支架压力监测数据分段拟合方法.pdf

第 4 2卷 第 2期 2 0 1 6年 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo l J 4 2 No． 2 Fe b ． 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 2 0 0 5 1 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 1 3 张玉武， 许华栋 ， 王莹莹． 支架压力监测数据分段拟合方法E J - 1 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 2 5 1 5 4 ． 支架压力监测数据分段拟合方法 张 玉武 ， 许 华栋 ， 王 莹 莹。 1 ． 永煤集 团股份有 限公司 新桥煤矿，河南 永城4 7 6 6 0 0 ； 2 ． 徐州博林高新技术有限责任公司，江苏 徐州 2 2 1 O O 8 摘 要 针 对 支 架压力 监测 系统 应 用于超 长 工作 面 时 ， 受 总线查 询周 期 限制 而 难 以兼顾监 测 支架压 力 中的 突发 奇 异信 号 与数据 实时传输 的 问题 ， 提 出一种 支 架压 力监 测 数据 分段 拟 合 方 法 。该 方 法按 照 支架 压 力监 测 系统 1个 查询 周期进 行 数据 分段 ， 在 某个 分段 内如 果数 据 量 小 于拟合 系数 量 ， 则 直接 传 输数 据 ； 如 果数 据 量不小于拟合 系数量 ， 则进行数据的多项式拟合 ， 获取拟合 系数并只传输拟合 系数。实验结果表 明， 该方法 大大减 少了传输数据量， 又不丢失重要数据 ， 同时实现了每个查询周期 固定数据传输量 ， 便于数据传输管理。 关 键词 支架压 力监 测 ；数据 拟合 ；分段 拟合 ；查询 周期 中图分类号 TD 3 5 5 ． 4 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 1 2 6 1 5 4 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 1 2 6 ． 1 5 4 7 ． 0 1 3 ． h t ml Se g me nt d a t a f i t t i ng me t ho d f o r s u pp o r t p r e s s ur e mo ni t o r i n g ZH ANG Yuwu ，XU H u a do n g ， W ANG Yi ng y i ng 。 1 ． Xi n q i a o Co a l M i n e ，Yo n g c h e n g Co a l Mi n i n g Gr o u p Co ． ，Lt d ． ，Yo n g c h e n g 4 7 6 6 0 0，Ch i n a ； 2 ． Xu z h o u B o l i n Hi n e w Te c h n o l o g y C o． ，Lt d． ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a c t W h e n s u p p o r t p r e s s u r e mo n i t o r i n g s y s t e m i s u s e d i n o v e r l e n g t h wo r k f a c e ，i t i s v e r y d i f f i c u l t t o m e e t b o t h d e ma nd s of r e a l t i m e t r a n s mi s s i o n a nd c a p t ur i ng b ur s t s i gn a l s i n t he p r e s s ur e be c a u s e o f 收稿 日期 2 0 1 5 1 i - 2 0 ； 修 回 日期 2 0 1 5 1 2 - 2 0 ； 责任编辑 李 明。 作者简 介 张玉武 1 9 8 O 一 ， 男 ， 河南南 阳人 ， 工程师 ， 现主要从事煤矿机电管理工作 ， E ma i l 4 1 5 5 7 0 1 0 q q ． C O rn。 [ 4] [5 ] [6] [7] [ 8] [9] 康小宁 ， 刘 鑫 ， 索 南加乐 ， 等． 基 于矩 阵束算 法 的经消 弧线圈接地系统故 障选线 新方法 [ J ] ．电力系统 自动 化 ， 2 0 1 2 ， 3 6 1 2 8 8 9 2 ． 索南加乐 ， 王晨 清 ， 康 小宁 ， 等． 基于分 布参 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t r a n s mi t t e d． The e x pe r i m e n t a l r e s ul t s ho ws t h a t t h e m e t ho d r e du c e s a mou nt o f d a t a t r a ns m i s s i on s i g ni f i c a nt l y， r e s e r v e s i m p or t a nt i nf or ma t i on a nd f i x e s d a t a t r a n s mi s s i on a mo unt i n e a c h q u e r yi ng pe r i o d f o r c l e a r d a t a t r a ns m i s s i o n ma n a ge m e nt ． Ke y wo r d s s up po r t pr e s s u r e mo ni t or i n g；d a t a f i t t i ng；s e gme n t f i t t i n g；qu e r y i ng pe r i o d 0 引言 支架压力监测是矿压监测和顶板支护的重要监 测手段l 1 ] 。在矿压监测数据 中， 移架过程的压力变 化对于计算和分析煤矿工作面压力有非常重要的意 义[ 2 ] 。图 1 a 为某 支 架 2 4 h实际压 力 曲线 ， 可见 支 架压力监测数据 中存在有奇异变化 的信号， 反映了 移架时的压力突降 、 低压保持 、 再升压和压力调整的 过程 u 3 l 。其中 A点移架过程压力变化如图 1 b 所 示 ， 整个移架过程持续约 7 ～8 S ， 其 中降压时间约为 1 S ， 升压时间约为 1 S 。2 4 h压力 曲线被 多个 移架 过程分成 2 ～3 h的若干工 作周期 。在这 2 ～3 h 内， 压力曲线的变化 比较缓慢 。 5 0 0 0 4 0 00 、 z 3 0 0 0 奋2 0 0 0 l 0 0 0 ／ ． ／ I _ l I l 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 l 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 时间／ mi n a 2 4 h实际压力 曲线 b A 点 移 架 过 程 压 力 曲 线 图 1 支架压力 曲线 可见支架压力监测数据的特殊性是在较缓慢变 化的压力数据中夹有人工移架时压力突变的奇异数 据。对于缓慢变化 的压力数据 ， 支架压力监测系统 的采样频率可低至数秒甚 至数 十秒 1次 ， 而对移架 时的奇异数据 ， 采样频率需不低于每秒 3 4次。 目前煤矿支架压力监测系统一般采用工业总线 传输数据 ， 系统 由 1个 主站和若干个接在总线上的 分站构成 ， 由主站轮询 向各个分站查询数据 。主站 通 常置于 地 面 ， 分 站分 布在各 个支 架上 ， 整个 支架 压 力监测系统传输线路可达数 k m。为了保证长距离 传 输 的 可 靠 性， 通 信 速 率 常 设 为 5 k b i t ／ s或 2 ． 4 k b i t ／ s 。 而分站的采样速率较快 ， 如 3次／ s ， 一个 支架采样 6个压力值， 传输速率为 5 k b i t ／ s ， 在超长 工作面多达 2 0 0个分站时_ 3 ] ， 查询扫描 1 周 的时间 约为 1 1 S 。而在此传输过程中 ， 分站内积 累存储 了 约 1 1 倍的数据。为了缓解传输压力 ， 有 的支架压力 监测系统不得不降低分站的采样速率 ， 从 而抛弃大 量数 据。但 分 站 采 样 速 率 即使 减 小 为 1次／ s ， 2 0 0个分站的数据传输时间仍需 3 ． 3 6 S 左右。也就 是说 ， 对 于具有 2 0 0个分 站 的支架 压力 监测 系统 ， 分 站采样速率减小为 0 ． 2 5次／ s 时才能满足数据 的实 时传输要求 ， 但该情况下可能会丢失降架、 移架、 升 架信息。针对该问题 ， 本文提 出一种支架压力监测 数据分段拟合方法 。 1 支架 压力 监测 数据分 段 拟合方 法 1 ． 1 数 据 分段 拟 合 支架压力监测普遍采用工业总线查询方式 ， 主 站发指令查询分站 ， 分站接收到主站的查询指令才 向主站发送数据， 1个查询周期往往 为数秒或数十 秒 。因此 ， 将 支架 压 力监 测 数 据 按 查 询周 期 进 行 分 段 ， 即分 站在 1 个 查 询周 期 内将 数 据存 储 在 分 站 存 储器 中， 主站查询该分站时进行数据拟合。 采用多项式拟合方法进行数据拟合 。通过实测 发 现 ， 采 用 4次多 项 式 能较 好 地 满 足 支架 压 力 监 测 要求 ， 即设监测的压力数据为 一 厂 t 1 式中 t 为第 i 个采样点时刻 ， i 一1 ， 2 ， ⋯， ， 为分 段 内数 据长度 。 _厂函数 关 系 未 知 ， 因 此 采 用 多 项 式 拟 合 公 式 式 2 来拟合 ，函数 。 Y a 4 t a 3 t 。 a 2 t a 1 t a o 2 式中 Y 为拟合 后的数据 ； a ， n ， ， 口 ， n 。为拟合 系数 。 与一般的数据拟合不 同， 因总线查询时间难 以 2 0 1 6年 第 2期 张 玉武等 支架压 力监 测数 据分段 拟 合方 法 5 3 完全确定 ， 所 以分段 内数据长度 n可能会 有变化。 拟合 目标是取合适的系数组 ， 使拟合后 的数据 Y 与 监测数据 z 最接近 。目前 常用最小二乘法来确定 拟合系数 ， 即通过不断迭代 ， 使 拟合后 的数据 Y 与 监测数据 z 差值 的平方 和最小 ， 即求解式 3 中 F 最 小 时 的系数集 。 FE I Y z l 3 t l 具体方法 采用式 2 代替式 1 中的 厂函数并 代人到式 3 中的 ， 然后 分别求 5个拟合 系数 的 偏导数。令偏导方程为 0 ， 公式为L 4 ] 一 一 2 E 一E z ； 一0 4 i O k O 式 中 ． 为对某 一个 系数 求偏 导时该 系数 的下标 ， 一0 ， 1 ， ⋯， 4 ； m一4 ； k为 5个 系数 的下 标 ， k一0 ， 1， ⋯ ， m 。 式 4 为 5个方程 的偏导方程 组， 竹为采样 点 数 ， 因 ， 所以该方程组有唯一解。数据拟合过 程即迭代求解式 4 的过程 ， 获取 5个拟合 系数 a ， a 。 ， a 。 ， a ， a 。 。总线传输时只传输这 5个系数。 1 ． 2数 据 直传 与数 据拟 合判 断 有的支架压力监测 系统并不对所有支架进行压 力监测 ， 如采用 5条线监测方法时 ， 在工作面中选取 5个支架安装分站 ， 当工作面向前推进 时， 形成 5条 监测线。该情况下， 由于分站少 ， 可能不需要进行数 据拟合 ， 而是直接传输监测数据 。为了实现系统软 件的通用性 ， 由分站判断分段内的数据量 ， 若数据量 小于拟合系数量 ， 则直接传输数据 ； 若数据量大于或 等于拟合系数量 ， 则进行数据的多项式拟合 ， 只传输 拟合 系数。本文采用 4次 多项式拟合 ， 即当 1个查 询分段周期内的数据量小于 5时 ， 直接传送数据 ， 并 在数据后补 0 ， 凑足 5 位数据， 所补 0可作为主站判 断所传输数据为直接数据 还是拟合系数 的标志 ； 当 数据量大于或等于 5时 ， 进行 4次多项式拟合 ， 获取 5位拟合系数且只传输这 5位数据。这样每次均传 输 5位数据 ， 便于管理数据传输和确定传输时间。 1 ． 3主站 中拟 合数 据恢 复 理论上主站只需将接收到的 5位拟合系数代人 式 2 即可求 出拟合数据 Y 。但 主站首先需要确定 分段 内数据长度 。有 2种方法获取 ① 在传输 时增 加 1位 数据 ， 即传输 6位 数据 5个 系数加 1个数据长度数 。该方法优点是恢 复的数据长度 准确， 缺点是增加了传输负担 。设每个分站有 6个 测点 ， 存在 2 0 0个支架时 ， 在 1个查询周期内需多传 输 1 2 0 0个数据 。当查询周期较短时 ， 这种传输代 价与本文 目的相悖 。② 由主站根据查询周期计算 出数据长度。查询指令 由主站发出， 因此 主站可方 便地根据每个分站的查询时间间隔乘以各个分站的 采样速率计算 出本查询周期 内的数据长度 。例如主 站对某分站的查询周期为 1 2 ． 8 S ， 该分站采样速率 为 3次／ s ， 则可计算出数据长度为 3 8 ． 4 ， 取整为 一 3 8 。该方法的优点是获取方便 ， 减少了数据传输量， 缺点是 由于主站与各分站之间时钟稳定性存 在差 异 ， 在极偶然的情况下 ， 可能会少或多计算出 1 位数 据 。实际上 因分 站之 间时钟 稳定性 存在 差异 ， 在 1 个 查询 周期 内 ， 大 多数 分站 采集 了 个 数据 ， 但 极 个 别分 站采 集 了 1或 一1个 数 据 ， 这 与拟 合 后 极偶然情况下可能会多或少 1位数据类似 ， 并不影 响整体数据的准确性。因此 ， 本文采用方法②来确 定分段 内的数据长度 ， 进而恢复拟合数据。 2 数 据分 段拟 合方 法的 实现 图 2为系统分站组成 。6路压力传感器量程为 5 0 0 0 k N， 分 别 监测 前 梁 、 前 柱 、 后 柱 压 力 。压 力 数 据 由 6路信号放大 电路放 大为 0 ～5 V 电压信号。 信号放大电路中带有低通滤波器 ， 对压力数据进行 滤波处理 。S TC 1 5 F 2 K6 0 S 2单 片机对放大 信号进 行 A／ D转换 ， 对部 分信 号进 行显 示转换 后送 液 晶显 示屏进行显示 ， 并根据需要进行分段数 据拟合 。单 片机处理程序和数据均存储在外部存储器 中， 采集 数据或拟合 系数通过 MAX 4 8 5芯片连接到系统 总 线上。主站发送 的查询指令通过总线由分站接收。 前粱前柱后柱 接主站 图 2系 统 分 站 组 成 图 3为 分 站 软 件 流 程 。 主程 序 首 先 进 行 初 始 化， 清数 据 存储 器 ， 然 后采 集 6路压 力 信号 进行 A／ D转换 ， 将 A／ D转换值发送到存储器 ， 并对数据 进行压力转换 ， 送到液晶显示屏进行本地显示 。 当主站查询本分站数据时， 程序进入 中断处理 过程 。首先进行中断保护， 然后从存储器 中读取数 据 ， 如果数据量小于 5 ， 直接将数据存人通信缓冲单 元 ， 数据不足 5位时通过补 0 补足 5位 ； 如数据量不 小于 5则进行数据拟合 ， 获得 5位拟合系数， 将系数 5 4 工矿 自动化 2 0 1 6年第 4 2卷 a 主程序 b 中断程序 图 3 分站软件流程 存人通信缓冲单元并发送给主站。6路压力数据发 a 原始压力曲线 送完后 ， 清除数据存储器 ， 准备存储下一段数据 。 3 拟 合效 果分 析 采用支架压力监测数据分段拟合方法后 ， 主站 对从站的查询周期与采样 间隔可相互独立， 不会 出 现查询周期越长， 分站 中积累的数据越多 ， 所需传输 时间也越长的情况。设分站采样速率为 3次／ s ， 在 查询周期分别为 1 O ， 1 5 ， 3 0 S情况下 即分别 有 3 0 ， 4 5 ， 9 O个采 样 数 据 进行 数 据 拟 合 ， 结果 如 图 4 所 示 。 从图 4可看 出， 采用数据分段拟合方法后 ， 主站 查询周期为 1 O ， 1 5 ， 3 0 S 时传输数据个数是相 同的， 均为每次传输 5个数据， 压力曲线变化也基本类似 ， 满足应用需要。从数据准确度来讲 ， 应尽可能选择 较 短 的查询 周期 。 b 每 3 0采样点分段拟合压力 曲线 c 每 4 5 采样点分 段拟合压力 曲线 d 每 9 0采样点分段拟合压力 曲线 图 4 不 同采样点数分段数 据拟 合结果 4 结语 查询周期固定数据传输量 ， 方便数据传输管理 。 支架压力监测数据分段拟合方法按支架压力监 测系统主站的 1个查询周期进行数据分段 ， 在某个 分段 内， 如果数据量小于拟合系数量 ， 则直接传输数 据 ； 若数据量不小于拟合系数量 ， 则进行数据的多项 式拟合 ， 获取拟合系数并只传输拟合系数 。实验结 果表明， 该方法大大减少了数据传输量， 且不丢失重 要数据 ， 解决 了支架压力监 测数据 的实时性和对奇 异信号捕捉之间相互矛盾 的问题 ， 同时实现了每个 参考文献 [ 1 ] 赵端 ， 纵鑫． 基 于 Z i g B e e技术 的井下 液压 支架 压力 监 测系统设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 1 3 1 3 4 ． [ 2 ] 汪新文 ， 刘 云霞． 综采工作面压力实时监测系统 的应用 [ J ] ． 工矿自动化， 2 0 1 1 ， 3 7 1 0 1 2 1 1 2 4 ． [ 3 ] 张飞 ， 张巍 ， 孙建岭 ， 等． 超长综放工作面矿压显 现规律 研究[ J ] ． 煤炭工程， 2 0 1 0 ， 1 2 1 2 5 2 5 4 ． I- 4 ] 刘霞 ， 王运 锋． 基于最小二乘法 的分段三次 曲线 拟合方 法研究 [ J ] ． 科学技术 与工程 ， 2 0 0 7 3 3 5 2 3 5 5 ．