一种矿井瓦斯智能巡检系统及方法

本发明属于矿井瓦斯检测，尤其是涉及一种矿井瓦斯智能巡检系统及方法。

背景技术：

1、瓦斯灾害是威胁煤矿安全生产的五大灾害之一，瓦斯管理始终是煤矿的重点环节，由瓦斯引发的事故造成了巨大的损失。《智能化煤矿(井工)分类、分级技术条件与评价》中明确指出：“具有瓦斯灾害的矿井，应建设完善的瓦斯智能感知系统，宜建设合理的瓦斯抽采系统，对工作面、掘进头等瓦斯易集聚区域进行智能监测，监测数据实现自动上传与分析”。

2、现有的瓦斯巡检监测预警系统无法真实反映瓦斯巡检员的瓦斯检测操作过程，瓦斯巡检员有条件偷懒及作弊，导致巡检过程中脱岗、空班、漏检和假报现象时有发生，数据的真实性难以保证，严重影响对于瓦斯浓度的准确监测、预测预警，增加了煤矿安全生产的难度，更对人员生命健康造成威胁。且大多预警系统为被动式进气检测，在复杂环境下容易出现监测不准确的情况。因此，在国家政策、现实需求与导向以及新一代信息技术的驱动下，对瓦斯浓度的实时巡检与预警在智慧矿山系统中有着非常重要的意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矿井瓦斯智能巡检系统，通过利用多通道瓦斯气体采样模块，由煤矿井下常用的被动式进气采集变为选用主动式抽气泵进行主动连续的抽气采集，提高了在瓦斯易聚集、风流紊乱较高等区域瓦斯浓度监测的准确度；采用多参数传感检测模块，其监测数据可作为井下瓦斯灾害隐患识别、瓦斯浓度预测预警的依据，并结合红外摄像模块和定位器对瓦斯浓度异常监测区域以及瓦检员的实时监测，显示主机的实时数据显示，实现多元化的信息监测以及对瓦检员严格的管理与监督，有效的提升了对于瓦斯浓度检测数据的可靠度、准确度。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矿井瓦斯智能巡检系统，其特征在于：包括设置在矿井内的多通道瓦斯气体采样模块、与所述多通道瓦斯气体采样模块连接的多参数传感检测模块、设置在所述矿井内的红外摄像模块、以及用于接收多参数传感检测模块和红外摄像模块输出信号的显示主机；

3、所述多通道瓦斯气体采样模块包括设置在所述矿井内的采样壳体、设置在所述采样壳体内的抽气泵、以及设置在所述采样壳体内且与所述抽气泵连通的抽气组件；所述抽气泵和所述抽气组件之间通过进气管道连通，所述抽气泵通过出气管道和多参数传感检测模块连通；所述抽气泵和所述抽气组件均由抽气控制单元控制，所述抽气控制单元布设在所述采样壳体内；

4、所述多参数传感检测模块包括检测壳体、设置在所述检测壳体内的吸气泵、以及设置在所述检测壳体内且与所述吸气泵连通的检测气室，所述吸气泵由检测控制单元控制，所述检测气室和所述检测控制单元连接；所述抽气泵通过出气管道和所述吸气泵的进气口连通，所述吸气泵的出气口和所述检测气室连通；

5、所述红外摄像模块包括设置在所述矿井内的监测点处的摄像仪，所述摄像仪的外侧设置有摄像壳体；所述摄像仪由摄像控制单元控制。

6、上述的一种矿井瓦斯智能巡检系统，其特征在于：所述抽气组件包括多个均设置在矿井内监测点处的抽气管道和设置在多个所述抽气管道的端部且与所述抽气管道连通的汇总管道，所述抽气管道和所述汇总管道的连接处设置有电磁阀，所述电磁阀的数量和所述抽气管道的数量相等且一一对应；所述进气管道和所述汇总管道连通；所述抽气管道远离所述汇总管道的端部设置有定位器，所述定位器和所述显示主机之间通过第三通信模块连接。

7、上述的一种矿井瓦斯智能巡检系统，其特征在于：所述抽气控制单元包括第一电路板，所述第一电路板上集成有第一控制器和与所述第一控制器连接的定时器，所述抽气泵和所述电磁阀均由第一控制器控制；所述第一控制器和所述显示主机之间通过第一通信模块连接。

8、上述的一种矿井瓦斯智能巡检系统，其特征在于：所述检测控制单元包括第二电路板，所述第二电路板上集成有第二控制器和与所述第二控制器连接的报警器，所述第二控制器和所述显示主机之间通过第二通信模块连接。

9、上述的一种矿井瓦斯智能巡检系统，其特征在于：所述检测气室内设置有ch4传感器、co传感器、co2传感器、o2传感器、h2s传感器、以及温度传感器，所述ch4传感器、co传感器、co2传感器、o2传感器、h2s传感器、以及温度传感器的信号输出端与所述第二控制器的信号输入端连接。

10、上述的一种矿井瓦斯智能巡检系统，其特征在于：所述显示主机上设置有显示屏，所述显示主机内设置有第三电路板，所述第三电路板上集成有第三控制器和与所述第三控制器连接的存储器，所述显示屏和所述第三控制器连接；所述第一控制器通过第一通信模块和所述第三控制器连接；所述定位器通过第三通信模块和所述第三控制器连接；所述第二控制器通过第二通信模块和所述第三控制器连接；第四控制器通过第四通信模块和所述第三控制器连接。

11、上述的一种矿井瓦斯智能巡检系统，其特征在于：所述摄像控制单元包括第四电路板，所述第四电路板上集成有第四控制器，所述第四控制器和所述显示主机之间通过第四通信模块连接；所述摄像仪由所述第四控制器控制。

12、本发明还提供了一种根据所述的系统对矿井瓦斯进行巡检的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

13、步骤一、划分并存储瓦斯浓度等级：划分瓦斯浓度预警等级，其中，当瓦斯浓度小于0.3％时，为瓦斯正常状态；当瓦斯浓度范围为0.3％～0.5％时，为预警ⅰ级状态；当瓦斯浓度超过0.75％时，为预警ii级状态；当瓦斯浓度超过1％时，为报警状态；并将瓦斯浓度预警等级划分的瓦斯浓度值保存至存储器中；

14、步骤二、抽取监测点处的空气：启动第一控制器，第一控制器控制电磁阀开启，同时抽气泵开始抽气，将监测点处的空气抽入所述抽气组件内，依次经过所述抽气泵和出气管道后进入所述多参数传感检测模块内，所述第一控制器控制电磁阀闭合；其中，设置定时器的时间为t，即所述电磁阀闭合后到下一次开启之间的时间间隔为t；

15、步骤三、检测监测点处空气中的各组分含量：启动第二控制器，第二控制器控制吸气泵工作，将出气管道内的空气吸入检测气室内；ch4传感器、co传感器、co2传感器、o2传感器、h2s传感器、以及温度传感器对吸入至所述检测气室内的空气组成含量进行检测，并将检测结果传输至显示主机上，并存储在存储器中；其中，待各个传感器检测完成后，吸入至检测气室内的空气从检测气室的出气口排出；

16、步骤四、确定矿井内监测点的实时状态：启动第四控制器，第四控制器控制摄像仪工作，所述摄像仪对监测点处的情况进行记录；同时定位器将位置信号传输至显示主机，并存储在存储器中；

17、步骤五、分析监测点的采集数据并预警：根据步骤三中的检测结果和步骤四中监测点的位置信息绘制曲线图显示到显示屏上；将步骤三中的检测结果和存储器中预先存储的瓦斯浓度预警等级划分的瓦斯浓度值进行比较，对监测点的瓦斯浓度等级进行划分并显示到显示屏上；其中，当检测点的瓦斯浓度达到报警状态时，报警器报警；当检测点处的瓦斯浓度为预警ii级状态时，显示屏上显示该检测点为红色；当检测点处的瓦斯浓度为预警ⅰ级状态时，显示屏上显示该检测点为黄色；当检测点处的瓦斯浓度为瓦斯正常状态时，显示屏上显示该检测点为绿色。

18、上述的系统对矿井瓦斯进行巡检的方法，其特征在于：步骤三和步骤四中，存储在存储器中的检测结果和位置信息经由第三控制器绘制成曲线图显示在显示屏上，当曲线图上出现数据空缺或者数据异常后，需对数据进行修正，修正的方法如下：

19、当数据异常时，利用数据修正公式对异常数据进行修正；其中，t为采样时间长度，xt为t时瓦斯浓度值，ti为瓦斯浓度表现为异常情况的某一时刻(t＝1,2,3…n)，为ti时刻的采样值，n-1为一个时间长度t内瓦斯浓度监测点个数；

20、当数据空缺时，利用三次指数平滑法进行修正，通过确定瓦斯浓度数据缺失的节点t，利用瓦斯浓度数据缺失节点前的一部分数据值，在缺失数据处插入数据点和平滑步数：其中，t-1时刻为瓦斯浓度缺失数据节点前一时刻，xt为瓦斯浓度缺失节点前一时刻的实际数据值，λ't为t时刻之前一组节点的单次数指数修正值，λ”t为t时刻之前一组节点的二次数指数修正值，λ”'t为t时刻之前一组节点的三次数指数修正值，λ't-1为瓦斯浓度缺失节点前三组瓦斯浓度数据的平均值，λ”t-1瓦斯浓度缺失节点前四组瓦斯浓度数据的平均值，λ”'t-1瓦斯浓度缺失节点前五组瓦斯浓度数据的平均值；k为平滑处理权重系数，k的大小表明修正幅度，k越大幅度越大，反之越小，k的取值为0.3；

21、三次指数平滑法公式为其中，为t+m时刻缺失的修正数据值，at、bt、ct均为待定系数，且待定系数的计算公式为

22、上述的系统对矿井瓦斯进行巡检的方法，其特征在于：步骤五中，根据步骤三中存储在存储器中的检测数据可对监测点未来时刻t0的瓦斯浓度值进行预测，并与瓦斯浓度预警等级划分的瓦斯浓度值进行比较，实现预警报警，预测方法如下：

23、步骤a、在存储器中存储的监测点各时刻的检测数据中选取训练集和测试集，并对训练集和测试集进行归一化处理；

24、步骤b、构建lstm神经网络模型；其中，所述lstm神经网络模型包括1个输入层、1个lstm层和1个输出层；其中，所述lstm神经网络模型中设置relu激活函数、sigmoid激活函数和tanh激活函数；

25、步骤c、将步骤a中的归一化处理后的数据作为输入层，将预测的瓦斯浓度值作为输出层，输入构建的lstm神经网络模型中进行训练，得到训练好的lstm神经网络模型；

26、步骤d、当t0时刻时，将监测点的位置信息输入至训练好的lstm神经网络模型中，预测得到t0时刻时的瓦斯浓度值y；

27、步骤e、通过将预测的瓦斯浓度值y与步骤一中划分的瓦斯浓度预警等级划分的瓦斯浓度值进行比较，得到未来时刻t0时的瓦斯浓度预警等级；当未来时刻t0时的瓦斯浓度预警等级达到报警状态时，可提前预警。

28、本发明与现有技术相比具有以下优点：

29、1、本发明通过利用多通道瓦斯气体采样模块，由煤矿井下常用的被动式进气采集变为选用主动式抽气泵进行主动连续的抽气采集，提高了在瓦斯易聚集、风流紊乱较高等区域瓦斯浓度监测的准确度。

30、2、本发明利用多参数传感检测模块对采集到的气体进行多指标的分析以及实时、精准、连续的检测，并能实时传输和显示所采集的瓦斯气体参数，提高了对瓦斯巡检的检测效率。

31、3、本发明采用多参数传感检测模块，其监测数据可作为井下瓦斯灾害隐患识别、瓦斯浓度预测预警的依据，并结合红外摄像模块和定位器对瓦斯浓度异常监测区域以及瓦检员的实时监测，显示主机的实时数据显示，实现多元化的信息监测以及对瓦检员严格的管理与监督，有效的提升了对于瓦斯浓度检测数据的可靠度、准确度。

32、4、本发明根据所采集的气体中产物的构成、浓度及其变化速率等特性，以及历史数据比对，建立基于改进的lstm的瓦斯浓度预测模型，作为井下检测点瓦斯事故隐患识别与预警的判据，相比于传统的人工巡检以单一数据处理为预警依据的系统更加精确，有效降低了误报率和漏报率，解决传统检测方法中的信息误差大、维护工作量大、时效性差等难题，为完善煤矿井下瓦斯巡检体系提供技术了支撑，有效的保障了矿井的安全高效生产。

33、综上所述，本发明通过利用多通道瓦斯气体采样模块，由煤矿井下常用的被动式进气采集变为选用主动式抽气泵进行主动连续的抽气采集，提高了在瓦斯易聚集、风流紊乱较高等区域瓦斯浓度监测的准确度；采用多参数传感检测模块，其监测数据可作为井下瓦斯灾害隐患识别、瓦斯浓度预测预警的依据，并结合红外摄像模块和定位器对瓦斯浓度异常监测区域以及瓦检员的实时监测，显示主机的实时数据显示，实现多元化的信息监测以及对瓦检员严格的管理与监督，有效的提升了对于瓦斯浓度检测数据的可靠度、准确度。

34、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。