別模型，完成瓦斯數(shù)字場(chǎng)的構(gòu)建、瓦斯動(dòng)態(tài)云圖的顯示和瓦斯異常涌出的捕捉。

4.1 構(gòu)建回采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)及視覺(jué)展示

采煤工作面45 個(gè)瓦斯傳感器，每分鐘將產(chǎn)生接近27 000 個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)通過(guò)數(shù)值插值算法生成可視化云圖的支撐數(shù)據(jù)組，實(shí)現(xiàn)井下實(shí)時(shí)構(gòu)建瓦斯數(shù)字場(chǎng)、生成瓦斯動(dòng)態(tài)云圖。

以ZF11 工作面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明：①步驟S1：獲取瓦斯傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；②步驟S2：根據(jù)瓦斯傳感器的位置信息以及瓦斯體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)生成三維數(shù)據(jù)（x，y，z），x 方向指瓦斯傳感器在選定支架中的橫向位置排序（從采空區(qū)至煤層剝落區(qū)方向），y方向是指瓦斯傳感器所在的選定支架的縱向位置排序（從下隅角到上隅角方向）；③步驟S3：利用二維三次樣條插值算法對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算，得到的采煤工作面的瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布特征云圖如圖3。由圖3 可以獲知回采面瓦斯逐步的臺(tái)階上升和漸變上升的波動(dòng)特征。

圖3 生產(chǎn)班回采面瓦斯分布特征和變化規(guī)律Fig.3 Distribution characteristics and changing laws of methane on coal face in production squads

圖3 數(shù)據(jù)插值過(guò)程及回采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)云圖Fig.3 Data interpolation process and cloud diagram of methane concentration field in mining face

4.2 回采面瓦斯涌出異常判定

通過(guò)構(gòu)建回采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)云圖，實(shí)時(shí)展現(xiàn)回采面瓦斯流場(chǎng)分布特征，從宏觀角度獲取了瓦斯變化規(guī)律；捕捉瓦斯異常還應(yīng)該建立數(shù)據(jù)異常判別模型，從微觀角度判定瓦斯的異常波動(dòng)行為。通過(guò)構(gòu)建單點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)異常波動(dòng)識(shí)別模型對(duì)時(shí)間序列內(nèi)單點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的異常起伏進(jìn)行判定。

1）時(shí)間序列內(nèi)單點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)涌出異常的判定。由ZF211 綜放工作面回采期間瓦斯體積分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)可知，瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值Tmax=0.35，瓦斯體積分?jǐn)?shù)均值T=0.2,瓦斯體積分?jǐn)?shù)最小值Tmin=0.15，說(shuō)明瓦斯體積分?jǐn)?shù)浮動(dòng)的正常范圍是0.05～0.15。根據(jù)以上分析制定判定單點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為異常數(shù)據(jù)的規(guī)則，以ZF211 工作面為例，工作面共安裝45 個(gè)傳感器，傳感器定義為T(mén)1、T2、…、T45，現(xiàn)對(duì)傳感器Tx（1≤x≤45）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定。系統(tǒng)每隔30 s 從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取傳感器Tx（1≤x≤45）的1 個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)值為30 s 周期內(nèi)的最大值。第1 個(gè)數(shù)據(jù)記為t1，第i記為ti（1≤i≤960），1 個(gè)生產(chǎn)班共讀取960 個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)960 個(gè)數(shù)據(jù)作如下分析：①獲取上一班次傳感器Tx瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高值tmax與均值t，作為本班次Tx單點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)是否異常的判斷標(biāo)準(zhǔn)；②任意時(shí)刻本班次傳感器Tx瓦斯體積分?jǐn)?shù)值為ti（0＜i≤960），若ti＜tmax，則判定ti為正常數(shù)據(jù)，令i=i+1，依次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，若i＞960，則本班次傳感器Tx瓦斯體積分?jǐn)?shù)未出現(xiàn)異常，進(jìn)入下一班次對(duì)瓦斯體積分?jǐn)?shù)值進(jìn)行判定；③任意時(shí)刻本班次傳感器Tx瓦斯體積分?jǐn)?shù)值為ti，若ti＞tmax，且ti-tmax＞tmax-t，則判定ti為異常數(shù)據(jù)，標(biāo)記為第1 個(gè)異常數(shù)據(jù)a1，記j=1；④接著判斷ti+1，若ti+1＞tmax，且ti+1-tmax＞tmax-t，則判定ti+1為異常數(shù)據(jù)，標(biāo)記為第2 個(gè)異常數(shù)據(jù)t2，記j=j+1；⑤在6 min 內(nèi)，若j≥8，則認(rèn)為傳感器Tx瓦斯體積分?jǐn)?shù)異常波動(dòng)，采取相應(yīng)處置措施。

2）回采面瓦斯異常判定。通過(guò)單點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)異常波動(dòng)判別模型判定了時(shí)間序列內(nèi)某個(gè)傳感器Tx的瓦斯涌出是否異常，回采面共計(jì)45 個(gè)瓦斯傳感器（以ZF211 工作面為例），通過(guò)模型對(duì)每個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，則獲得45 個(gè)結(jié)果且均勻分布，這不利于結(jié)果整合。依據(jù)回采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布狀態(tài)，將回采面劃分成3 個(gè)區(qū)域：瓦斯低體積分?jǐn)?shù)區(qū)、瓦斯體積分?jǐn)?shù)上升區(qū)、瓦斯高體積分?jǐn)?shù)區(qū)。瓦斯低體積分?jǐn)?shù)區(qū)內(nèi)甲烷傳感器為A1、B1、C1；瓦斯體積分?jǐn)?shù)上升區(qū)內(nèi)甲烷傳感器為A2、…、A10，B2、…、B10，C2、…、C10；瓦斯高體積分?jǐn)?shù)區(qū)內(nèi)甲烷傳感器為A11、…、A15，B11、…、B15，C11、…、C15；各個(gè)區(qū)域內(nèi)，只有有1 個(gè)傳感器瓦斯涌出異常，則認(rèn)為該區(qū)域瓦斯涌出異常?；夭擅嫱咚巩惓Ｆ鸱卸ǚ椒ㄈ鐖D4。

圖4 回采面瓦斯異常起伏判定方法Fig.4 Judgment method of abnormal methane fluctuation in working face

5 結(jié) 語(yǔ)

回采工作面瓦斯單點(diǎn)監(jiān)測(cè)模式已在煤礦實(shí)施多年，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限報(bào)警功能，但是不能展現(xiàn)瓦斯流場(chǎng)分布狀態(tài)以及捕捉瓦斯異常起伏行為。鑒于此，以“環(huán)境感知層-數(shù)據(jù)傳輸層-平臺(tái)應(yīng)用層”3 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題為主線(xiàn)，論述了基于邊緣計(jì)算技術(shù)的瓦斯災(zāi)害智能感知方法。

1）在環(huán)境感知端，通過(guò)分析回采面瓦斯變化特征和分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了回采面瓦斯全覆蓋監(jiān)測(cè)方案，提出了傳感器“間隔布置”和“依序布置”2 種布置方式，借助“免標(biāo)校、自定位、自供電、自組網(wǎng)”MEMS 瓦斯傳感器實(shí)現(xiàn)了回采面瓦斯全覆蓋監(jiān)測(cè)布置系統(tǒng)。

2）在數(shù)據(jù)傳輸層，提出了傳感器之間采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式，傳感器與邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)之間采用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)相結(jié)合方式，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)和邊緣服務(wù)器之間采用有線(xiàn)傳輸方式。

3）在平臺(tái)應(yīng)用層，用邊緣網(wǎng)關(guān)替代通用監(jiān)控分站，使其不僅具備了通信能力，還具有一定的運(yùn)算能力和高級(jí)判斷功能；邊緣網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌數(shù)據(jù)處理模型、單點(diǎn)瓦斯?jié)舛犬惓２▌?dòng)判別模型，能夠在井下實(shí)時(shí)構(gòu)建瓦斯數(shù)據(jù)場(chǎng)、形成空間云圖、捕捉瓦斯涌出異常行為，實(shí)現(xiàn)礦井回采面瓦斯動(dòng)態(tài)云圖可視化和災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警。