《智能采矿导论》第三章-煤矿开采环境智能感知

2017.6智能采矿概论中国矿业大学矿业工程学院

一煤矿开采环境智能感知的基本功能煤矿开采环境智能感知体系

二煤矿开采环境智能感知关键技术

三光纤光栅智能感知技术

四

五矿用光纤光栅智能传感器第三章煤矿开采环境智能感知本章重点难点1、煤矿开采环境智能感知的基本功能2、煤矿开采环境智能感知体系3、煤矿开采环境智能感知关键技术4、光纤光栅智能感知技术5、矿用光纤光栅智能传感器第三章煤矿开采环境智能感知煤矿开采环境智能感知的工作特点3.1煤矿开采环境智能感知的基本功能监测设备工作环境异常恶劣监测对象种类多、数量广工作特点监测点范围广、分布不均煤矿井下是由巷道、竖井、斜井、各种设备设施等构成的庞大的工程系统，由于系统的特殊性，其井下开采作业环境极其复杂与恶劣。由于井下生产系统工程庞大、环境恶劣且多种作业同时进行，从而形成了煤矿开采过程监测监控的特殊工作环境。第三章煤矿开采环境智能感知煤矿开采环境智能感知的基本目的煤矿开采环境智能感知的目的是为煤矿安全监督管理引入了新的理念、新的技术和新的方法，通过把各种类型的传感器应用到煤矿安全监控系统中，智能的感知“人员，机械，矿山环境”的各种状态信息。将现有的分散的，独立的，单一的监测监控平台进行升级，幵放，和集成多综合的监控系统，来实现人与机械的，环境的和其他物理系统，以及物与物、人与物的互相联动，从而保证煤矿的安全生产，实现安全监督管理中“物物互联、智能感知、物物互动、智慧处理”的设想。第三章煤矿开采环境智能感知3.2煤矿开采环境智能感知体系煤矿开采环境智能感知是以“科学采矿”、“智能精准开采”理念为指导，以中国矿业大学多年来形成的矿压监测与支护质量检测理论、技术、软件、仪器为基础，以矿山压力与围岩控制、煤矿安全高效开采、开采智能监测为知识背景，依托中国矿业大学矿业工程双一流学科的有利资源，而形成的适用于智能化矿井的感知体系。井下人员信息感知井下设备工况感知井下生产状态感知煤矿安全风险感知煤矿开采环境智能感知体系第三章煤矿开采环境智能感知井下人员信息感知在进行煤矿开采过程中，井下人员管理信息感知系统发挥着至关重要的作用，其具有监测查询功能、双卡考勤功能、安全保障功能、遇险救灾指引功能、信息联网功能等，不仅可以确保煤矿井下开采工作的顺利进行，而且还可以实时、动态的了解和掌握井下员工的工作情况，从而有效提高煤矿安全生产和管理水平，对煤矿企业的发展起到了积极的推动作用。第三章煤矿开采环境智能感知井下设备工况感知目前，国内大部分煤矿应用设备巡检记录仪读取设备标志卡，对机电设备主要运行参数进行人工检测与记录；或者通过机电设备监测监控系统利用各类传感器实时自动采集现场设备运行参数，并通过工业以太环网上传至服务器，对现场实时数据进行处理、存储与发布。但多数煤矿机电设备配套的专用监测监控系统运行相对独立，无法有效实现机电设备间协同工作。通过采用井下设备感知系统，可实时采集机电设备运行参数，结合日常设备巡检记录，对设备全生命周期动态管理，实现设备预防性维护，使设备管理及维检人员及时准确地掌握设备运行状况。各类机电设备主要监测参数见下表。第三章煤矿开采环境智能感知4.1分类主要设备主要监测参数开采设备采煤机开停状态、位置、电压、电流、牵引速度、左右滚筒高度、温度、累计运行时间、方向液压支架支架高度、前后柱压力刮板输送机开机率、温度、开停状态破碎机开停状态、负荷、温度、运行时间、电压、电流、转速及转矩转载机开停状态、负荷、温度、运行时间、电压、电流、转速及转矩掘进设备掘进机、连采机、锚杆机开停状态、故障、开关电压、电流、功率因数、运行时间、油缸油压与位移、截割电机工作时间供电设备高低压配电柜、移动变电站、高低压动力开关电压、电流、电量、有功功率、无功功率运输设备主提升机、副提升机钩数、质量、运行时间、提升速度、开停状态带式输送机运煤量、开停状态、故障状态、保护信号、运行速度、张力、温度、电流、电压辅助运输设备载人（货）信息、车辆信息、速度、运行轨迹通风设备主要通风机负压、风量、电压、电流、振动、轴承温度、绕组温度、转速压风机开停状态、风量、压力、电压、电流局部通风机开停状态、电压、电流煤矿机电设备主要监测参数第三章煤矿开采环境智能感知4.1排水设备水泵运行时间、运行台数、排水量、电流、电压、功率、功率因数、出口压力、流量、电动闸阀工作状态与启闭位置、电动机温度保护信号、电动机内腔贫水保护信号、动静态绝缘监测保护信号安全设备安全监控系统分站、电源、传感器分站在线／断线、正常／故障等状态；电源充电状态、输出电压和电流；传感器在线／断线、标校、故障等状态瓦斯抽放设备开停状态、累计运行时间、供电电压和电流人员定位基站在线／断线、正常／故障等状态供水设备流量、压力、液位、电压、电流、功率、阀门开闭应急通信装置在线／断线、正常／故障等状态矿压监测设备在线／断线、正常／故障等状态IP扩播装置在线／断线、正常／故障等状态工业视频设备在线／断线、正常／故障等状态第三章煤矿开采环境智能感知井下生产状态感知井下生产状态感知需要利用煤矿井下/井上传感网络进行数据采集传输，目前利用较多的传感方式为有线或无线传感网络，本书以无线传感网络为例进行阐述。无线传感器网络是一种自组织网络，集数据采集、处理和通信于一体，传感器负责采集、处理并压缩数据，使用多跳路由协议将数据信息发送到无线基站网关。井下无线覆盖主要利用本安交换机、光纤耦合器、本安以太网延长器以及无线基站实现的，工作主要由无线基站完成。根据井下网络覆盖需求，在井下巷道、采煤工作面等区域布置大量的无线基站，利用无线基站的覆盖范围能力来保证所有无线终端所发射的信息都能被基站接收。基站与本安交换机通过以太网延长器或光纤耦合器相连接，将接收到的终端信息发送给交换机，交换机通过光纤耦合器接入井下光纤骨干网，从而将终端的信息传输给骨干网络，进而传输到地面指挥中心。井下生产状态传感网示意图如下图所示。第三章煤矿开采环境智能感知4.1井下生产状态传感网络设计示意图第三章煤矿开采环境智能感知煤矿安全风险感知煤矿井下开采主要的安全风险主要包括如下部分：（1）瓦斯爆炸。矿井中能爆炸的气体有CH4、H2、C2、H6、H2S、SO2及CO等几种。其中，以瓦斯的含量最多，约占90%以上。瓦斯的含量是关系矿井能否发生瓦斯爆炸的决定因素。矿井中产生瓦斯有以下4个来源：1）从采落下来的煤炭内放散出来的；2）采掘工作面的煤壁内涌出来的；3）从煤巷两帮及顶底板涌出来的；4）从采空区的浮煤涌出来的。（2）煤尘爆炸。煤矿的采、掘、运等生产工艺过程中，均会产生大量粉尘，其粒径小于1mm。大多数煤尘在一定条件下都能引燃，并能产生猛烈爆炸破坏。第三章煤矿开采环境智能感知4.1（3）煤自然发火。井下火灾有2大类：一类是煤层自然发火，即煤本身自燃而造成的火灾；另一类是普通火灾，即由于外部火源，如电气火花、爆破、吸烟或使用明火等引起井下坑木梢枝或煤炭着火而造成的火灾。（4）矿井透水。引起矿井水灾的决定性因素有3个：水源、涌水通道、聚集和排水条件。水源有地表水和地下水，其中地表水指河流、湖泊、水库、池沼等；地下水则是指层间水、构造裂隙水、溶洞、老窑积水等。涌水通道是指有构造断裂带、导水陷落柱及裂隙、封闭不好勘探的导水钻孔等；聚集和排水条件是指排水系统的完善程度和能力的大小。（5）矿工心理状态。从历年来所发生的事故来看，多数事故是由于客观和主观因素同时产生作用而发生的。在煤矿生产中，导致事故的主观原因是源于某些不良心理。这些不良的心理状态使煤矿工人有意识的进行可能带来危险的操作或指挥。比如我们常常提到的侥幸心理、麻痹型心理、懒惰型心理等。第三章煤矿开采环境智能感知由于矿业工程领域地质灾害的复杂性、隐蔽性和突发性等显著特点，且缺少准确、有效的监（检）测手段与智能感知设备，使煤矿开采过程中出现安全问题不能及时发现和有效处理，成为煤矿工程行业安全隐患的主要根源。因此非常有必要通过传感器进行相关数据的监测感知，并通过模糊综合评判法来确定煤矿企业安全评价等级。煤矿安全评价是辨识和消除煤矿生产系统危险的重要方法，我国煤矿的安全评价绝大多数是应用安全检查表对现场进行安全评价，并给出评价值，在这一评价过程中，必然要涉及到评价指标的安全度值问题。由于矿井安全评价指标包含许多不确定性、随机性和模糊性，还涉及到人员心理因素等信息量，这就致使安全度的确定出现了不准确性。为了明确表征煤矿安全程度，需要确定评价等级的分级方法和分级标准。安全等级的划分对实现科学监察和分类管理具有十分重要的意义。我们建议，参照危险源划分办法，其它行业划分等级的方法及煤炭行业的实际情况，煤矿安全评价的等级依据专家对评价结果的打分统一划分为4个等级即A、B、C、D。第三章煤矿开采环境智能感知1）A级矿井得分在85～100分之间为安全矿井，该类矿井基本无安全事故，属于无危险的矿井；2）B级矿井得分在75～85分之间为基本安全矿井，该类矿井无大事故，属于危险较小的矿井；3）C级矿井的得分在60～75分之间，这类矿井为安全较差矿井，该类矿井易发生大事故，属于危险很大的矿井，需要停业整顿；4）D级矿井的得分在<60分，这类矿井为不安全矿井，该类矿井易发生重特大事故，属于非常危险的矿井，必须关闭。分级方法和标准要结合评价方法和危险源分级管理的实际需要来确定，要比较客观地反映评价煤矿的实际安全状况。由于煤矿安全现状综合评价是一个动态的过程，因此对煤矿安全现状综合评价等级采取动态管理，要及时发现煤矿安全管理中的重大变化，对安全管理严重滑坡、对存在的重大事故危险源治理不及时的要采取相应处理措施。第三章煤矿开采环境智能感知感知数据采集技术3.3煤矿开采环境智能感知关键技术（1）数据采集技术数据采集是利用计算机、自动化、通信技术、传感器技术等工具，将工业/工程现场等诸多实际现场信息参数，通过处理、分析、压缩，最后传输到中心系统数据仓库中的一种技术。数据采集的含义很广，对面状态连续物理量的采集可称为数据采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据。第三章煤矿开采环境智能感知（2）数据采集的目的数据采集是计算机与外部物理世界连接的桥梁，其原理就是将被测对象的各种参量通过传感器做适当的转换后，再经过信号调理、采样、保持、量化、编码、传输等步骤,最后传送到处理器进行数据处理、存储记录和显示打印的过程，其相应的系统，即为数据采集系统。简而言之，数据采集的目的是为了测量应力、应变、电压、电流、温度、压力等物理量。第三章煤矿开采环境智能感知智能传感器技术智能传感器定义智能传感器概念最初是在美国宇航局开发宇宙飞船过程中提出的，即把传感器和微处理器结合在一起，这样在20世纪70年代末就出现了智能传感器。目前，认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。智能传感器主要由传感器、微处信号调理（或微计算机）及相关电路组成，其基本结构如图所示。智能传感器基本结构第三章煤矿开采环境智能感知传感器将被测量转化成相应的电信号，送到信号调理电路中，经过滤波、放大、模/数转换后送到微处理器中，微处理器对接收到的信号进行计算、存储、数据分析和处理后，一方面通过反馈回路对传感器与信号调理电路进行调节以实现对测量过程的调节和控制，另一方面将处理后的结果传送到输出接口，经过接口电路的处理后按照输出格式和界面定制输出数字化测量结果。智能传感器中，微处理器是智能化的核心，软件部分的运算及相关调节与控制只有通过它才能实现。智能传感器的实现结构形式既可以是分离的，也可以是集成化的，按实现结构形式的不同，智能传感器可以划分为模块式、混合式和集成式三种形式。模块式智能传感器为初级的智能传感器，它由许多相互独立的模块组成（如将微计算机、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内），由于集成度不高而导致体积较大，但是在目前的技术水平下，仍不失为一种实用的结构形式。混合智能传感器将传感器、微处理器和信号处理电路做在不同的芯片上，是目前智能传感器采用较多的结构形式。集成智能传感器将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上。第三章煤矿开采环境智能感知智能传感器与传统传感器相比，在作用上更加全面，几乎包括仪器仪表的全部作用，主要表现为以下几点：提高测量精度。增加功能。提高自动化程度。高信噪比与高分辨力。第三章煤矿开采环境智能感知智能传感器的功能与特点就目前而言，智能传感器的智能化技术尚处于初级阶段，即数据处理层次的低智能化，已经具备自诊断、自补偿、自校准、自学习、数据处理、存储记忆、双向通道、数字输出等功能。智能传感器的最终目标是接近或达到人类的智能水平，能够像人一样通过在实践中不断地改进和完善，实现最佳测量方案，得到最好的测量结果。通常而言，智能传感器由传感器单元、微处理器和信号电路等封装在同一壳体内组成，输出方式通常采用RS-232、RS-485等申行输出，或者采用IEEE-288标准总线并行输出。智能传感器实际上是最小的微机系统，其中作为控制核心的微处理器通常采用单片机或ARM等芯片控制，其基本结构框图如图所示。智能传感器基本结构框图第三章煤矿开采环境智能感知逻辑判断、统计处理功能自校零（消除零漂）、自标定（输出值对应的输入值）、自校正（输出特性的变化）功能软件组合，设置多模块化的硬件和软件人机对话功能数据存储、记忆与信息处理功能双向通信和标准化数字输出功能智能传感器功能第三章煤矿开采环境智能感知根据不同的应用场合，智能传感器可选择性地具有上述功能或者全部功能。智能传感器有高的标准性、灵活性和可靠性，同时采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现。具有高的性价比优势。智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。它是一个相对独立的智能单元，它的出现对原来硬件性能的苛刻要求有所减轻，而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高，同时采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现，大大降低了传感器本身的价格。第三章煤矿开采环境智能感知信息存储和传输自补偿和计算功能自检、自校、自诊断功能复合敏感功能智能传感器的集成化智能传感器的集成化集成智能传感器的功能有以下三个方面的优点：1）较高信噪比2）改善性能3）信号规一化第三章煤矿开采环境智能感知智能传感器的实现（1）非集成化实现非集成化智能传感器是将传统传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器合为一体而构成的一个智能传感器系统，如下图所示。其中，信号调理电路是用来调理传感器输出信号的，即将传感器输出信号进行放大并转换为数字信号送入微处理器，再由微处理器通过数字总线接口挂接在现场数字总线上。这是一种实现智能传感器系统最快捷的途径与方式。非集成式智能传感器系统第三章煤矿开采环境智能感知（2）集成化实现这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺，利用半导体硅作为敏感元件的制作材料，将信号的调理电路、微处理器单元等集成在一块芯片上所构成的传感器，因此又称为集成智能传感器。它是将智能传感器的各个部分通过一定的工艺，分层集成在一块半导体硅片上。随着微电子技术和微米、纳米技术的快速发展，大规模集成电路工艺日益完善，集成电路器件的集成度越来越高。它已成功地使各种数字电路芯片、模拟电路芯片、微处理器芯片、存储器电路芯片的性价比大幅度提高。同时，它又促进了微机械加工技术的发展，形成了与传统传感器制作工艺完全不同的现代智能检测传感器。集成智能传感器可实现自适应性、高精度、高可靠性与高稳定性，按照传感器的集成度不同分成三种形式：初级形式、中级形式和高级形式。第三章煤矿开采环境智能感知（3）混合实现混合实现是指根据需要与可能将系统的各集成化环节，如集成化敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口等，以不同的组合方式集成在几块芯片上，并装在一个外壳里。集成化敏感单元包括弹性敏感元件及变换器；信号调理电路包括多路开关、仪器放大器、A/D，转换器；微处理器单元包括数字存储（EPROM、ROM、RAM）、1/O接口、微处理器、D/A等。第三章煤矿开采环境智能感知矿用智能传感器矿用传感器主要用于矿井环境参数和矿井工况参数的监测。矿井环境参数监测主要有甲烷浓度、氧气浓度、粉尘浓度、环境温度、风量、风压、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度和硫化氢浓度。矿井工况监测参数主要有设备开停、风筒风量、风门开关、输送机开停、煤仓煤位、采煤机组位置、排水系统、压风系统、主要通风机工作状况等参数。矿用传感器根据测量原理可分为电位计式、应变式、电容式、电感式、压电式、磁电式、光敏式、霍尔式、光纤式、气敏式和智能式等；根据输入物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及气体浓度传感器等；根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器，即模拟式传感器输出模拟信号和数字式传感器输出数字信号。矿用传感器的特点如下：第三章煤矿开采环境智能感知（1）矿用传感器应符合国家有关标准和行业标准的要求，其防爆型式优选本质安全型，用于安全监控的矿用传感器防爆型式应为本质安全型，载体催化式甲烷传感器其防爆型式可采用隔爆兼本质安全型，防爆标志为ExibdⅠ。在传感器的外壳明显处设有Ex、MA标志和计量器具标志。（2）矿用传感器一般应具有显示功能，显示应清楚准确。（3）矿用传感器应在9～24V范围内工作，使用单芯截面积为1.5mm2的电缆时，传感器与分站之间的传输距离不小于2km。矿用传感器的工作稳定性应不小于15d。传感器应具有采用遥控器调校的功能。（4）矿用传感器应能在下列条件下正常工作：温度为0～40℃；相对湿度不大于98%；大气压力为80～116kPa；风速不大于8m/s；存储温度为-40～60℃。（5）矿用传感器的输出信号应满足下列要求：电流型为1～5mA或4～20mA；频率型为200～1000Hz，脉冲宽度大于0.3ms的电流脉冲；数字信号的传输速率为1200bps、2400bps、4800bps、9600bps等。第三章煤矿开采环境智能感知智能传感器的系统接入技术工业以太网技术无线传感网络技术智能传感器系统接入技术现场总线技术第三章煤矿开采环境智能感知（1）现场总线技术。现场总线是开放型控制系统，也是现场总线控制系统的基础，是用于现场总线仪表与控制室之间的一种全数字化、串行、双向、多站的通信网络。现场总线被誉为测控领域的计算机局域网，是现代测量和自动化技术发展的一个重要里程碑。现场总线使控制系统和现场设备之间有了通信能力，并组成信息网络，为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了保障，提高了系统的运行稳定性。现场总线技术已成为现代传感系统的重要技术支撑，总线成为传感器检测系统的重要组成部分。现场总线技术的主要特征如下：1）采用数字式通信方式取代传统设备的4~20mA（模拟量）和24VDC开关量信号。2）与“半数字”的DCS系统不同，现场总线系统是一个“纯数字”系统。在传统的DCS系统里，压力和温度变送器须将它们测量的原始数字信号在送入DCS系统前转换成42mA的模拟信号；而在现场总线控制系统中，从变送器的传感器到调节阀，其信号一直保持数字性。这就使得更复杂、更精确的信号处理得以实现。第三章煤矿开采环境智能感知3）开放式互联网络。现场总线为开放式互联网络，它既可与同层网络相连，又可与不同层网络相连。4）专门为过程控制而设计。。目前，国际上有多种现场总线通信标准（或称为通信协议模式），如FF（FoundationFieldbus）基金会现场总线通信标准、LONWORKS（LocalOperatingNetworks）通信协议模式、PROFIBUS（ProcessFieldbus）通信协议模式、HART（HighwayAddressableRemoteTransduser）可寻址远程传感器高速公路通信协议模式、串行总线和CAN（ControlAreaNetwork）控制局域网络通信协议模式等。在矿山上使用最多的是CAN总线技术：CAN（ControllerareaNetwork，控制局域网）属于总线式通信网络。CAN总线可广泛应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的底层监控，以完成控制与监测设备之间可靠和实时的数据交换。第三章煤矿开采环境智能感知（2）工业以太网技术以太网（Ethernet）具有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。以太网用于控制网络的优势有以下几点：1）具有相当高的数据输出速率（目前已达到100Mbit/s），能够满足带宽的要求。2）由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/TP很容易集成到企业管理网络。3）能在同一总线上运行不同的传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架。4）在整个网络中，运用了交叉式和开放式的数据存取技术。5）沿用多年且为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的软件资源、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准。6）允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。第三章煤矿开采环境智能感知（3）无线传感网络技术无线传感器网络（Wirelesssensornetwork，WSN）利用集成化的微型传感器协作地实时感知、采集和监测对象或环境的信息，用微处理器对信息进行处理，并通过自组织无线通信网络以多跳中继传送，将网络化信息获取和信息融合技术相结合，使终端用户得到需要的信息。第三章煤矿开采环境智能感知智能传感器的系统测试技术传感器测试主要是为了检测传感器的指标从而判断该传感器是否为合格产品，传感器的性能指标一般包括静态指标和动态指标，静态指标的检测是必需要进行的一道工序。传感器测试系统作为传感器检测设备必须具有很高的精度和稳定性。可以通过选用高精度的数据采集板卡，高质量的信号调理及数字滤波等手段，开发一种符合精度要求的力敏传感器测试系统。传感器测试系统是用来检测传感器的静态性能指标的一种检测装置。在标准工作条件下，利用高精度的测试系统能自动完成传感器的加载、卸载、传感器数据的自动采集和分析计算及参数表格的保存和打印等功能。具体传感器测试系统结构如图所示。智能传感器测试系统结构示意图第三章煤矿开采环境智能感知智能传感器系统是实现智能化采矿所必须的，而智能传感器测试系统对智能传感器的正常运行起着至关重要的保障作用。因此，智能传感器测试系统的作用可以归纳为以下三个方面：1）测试传感器能否正常工作2）测试传感器的灵敏度3）测试接入系统的可靠性第三章煤矿开采环境智能感知智能信息处理技术智能信息处理概述智能信息处理就是将不完全、不可靠、不精确、不一致和不确定的知识和信息逐步变为完全、可靠、精确、一致和确定的知识和信息的过程和方法。就是利用对不精确性、不确定性的容忍来达到问题的可处理性。智能信息处理涉及信息科学的多个领域，是现代信号处理、人工神经网络、模糊系统理论、进化计算，也包括人工智能等理论和方法的综合应用。第三章煤矿开采环境智能感知智能信息处理技术的分类智能信息处理基于传统计算机的智能信息处理智能仪器自动控制制导系统自动跟踪监测仪器系统自动故障诊断系统基于神经计算机的智能信息处理第三章煤矿开采环境智能感知智能信息处理技术主要理论和方法智能信息处理方法模糊理论进化算法人工神经网络方法信息融合技术除上述技术以外，还应用了密码技术、入侵检测技术等相关技术。第三章煤矿开采环境智能感知智能信息通讯技术智能信息通讯技术简介智能信息通讯技术是指通过应用智能处理技术，提供人性化的电信服务，主要用于解决各种远程服务中的人机交互问题。而在智能采掘中，这项技术更是必不可少的。智能化是信息通讯的新动向、新阶段。通信的智能化已成为目前通信研究的热点。智能信息通讯业务将改变通信方法和商务处理，使人们应用通信更加方便和丰富。智能通信将逐渐融合到人们的生活中，人们不仅能够自由选择通信业务和设备，而且可以通过技术和业务实现个性化，从而以满足人们的各种需求。智能信息通讯是人工智能技术与通讯技术相结合的，即：第三章煤矿开采环境智能感知AI+CT→IC式中：AI（ArtificalIntelligence)—人工智能；

CT(ComunicationTechnology)—通信技术；

IC(IntelligentComunication)—智能信息通讯。第三章煤矿开采环境智能感知智能信息通讯的分类分布智能信息通讯技术移动智能信息通讯技术互动智能信息通讯（1）分布智能信息通讯分布智能信息通讯是分布式人工智能技术与通讯技术相结合的，即:DAI+CT→DIC第三章煤矿开采环境智能感知式中：DAI—分布式人工智能；

CT—通信技术；

DIC—分布智能信息通讯。分布智能信息通讯与智能采掘相关方案之一是煤矿公共知识库的智能信息通讯，如下图所示。具有煤矿公共知识库的智能信息通讯图3-6中，MCKB（minecommonknowledgebase）为煤矿公共知识库，由于“信源”和“信宿”具有分布式煤矿公共知识库，所以，可以显著减少(压缩)需要经“信道”传输的信息。第三章煤矿开采环境智能感知（2）互动智能信息通讯互动信息通讯是信息推送与信息拉取技术相结合的产物，即：IPUSH+IPULL→IMC式中：IPUSH（InformationPush)—信息推送，如网播技术等；IPULL（Informationpull）—信息拉取，如查询搜索引擎等；IMC（IntelligentComunication)—互动信息通讯，如信息推拉。信息“推送”与信息“拉取”技术，具有及时性好、对用户要求低等优点，但信息“推送”具有很大局限性：1）不能确保发送成功。2）没有信息状态跟踪。3）没有群组管理功能。针对以上问题，在人工智能与互动通信相结合的基础上，提出了互动智能信息通讯技术，旨在提高网路及数据库的智能水平。第三章煤矿开采环境智能感知互动智能信息通讯是分布式人工智能技术与互动通讯技术相结合的，即:AI+IMC→IMIC式中：AI—人工智能；IMC—互动通讯技术；IMIC（IntelligentComunication)—互动智能信息通讯。（3）移动智能信息通讯移动智能信息通讯是人工智能能与移动通信技术相结合的产物，即：AI+MC→MIC式中：AI—人工智能；IMC—移动通讯技术；MIC—移动智能信息通讯。第三章煤矿开采环境智能感知按照移动通讯的模式，移动智能信息通可分为以下几种：1）全移动智能信息通讯。全部通讯用户（信源或信宿）都是可移动的，即移动信源与移动信宿之间的智能通讯。2）半移动智能信息通讯。部分通信用户(信源或信宿)是可移动的，如固定的信息中心或者指挥中心与移动的信息采集系统或指令执行系统之间的智能讯。第三章煤矿开采环境智能感知智能信息通讯系统随着科学技术的发展和国内经济的增长，各行各业对通信的需求不断提高。从多种统计数据和实际应用调查表明，国内的通讯领域有以下发展趋势：新的应用将得到多媒体的支持。借组网络互连和网络集成降低系统成本。通过扩展通信系统和语音功能提高系统生产能力。使用语音和数字应用集成增强系统效率。系统投资保护和面向未来的升级手段。保护用户现有的应用。第三章煤矿开采环境智能感知设计智能信息通讯系统应遵循以下原则：（1）实用性：（2）先进性：（3）安全可靠性（4）扩展性（5）规范性第三章煤矿开采环境智能感知传感网络协议架构技术传感网络协议体系架构是传感网络的“软件”部分，包括网络的阶议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件完成功能的定义与描述，由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支持技术组成．如下图所示。传感网络协议体系结构第三章煤矿开采环境智能感知分层的网络通信协议架构类似于传统的TCP/IP协议体系结构，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。物理层的功能包括信道选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等。传感器网络采用的传输介质可以是无线、红外或者光波等。物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。数据链路层的主要任务是加权物理层传输原始比特的功能，使之对上层显现一条无差错的链路，该层一般包括媒体访问控制(MAC)子层与逻辑链路控制(LLC)子层,其中MAC层规定了不同用户如何共享信道资源，LLC层负责向网络层提供统一的服务接口。网络层的主要功能包括分组路由、网络互连等。传输层负责数据流的传输控制，提供可靠高效的数据传输服务。第三章煤矿开采环境智能感知光纤基本结构3.4光纤光栅智能感知技术光纤（光导纤维）是工作在光波波导的一种介质波导，因其具有数据容量大、耐久性好、传输快、价格低廉等优点，已经广泛应用于通信领域。光纤基本结构如下图所示。光纤基本结构示意图光纤纤芯和包层是光纤的主体，对光波的传输起决定性作用，光纤的纤芯由纯石英（成分为SiO2）组成，光纤纤芯中含有少量的掺杂剂，如硼或锗，目的是为了提高光纤纤芯的折射率，形成全内反射条件下传导光波限制在光纤纤芯中，包层的折射率稍小于光纤纤芯的折射率，为光波在光纤中的全内反射提供条件。第三章

煤矿开采环境智能感知光波在光纤中的工作传输原理是基于光的全反射现象。当光波在纤芯内传输时，由于光纤纤芯折射率大于包层折射率，则当满足数值孔径要求的光束传输到纤芯和包层的光纤界面时，在光束入射角大于临界角情况下，入射光束将不发生折射，全部沿着光纤纤芯反射向前传播。光纤按传输模式分为单模光纤（纤芯中只传输一种模式的光波）和多模光纤（纤芯中传输多种模式的光波）。光纤能把以光波形式出现的电磁波能量利用全内反射的原理将其约束限制在光纤纤芯内，并引导光波沿着光纤轴线的方向向前传播。第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅感知原理光纤光栅制作光纤光栅制作和写入技术有：相位掩模板技术、全息成栅技术、振幅掩模技术、在线写入技术和逐点写入技术等。而相位掩模板法写入技术是目前制作FBG最常用的方法，其制作FBG原理如图所示。通过压制紫外光束的衍射光，有效利用±l阶衍射光束通过相位掩模板形成的空间干涉条纹照射掺锗的光纤，光纤纤芯经过一定时间的照射后，纤芯内的折射率便会发生永久性的改变，形成了永久性的周期性折射率调制相位掩模板法制作写入FBG原理图第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅结构及传感原理图，(a)光纤束，(b)光纤横截面，(c)光纤光栅结构，(d)光纤光栅传感原理光纤光栅传感原理第三章煤矿开采环境智能感知光纤布拉格光栅反射波长的基本关系式为：（3-1）

光纤布拉格光栅反射后的中心峰值波长，通常在1510~1590nm；neff为光纤传播时纤芯的有效折射率通常取1.33~1.55；

为相邻光栅之间的栅距，称作光纤光栅周期。光纤光栅的周期在尺寸上非常小（几百纳米级），改变两相干紫外光束的相对角度，使光波通过光纤光栅时的栅距，栅面角度微小变动，就可以制作不同反射波长的光纤光栅。其中：λB为第三章煤矿开采环境智能感知FBG传感的基本原理是宽带光源将具有带宽的光通过隔离器和耦合器入射到光纤光栅中，当外界环境的激励（应力、应变、温度）发生改变时，无论是对光栅进行拉伸还是挤压，FBG本身结构的周期

会发生变化，并且光纤本身的弹光效应使有效折射率neff也随外界应力应变状态的变化而改变；当光纤光栅受到外界温度变化影响时，热膨胀效应会使光纤光栅周期

发生变化，与此同时热光效应也会导致光纤光栅的有效折射率neff发生变化。光纤光栅周期和折射率会发生改变，从而造成FBG光谱参数（反射中心波长）发生改变，光谱参数的变化与外界物理量的变化遵从一定的规律，将FBG连接到光纤光栅解调系统上，解调系统把测量光谱参数的变化解调出来，即可求得外界物理量的变化，这样就实现了FBG的传感。第三章煤矿开采环境智能感知

在进行光纤光栅传感器设计研制时，光纤光栅是决定传感器性能优良的重要环节，可以通过其主要特征参数进行评价。名称单位参数中心波长nm1510~1590光栅长度mm10反射率%≥90反射带宽nm≤0.3边模抑制比dB≥15光栅阵列波长间隔nm5光纤光栅主要特征参数第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅感知特性光纤光栅应变感知特性

目前各种光纤光栅传感器基本上都是通过被测量来直接或间接改变光纤光栅反射中心波长，达到被测物理量感测的目的。光纤光栅解调仪

研究光纤布拉格光栅的应变感知模型及传感特性、温度感知模型及传感特性、应变感知的温度补偿以及应变-温度交叉敏感耦合效应等是研究开发光纤布拉格光栅传感器的基础。直接间接中心波长物理量第三章

煤矿开采环境智能感知

当温度保持恒定时，光纤光栅只受到轴向应力应变情况下，中心波长将会跟着发生漂移变化，研究光纤光栅应变感知特性之前，做如下假设：（1）在研究的应力应变范围内，假定光纤光栅看作为理想的弹性体，遵循胡克定律，且在其内部不发生剪切应力应变；（2）假定折射率变化在光纤光栅横截面均匀分布，且这种折射率变化对光纤本身材料特性及各向同性特点不产生影响。

基于以上两点假设，建立光纤布拉格光栅的应力应变感知模型第三章煤矿开采环境智能感知根据FBG的布拉格条件（公式（3-1）），光纤光栅中心波长及其光谱特性由光纤光栅的有效折射率

和光栅周期

决定，对公式（3-1）进行微分可得：(3-2)式中：

为光纤光栅反射中心波长的漂移量；

为光纤本身在应力作用下的弹性变形；

为光纤的弹光效应引起的折射率变化。将公式（3-2）两端分别除以公式（3-1）两边，可得：(3-3)在不考虑波导效应对光纤光栅折射率的影响，在均匀轴向应变作用下，根据材料的弹光效应得到：(3-4)第三章煤矿开采环境智能感知式中：

与表示弹光系数；

表示横向应变，

；

表示光纤的泊松比。整理公式（3-4）可得：(3-5)在线弹性范围内，有：(3-6)将式（3-6）、（3-5）带入式（3-3），整理可得：(3-7)令为有效弹光系数，将其带入公式（3-7），于是可以得到轴向应力应变引起的光纤光栅反射中心波长变化为：第三章煤矿开采环境智能感知(3-8)公式（3-8）为光纤光栅在轴向应力应变下的波长特性数学方程，可以看出对于弹光系数

来说，其数值大小由光纤的有效折射率、弹光系数和泊松比决定。对于某一具体的光纤光栅来说，由于其材料特性已经确定，因此，

为常数。这表明光纤光栅在受单纯的轴向应力应变时，反射中心波长漂移量与轴向应变呈线性变化的关系，保证光纤光栅作为应变传感器具有良好的线性输出。第三章煤矿开采环境智能感知中心波长取1550nm，光栅长度为10mm，光栅周期为527.9nm，轴向应变分别为2000με、1000με、0με、-1000με、-2000με时的反射光谱。从图中可以看出对于均匀周期光纤光栅，在其受静态应变时，光纤光栅的反射光谱只是整体波长发生偏移，而其光谱形状并不发生改变。第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅中心波长（nm）每微应变下波长变化（pm）15401.201215451.205115501.20915551.212915601.216815651.2207取中心波长为1540nm、1545nm、1550nm、1555nm、1560nm、1565nm，可计算得每微应变导致的波长变化可见，对于1550nm的光波波段，单位微应变导致的反射中心波长变化约为1.2pm，即光纤光栅应变灵敏度为1.2pm/με。中心波长变化不大时，光纤光栅应变灵敏度相差不大，但是由于实际应用中采用的光纤不同、写入光栅的工艺方法不同以及退火工艺的差别，导致不同光纤光栅的传感灵敏度会有差异，因此不同的光纤光栅必须经过标定才能用作实际测量。第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅温度传感特性

当光纤光栅处于不受外力作用的自由状态时，如果温度发生改变，光纤自身材料如热光效应、热膨胀效应会引起光纤光栅反射中心波长发生漂移。光纤材料的热光效应使光纤光栅的折射率发生改变，热膨胀效应会使光栅的周期发生改变。为了得到光纤光栅温度感知特性，作以下假设：（1）假定光纤光栅处于均匀的温度场中，不考虑光栅不同位置的温差效应，同样忽略光纤光栅不同位置温差引起的热应力效应；（2）假定光纤光栅处于光纤材料的线性热膨胀范围，不考虑温度的变化对热膨胀系数的影响，即认为在测量范围内的热膨胀系数保持不变；（3）假定光纤光栅反射中心波长在其波长变化范围内，光纤材料的热光系数保持不变。第三章煤矿开采环境智能感知根据FBG的布拉格条件（公式（3-1）），光纤光栅中心波长及其光谱特性由光纤光栅的有效折射率

和光栅周期

决定，公式（3-1）对温度进行微分可得：(3-9)公式（3-9）两端分别除以公式（3-1）的两边项，可得：(3-10)令，表示光纤材料的热光系数；

，表示光纤材料的热膨胀系数。这样公式(3-10)可以简化为以下形式：(3-11)第三章煤矿开采环境智能感知从上式（3-11）可以看出当光纤光栅材料确立之后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上是一个常数，这就从理论上保证了采用光纤光栅作为温度传感器进行温度感知测量时可以得到很好的线性输出。光纤光栅反射中心波长与温度变化关系第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅中心波长（nm）每单位温度波长变化（pm）154011.627154511.665155011.701155511.74156011.778156511.816可见，对于1550nm的光波波段，单位温度变化导致的光纤光栅反射中心波长变化约为11.7pm，即光纤光栅温度灵敏度为11.7pm/℃。中心波长变化不大时，光纤光栅温度灵敏度相差不大。单位温度下光纤光栅反射中心波长变化第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅应变-温度交叉传感特性根据以上的分析，光纤光栅是一种对应变和温度都同时敏感的传感元件，仅测量单个的光纤光栅中心波长漂移量，很难区别出应变和温度分别造成的波长变化，由前两节的应变和温度感知模型分析可知，对于中心波长在1550nm的波段，其应变灵敏度约为1.2pm/με，温度灵敏度约为11.7pm/℃，温度灵敏度相当于应变灵敏度的10倍，因此当温度变化较大的环境中使用光纤光栅做传感器件必须考虑温度的影响，需要剔除应变-温度耦合感知的作用，否则会因为温度变化导致测量精度的不准确。通过某种方法剔除温度扰动引起的波长漂移，使应变测量不受环境温度变化的影响，即为光纤光栅的温度偿方法。到目前为止对光纤光栅传感器设计及实际工程中进行温度补偿的主要方法有聚合物封装法、不受力光栅温度补偿法、啁啾法、FBG与法布里­珀罗腔组合法，负温材料法和应变、温度双参量同时测试的双光栅叠加法等技术。第三章煤矿开采环境智能感知①聚合物封装法是利用聚合物对光纤光栅进行封装降低其灵敏度系数，减少它对温度的影响。但是聚合物封装法只是消除了光栅温敏的热膨胀部分，不能消除光敏部分。②啁啾方法的成本过高，而且使用过程可靠性差，其广泛使用受到一定的限制。③负温材料法由于负热材料的应用，使所测试温度范围受到一定限制，且成本高，难以取得实际应用的良好效果。④双光栅叠加法要求两个光纤光栅中心反射波长具有足够大的差别，但因为双光纤光栅的灵敏度系数很接近,导致测量计算值误差过大。综上而言，采用不受力光纤光栅温度补偿法是一种最简单方便、经济可靠的补偿方法。不受力光纤光栅温度补偿法，就是将两个光纤光栅布置在同一个环境温度场中，其中一个光纤光栅布设在被测结构对象，同时感知被测结构的应变和温度参数，另一个光纤光栅布设在与被测结构材料相同但不受外力作用的构件上，仅用于感知被测温度参数，作为温度补偿，通过这种方法就保证了两根光纤光栅感知相同的温度影响，以温度补偿光栅为参考就可以得到被测结构的真实应变信息。第三章煤矿开采环境智能感知在不考虑光纤光栅应变-温度的耦合效应,即应变与温度对光纤光栅反射中心波长的作用相互独立且都为线性关系,则应变与温度作用下的光纤光栅反射中心波长漂移如下：(3-12)令，表示光纤光栅的应变灵敏度系数，

，表示光纤光栅的温度灵敏度系数，则公式（3-12）可简化为：(3-13)因此对于工作在相同环境温度场中的两个光纤光栅，它们的中心波长变化分别为：(3-14)联立式（3-14）和（3-15），可以得出剔除温度影响后的应变为：(3-15)第三章煤矿开采环境智能感知(3-16)应变单独引起的波长漂移为：(3-17)通过公式(3-17)就可以实现温度的补偿，另外，在同一个温度场中，可以使用一个光纤光栅温度传感器实现多个光纤光栅应变的温度补偿，进而消除应变-温度耦合感知效应。第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅准分布式传感特性目前，在光纤上写入多个反射中心波长互不相同的光栅（光栅串）已经完全实现。在此基础上，结合光纤光栅的优良特性，能够将光纤光栅构建成点阵、线阵和面阵等多种准分布感知拓扑结构和传感器网络系统，从而实现对待测对象的多点感测或准分布实时智能监测。因此对光纤光栅的准分布感知特性研究显得尤为重要。当多个光纤光栅串接形成传感阵列进行准分布监测时，为了解调系统获取每一个反射中心波长信息，需要保证能够“搜寻”每一个光栅，要求阵列中各个光纤光栅中心波长及其变化范围不能重叠交叉、互不扰动。假设光纤光栅在两端的反射中心波长分别为

和，传感阵列中第i和第j是两个相邻的光纤光栅，在外界激励（应力应变或温度）的影响下反射中心波长最大的正向漂移量分别为

和，最大的负向漂移量分别为

和。第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅准分布感知模型如图3-13所示。光纤光栅准分布感知模型在光纤光栅准分布感知阵列中，两个相邻的光纤光栅中心波长需要有一定的间隔，相邻两个光纤光栅感知信号互不串扰必须满足：(3-18)式中：

，为光纤光栅准分布感知中各个反射中心波长。第三章煤矿开采环境智能感知在此定义，光纤光栅准分布感知信号分辨因子

为：(3-19)式中：

表示相邻的两个光纤光栅的反射中心波长差，表示相邻的两个光纤光栅反射中心波长的相对漂移。如果两个光纤光栅的波长信号均保证能够被光纤光栅解调系统“搜寻”出来，则感知信号分辨因子

。实际上感知信号分辨因子由相邻光纤光栅反射中心波长的相对漂移量、相邻光纤光栅的反射中心波长差、光纤光栅的反射带宽及光纤光栅传感解调系统的光电探测器扫描分辨率决定。由此可以大致确定光纤光栅准分布感知系统的复用能力（光纤光栅数量）表达式为：ψij＞0(3-20)第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅封装技术光纤光栅的中心波长易受温度、应变、压力等外界参数的影响产生中心波长漂移，而裸光栅的敏感度比较低，不能满足实际测量的需求，而且光纤本身脆弱、纤细，容易折断破坏，因此要对光纤光栅进行封装增敏处理。而良好的封装技术应保证测量的精确性以及测试的长期性。影响封装技术好坏的因素主要包括：选择合适的封装材料，采用合理的封装形式。封装材料（1）金属材料。根据用途不同，光纤光栅传感器封装过程中所釆用的金属材料分为三类，一是基体材料的合金刚基片，二是管式封装用到的铜管或其他金属毛细管，三是在光纤光栅金属化工艺中所用到的镍、铜、银等电镀材料。（2）非金属材料。采用胶黏剂封装光纤光栅传感器是目前较为常用的一种封装方法。利用胶黏剂良好的粘贴性使光纤光栅与基体材料紧紧粘贴一起，从而达到传递应变的目的。第三章煤矿开采环境智能感知封装形式根据传感器在使用场合及设计结构的不同，可分为保护性封装、敏化封装和补偿性封装。铜片封装光纤光栅传感器示意图管式封装光纤光栅传感器示意图（1）保护性封装第三章煤矿开采环境智能感知保护性封装可以保护光纤光栅少受损害，提高传感器的成活率，但是保护性封装较少考虑到传感器的灵敏性，而且不同测试情况对于灵敏度的要求是不同的，有的时候需要提高传感器对某些参数的灵敏度，即进行增敏处理；而有些时候需要降低传感器对其他参数的敏感度，这就需要减敏处理。（2）敏化封装（3）补偿性封装温度补偿性封装是为了解决温度-应变的交叉敏感问题而提出的一种封装方法，采用这种封装方法，可以删除某一干扰参数。第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅锚杆测力计3.5矿用光纤光栅智能传感器光纤光栅锚杆测力传感器主要由压力环、油管、压力表和FBG压力传感器组成，油缸通过油管和三通分别与压力表和FBG压力传感器连接，如右图所示。其中压力环内装有液压油，利用O型圈、活塞和端盖进行封装，如右图所示。液压油作为传感器的传力介质，是外力向传感器内部传递的途径，其作用是将外部载荷传递到FBG压力传感器，并通过压力表实时显示测量值。光纤光栅锚杆测力传感器结构示意图：（a）压力环剖面示意图，（b）FBG压力传感器，（c）FBG传感器实物图第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅测力锚杆基于光纤光栅传感原理，结合锚杆的自身结构特征，提出了基于光纤光栅的锚杆杆体应力感知技术，设计的准分布式光纤光栅锚杆应力传感器如右图所示。该传感器主要由螺母、托盘、锚杆、光纤、光纤光栅串组成。锚杆尺寸为Φ20×2000mm，首先需沿锚杆杆体方向刻制凹槽，随后在杆体凹槽内粘贴光纤光栅传感器（共含FBG1、FBG2、FBG3三个光栅点）来感知锚杆浅、中、深部杆体应力特征。1-螺母，2-托盘，3-锚杆，4-光纤，5-凹槽，6-FBG3，7-FBG2，8-FBG1，9-尾纤接头

光纤光栅锚杆应力传感器：（a）示意图，（b）实物图第三章煤矿开采环境智能感知在实际围岩应力场中，采用锚杆杆体内部粘贴的光纤光栅传感器来感知杆体各部分的轴向应力。通过在杆体凹槽内侧粘贴光纤光栅，可以使光纤光栅传感器在锚杆杆体受围岩粘结力以及摩擦力等作用下使得杆体产生伸缩变形。此时由于杆体的弹性模量远大于煤岩体的弹性模量，杆体抑制围岩变形，从而造成杆体在轴向受力，杆体表面会产生拉伸或者压缩的细微变形，最终粘贴在杆体凹槽内壁的光纤光栅产生变形，波长变化量改变，通过光纤光栅解调仪即可调制解调出锚杆受力大小。FBG锚杆应力传感器需经过精细的封装步骤如：锚杆表面刻槽并用砂纸磨去毛刺→凹槽表面酒精擦拭清洁处理→定位测点、调制封装胶并粘贴固定光纤光栅→胶装保护等详细步骤才可应用于实际工程，研制的成品上图（b）所示。第三章煤矿开采环境智能感知光纤光栅顶板离层仪本节提出了一种悬臂梁式光纤光栅顶板离层仪，如右图所示。在光纤光栅-机械变送部分内布置两个矩形悬臂梁。当传感器所监测的巷道顶板受采动影响而出现离层时，传感器的钢丝绳挡套在锚固爪的带动下，驱使弹簧产生形变，弹簧拉动矩形悬臂梁发生弯