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1、10申请公布号43申请公布日21申请号201410724794622申请日20141203E21F17/1820060171申请人中国中煤能源集团有限公司地址100120北京市朝阳区黄寺大街1号申请人北京大学北京龙软科技股份有限公司山西中煤华晋能源有限责任公司72发明人管增伦毛善君李鑫超殷东平孙振明74专利代理机构北京万象新悦知识产权代理事务所普通合伙11360代理人王岩54发明名称一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统及其预测预警方法57摘要本发明公开了一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统及其预测预警方法。本发明的瓦斯预测预警系统包括传感网络和控制中心；其中，传感网络包括多个传感网络节点，每个传感。
2、网络节点通过互联网与控制中心进行通讯。本发明基于互联网建立瓦斯传感器的传感网络，打破传感器地域限制；实时远程获取瓦斯数据，对数据进行挖掘和预测预警，并实时发布预测预警信息；系统在瓦斯尚未达到报警值之前预测瓦斯的变化趋势，根据预测结果给出相应级别的预警信息，及早发现危险隐患，提高了煤矿生产安全性；系统不用对现有的瓦斯传感器进行改变，不增加设备成本；通过传感网络发布数据，获取第一手数据，并及时、远程监控矿井安全状态，从而辅助煤矿安全生产决策。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图3页10申请公布号CN104454009A43申请公布日201503。
3、25CN104454009A1/2页21一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统，其特征在于，所述瓦斯预测预警系统包括传感网络和控制中心；其中，所述传感网络包括多个传感网络节点，每个传感网络节点通过互联网与控制中心进行通讯；每个传感网络节点包括监测服务器和多个瓦斯传感器，多个瓦斯传感器布置在煤矿井下，实时采集瓦斯数据，并分别通过安全专用网络传输至监测服务器；所述控制中心包括数据采集系统、数据中心、数据预处理及管理系统和预警分析发布系统；数据采集系统采集传感网络的监测服务器通过互联网发布的数据，并将数据存储在数据中心；数据预处理及管理系统对数据进行预处理，并将预处理后的数据传输至预警分析发布系统；预警。
4、分析发布系统通过梯度分析和趋势分析，并与存储在数据中心的指标体系库中的预警级别进行比对，发出相应级别的瓦斯的预测预警。2如权利要求1所述的瓦斯预测预警系统，其特征在于，所述预警分析发布系统中设置有短信报警设备，自动通过短信的形式将预警结果发送至相关的负责人。3如权利要求1所述的瓦斯预测预警系统，其特征在于，所述预警分析发布系统中设置有在线一键通话设备，位于控制中心的监控人员，只需要按下相应的按键，就可以直接接通相关负责人员的电话，或者手动拨打电话，进行电话报警，并根据相关负责人员的职务或级别不同，发布相应等级的预警信息。4一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统的预测预警方法，其特征在于，所述预测预。
5、警方法包括以下步骤1布置在煤矿内的多个瓦斯传感器采集瓦斯数据，并分别通过安全专用网络传输至监测服务器；2传感网络节点获取监测服务器的数据，并基于传感器观测服务SOS协议发布至互联网，数据采集系统通过互联网采集传感网络节点的数据，并将数据存储到数据中心；3数据预处理及管理系统对数据进行预处理，并将处理后的数据传输至预警分析发布系统；4预警分析发布系统对数据进行过滤和压缩，通过梯度分析和趋势分析，并与存储在数据中心的指标体系库中的预警级别进行比对，发出相应级别的瓦斯的预测预警，同时，根据负责人职务级别不同，发布不同级别的预警信息。5如权利要求4所述的预测预警方法，其特征在于，在步骤1中，每个瓦斯传。
6、感器的参数包括地理位置、报警值、数据单位和数据类型，瓦斯传感器的参数通过安全专用网络传输至监测服务器。6如权利要求4所述的预测预警方法，其特征在于，在步骤3中，数据预处理包括对瓦斯传感器统一编码；根据实际需求，对瓦斯传感器的地理位置进行坐标转换，转换成相应的坐标。7如权利要求4所述的预测预警方法，其特征在于，在步骤4中，梯度分析是指，根据最近一段时间内的历史数据进行取样，由下式求得实时的梯度值，权利要求书CN104454009A2/2页3其中，DI为最近一段时间内样本的历史数据，T为最近一段时间内的取样个数，A为取样的均值，DN为当前的数据，根据取样的均值和当前的数据求得实时的梯度值，然后将梯。
7、度值与存储在数据中心的梯度指标体系库进行比对，如果梯度值满足梯度指标体系库中相应的预警级别，则按照相应的级别发出预警。8如权利要求4所述的预测预警方法，其特征在于，在步骤4中，趋势分析是指利用一元回归分析算法，根据最近一段时间内的历史数据，求得瓦斯数据与时间的一元线性回归方程，结合传感器报警值，从而预测到传感器达到传感器报警值所需要的提前预警时间，然后与存储在数据中心的趋势指标体系库进行比对，如果提前预警满足趋势指标体系库中相应的预警级别，则按照相应的级别发出预警。权利要求书CN104454009A1/5页4一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统及其预测预警方法技术领域0001本发明涉及瓦斯预警技。
8、术，具体涉及一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统及其预测预警方法。背景技术0002煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物，主要由植物遗体经生物化学作用，埋藏后再经地质作用转变而成，它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一。在高温、高压的环境中，在形成煤炭的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。瓦斯是无色、无味的气体，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。0003煤炭是我国的基础能源，我国在作为产煤大国的同时，也是煤矿安全形势极为严峻的国家。建国以来发生一次死亡百人以上的特别重大事故23起，其中21起属于瓦斯事。
9、故，煤矿安全生产形势严峻。0004为避免由瓦斯引起的爆炸事故发生，现有的矿山都安装了瓦斯传感器，用以监测瓦斯浓度的变化。这种基于局域网的预警系统，上级部门只能通过下属矿井定期汇报的方式获取最新数据，数据实时性不强，而且还会出现数据不准确等问题，不利于主管部门准确、及时获取第一手数据。再者，现有的瓦斯预警系统都是采用局域网进行数据采集及报警，只简单反映瓦斯传感器所在位置的瓦斯浓度情况，缺乏综合分析、实时趋势判断等功能系统，不能基于实时瓦斯监测数据提供预测预警功能。发明内容0005为了有效防止瓦斯事故发生，本发明提出一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统，本系统充分利用现有安全监控系统设备，主动地捕捉。
10、瓦斯变化信息，实时监测预警，并及时通知相关人员进行应急处理。0006本发明的目的在于提供一种基于传感网络的瓦斯预测预警系统。0007本发明的基于传感网络的瓦斯预测预警系统包括传感网络和控制中心；其中，传感网络包括多个传感网络节点，每个传感网络节点通过互联网与控制中心进行通讯；每个传感网络节点包括监测服务器和多个瓦斯传感器，多个瓦斯传感器布置在煤矿井下，实时采集瓦斯数据，并分别通过安全专用网络传输至监测服务器；控制中心包括数据采集系统、数据中心、数据预处理及管理系统和预警分析发布系统；数据采集系统采集传感网络的监测服务器通过互联网发布的数据，并将数据存储在数据中心；数据预处理及管理系统对数据进行。
11、预处理，并将预处理后的数据传输至预警分析发布系统；预警分析发布系统通过梯度分析和趋势分析，并与存储在数据中心的指标体系库中的预警级别进行比对，发出相应级别的瓦斯的预测预警。0008传感网络节点建立在各个煤矿上，瓦斯传感器分别布置在煤矿开采工作面上隅角、工作面皮带运输巷、工作面回风巷和主副井中。每个瓦斯传感器的参数包括地理位置、说明书CN104454009A2/5页5报警值、数据单位和数据类型，瓦斯传感器的参数通过安全专用网络传输至监测服务器。瓦斯传感器采集的瓦斯数据指甲烷CH4的浓度值。0009监测服务器将瓦斯传感器采集的数据，基于传感器观测服务SOS协议，通过互联网发布给数据采集系统，实现数。
12、据的实时发布。0010数据采集系统采集数据后，将数据存储至数据中心，以便历史数据存放、查询以及数据挖掘。0011数据预处理及管理系统对数据中心的数据预处理和统一管理，提供常用的数据浏览、统计查询等功能。数据预处理包括对瓦斯传感器统一编码；根据实际需求，对瓦斯传感器的地理位置进行坐标转换，转换成相应的坐标。0012数据预处理及管理系统将处理后的数据传输至预警分析发布系统。预警分析发布系统获取处理后的数据，对其进行数据挖掘产生预警信息，并及时发布预警信息。预警分析发布系统将数据进行过滤、压缩和分析预警；过滤是指将无效值清除，压缩是指对数据进行有选择的取样。预警分析发布系统主要基于存储在数据中心的历。
13、史数据和实时监测数据，通过梯度分析和趋势分析，并与存储在数据中心的指标体系库中的预警级别进行比对，发出相应级别的预测预警。预警分析发布系统中储存瓦斯传感器所在矿井负责人的相关信息，包括所在单位、职务信息和联系方式。预警分析发布系统中设置有短信报警设备，自动通过短信的形式将预警结果发送至相关的负责人。并且，预警分析发布系统中设置有在线一键通话设备，位于控制中心的监控人员，只需要按下相应的按键，就可以直接接通相关负责人员的电话，或者手动拨打电话，进行电话报警，并根据相关负责人员的职务或级别不同，发布相应等级的预警信息。0013根据瓦斯的预警级别不同，将预警级别由低至高依次分为蓝色预警、黄色预警、橙。
14、色预警和红色预警。预警分析发布系统中设置有灯光报警设备，根据预警级别的程度由低至高，分别自动显示不同颜色的灯光，分别为蓝色、黄色、橙色和红色。灯光报警系统根据预警级别的不同，发出不同颜色的灯光提醒控制中心的监控人员，使得提醒效果更加突出，信息更加直观。0014本发明的预警分析发布系统进一步包括声音报警设备，声音报警设备根据预警级别，发出相应的声音，实现对控制中心的监控人员进行提醒的功能。0015本发明的基于传感网络的瓦斯预测预警系统的预测预警方法，包括以下步骤00161布置在煤矿内的多个瓦斯传感器采集瓦斯数据，并分别通过安全专用网络传输至监测服务器；00172传感网络节点获取监测服务器的数据，。
15、并基于传感器观测服务SOS协议发布至互联网，数据采集系统通过互联网采集传感网络节点的数据，并将数据存储到数据中心；00183数据预处理及管理系统对数据进行预处理，并将处理后的数据传输至预警分析发布系统；00194预警分析发布系统对数据进行过滤和压缩，通过梯度分析和趋势分析，并与存储在数据中心的指标体系库中的预警级别进行比对，发出相应级别的瓦斯的预测预警，同时，根据负责人职务级别不同，发布不同级别的预警信息。0020其中，在步骤1中，每个瓦斯传感器的参数包括地理位置、报警值、数据单位和数据类型，瓦斯传感器的参数通过安全专用网络传输至监测服务器。说明书CN104454009A3/5页60021在步。
16、骤2中，监测服务器将瓦斯传感器采集的数据，基于传感器观测服务SOS协议，通过互联网发布给数据采集系统，实现数据的实时发布。0022在步骤3中，数据预处理包括对瓦斯传感器统一编码；根据实际需求，对瓦斯传感器的地理位置进行坐标转换，转换成相应的坐标。0023在步骤4中，梯度分析是指，根据最近一段时间内的历史数据进行取样，由下式求得实时的梯度值，002400250026其中，DI为最近一段时间内样本的历史数据，T为最近一段时间内的取样个数，A为取样的均值，DN为当前的数据，根据取样的均值和当前的数据求得实时的梯度值，然后将梯度值与存储在数据中心的梯度指标体系库进行比对，如果梯度值满足梯度指标体系库中。
17、相应的预警级别，则按照相应的级别发出预警。梯度值越高，梯度指标体系库中的预警级别越高。0027趋势分析是指利用一元回归分析算法，根据最近一段时间内的历史数据，求得瓦斯数据与时间的一元线性回归方程，结合传感器报警值，从而预测到传感器达到传感器报警值所需要的提前预警时间，然后与存储在数据中心的趋势指标体系库进行比对，如果提前预警时间满足趋势指标体系库中相应的预警级别，则按照相应的级别发出预警。达到传感器报警值所需要的提前预警时间时间越短，趋势指标体系库中的预警级别越高。0028本发明的优点0029本发明基于互联网建立瓦斯传感器的传感网络，打破传感器地域限制。瓦斯预测预警系统通过传感网络服务，实时远。
18、程获取瓦斯数据，对数据进行挖掘和预测预警，并实时发布预测预警信息；系统在瓦斯尚未达到报警值之前预测瓦斯的变化趋势，根据预测结果给出相应级别的预警信息，及早发现危险隐患，相比常规预警增加了处理危险隐患的时间，提高了煤矿生产安全性；系统不用对现有的瓦斯传感器进行改变，充分利用已有资源，不增加设备成本；通过传感网络发布数据，实现实时监测，获取第一手数据，并及时、远程监控矿井安全状态，从而辅助煤矿安全生产决策。附图说明0030图1为本发明的基于传感网络的瓦斯预测预警系统的结构框图；0031图2为本发明的基于传感网络的瓦斯预测预警系统的传感网络节点的结构框图；0032图3为本发明的基于传感网络的瓦斯预测。
19、预警系统的控制中心的结构框图；0033图4为本发明的基于传感网络的瓦斯预测预警系统的预测预警方法的流程图；0034图5为本发明的基于传感网络的瓦斯预测预警系统的预测预警方法的趋势分析得到的一元线性回归方程的曲线图。具体实施方式0035下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。说明书CN104454009A4/5页70036如图1所示，本实施例的基于传感网络的瓦斯预测预警系统包括控制中心和多个传感网络节点组成的传感网络，每个传感网络节点与控制中心通过互联网进行通讯。0037如图2所示，传感网络节点包括监测服务器和多个瓦斯传感器，多个瓦斯传感器布置在煤矿内，进行实时采集数据，并通过安全专用网络。
20、传输至监测服务器。0038如图3所示，控制中心包括数据采集系统、数据中心、数据预处理及管理系统和预警分析发布系统；每一个传感网络节点的监测服务器通过互联网与控制中心进行通讯，发布数据，数据采集系统采集传感网络的数据，并存储在数据中心；数据中心连接至数据预处理及管理系统，数据预处理及管理系统对数据预处理和统一管理，提供常用的数据浏览、统计查询等功能；数据预处理及管理系统连接至预警分析发布系统，预警分析发布系统获取处理后的数据，对其进行数据挖掘产生预警信息，并及时发布预警信息。0039如图4所示，本实施例的基于传感网络的瓦斯预测预警系统的预测预警方法，包括以下步骤00401布置在煤矿内瓦斯传感器监。
21、测甲烷CH4的浓度值，并通过安全专用网络传输至监测服务器；00412传感网络节点获取监测服务器数据并基于SOS协议发布至互联网，数据采集系统通过互联网采集传感网络的数据，并将数据存储到数据中心；00423数据预处理及管理系统对数据进行数据预处理，并将处理后的数据传输至预警分析发布系统；00434预警分析发布将监测到的数据进行过滤、压缩和分析预警，基于存储在数据中心的历史数据和实时监测数据，通过梯度分析和趋势分析进行瓦斯的预测预警，并根据负责人职务级别不同，发布不同等级的预警信息。0044梯度分析根据510分钟内的历史数据进行取样，每分钟取样两次，由下式求得实时的梯度值，004500460047。
22、其中，DI为最近一段时间内样本的历史数据，T为最近一段时间内的取样个数，A为取样的均值，DN为当前的数据，根据取样的均值和当前的数据求得实时的梯度值，然后将梯度值与存储在数据中心的梯度指标体系库进行比对，如果满足梯度指标体系库，则按照相应的级别发出预警。梯度指标体系库中的预警级别分为四个等级，级别由低到高依次为蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警，梯度值AIN在020之间，不需要发出预警；AIN在2040之间，发出蓝色预警；AIN在4060之间，发出黄色预警；AIN在6080之间，发出橙色预警；AIN在80以上，发出红色预警，提醒相关的负责人根据不同的预警级别，采取相应的应对措施。0048趋。
23、势分析是指利用一元回归分析算法，式中是因变量Y的估计值，也称理论值。X是自变量，代表瓦斯数据，也就是甲烷的浓度值,Y为提前预警时间。根据最近一段时间510分钟内的历史数据，求得A和B的值，得到数据与时间的一元线性说明书CN104454009A5/5页8回归方程，如图5所示，结合瓦斯传感器报警值如15，从而预测到瓦斯传感器达到传感器报警值所需要的提前预警时间，然后与存储在数据中心的趋势指标体系库进行比对，如果满足趋势指标体系库，则按照相应的预警级别发出预警。趋势指标体系库中的预警级别分为四个等级，级别由低到高依次为蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警。达到传感器报警值所需要的提前预警时间在03。
24、0分钟内，发出红色预警；达到传感器报警值所需要的提前预警时间在3090分钟内，发出橙色预警；达到传感器报警值所需要的提前预警时间在90150分钟内，发出黄色预警；达到传感器报警值所需要的提前预警时间在150240分钟内，发出蓝色预警；达到传感器报警值所需要的提前预警时间超过240分钟，不发出预警。0049最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。说明书CN104454009A1/3页9图1图2图3说明书附图CN104454009A2/3页10图4说明书附图CN104454009A103/3页11图5说明书附图CN104454009A11。