基于数据融合技术的矿井综合自动化系统.pdf

第 4 1卷 第 7期 2 0 1 5年 7月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo L 4 1 NO ． 7 J u 1 ．2 0 1 5 ‘ Ⅲ ’ ‘。 ’ i科研成果 l ． ◆ l ． ．1 ◆Ⅲ ．’ 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 7 0 0 0 1 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 0 1 谷善茂 ， 何凤有 ， 刘云龙． 基于数据融合技术的矿井综合 自动化系统[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 7 1 - 4 ． 基于数据融合技术的矿井综合自动化系统 谷 善茂 ， 何凤 有 ， 刘云龙 1 ． 潍坊学院 信息与控制工程学院 ，山东 潍坊2 6 1 0 6 1 ； 2 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 分析 了 目前 已建成 的矿 井综 合 自动化 系统存 在 的主要 问题 ， 即存 在 信 息孤 岛现 象、 底层 传 感 器运 行 可靠性较差 、 系统数据融合程度不高等， 指 出矿 井综合 自动化 系统建设的关键是 实现各生产 系统的运行可 靠性检测 以及数据的深度挖掘及 融合 ； 提 出了矿 井综合 自动化 系统建设的关键技术是 智能传感器和数据融 合功 能 的研 究 ， 从 软件 融合 、 系统 融合 、 功 能融合 3个 方 面给 出 了数 据 融合 问题 的 解 决方 案 。采 用 C编 程 实现 的矿 井综合 自动 化 系统 已在 某矿 成功 试运 行 ， 取 得 了良好 效 果 。 关键 词 矿 井综合 自动化 系统 ； 数 据 融合 ； 数 据挖 掘 ；智能传 感 器 ；自动 决策 中图分类号 T D6 7 2 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 0 7 0 1 0 8 5 2 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 5 0 7 0 1 ． 0 8 5 2 ． 0 0 1 ． h t ml I nt e g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m o f c o a l mi n e ba s e d o n d a t a f u s i o n t e c hn o l o g y GU Sh a nma o ，HE Fe ng y ou ，LI U Yu nl o ng 1． Sc ho ol of I n f o r m a t i on a nd Co nt r o l En gi n e e r i n g，W e i f a n g U n i v e r s i t y，W e i f a ng 2 6 1 0 6 1，Chi n a； 2． Sc ho ol of I n f o r m a t i o n a nd El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng，Ch i na Uni v e r s i t y o f M i ni ng a nd Te c hn ol o gy， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t M a i n pr o bl e ms of e xi s t i n g i nt e gr a t e d a ut oma t i o n s y s t e m o f c o a l mi ne we r e a na l y z e d，na m e l y i n f o r ma t i o n i s l a n d ， l o w r u n n i n g r e l i a b i l i t y o f b o t t o m s e n s o r ， l o w s y s t e m d a t a f u s i o n d e g r e e d ， e t c ． Es t a b l i s h m e n t k e y s of i nt e gr a t e d a u t o m a t i on s y s t e m o f c oa l mi ne w e r e po i n t e d o u t ， whi c h we r e r unn i n g r e l i a b i l i t y d e t e c t i o n o f e a c h p r o d u c t i o n s y s t e m a n d d e e p d a t a mi n i n g a n d f u s i o n ．Ke y t e c h n o l o g i e s o f t h e s y s t e m e s t a bl i s hme nt we r e p r op os e d，whi c h we r e i n t e l l i g e n t s e ns o r a n d d a t a f us i o n f unc t i on，a nd s o l ut i on s o f d a t a f u s i o n we r e g i v e n f r o m a s p e c t s o f s o f t wa r e f u s i o n． s y s t e m f u s i o n a n d f u n c t i o n f u s i o n． An i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m o f c o a l mi n e b a s e d o n C p r o g r a mmi n g h a s b e e n a p p l i e d i n a c o a l mi n e s uc c e s s f ul l y wi t h a g oo d e f f e c t ． Ke y wo r d s i n t e g r a t e d a ut oma t i o n s ys t e m of c o a l mi ne；da t a f u s i on；d a t a mi n i ng；i nt e l l i ge nt s e ns o r； a ut o ma t i c d e c i s i o n ma ki ng 0 引言 随着工业信息技术 的快速发展 ， 矿井综合 自动 化 、 信息化建设也取得了很大成就 ， 开滦 集团 有 限 责任公司 、 枣庄矿业 集团 有限责任公司、 徐州矿务 集 团有限公司等 已在其下属的多个矿井中实现 了综 合 自动化建设 ， 部分先进的矿井在某些独立系统中 甚至实现了无人值守控制 ， 达到 了减人提效的 目 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 1 - 1 3} 修 回 日期 2 0 1 5 0 5 0 2 ； 责任编辑 李明 。 基金项 目 国家 自然 科 学基 金 资 助项 目 6 1 4 0 3 2 8 3 ； 潍 坊 市 科技 发 展 计划 资 助 项 目 2 0 1 4 G X0 2 2 ， 2 0 1 4 Z J 1 0 5 1 ； 潍 坊学 院 博 士基 金 项 目 2 0 1 0 BS 0 5 。 作者简介 谷善茂 1 9 7 8 -- ， 男 ， 山东寿光人 ， 讲师 ， 博士 ， 主要研究方 向为过程控制 、 电力电子驱动技术 等， E - ma i l ； g s m1 9 7 8 5 1 1 2 6 ． c o m 2 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 标 ； 同时 ， 利用实时监测及控制技术 ， 实现 了安全隐 患及 时发 现 、 灾害 情况 及时 预警 ， 从 机理 上杜 绝或 减 少了恶性事故 的发生 ； 通过优化生产流程 ， 利用合理 的削峰填谷等负荷分配手段 、 降低设备 的无效运行 时间等控制手段 、 高低压变频等节能手段 ， 达到经济 运行 的效果[ 2 ] ， 实 现了节能降耗 。但从 目前 中国各 大中型矿井综合 自动化系统 的运行效果来看 ， 基本 上只是实现 了安全生产数据 的共 网传输 和集 中监 测 ， 距离 最初 的 自动 化建设 目标还 有很 大差 距 _ 3 ] ， 尤 其是在消除信息孤岛、 多系统数据融合 、 传感器底层 可靠性检测 、 应急状态 自动决策等方面还需要进一 步完善 。 本 文 对矿井 综 合 自动化 系统 建设 现状 及存 在 问 题进行分析 ， 重点对急需解决的关键技术进行探讨 ， 为后续 的矿井综合 自动化系统建设提供参考 。 子 隹 ⋯ 圆圈⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 一『 菜藁1 ⋯ ⋯ 镊赫 r 一 一 l 决策 输 数据采集数据库 I ’ 。。 。 ,’-‘。-。 ．。‘-。。 。。。 。。’ ’。 。。 。。 。。。 。。 。。 ‘ i 决策联动专家分析 [二二二 报警报表We b 等 信息发布 信 息化 管理 显示大屏 控制决策系统 豳目 嗣霹 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 终端电脑 图 1 矿井综合 自动化 系统 建设 总体结构 从图 1可知 ， 对矿井综合 自动 化系统 的建设实 际上就是对执行子系统、 网络传输系统 、 控制决策系 统 、 信息发布系统 4个 部分 的建设 。其中网络传输 系统和信息发布系统在 已建成的系统 中表现较好 ， 基本达到建设 目标 ， 但是执行子系统 的可靠性 和控 制决策系统 的完备性 目前仍存在大量问题 ， 主要 表 现 在 以下 几个 方面 。 1 信息孤岛现象依然存在 。中国煤矿分布地 域广泛 ， 经济发展不均衡 ， 导致各地 区的矿井综合 自 动化建设不同步。在东部经济发达地 区， 矿业公 司 经过 十几 年 的快速 发展 ， 设备 更新 换代 较快 ， 大 部分 生产 系统 完成 了产 品 的升 级换 代 ， 其 更新 后 的 产 品 具备网络通信能力或能够为信息化提供较好的数据 支持 ； 在西部经济欠发达地区， 由于设备更新较慢 ， 部分 生产 系统 仍采 用 较 为 老 式 的 设 备 ， 这 些 设 备 经 过 自动化 改造 后具 备 自动 化 运 行 的能 力 ， 但 是 由于 设备较为老旧， 不具备通信接 口或无法为信息化提 供数据 ， 导致这部分设备独立于全矿井 的综合 自动 化 系统之 外 ， 无法 接入 ， 更无 法 实现 与其 他 系统 的联 动 控制 。 信息孤岛现象[ 8 产生的原因是多方 面的， 除了 设备的原因外 ， 还有子系统生产厂家 自身技术支持 不够、 系统软件开发水平低等多方面原因。 2 底层传感器运行可靠性 问题 。在实际运行 中， 矿井综合 自动化系统经常碰到各种问题 ， 最突出 的问题之一是底层执行单元 的运行可靠性 问题_ 9 ] 。 该 问题导致多种 问题 的发生 ， 如无人值守功能无法 实现 、 设备远程控制不稳定等。而矿井是一个 高危 环境 ， 如果故障不能快速定位并进行处理 ， 很难达到 矿井综合 自动化的人本安全 目标 。底层传感器运行 可靠性的提高涉及工艺 、 制造等多方面， 依赖于尖端 制造 水平 的提 高 ， 而 这 是 一 个 长期 的 过程 。本 文 讨 论其发展方向， 而不专注于某一传感器的研究设计。 3 系统数据融合程度不够 。现有矿井综合 自 动化 系 统 平 台 多 采 用 国外 先 进 的监 控 软 件 ] 如 I n To u c h ， I F i x 等 设 计 。这 些 先 进 的监 控 软 件 具 备 快 速 的组 态 开发 能 力 ， 技 术 门槛 较 低 ， 开 发 周 期 短 ， 且 运行稳 定 ， 在矿 井 综 合 自动 化 的早 期 建 设 中发 挥 了重要作用 。随着矿井信息化技术 的推进 ， 这种 只 能进行简单脚本数据编程的组态软件越来越无法适 应 矿井 信息 化 的多 系统融 合 、 多数 据融 合要 求 。 数据融合功能的实现决定 了矿井综合 自动化系 统 的智能性 ， 高度的数据融合能够实现系统的智 能 决 策 、 多 系统 的联动 控制 、 专 家分 析及 决策 预案 控 制 等 。这也 是本 文 的重点 研究 方 向 。 2矿 井综合 自动化 系统 问题分 析 总体来说 ， 中国矿井综合 自动化系统建设经过 十几年的研究应用 ， 目前 已处于瓶颈阶段。单从 自 动化功能的实现方面来说 ， 部分矿井 的建设 已经非 常成熟 ， 但从综合 自动化的角度考虑， 则仍处于初级 2 0 1 5年第 7期 谷善茂等 基于数据融合技术的矿 井综合 自动化 系统 3 阶段 ， 即使一些建设 比较成功的矿井综合 自动化 系 统 ， 也没有 实 现 真 正 意 义 上 的综 合 自动 化 。现 有 矿 井综合 自动化系统平 台主要实现了煤矿各生产系统 的监 控集 成 、 数据 展示 功 能 ， 虽 然 实现 了生 产 、 安 全 、 业务数据的集 中存储 ， 但未考虑对数据的深度挖掘 、 融合 ， 在该方面存在很 大不足 。由于必要 的数据不 能完成融合的 目标 ， 在过去的矿井 综合 自动化 系统 中 ， 基本 没有 应 急决 策预 案 系统 。 不难 看 出矿 井综 合 自动化 系 统建设 成 败 的关键 有 2个方 面 如何 实 现 各 生 产 系 统 的 运 行 可靠 性 检 测 ； 进行数据 的分析 、 决策控制， 实现数据的深度挖 掘、 融合。矿 井 综合 自动化 系 统研 究 内容 如 图 2 所示 。 数据的分析和决策 通常的矿井综合 自 动 化系统 子系统控制的创新和深化 智能决策、 联动控制、 专家分析 网络建设、 数据采集、 监测监控、 画面展示 检 测传感、 优 化流程、 控制 深度 I⋯⋯⋯一一-J 图 2 矿井综合 自动化系统研究 内容 从图 2可看 出， 通常意义上矿井综合 自动化 系 统 主要 实现 网络 建设 、 数 据采 集 、 监测 监控 及 画面展 示等功能。真正意义上的矿井综合 自动化系统不仅 包含 以上 功 能 ， 还 应 在 传 统 综 合 自动 化 系 统基 础 上 向上 、 向下延 伸 ， 即 向上 实 现数 据 的分 析 和 决 策 ， 在 数据挖掘 、 数据融合的基础上实现智能决策、 联动控 制等功能 ， 向下进行子系统控制的创新和深化 ， 在智 能传感器和优化控制流程方面进行研究 。 3 矿 井综 合 自动化 系统 建设 需解 决 的关 键技 术 要实现矿井综合 自动化“ 人本安全 、 节能降耗 、 减人提效” 的建设 目标 ， 必须对影响 自动化建设的关 键 问题 向上 、 向下 2个方 面 进行 研究 ， 本 文重 点对 基于数据融合 的智能决策等功能进行研究 。 3 ． 1 智 能传 感 器 系统 的研 发 矿井综合 自动化系统的底层传感器如果运行不 可靠 ， 很可能传递错误信息， 从而影响整个系统的可 靠性 。具备高可靠性 、 自检测能力 的智能传感器 的 研发 已经迫在眉睫。由于中国工业技术发展相对落 后于发达国家 ， 尤其在高端工业制造方面差距较大 ， 智能传感器的研发将是一个渐进的过程 。 智能传感器系统的研究可从制造工艺和软件开 发 2个方面进行。制造工艺的提高相对较慢 ， 依赖 于 中 国制 造工 艺水 平 的整 体 提高 ； 而软 件 开 发 方 面 的提高相对较快 ， 借助互联网概念 ， 对现有的传感器 进行改造 ， 增加运行状态 自检功能 ， 再通过传感器网 络将数据传递到上层 网络 ， 实现全 矿井 的传感器网 络覆 盖 。 传感器网络技术 已经有部分试 点应用 ， 如井下 Wi F i ， Z i g B e e网络[ 1 。 ] 等 ， 但由于成本和技术原 因， 仅 限于局部应用 ， 至今仍 没建成覆盖全矿井 的传感器 网络 。 3 ． 2数 据融 合功 能研 究 矿井综合 自动化系统建设不是单一系统的简单 无序堆积 ， 也不仅仅是 为了完成消除信息孤岛的单 一 目的， 而是对单一系统的综合和提升。在数据挖 掘技术的基础上， 真正 的矿井综合 自动化系统至少 需要在以下几个方面实现融合 。 3 ． 2 ． 1 软件的融合 基于多任务融合开发的 目标 ， 采用 C进行系 统 软件 的开发 ， 这超 越 了 以往 矿井 综 合 自动 化 系 统 软件 以监测监控为主要任务的范畴 ， 将矿井综合 自 动化系统软件设计成一个能融合众多 自动化子系统 的平 台， 实现整个矿井 的生产 自动化和调度控制的 智能化 ， 主要体现在以下几个方面 。 1 有选 择 、 有优 先 、 有 提 升地 融合 自动化 子 系 统 的监测 监控 功能 ， 而不 是 对 各 子 系统 进 行 简 单 无 序堆 积 。 2 融合远程专家诊断系统， 不仅仅是简单地 对单一数据进行超限、 动作报警 ， 而是建立以树状分 析为基础的专家故障报警体系， 使其具备第一故障 点分析判断能力， 同时具备报警优先分级机制 ， 确保 最重要的故 障得到最优先的报警和处理 。 3 融合事故灾变应急处理预案， 通过软件可 组态 化地 编制 各类 事 故 灾 变 的应 急 处 理 预 案规 则 ， 一 旦发生满足规则 的事故或灾情 ， 系统将指导操作 人员逐步进行相关操作 ， 避免处理过程混乱 ， 确保事 故 的及 时有效 处理 。系统 同时具备 全 自动 的事 故 处 理预案 主要针对能通过系统 自身控制消除故障的 情况 ， 该过程仅需操作人员授权确认预案启动 ， 之 后的处理操作 、 结果反馈和过程记 录均 由系统 自动 完成 ， 可最大程度地减少事故处理时间 ， 提高整个矿 井 生 产 的安 全性 。 4 融合大型设备专家分析 系统 ， 通过 系统本 身具有 的大型设备实时数据库 ， 并结合现场手持设 备采集的数据 ， 完成专家分析功能， 实现对大型设备 人本安全 、 节能降耗 、 减人提效