模糊模式识别在瓦斯二次爆炸预警中的应用.pdf

技 术 创 新 微计算机信息 测控自动化2010 年第 26 卷第 9-1期 360元/年 邮局订阅号82-946现场总线技术应用 200 例 模式识别 模糊模式识别在瓦斯二次爆炸预警中的应用 Anapplicationintheprewarningofthesecondexplosionbasedonthefuzzypatternrecognition 辽宁工程技术大学宋绍楼张明李军杰 SONG Shao-lou ZHANG Ming LI Jun-jie 摘要为了提高煤矿井下瓦斯二次爆炸预警性能,将模糊模式识别方法应用到煤矿井下瓦斯二次爆炸气体浓度的分析中,通 过该方法能较准确的预测瓦斯浓度的变化趋势。 硬件系统的核心选用数字信号处理器TMS320C2812,极大的提高了系统的 运算速度,可快速对瓦斯二次爆炸的危险性作出预测。 模拟实验结果表明,该预警系统可靠性高,对煤矿井下瓦斯二次爆炸 预警具有一定的参考价值和指导意义。 关键词模糊模式;识别;瓦斯;二次爆炸;预警 中图分类号 TP391.4文献标识码 A AbstractIn order to enhance the prewarning perance of the second explosion under the coal mine , the fuzzy pattern recognition is used in the analysis of the gas strength of the second explosion,with which the trend of the gas strength is going up or not can be detected ctly.TheDigital Signal Processing TMS320C2812 is chosed as the core of the hard system,as a result ,the arithmetic speed is increased greatly and the danger of the second explosion can be predicted quickly.The result of simulative experiment shows that the system has high reliability,and it will show much reference value and significance on the prewarning of the second explosion under the coal mine. Key words Fuzzy pattern; recognition; gas; second explosion; prewarning 文章编号1008-0570201009-1-0190-03 引言 煤矿安全问题一直是人们关注的焦点问题, 矿难不仅造成 巨大的经济损失,还会造成重大的人员伤亡。 如何避免或最大程 度上减少矿难的发生, 对煤矿安全生产及社会主义和谐社会的 建设都具有极其重要的意义。 煤矿瓦斯二次爆炸前的气体浓度 一方面受一次爆炸的影响,另一方面受周围实际环境的影响,因 此,气体浓度的变化具有复杂的非线性。 文献中介绍了一种基于 单片机 ATmega128L 和瓦斯传感器 KGS-20 的煤矿瓦斯预警装 置,它使用方便,可以安装在矿井巷道内,亦可由工作人员随身携 带。 工作人员可以通过 LCD 显示屏 MzLH04 直观的了解当前环 境下瓦斯的体积分数,当周围瓦斯体积分数超过预设值时该装置 会发出声光报警。然而二次爆炸前的气体浓度具有复杂的非线 性,若只通过单片机和传感器对其危险性进行预警,效果当然不会 令人满意。 文中将模糊模式识别方法应用到瓦斯二次爆炸的预警 中,根据隶属度判断危险性高低,增强了预警系统的可靠性;硬件 的核心选用数字信号处理器 TMS320C2812,提高了系统的响应速 度,从而使得瓦斯二次爆炸预警系统的整体性能得到提高。 1瓦斯二次爆炸模糊模式识别方法 模式识别是一门发展中的新兴学科, 新的理论和方法不断 出现, 同时与其他学科的相互渗透不断推动模式识别的向前发 展。在 L.A.Zadeh 提出模糊集思想后,改变了人们以往单纯地通 过二值化逻辑描述某些信息特征的片面方式。 模糊理论不断的 发展, 其与模式识别理论的结合产生了一种新的知识识别方 法模糊模式识别方法。该方法对具有模糊性的模式进行识 别处理,大大提高了模式识别系统的柔性处理能力,使其在图像 识别和工程领域的应用越来越广泛。 瓦斯爆炸必须具备三个条件一定浓度的瓦斯、 高温火源的 存在和充足的氧气。瓦斯的爆炸界限为 516。当瓦斯浓度 低于 5时,遇火不爆炸,但能在火焰外围形成燃烧层,当瓦斯浓 度为 9.5时,其爆炸威力最大氧和瓦斯完全反应;瓦斯浓度在 16以上时,失去其爆炸性,但在空气中遇火仍会燃烧。瓦斯爆 炸界限并不是固定不变的,它还受温度、 压力以及煤尘、 其它可 燃性气体、 惰性气体的混入等因素的影响。对于二次爆炸而言 情况就更加复杂, 二次爆炸前气体的浓度既要受到一次爆炸的 影响,还要受周围环境的影响,若仍以 5到 16这个浓度范围 作为瓦斯爆炸极限是不恰当的。 一般煤矿在实际生产过程中,当 瓦斯浓度达到 1时就必须切断工作电源,停止生产;当瓦斯浓 度达到 1.5时,危险程度相对较高,这时不仅要及时切断工作电 源,还要尽快的疏散工作人员。 该预警系统就是依据实际情况中 这两个气体浓度值进行建立的。 1.1 系统输入量的选择 该系统的输入量由数字信号处理器 TMS320C2812 提供,其 具体流程为由瓦斯传感器对现场的瓦斯浓度进行数据采集,然 后经过滤波放大, 送入 TMS320C2812 中进行 A/D 转换处理,最 终将 A/D 转换后的瓦斯浓度作为模糊模式识别系统的输入量。 1.2 隶属函数的选取及确定 在本系统中, 当前瓦斯的危害程度用 Fuzzy 隶属度表示,整 个模糊集合A 用该系统中隶属函数定义为 式中pTMS320C2812 所输出的当前的瓦斯浓度; Pmax为瓦斯爆炸界限的下限浓度 5。 宋绍楼国家注册安全评价师 高级工程师 硕士 基金项目基金申请人宋绍楼;项目名称煤矿井下瓦斯二次 爆炸形成机理及预测关键技术研究;基金颁发部门辽宁省高 等学校创新团队支持计划2009T047 190 -- 邮局订阅号82-946 360元/年 技 术 创 新 模式识别 PLC 技术应用 200 例 您的论文得到两院院士关注 1.3 λ 截集的确定 λ 截集指的是当 u 对于隶属度达到或者超过 λ 者就 算的成员,那么模糊子集就变成了经典子集。随着 λ 值 的不同,相应的也会产生不同的 λ 截集,系统主要是根据 λ 的值 不同来进行分级处理及报警的。 系统中 λ1的值由瓦斯爆炸界限浓度和现场所允许的最大 瓦斯浓度所决定的 式中,瓦斯爆炸界限浓度选用下限浓度 5,现场所允许的 最大瓦斯浓度根据具体情况而定, 这里选择 1.5, 因此 。λ2取值与 λ1不同,选择仅次于 λ1的值 0.2,依次可 以根据需要选择 λ3 、 λ 4。 2模糊模式识别系统的构建 2.1 系统工作流程 1利用红外瓦斯传感器对现场的瓦斯浓度进行采集。 2将采集到的瓦斯浓度经滤波放大、 A/D 转换处理。 3 由数字信号处理器 DSP 计算出瓦斯的浓度值和浓度变 化值。 4将当前的瓦斯浓度 p与瓦斯爆炸界限的下限 Pmax进 行比较。 5若 p≥Pmax,表明危险程度高,系统发出红色声光 报警。 6若 p≤Pmax,根据隶属函数公式确定当前瓦斯浓度接 近于瓦斯爆炸界限浓度的程度即隶属度。若,则显示 橙色光报警;若,则显示黄色光报警。 2.2 系统硬件 图 1 硬件系统组成结构图 图 2 声光报警电路图 模糊模式识别系统接受 TMS320C2812 所传递的数据,一方 面在显示器上显示瓦斯浓度的变化曲线, 另一方面通过判断危 险性的高低发出预警。 系统硬件系统的组成结构框图如图 1 所 示。声光报警电路如图 2 所示。 2.3 系统软件 软件设计选用模块化设计,系统主程序流程图如图 3 所示, 瓦斯二次爆炸模糊模式识别流程图如图 4 所示。 图 3 系统主程序流程图 图 4 瓦斯二次爆炸模糊模式识别流程图 3模拟实验及仿真结果 3.1 瓦斯浓度实时曲线 为了验证该预警系统的性能, 对一次爆炸后的现场进行简 单模拟。 将该预警系统应用到模拟实验中,记录瓦斯气体浓度的 变化曲线图如图 5 所示。横轴表示时间,单位为秒,纵轴表示随 时间变化的瓦斯浓度值,每次采样的间隔时间是 1 分钟。 图 5 瓦斯浓度实时曲线 通过图 5 可以看出, 该预警系统能够快速跟踪瓦斯气体浓 度的变化。并且通过观察曲线的变化趋势能及时判断危险性的 走向,为科学决策提供理论依据。 3.2 预测报警 系统预测报警分为三部分,仿真实验结果如下 1.当现场瓦斯浓度超过 5模拟瓦斯浓度即输入电压达到 85.00mV时,除了上位机显示画面中的实时曲线左下角显示该 时刻危险性 “高” 外,还利用基于 TMS320C2812 的声光报警电路 进行预警,并通过语音编辑功能播报 “红色紧急警报” 。 2.当现场瓦斯浓度达到 1.5即时,上位机显示画面 中的实时曲线左下角显示该时刻危险性 “低” 外,同时声光报警 技 术 创 新 微计算机信息 测控自动化2010 年第 26 卷第 9-1期 360元/年 邮局订阅号82-946现场总线技术应用 200 例 模式识别 电路启动并语音播报 “橙色紧急警报” 。 3.当现场瓦斯浓度达到 1即时,上位机显示画面 中的实时曲线左下角显示该时刻危险性 “低低” 外,同时声光报 警电路工作并语音播报 “黄色紧急警报” 。 仿真结果表明,当模拟瓦斯浓度达到上述的报警限定值时,不 仅能够通过声光报警电路预警,而且还能准确地进行语音报警。 4结论 针对煤矿井下瓦斯二次爆炸前瓦斯气体浓度的复杂非线 性,将模糊模式识别方法应用到二次爆炸的预警系统中,并取得 了一定的成效。借助 TMS320C2812 的高速数字处理能力,可以 快速的计算出瓦斯浓度的变化及变化率; 进而通过模糊模式识 别系统判断危险性的高低,并根据隶属度大小分别发出红、 橙和 黄色报警。仿真实验表明,该系统响应速度快,可靠性高,对煤矿 井下瓦斯二次爆炸预警具有一定的参考价值和指导意义。 参考文献 [1]李亚杰,何群.煤矿瓦斯预警装置设计与实现[A],煤炭技术, 2009,099 [2]傅京孙.模式识别及其应用[M],北京科学出版社,1983 [3]张娜,曾孟佳,周志宇等.模糊模式识别在计算机识别中的应用 [A],微计算机信息,2004,206 [4]于不凡,白帆,刘明,煤矿瓦斯防治技术[M],北京中国经济出版 社,1987.11 [5]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州中国矿业大学出版社,1992. [6]李士勇.模糊控制 神经控制和智能控制论[M],哈尔滨哈尔滨 工业大学出版社,1996.10 作者简介宋绍楼1964-,男汉族,辽宁阜新人,硕士,高级工程师, 国家注册安全评价师。主要研究方向为工业过程控制与优化、 计 算机测控技术及应用,获得省部级科技进步奖 2 项,发表论文 20 余篇; 张明1986-,男汉族,山东临沂人,硕士研究生,研究方向为 智能控制理论及其在工业生产过程中的应用; 李军杰 1982-,男 汉族,河南安阳人,硕士研究生,研究方向为工业过程控制与优化。 BiographySONG Shao-lou, 1964-,MaleHan, Fuxin Liaoning Province, Master, senior engineer,national registration safety e- valuation expert;Main researchincludingindustrialprocessing controlandoptimization,ComputerMeasurementandControl Technical and Application, Energy-saving electric drive techni- cal and application and so on. 125105辽宁葫芦岛 辽宁工程技术大学电气与控制工程学院 宋绍楼 张 明 李军杰 College of electric and control engineering Liao Ning Techni- cal University 125105, China SONG Shao-lou ZHANG Ming LI Jun-jie 通讯地址125105辽宁葫芦岛 辽宁工程技术大学 电气与控制 工程学院宋绍楼 收稿日期2009.12.11修稿日期2010.03.11 上接第 176 页 故不会显示 09 以外的符号。 4整机电路安装调试 在 Multisim 中,执行 Place/Hierachical Block 命令,找到已存 储的层次块,点打开即可出现在电路模板中,在元件库中依次找 出信号发生器、 数码显示器、 开关、 发光二极管等,连接成如图 8 所示的电路。 为使各电路接线后,能顺利工作,对各层次块可以先分别测 试其功能。 我们经过多次试设计和调试,并测试了电路的各种功 能,能按设计要求完成所有功能,即圆满地完成了设计任务。 图 8 中所显示的是在有效时间内第 5 组抢答,是在 27 秒倒计时的时 刻按下按键,状态显示的绿灯亮,表示抢答有效。 5结束语 本文中利用强大的 Multisim 电路仿真软件, 采用层次电路 设计方法,对智能抢答器进行了设计,其功能齐全,造价低廉。整 机电路连线美观,各部分电路功能明确,便于理解整体电路的构 成、 工作原理等。在数字电路及其他课程中都涉及到较复杂的 电路设计,若是采用层次电路设计方法,既便于对电路的理解,也 便于团队协作,共同完成设计任务,故而层次电路设计方法将会 广泛地应用在大型复杂电路系统的设计中。 本文的创新点是 利用 Multisim9 创新地采用了层次电路 设计方法,设计出了功能齐全、 造价低廉的实用的抢答器,其层 次块功能明确,整机连线美观。 参考文献 [1]阎石.数字电子技术基础[M].第五版.北京高等教育出版社,2006. 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