基于Web的矿压观测管理及预报系统设计.pdf

第3 7 卷第1 0 期 2 0 0 9年 l 0月 煤炭 科 学技 术 Co a l Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 7 No ．1 O 0c t ． 2 0o 9 基于 We b的矿压观测管理及预报 系统设计 王向前，孟祥瑞 安徽理工大学，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘 要根据 目前煤炭企业矿压管理的需求，提 出基于 B ／ S模式的煤矿矿 山压力观测管理及矿压 显现预测系统的解决方案。研究了J F r e e C h a r t 技术在 We b动态图形输出中的应用，构建了基于案例 推理技术的矿压显现动态预测模型，实现 了巷道表面位移、巷道深部位移、巷道支架载荷、锚杆和 锚索工作载荷、工作面支架载荷等观测数据的录入、查询 、分析 、输 出、评价及预测，提高 了矿压 观测数据的处理效率和效果，为煤炭企业进行矿 山压力控制提供 了科学依据。 关键词 矿压观测；案例推理 ；J F r e e C h a r t ；预测预报 中图分类号 T D 6 7 2 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 9 1 0 0 0 7 0 0 4 De s i g n o n S t r a t a Be h a v i o r s Ob s e r v a t i o n M a n a g e me n t a n d Pr e d i c t i o n S y s t e m Ba s e d o n W e b W ANG Xi a n g q i a n，MENG Xi a n g r u i A n h u i U n i v e r s i ty 0 厂 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Abs t r a c t Ac c o r di n g t o t h e r e q ui r e me n t s o f t h e mi ne s t r a t a b e h a v i o r s ma n a g e me n t f o r t he pr e s e nt c o a l e n t e r pr i s e s ，t h e pa p e r p r o v i d e d t h e s o l u t i o n for t h e mi n e s t r a t a b e h a v i o r s o b s e r v a t i o n ma n a g e me n t a n d t h e mi n e s t r a t a b e h a v i o r s p r e d i c t i o n s y s t e m b a s e d o n B ／ S mo d e ．T h e p a p e r s t u d i e d t h e a p p l i c a t i o n o f t h e J F r e e C h a r t t e c h n o l o g y t o t h e o u t p u t o f t h e We b d y n a mi c c h a rts ．A d y n a mi c p r e d i c t i o n mo d e l o f t h e mi n e s t r a t a b e h a v i o r s w a s e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e c a s e i n f e r e n c e t e c h n o l o gy．T h u s ，t h e r e c o r d i n g，s e a r c h i n g，a n a l y s i s ，o u t p u t ，e v alu a t i o n a n d pr e di c t i o n o f t he mi n e r o a dwa y s u r f a c e d i s p l a c e me n t ，r o a dwa y d e e p d i s p l a c e me n t ，r o a d wa y s u p po r t l o a d i n g，b o l t a nd a n c h o r w o r k i n g l o a d，mi n i n g f a c e p o w e r e d s u p p o r t l o a d i n g a n d o t h e r o b s e r v a t i o n d a t a c o u l d b e c o n d u c t e d ．T h e p r o c e s s i n g e ffic i e n c y a n d r e s u l t s o f t he mi n e s t r a t a b e h a v i o r s o b s e rva t i o n d a t a c o u l d b e i mpr o v e d a n d c o u l d p r o v i d e t h e s c i e n t i f i c r e f e r e n c e s t o t he mi n e s t r a t a p r e s s u r e c o n t r o l f 0 r t h e c o a l e n t e r pr i s e s ． Ke y wo r d s mi n e s t r a t a b e h a v i o r s o b s e r v a t i o n ；c a s e i n f e r e n c e ；J F r e e C h a rt；p r e d i c t i o n a n d p r e ． w a r n i n g 目前常见的矿山压力控制技术研究方法主要有 现场监测、理论分析 、相似材料模拟和数值模拟等 手段 ，其 中理论分析 、相似材料模 拟和数值模 拟技术门槛较高，对于煤矿生产企业一线的工程技 术人员来说 ，几乎不具备此条件 ，而现场监测是采 用各种矿压监测仪表在生产现场直接对矿压显现进 行监测和记录，可以获得最直接 、最可靠的围岩变 形、支架载荷 、锚杆受力、围岩应力和位移变化等 数据 ，简便易行 ，是煤矿生产技术人员进行矿压显 现研究的常用方法 。但在煤矿企业生产过程中矿压 监测数据的处理 、分析和管理多数还停留在人工绘 图或者借助 O f fi c e 等办公软件来完成 ，不仅效率较 低 ，数据的处理效果也不理想。对于新采掘工作面 基金项目国家 自然科学基金 资助项 目 5 0 6 7 4 0 0 2 7 0 的矿压显现的判断也仅凭工程技术人员的经验 ，这 样往往带来较大误差，易造成支护材料的浪费或难 以确保支护效果。因此，通过现场调研和分析，借 助计算机编程技术，研究矿压观测数据的处理 、分 析、管理及矿压显现的预测 ，不仅对于从根本上改 善 目前矿压数据处理复杂 、效率低下 、分析结果不 够直观等问题具有重要意义 ，同时为促进煤矿企业 矿压观测工作的进一步规范化 ，增强矿山压力控制 的科学性具有重要 的现实意义。 1 系统功能模块 矿压观测管理及预报系统是综合运用计算机编 程 、数据库 、矿压理论和案例推理等技术 ，实现矿 压观测数据的有效管理、来压分析和预报 ，为矿井 的安全高效开采提供基础保证 。其主要功能模块如 王向前等 基 于 We b的矿压观测管理及 预报 系统设计 2 0 0 9年第 1 0期 图 1所示 。 图 1 矿 压 观 测 管 理及 预 报 系统 功 能 模 块 1 观测点管理模 块主要是根据井下布设 的测 点 ，在计算机 中建立 相应的测点信 息 测点类 型 巷道表面位移 、巷道深部 位移 、巷 道支架载荷 、 锚杆和锚索工作载荷 、工作面支架载荷 、测点位 置 所属工作面或巷道名称 、距 离测线距离 、测 点编号 、所属测站编号和测站支护信息。测点信息 录人后可以进行删除或修改 。 2 观测数据管理模块 中的数据 录人模块 可以 实现观测数据的直接录入或导入；数据查询模块实 现观测数据的模糊或精确查询 ；数据更新模块是针 对录入有误的数据实现数据的修改或删除。 3 数据统计分析模块 中的曲线 图模块 ，主要 是实现观测数据曲线图的绘制 ，包括随时间或距离 变化的位移或压力 曲线 ；直方图模块是实现观测数 据直方图的绘制 ，包括支架时间加权平均阻力频率 分布图、支架运行特征总体状况分布频率图等 ；支 架支护评价模块是通过对支架载荷及其他数据的分 析 ，生成支护评价结果 。 4 动态预测模块 采用基于案例推理的动态矿 压预测模型针对工作面来压预测 、支承压力预测和 巷道移近量预测 3个方面进行预测。其中工作面来 压预测主要是对工作面的初次来压 、周期来压时问 及步距进行预测 ；支承压力预测主要是对支承压力 作用范围、强度和峰值进行预测 ；巷道移近量是对 巷道两帮 、顶底表面位移量及速度进行预测 ；案例 管理模块主要为用户提供可交互式的案例录入 、修 改、查询等功能 。案例推理结果同时提供预测结果 相应的控制措施和方案。 5 系统管理模块 中的用户管理模块主要实现 用户添加 、删除、密码修改和权限管理 ；系统设置 模块主要是对系统界面风格 、企业用户信息进行设 置；用户帮助模块主要是提供用户帮助文档和系统 版本信息。 2 系统体 系结构及开发环境 系统 的结构模式设计是系统设计 中的一个重要 组成部分 ，系统体系结构设计 的好坏 ，不仅影响系 统的效率 、安全性和可维护性 ，更影响系统使用的 方便性和可靠性 。 1 随着近几年煤炭企业信息化的推进 ，目前 大部分煤炭企业都建立了 自己的局域网，并连接了 I n t e r n e t ，为基于 B ／ S系统的应 用提供 了良好 的网 络环境 。因此 ，可 以充分发挥 B ／ S结 构无需额外 客户端软件 、维护升级简单快捷 的优点。只要连接 到系统所在 的服务器的客户端 ，都能通过浏览器方 便地使用该系统。系统的维护也仅在服务器端 ，避 免了对众多分散的客户端的逐个维护。 2 浏览器界面为广大用户熟悉 ，企业员工很 容易适应这种基于浏览器的操作环境 ，无需大量的 专 门培训。 3 许多煤炭企业下属多个煤矿或子公司 ，通 常地域跨度 比较大 ，建立 B ／ S系统 可以克服系统 维护和使用分散的缺点 ，通过网络集中管理和使用 各个子公司的矿压数据 。 4 B ／ S系统很容易和煤炭企业的其他应用系 统集成 ，具有很好 的可扩展性。 5 网络技术 的发展 ，使得企业网的速度 已不 再是制约 B ／ S系统的瓶颈 ，因此该系统选择 B ／ S 体系结构 。系统 实现采用 J A V A编程 语言 ，基 于 s t r u t s 框架 ，采用 t o m c a t 5 ． 0 ． 2 5版本 We b应用服务 和 M y S Q I _ 5 ． 0 ． 1 8数据库服务器 。 3系统关键技术 3 ． 1 基于 J F r e e C h a r t 的观测数据图形输出 J F r e e C h a r t 是采用纯 J a v a语言编写的一个开源 的图表绘制类库。它不仅 为 J a v a a p p l e t 和 a p p l i c a t i o n程序提供支持 ，也为 s e v l e t s 和 J S P等提供 良好 的接 口。它可生成 饼 图、柱状 图、散点 图、时序 图 、甘特图等多种 图表，并且支持多种输 出类型 ， 包括 J S w i n g组件 、图像 文件 格式 P N G，J P E G 和矢量 图形文件格式 P D F ，E P S a n d S V G 。该 系统采用 J F r e e C h a r t 技术实现观测数据处理结果 的 图形输出，不仅可以根据查询结果动态生成相应图 表 ，而且可以通过 鼠标捕捉浏览器中图形 的原始数 据映射 ，譬如要查看图形 中拐点的信息 ，只需将鼠 71 2 0 0 9 年第1 0 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 7 卷 标移动到该点 ，对应的详细信息就能显示出来，如 图 2和图 3所示 。 量 一 睦 2 0 40 6 0 7 0 测点距 l 作面距离／ m 图2 测点随工作 面推进位移变化 曲线 图 3 工作 面支架工作面阻力 频率分布 曲线 3 ． 2基于案例推理的矿压显现预测模型 3 ． 2 ． 1 案例推理过程 案例推理 C a s eB a s e d R e a s o n i n g ，C B R是 基于过去求解类似问题的经验获得当前问题求解结 果的一种新 型智能系统推理模 式 j ，应用它进 行 矿压显现预测预报 ，可以克服传统矿压理论难以对 多 样 的开 采 地 质 条 件 下 进 行 预测 分 析 的局 限 性 一 。 该系统构建 了基于案例推理 的矿压显现动态预 测模型 ，其设计思想和推理过程如图4所示。 7 2 矿压观测数据 片 、 、 、 一 ， 地质数据 观测数据 分 析结果 一 收集矿压 观测 数据 矿 压 显现预 提 取采拥面地 质条件 l 丝 室 检 索案例库 中 对 。 。 显现案例 案例眸 f l 匹配 [ 二 观测数据特 征值 L 对 已捩取 的相似度较 人 案例进行特 征值匹 配 案例 学 习 获取相 似度较大 的矿 压显现案例 该 采掘丽 观测数娓乡 ＼ 丫 对 获取 的案例 进行调整 评仙 矿压 显现 预测结 果 图4矿压 显现预测模 型推理过程 1 首先从矿压观测数据库 中提取要对 矿压显 现进行预测 采掘面 采煤工作 面和掘进巷道 的 地质数据指标。 2 检索案例库 中的案例并逐个 进行指标匹 配，计算与各个案例的相似度，根据设定的相似度 阈值 可调 ，检索出相似度较大的若干个案例。 3 检查该采掘面是否已有观测数据 ，如果没 有直接转向步骤 4 。如果有 ，则从观测数据 中找 出特征值 一般选位移或压力的拐点信息 ，根据 特征值对相似度较大的案例进行二次匹配 ，找出更 为相似的案例。 4 对最终匹配的案例进行调整和处理，如果 匹配的案例大于 1 个 ，则对案例结果值进行加权平 均处理 以相似度作为权重考量 ，最后根据案例 属性的差异进行案例参数调整 ，返回预测结果 。 5 对预测结果进行评估 根据后期的矿压显 现来验证 ，通过案例学习机制把新案例入库。 3 ． 2 ． 2 案例属性权重确定 在案例检索过程中，案例的相似度量是其关键 的一步。在计算案例的相似度时 ，案例的各属性特 征对于案例的影响程度不同，只有通过给不同的特 征属性赋予不同的权重 ，才能使度量结果更加客观 地反映出新旧案例的相似程度 ，从而提高案例检索 的准确性 。 常见 的案例属性权 重的确定方法为专家打分 法 ，但该方法一方 面需要大量领域专家 的密切参 与 ，另一方面由于权重值最终由领域专家的主观因 素确定，使得选择适合的专家团队存在一定 困难 。 信息论中，信息熵反映信息的无序程度 ，可以通过 案例属性指标携带信息量的大小，来判断属性在案 例中重要程度。如在众多案例中， 某一属性的信息 熵值较小 ，即该属性反应的系统无序度较小 ，也就 意味着该属性在这些案例中离散程度较小 ，该属性 指标对于案例区分的影响程度也就较小 。因此可以 通过信息熵的计算来确定案例 中各属性 的权重系 数 J 。其主要计算步骤如下。 1 对 m个案例的 n个属性 采高 、控顶距 、 直接顶厚 度 和 强 度 等 构 建 判 断 矩 阵 A，A 。 ，其中a 沩 第 i 个案例的第 个属性值 ，i 1 ， 2， ⋯ ，m ； 1，2， ⋯ ，n。 2 数据离差标准化 。通过标准化处理使得各 属性值处 于 0 ，1 区间 内，得 到矩 阵 ，B b 【， ，b f 口 一n f ， i ／ a f ， ⋯ 一口 i ，其 中 王向前等 基于We b的矿压观测管理及预报系统设计 2 0 o 9年第 1 O期 ，⋯ 为样本案例 中第 个属性 的最小值 ，。 为样 本案例 中第 个属性 的最大值 。 3 定义案例中第 个属性 的信息熵 。 一 k ∑f n f j ， 其中 b q ／∑b ， k I n ～m 。 4 计 算 案 例 中各 属 性 的熵 权 1一 ／ n一∑ 。 』 1 4 结 语 基 于 We b的矿压观测管理与预报系统为煤矿 企业矿压监测数据的处理 、分析和管理及来压预报 提供了解决方案。在系统 中采用 开源的 J F r e e c h a r t 技术实现了观测数据分析 的各种图表的 We b显示 ， 并支持图表数据的映射 、图表的缩放等功能 ，构建 了基于案例推理的动态矿压预测模型，实现历史数 据和最近观测数据相结合的动态多级推理模型，为 工作面和巷道压力显现的预测提供了新的途径 。通 过在煤矿企业的试用 ，取得 了较好的效果 ，但基于 案例推理的矿压预测动态模型必须建立在大量案例 数据的基础上才能得到理想的预测效果 。 参考文献 钱呜高 ，石平五 ．矿 山压力与岩层控制 [ M] ．北京 中国 矿业大学出版社 ，2 0 0 3 ． 王向前 ．基 于 We b的煤 矿作业规 程编制及管 理系统[ D] ． 淮南 安徽理工大学 ，2 0 0 6 ． An o n ． We l c o m e t o J F r e e C h a r t[ E B ／ O L ] ．h t t p ／ ／ w w w ．j fi e e ． o r li { e c h a n ／ i n d e X ． h t m l ，2 0 0 9 0 51 3 ． S h i u S i mo n C K，P a l S a n k a r K． Ca s e b a s e Re a s o n n gCo n c e p t s ，F e a t u r e s a n d S o ft C o m p u t i n g[ J ] ．A p p l i e d I n t e l l i g e n c e ， 2 0 0 4 3 ． 张义顺 ， 勾 攀峰 ，涂兴子 ，等 ．平顶 山一矿 己组煤开采 矿压 显现预测 [ J ] ．煤矿开采 ，2 0 0 0 3 ． 谭云亮 ，石永 奎 ，宋志安 ．现场 矿山压力 信息分析 及预测 模型 [ M] ．北京 煤炭工业出版社 ，1 9 9 6 ． 王立杰 ， 杨广俊 ．基于信 息熵 的煤炭企业子公司财务绩效评 价 [ J ] ． 中国矿业 ，2 0 0 9 1 ． 作者简介 王向前 1 9 8 1一 ，男 ，安徽临泉 人 ，博士研究生 主要从事计算机在矿业 中的应用技术的教学与研究工作 。Em a i l x q wa n g l 0 2 5 s i n a ．c o rn 收稿 日期 2 0 0 9 0 51 0；责任编辑 赵 瑞 上接第 6 9页 表 1 5种软启动方式性能 比较 性 能 变频 普通 双速 调速偶合器电机 液黏阀控充液型 传动液力偶合器 软启动性能 低速运行稳定性 能 传动功率／ k w 过载保护 运行 成本 工作可靠性 技术维护与系统布置 好 差 较差 好 好 最差 差 较差 4 0 0 2 0 0 ～5 0 0 8 0 0 好 较低 可靠 较简单 上述软启动技术所针对 的刮板输送机功率范围 不 同，性能特性也不相同。对于功率在 8 0 0 k W 以 上的大功率井下刮板输送机 的动力传动 ，阀控充液 型液力偶合器是最适用 、可靠的装置 ，目前已在国 内的神东 、平朔等煤矿上投入使用。但该技术仍为 国外所有 ，阀控液力偶合器的使用完全依赖从 国外 进 口，国内对水介质阀控型液力偶合器的研究开发 工作依然是空 白，这也是 目前我 国大功率刮板输送 机设计中亟需解决的问题。 参考文献 [ 1 ] 姜翎燕 ．工作面刮板输送机技术现状 与发展趋势 [ J ] ．煤炭 科学技术 ， 2 0 0 7 8 ． [ 2 ] 于学谦 ．矿 山运输机械 [ M] ．徐州 中国矿业大学 出版社 ， 2 o 0 3． [ 3 ] 王琦 ．T F Q 4 0 0 ／ 1 1 4 0矿用 隔爆调 压调频 软启动 器在综采 刮板输送 机中的应用 [ J ] ．山西能源与节能，2 0 0 4 3 ． [ 4 ] 郭潞兴 ，李 文德 ．调压 调频软启 动器在刮板 输送机 中的应 用 [ J ] ．煤 ，2 0 0 3 6 ． [ 5 ] 郝利荣 ．论刮板 输送 机驱 动方 式 的转变 [ J ] ．山西 科技 ， 2 0 0 2 6 ． [ 6 ] 王新莉 ，毕建平 ，吴素珍 ．中重 型刮板输送 机软启 动探析 [ J ] ．郑州经济管理 干部学 院学报 ，2 0 0 6 6 ． [ 7 ] 刘树 ．C S T可控传 动装置 在综采 面刮板输 送机 中的应用 [ J ] ．煤矿开采 ，2 0 0 6 1 0 ． [ 8 ] 张东进 ，赵继 云 ．带 式输 送 机软 启 动装 置 的分析 与选 用 [ J ] ．煤矿机电 ，2 0 0 6 3 ． 作者简介 陆 文程 1 9 8 5一 ，女 ，江苏 盐城 人 ，硕 士研 究 生 ，主要 研 究 方 向 为 机 械 设 计 。T e l 1 3 9 1 4 8 9 3 6 8 0，E m a i l l u we n c h e n g 1 9 8 5 1 2 6 ． c o i n 收稿 日期 2 0 0 9 0 51 9 ；责任编 辑王 宗禹 7 3 j ]