Повышение эффективности шахтных информационно-управляющих систем на основе вейвлет-методов обработки данных

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 жесткие 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 1Р» 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 1Р», 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:

1. Разработка структуры системы, которая обеспечивает комплексную, многоуровневую эффективную обработку и хранение информации.

2. 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Разработаны модели комплексной обработки архивируемой информации, основанные на использовании методов фильтрации, сжатия и архивирования данных.

5. 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, использующий вейвлет-преобразование, позволяет после обработки сохранить в сигналах имеющиеся важные локальные особенности, в отличие от традиционных методов статистического и частотного анализа.

2. 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.

3. Разработанный метод на основе разномасштабного вейвлет-анализа, позволяет выявлять мгновенные значения, среднеи долгосрочные тенденции изменения параметров шахтной атмосферы и их связь с данными о работе основного и вспомогательного технологического оборудования.

4. 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.

1. 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.

2. Создано алгоритмическое и программное обеспечение на основе разработанных методов и моделей передачи, обработки и хранения сигналов, собираемых и накапливаемых в шахтных информационно-управляющих системах.

3. Разработанные методы, алгоритмические и программные средства внедрены в структуру шахтной информационно-управляющей системы «Микон 1Р» 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 1Р», 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.).

5.6. Выводы.

Исследование возможностей методов обработки данных в подземных вычислительных устройствах существующих ШИУС позволяет сделать следующие выводы:

1. Подземные вычислительные устройства, применяемые в настоящее время в ШИУС на шахтах России, не позволяют проводить сложную обработку данных, получаемых от датчиков аэрогазовой обстановки. Применяемые методы обработки данных в ПВУ ограничены усреднением, а фильтрация — прореживанием данных. При этом фильтрация представлена в основном двумя методами: «передача по условию относительной погрешности» и «передача по условию абсолютной постоянной погрешности».

2. При фильтрации сигналов по методу «передача по условию относительной погрешности» обработанный сигнал позволяет с высокой точностью восстанавливать исходный (коэффициент корреляции гух = 0,97−0,99), однако, при этом коэффициент эффективности фильтрации не превышает кух= 1,01, что делает использование этого метода неэффективным с точки зрения уменьшения количества передаваемых данных.

3. При фильтрации сигналов по методу «передача по условию абсолютной постоянной погрешности», уже при минимальном значении погрешности, равном 1%, значения коэффициента эффективности фильтрации варьируются от ^=4,43−4,61 для быстроменяющихся, до кух = 33,92 для мед-ленноменяющихся сигналов. При этом коэффициент корреляции обработанного и исходного сигналов равен гух = 0,81−0,98. При увеличении абсолютной погрешности передачи данных до 2% коэффициент эффективности фильтрации увеличивается от куХ= 11,53−13,28 для быстроменяющихся, до кух = 94,59 для медленноменяющихся сигналов. Однако при этом коэффициент корреляции обработанного и исходного сигналов значительно уменьшается (/>,= 0,60−0,93).

4. Проведенные исследования показали, что фильтрация сигналов по предлагаемому в работе методу «с изменяемой абсолютной погрешностью», позволяет, с одной стороны, достичь значительного уменьшения количества передаваемых данных (куХ в диапазоне от 14,26 до 20,95), а, с другой стороны, сохранить при этом достаточно высокую степень соответствия исходного и переданного сигналов (коэффициент корреляции гух= 0,93−0,96). Кроме того, проведенные исследования влияния параметров метода на качественные и количественные показатели фильтрации позволяют говорить о возможности его адаптации к передаче различных сигналов датчиков ШИУС.

5. Проведенные исследования позволяют утверждать, что наиболее эффективным методом для фильтрации данных на ПВУ из уже применяемых на практике является «передача по условию постоянной абсолютной погрешности» при значении Д= 1% от полной шкалы изменения параметра. При возможности модификации программного обеспечения подземных контроллеров, а также при разработке новых устройств целесообразно применение предложенного в работе метода «передача по условию изменяемой абсолютной погрешности».

6. Полученные в работе результаты используются для повышения эффективности шахтной информационно-управляющий системы «Микон 1Р», технические и программные средства которой используются в работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Происходящая в последние годы на угольных шахтах интенсификация горных работ обусловливает появление новых, более высоких требований к системам контроля и управления, обеспечивающим безопасное ведение горных работ и эффективное управление технологическим процессом добычи угля. В связи с этим все большее распространение на угольных шахтах России получают компьютеризированные шахтные информационно-управляющие системы, контролирующие технические и технологические параметры состояния горно-технологического объекта. Опыт эксплуатации таких систем привел к возникновению новых актуальных задач, которые требуют своего научного осмысления и технической реализации. В первую очередь это связано с повышением эффективности шахтных информационно-управляющих систем через решение задач передачи, обработки и хранения накапливаемых массивов данных о состоянии шахтной атмосферы и технологических процессах ведения горных работ, техническом состоянии горного оборудования, задач прогноза опасного состояния шахтной атмосферы и ГТО.

Решению некоторых возникающих при этом проблем посвящена настоящая работа. Результаты проведенных в работе исследований можно обобщить следующим образом.

1. Проведенный анализ применения на шахтах России современных информационно-управляющих систем показал, что постановка задач управления процессами безопасного ведения горных работ, которые они призваны решать, обусловлена не только спецификой объектов контроля и управления, но и особенностями функционирования самой шахтной информационно-управляющей системы. Качество получаемых, передаваемых и обрабатывавмых в них сигналов в полной мере определяет качество и эффективность управления горно-технологическими объектами.

2. Показано, что анализ накапливаемых данных может выявить целый ряд косвенных параметров, характеризующих как состояние горнотехнологического объекта, так и работу самой шахтной информационно-управляющей системы. Показано, что такой анализ осложняется наличием специфических особенностей у сигналов, поступающих от измерительных преобразователей шахтной информационно-управляющей системы, что требует использования особых методов обработки.

3. Показано, что обработка сигналов шахтной информационно-управляющей системы на основе метода вейвлет-преобразования по сравнению с классическими методами, применяемыми в «чистом виде», является предпочтительной, так как позволяет полностью учесть все особенности обработки сигналов, такие, как разрывы в показаниях, резкие всплески значений и т. п.

4. Установлено, что использование методов обработки сигналов на основе вейвлет-преобразования на стадии предварительной обработки данных позволяет проводить эффективную очистку сигналов от шума.

5. Установлено, что вейвлет-сжатие сигналов шахтной информационно-управляющей системы обеспечивает достижение компрессии на 44−99%, что позволяет оптимизировать процессы хранения информации в ШИУС. Получены зависимости качества компрессии от типа применяемого вейвлета и вида сжимаемого сигнала.

6. Показано, что метод масштабно-временного вейвлет-преобразования применительно к обработке сигналов шахтной информационно-управляющей системы может служить основой системы обработки данных, характеризующих процесс ведения горных работ. При этом обеспечивается решение задач текущего контроля параметров объекта и анализа долгосрочных тенденций их изменения. Установлено, что предлагаемый метод применим ко всем типам сигналов шахтной информационно-управляющей системы.

7. Предложен и исследован метод фильтрации сигналов в подземных вычислительных устройствах шахтной информационно-управляющей системы по алгоритму «с динамически изменяемой во времени погрешностью». Показана эффективность применения предлагаемого метода фильтрации в сравнении с методами, применяемыми в настоящее время на шахтах России в подземных вычислительных устройствах шахтных информационно-управляющих систем. Впервые предложена методика выбора параметров метода фильтрации с динамически изменяемой во времени абсолютной погрешностью, инициирующей процесс передачи данных.

8. На основании опыта внедрения и эксплуатации шахтных информационно-управляющих систем, а также функций, возлагаемых на них, предложена структура системы обработки информации, обеспечивающая комплексное решение задач передачи, обработки и хранения информации шахтной информационно-управляющей системы, достаточная по своим характеристикам для контроля и управления процессами ведения подземных горных работ.

9. Предложенные в работе алгоритмы обработки данных приняты для реализации новых версий «Системы газоаналитической шахтной многофункциональной «Микон 1Р», внедряемой научно-производственным предприятием ООО «Информационные горные технологии» при непосредственном участии автора.