左 岚

（湖北省咸宁职业技术学院，437100）

1 引言

多传感器系统实际上构成了一个协同及互补的体系，为了充分发挥整个监测监控信息融合系统的效能，需要按照某些工作准则或算法适当地管理这些传感器资源。传感器是信息融合系统中最基本的单元，为了提高信息融合的效果，有必要对作为信息融合系统基础的传感器进行必要的管理。系统在对煤矿生产过程进行监测监控时，也会使用到大量的传感器，这些传感器就像是监测监控系统的“眼睛”和“耳朵”，如何使“眼睛”和“耳朵”看得更清楚、听得更明白，将目标对象分辨得更清晰，就需要对传感器资源进行管理。因此建立一套传感器自动管理系统可大大提高信息融合系统的效能。为了实现传感器管理的目的，传感器管理的首要目标是有效地指导可利用的传感器资源来收集相关信息，以便有效地完成某项任务。

2 传感器管理的功能

多传感器信息融合的基本功能与人类或其他逻辑系统中常见的基本功能类似。不同传感器的信息分别具有不同的特征：实时的或者非实时的，突变的或者缓变的，模糊的或者确定的，它们可能相互支持或互补，也可能互相矛盾或竞争。多传感器信息融合就是充分利用多个传感器资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理调配，把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据各种准则来进行综合，以获得被测对象的一致性全面解释或描述。信息融合的基本目标是通过对多个数据的综合，以获取更确切、更有价值的信息，这是最佳协同作用的结果。对于任何给定的应用，必须定义传感器管理各项准则并加以量化，以便详细说明传感器的最优分配方案。这些准则通常包括一些可量化的参数，如测量范围、分辨率、目标检测概率、状态估计精度、目标更新速率及识别精度等。传感器控制管理依赖于人工输入、信息融合以及外部提示或没有预计到的请求。进行传感器管理或传感器分配的目的，是使上述各项管理内容的目标函数最优。一般来说，一组传感器很难做到监测所有的目标，或达到系统要求的所有性能指标，需要探索使各种相互矛盾的需求之间达到满意的方案。

3 传感器技术在煤矿安全生产过程自动控制系统中的应用

目前的煤矿安全监控系统不能从根本上满足井下特殊作业环境。例如，采掘面的大型机械设备的移动、主要设备的现场检修等临时施工点，不能满足和适应传感器节点的快速布防和对安全监控信息的动态检测与实时传输的要求。目前，大多使用的便携式检测装置(如个人数字助理(PDA))，也只能完成小范围的测量，不能形成大范围的监控和检测信息的实时传输，致使井下临时施工点成为煤矿井下安全隐患主要场所之一。

3.1 多传感器管理

多传感器管理是指对多个传感器进行管理。多个传感器可以是同类传感器，也可以是异类传感器。例如在某煤矿主通风机上分别布置了三个传感器：传感器1为加速度传感器，装在主通风机的轴承座上，经积分后取出振动速度信号；传感器2和传感器3为电流互感器，装在三相交流电机的A相和B相。通过传感器1来测量轴承的振动状态，用传感器2、3来测量电机电流的变化。根据传感器测量到的时域信号及频谱发现，传感器2、3的信号波形比较相似，频谱接近；传感器1与传感器2、3的信号波形及频谱相差较大。根据Matlab编程计算得到传感器两两之间的冗余度，结果如表1所示。表中，R12表示传感器1和传感器2之间的冗余度，R13、R23分别表示传感器1、3和2、3之间的冗余度。

表1 传感器两两之间的冗余度计算值

对三个传感器进行两两比较，如果某两个传感器之间的冗余度较大，则说明这两个传感器信息的关联性大。由表1可以看出，传感器1、2和传感器1、3之间的冗余度较小，而电流传感器2、3之间的冗余度较大，关联性也较大，这也符合实际情况。在实际的故障诊断系统中需要布置多个同类或异类的传感器，则可计算两两传感器之间的冗余度。再给出一个评价冗余度的阈值，便可判断各传感器之间信息的冗余程度。对高度冗余的传感器从数量上进行剔除，对高度互补的传感器信息进行融合，这样可以降低信息融合过程的计算量。这是进行各级信息融合之前的准备工作。

3.2 安全监测系统中传感器管理设计

3.2.1 传感器节点的硬件设计

无线传感器节点的电路结构方框所示。从该电路结构中可以看出，如果打开电池和电源开关，甲烷浓度传感器和温度传感器则分别从井下临时施工点周围环境中采集瓦斯浓度和温度。从这两种传感器输出的数据输入到信号调理电路，信号调理电路进行预处理，预处理后的数据输入给单片机，由单片机对数据作模/数转换、打包等进一步处理后，将数据输入无线通信模块，无线通信模块将数据发送出去，单片机同时由控制的状态指示灯闪烁一次，无数通信模块亦可将从信宿节点接收到的数据输入给单片机。

当打开电源开关后，状态指示灯亮，按信宿节点上的0号按键，从单片机输出一个开始指令进入输入无线通信模块，无线通信模块将该指令发送出去，等待一段时间后，无线通信模块将接收到的由无线传感器节点发送过来的数据输入单片机，这时状态指示灯灭，单片机对数据进行处理后送到显示模块显示，同时送到存储器存储。当有异常情况发生时，单片机控制报警电路报警。当临时施工点作业结束后，将USB接口与计算机相连接，这时存储器将记录的数据输入单片机。单片机将数据经USB接口输入计算机，同时可将计算机中的数据经USB接口输入单片机中。

3.2.2 传感器管理中的多目标排序问题

传感器管理器外部命令，传感器管理器主要由三个子模块组成，即方案生成模块、方案优化模块和任务规划模块。方案生成模块根据预先设置的方案给当前监测空问的某个特定目标指定一些传感器或虚拟传感器对其进行进一步检测，以提供该目标的确定信息；方案优化模块按照任务需求优选上述方案，形成最终配对方案；任务管理模块则负责具体的传感器任务分配。首先要选取4个监测区域作为目标监测区域，对这4个目标进行排序。影响目标威胁程度的主要因素有：目标的类型、最大突出强度、平均突出强度、突出频率、事故应急能力等。以上几个因素对目标威胁程度的影响是不同的，分别求出各因素影响目标威胁程度的权系数：，且

权系数的取值取决于目标威胁程度的轻重。根据相关文献，目标的类型可由信息融合评价后给出，事故应急能力可由专家给出，其他几项因素均和目标密切相关，由记录数据库给出。以上威胁因素只有目标类型和事故应急能力与其他因素不同，目标类型设有较强瓦斯突出矿井、中等瓦斯突出矿井、较弱瓦斯突出矿井三种级别，其威胁程度的权系数分别为：1。事故应急能力设有易处理、一般和较难处理三种情况，其威胁程度的权系数分别为

多传感器管理系统的核心是依据一定的最优准则构造目标函数，确定传感器资源的分配。

4 结论

煤矿井下无线通信实质上是借用巷道的纵向导体作为波导，电波在巷道中传播呈现导波特性。理论研究和实验均表明，利用900MHz-3000MHz这一频段可以实现井下径向无线通信。井下无线传感器网络的物理层设计主要通过理论分析和现场测量的方法，根据井下复杂环境和地质条件对无线传感器网络信号传输的影响，建立井下无线信号传播模型；选择电磁干扰和煤岩壁吸收相对较小的无线频段及信道编码方式；实现低成本、低功耗、多功能集成化的传感器节点设计；满足煤矿井下高温、高湿、高尘、高电磁干扰和爆炸性生产环境的工作要求。

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