Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ШАХТНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ.. 12
1.1. Понятие ШИУС 12
Функции ШИУС и особенности их реализации 12
Особенности построения ШИУС 14
Классификация ШИУС 15
Тенденции развития ШИУС 19
1.2. Объекты контроля и управления ШИУС 20
Техническое состояние элементов ШИУС 21
Технологическое состояние ГТО 22
Техническое состояние ГТО 23
1.3. Программно-технические средства построения ШИУС 24
Обзор отечественных и зарубежных ШИУС 24
Первичные преобразователи ШИУС 34
Контроллеры 34
Протоколы передачи данных 37
Программно-алгоритмическое обеспечение ШИУС 38
Особенности сигналов ШИУС и задачи их обработки 42
Выводы 47
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ АНАЛИЗА СИГНАЛОВ ШИУС 51
Вводные замечания 51
Методы анализа сигналов 52
Анализ сигналов рядом Тейлора 52
Анализ сигналов методом полиномиальной аппроксимации 53
Анализ сигналов сплайнами 56
2.3. Преобразование Фурье как метод анализа сигналов 58
Непрерывное преобразования Фурье 58
Оконное преобразование Фурье 60
2.4. Вейвлет-преобразование, как метод приближения сигналов 64
Аналогия с рядами Фурье 64
Представление в ряды вейвлет-преобразованием 66
Интегральное вейвлет преобразование 68
Частотно-временная локализация 69
Частотно-временное окно 70
Признаки вейвлета и свойства вейвлет-преобразования 72
2.5. Выводы 78
ГЛАВА 3. ВЕЙВЛЕТ-МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ШИУС 80
3.1. Фильтрация и очистка сигналов от шума 80
Методы сглаживания во временной области 81
Практические результаты применения методов сглаживания во временной области 85
Сглаживание в частотной области 87
Практические результаты применения методов сглаживания в частотной области 87
Фильтрация и сглаживание на основе вейвлет-преобразования 88
Практические результаты фильтрации и сглаживания вейвлет-методом 92
3.2. Сжатие сигналов методами вейвлет-преобразования 96
3.2.1. Механизм вейвлет-сжатия типового сигнала ШИУС 98
Частотно-временная локализация - основа анализа сигналов 103
Выводы ПО
ГЛАВА4. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ШИУС.112
Принципы построения структуры 112
Структура системы 113
Блок идентификации технического состояния ШИУС 115
Блок идентификации технологического состояния ШИУС 119
Блок идентификации и прогнозирования технического состояния ГТО.... 121
Блок сжатия информации 123
4.3. Выводы 126
4
ГЛАВА 5. МЕТОДЫ ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ И РЕАЛИЗОВАННЫЕ
КАНАЛЫ И ПРОТОКОЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ШИУС 128
Задачи фильтрации сигналов в подземных вычислительных устройствах. 128
Методы фильтрации сигналов в подземных вычислительных устройствах 130
Метод фильтрации по условию постоянной абсолютной погрешности 131
Метод фильтрации по условию относительной погрешности 132
Метод фильтрации по условию изменяемой абсолютной погрешности.... 133
5.3. Исследование методов фильтрации сигналов в подземных
вычислительных устройствах 135
Критерии сравнения эффективности методов фильтрации 136
Сравнение эффективности методов фильтрации 137
Исследование влияния параметров методов фильтрации с изменяемым значением абсолютной погрешности на качество фильтрации 143
Передача, обработка и хранение информации в ШИУС «Микон IP» 145
Подземный уровень передачи и обработки информации 146
Наземный уровень передачи, обработки и хранения информации 148
Используемые каналы и протоколы передачи данных 150
5.6. Выводы 152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 155
Введение к работе
Актуальность работы. Угольные шахты в России всегда имели большое значение, так как добываемый в них каменный уголь являлся и является как источником энергии, так и химическим сырьем. Однако добыча угля сопряжена с разного рода проблемами, самыми тяжелыми из которых являются взрывы и пожары на угольных шахтах. Поэтому вопросам безопасного ведения горных работ на всех этапах развития угольной промышленности оказывалось повышенное внимание.
В основных направлениях реструктуризации угольной промышленности России от 21.08.98 отмечается, что одной из основных задач является: «Модернизация и обновление оборудования для измерения содержания газа и пыли, борьба с пожарами и пылью, систем оперативной связи». При этом, большое внимание должно быть уделено выполнению научно-исследовательских и информационно-аналитических работ по повышению безопасности ведения горных работ.
Руководители отрасли, владельцы угольных компаний большое внимание уделяют вопросам безопасности на действующих угольных предприятиях, выделяя серьезные финансовые средства на модернизацию действующих систем аэрогазового контроля и защиты. Основные направления такой модернизации связаны с широким применением вычислительной техники и новых методов обработки информации на основе последних достижений науки и техники.
Важной задачей для угольных предприятий является дальнейшее повышение объемов добычи угля. Основным способом решения этой задачи является использование высокопроизводительного основного и вспомогательного технологического оборудования, в частности, проходческих и добычных комплексов. Интенсификация горных работ предъявляет новые же-
сткие требования к системам контроля и управления, что связано с увеличением темпов ведения горных работ, увеличением единичной мощности и сложности используемого оборудования. В связи с этим все большее распространение на угольных шахтах получают информационные, информационно-измерительные и информационно-диагностические системы угольных шахт, работа которых невозможна без средств анализа технических и технологических состояний горно-технологического объекта.
В связи с появлением и широким внедрением на шахтах России компьютеризированных шахтных информационно-управляющих систем (ШИУС) возникли новые актуальные задачи, которые требуют своего научного осмысления и технической реализации. В первую очередь это связано с возможностью накапливания больших массивов данных о состоянии шахтной атмосферы и технологических процессах ведения горных работ, что влечет за собой появление задач передачи, обработки и хранения этих данных на различных уровнях и с различными целями.
Внедрение ШИУС в России началось в 90-х годах прошлого века. Главной задачей, которая при этом решалась, было повышение безопасности ведения горных работ, которое достигалось комплексом средств.
Можно отметить единичные случаи внедрения зарубежных ШИУС, однако массовыми такие внедрения не стали по причине дороговизны оборудования, внедрения и его дальнейшей эксплуатации. В 90-х же годах появляются отечественные серийные ШИУС («Микон IP» и «АКМР-М»), основными преимуществами которых было использование отечественных технических средств, что значительно удешевляло их внедрение и последующую эксплуатацию. Так за период с 1999 года по 2006 год более чем на 40 шахтах России получила свое распространение многофункциональная информационно-управляющая система «Микон IP», в разработке технических и программных средств которой принимал участие и автор настоящей диссертации.
ШИУС позволяют вести эффективное наблюдение опасных явлений, решая при этом не только задачи повышения безопасности, но и вопросы увеличения экономического эффекта от их внедрения. Отсутствие эффективной системы контроля является одной из причин аварий на шахтах, в результате чего объемы добычи угля могут резко сократиться.
Учитывая вышесказанное, все актуальнее становится задача повышения эффективности шахтных информационно-управляющих систем, включающая в себя задачи контроля газового состояния шахтной атмосферы современными методами и техническими средствами, а также исследования и разработки методов и алгоритмов обработки информации. Важно своевременно использовать информацию о состоянии горнотехнического объекта для дальнейшего анализа данных, полученных ШИУС.
Выполненный в работе анализ показал, что на сегодняшний день существуют качественные системы сбора необходимых данных, и актуальным становится момент повышения эффективности шахтных информационно-управляющих систем за счет разработки новых методов и алгоритмов обработки данных.
Целью диссертации является разработка на основе технологии вейв-лет-преобразований моделей и алгоритмов комплексной, многоуровневой эффективной обработки информации в шахтных информационно-управляющих системах, позволяющих осуществлять управление процессами безопасного ведения горных работ.
Для достижения цели исследования решались три основные задачи:
Разработка структуры системы, которая обеспечивает комплексную, многоуровневую эффективную обработку и хранение информации.
Разработка метода качественной фильтрации сигналов в подземных вычислительных устройствах и решение задач фильтрации и сжатия сигналов на наземном вычислительном комплексе шахтной информационно-управляющей системы.
3. Исследование частотно-временного вейвлет-преобразования применительно к данным, получаемым и накапливаемым шахтными информационно-управляющими системами.
Объектом исследования являются системы обработки информации в ШИУС, обеспечивающие передачу, обработку и хранение данных, характеризующих техническое и технологическое состояние горнотехнологического объекта.
Идея работы заключается в использовании вейвлет-преобразования для повышения эффективности шахтных информационно-управляющих систем за счет комплексной обработки информации на разных уровнях ШИУС.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
Проведен анализ методов и моделей передачи, обработки и хранения информации в ШИУС на основе опыта их эксплуатации на шахтах Кузнецкого и Челябинского угольных бассейнов. На примере обработки реальных сигналов ШИУС исследованы возможности, характеристики и особенности систем сбора, передачи, обработки и хранения информации в действующих и перспективных ШИУС.
Разработана структура многоуровневой системы комплексной обработки информации в ШИУС, состоящая из последовательных блоков идентификации технического состояния элементов ШИУС, технологического и технического состояния горнотехнологического объекта (ГТО), обработки архивной информации, осуществляющих предварительную обработку данных, сжатие архивируемых данных, разномасштабный анализ. В разработанной структуре системы предусмотрена возможность разномасштабного прогноза изменения контролируемых параметров шахтной атмосферы.
Проведен сравнительный анализ методов обработки данных, собираемых и накапливаемых ШИУС, и обоснована целесообразность применения методов вейвлет-преобразования как основы комплексной обработки
сигналов в ШИУС. Показана целесообразность использования методов вейв-лет-преобразования для решения задач фильтрации, хранения и анализа данных.
Разработаны модели комплексной обработки архивируемой информации, основанные на использовании методов фильтрации, сжатия и архивирования данных.
Разработан метод фильтрации информации, получаемой подземным вычислительным устройством ШИУС от датчиков аэрогазового контроля, и передаваемой на наземный вычислительный комплекс.
Методы исследований используют статистический и частотный анализ данных, многомасштабное исследование сигналов, имитационное моделирование, методы теории цифровой обработки сигналов и теории автоматического управления.
Научные положения диссертации и их новизна.
1. Разработанный метод первоначальной обработки данных, исполь
зующий вейвлет-преобразование, позволяет после обработки сохранить в
сигналах имеющиеся важные локальные особенности, в отличие от традици
онных методов статистического и частотного анализа.
Найденные минимизирующие оценки вейвлет-сжатия долговременно хранимой информации шахтной информационно-управляющей системы, позволяют уменьшить объем базы данных и ускорить доступ к ней локальных и удаленных пользователей.
Разработанный метод на основе разномасштабного вейвлет-анализа, позволяет выявлять мгновенные значения, средне- и долгосрочные тенденции изменения параметров шахтной атмосферы и их связь с данными о работе основного и вспомогательного технологического оборудования.
Разработанный алгоритм фильтрации сигналов на основе метода динамического изменения абсолютной погрешности передачи данных в подземных вычислительных устройствах позволяет минимизировать количество
данных, передаваемых по низкоскоростным шахтным линиям связи на наземный вычислительный комплекс.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов
подтверждаются сходимостью в пределах 90% аналитических и экспериментальных имитационных моделей, построенных на данных, полученных шахтными информационно-управляющими системами на различных схемах горных работ на реальных горно-технологических объектах, принадлежащих различным угольным бассейнам.
Научная и практическая значимость работы.
Разработана структура многоуровневой системы обработки информации, собираемой, передаваемой и хранимой в шахтных информационно-управляющих системах, которая отличается от существующих наличием нескольких иерархических уровней обработки с постепенным повышением сложности решаемых при этом задач.
Создано алгоритмическое и программное обеспечение на основе разработанных методов и моделей передачи, обработки и хранения сигналов, собираемых и накапливаемых в шахтных информационно-управляющих системах.
Разработанные методы, алгоритмические и программные средства внедрены в структуру шахтной информационно-управляющей системы «Ми-кон IP» нового поколения, предназначенной для эффективного управления процессами безопасного ведения горных работ.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы используются при реализации новых программно-технических решений шахтной информационно-управляющей системы «Микон IP», серийно выпускаемой ООО «Информационные горные технологии (ИНГОРТЕХ)», г. Екатеринбург.
Апробация работы. По материалам диссертации были сделаны доклады на 19-м Всемирном горном конгрессе ICAMC-2003 (Дели, Индия, 1-5
ноября, 2003 г.), на Международной научно-технической конференции «Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья» (УГГГА, Екатеринбург, 18-21 июня 2003 г.), на Молодежной научно-практической конференции в рамках Уральской горно-промышленной декады (УГГГА, Екатеринбург, 14 апреля 2003 г.)
