煤矿工作面支架压力数据分段拟合方法及装置

摘要

目前已有的煤矿支架压力监测系统是直接传输监测分站采集到的数据。然而，在超长工作面应用时，由于总线查询周期的限制，往往每次传输数据量大，或采样间隔时间长。难以满足既要监测到支架压力中的突发奇异信号，又能尽量降低系统传输数据量的要求。本发明的基本思想是按系统一个查询周期进行数据分段，在这个分段内如果数据量小于拟合系数量，则直接传输数据，若数据量大于拟合系数量，则进行数据的多项式拟合，获取拟合系数，只传输拟合系数。这样大大减少了要传输的数据量，又不丢失重要的数据信息，还固定了每个查询周期的数据传输量，方便数据传输管理。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿工作面支架压力监测和数据传输技术领域，具体是一种煤矿工作面支架压力数据分段拟合方法及装置。

背景技术

目前煤矿工作面支架压力监测系统一般是由工业总线进行传输，系统由一个主站和若干个接在总线上的分站构成，由主站轮询向各个分站查询数据。主站通常在地面，分站分布在各个液压支架上，整个压力监测系统传输线路可能长达数公里。为了长距离可靠传输，通讯速率常设为5kbps或2.4kbps，一般系统总线的查询周期为秒级。由于近些年来超长工作面的出现，工作面可能多达200个支架分站，这大大延长了总线查询的时间。

而分站的采样时间则要快得多，比如每秒采样3次。每个分站设为8bits采样，支架前柱、后柱、前梁各采集两个点数据，则每次采样是6个字节数据，按每秒采样3次计算，每个分站每秒待传输数据为18个字节。异步通信时每个字节数据通常为11bits传输，一个分站一秒共198bits，按5kbps速率传输，需时0.04S，设数据传输保护间隔时间为传送数据时间的10％，即0.004S。则每个分站发送数据需时0.044S。主站轮询每次两个字节22bits，即轮询加间隔时间为0.0044+0.00044＝0.00484S。因此一个分站查询与应答总时间为：0.044+0.00484＝0.04884S。考虑分站与分站查询之间的保护时间间隔也设为0.0044S，则一个分站实际数据传输所需时间约为：0.05324S。

超长工作面可能多达200个支架分站，则查询扫描一周的时间为0.05324×200＝10.648S左右。这时矛盾出现了，全部200个支架1秒内采集的数据，需要约11秒进行传输，而在传输过程中，分站内又积累存贮了11倍的数据。为了解决这样的问题，实际支架压力监测系统不得不降低分站的采样速率，也就是抛弃大量的数据。如数据减少到每秒采样1次，200个分站数据传输时间仍需要3.36S左右。也就是说，对于200个分站，这种直接数据传输的系统，采样间隔只延长到4秒左右采样一次，才能满足数据实时传输的要求。

然而，实际支架压力数据曲线中存在有奇异变化的信号，即移架时的压力突降、保持低压、再升压和调整压力的过程。通常整个移架过程持续约7～8秒，其中降压时间约1秒，升压时间约1秒。这个移架过程是人工操作的，整个24小时的压力曲线被这样一个个移架过程分成2～3小时长的若干个工作周期，在这2～3小时长的时间内，压力曲线的变化是比较缓慢的，移架过程的压力变化对于计算煤矿工作面压力有非常重要的意义。显然，由于移架时产生的奇异信号，分站的采样间隔长至4秒一次是不实际的，会丢失重要的信息。因此，对于超长工作面支架压力监测需要采用新的数据采集与传输技术。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种煤矿工作面支架压力数据分段拟合方法及装置，能够实现超长工作面支架压力监测系统的数据有效监测与传输。

本发明采用的技术方案：一种煤矿工作面支架压力数据分段拟合方法，包括以下步骤：

步骤1：将采集到的压力数据按工业总线系统中主站查询周期进行分段，并建立多项式拟合公式；

步骤2：在每个分段内进行数据量的判断，若数据量小于多项式拟合系数量，则直接传输数据；若数据量大于多项式拟合系数量，则对数据进行多项式拟合，传输时仅传输多项式系数；

步骤3：主站对接收到的数据类型进行判断，若接收到的是支架压力数据，则直接存储；若接收到的是多项式系数，则根据多项式系数近似恢复出支架压力数据。

优选的，所述的多项式拟合公式采用4次多项式，拟合公式为：

y_i＝a₄t_i⁴+a₃t_i³+a₂t_i²+a₁t_i+a₀，i＝1,2,3…n

其中，a₄,a₃,a₂,a₁,a₀为拟合系数，t_i为第i个采样点时刻，y_i为拟合后的数据，拟合采用最小二乘法原则来确定拟合系数。

一种煤矿工作面支架压力数据分段拟合装置，包括用于数据采集和数据分段拟合的处理器，用于采集煤矿工作面支架前梁、前柱和后柱压力的压力传感器和就地显示压力数据的显示器；所述的压力传感器通过预处理电路连接处理器的输入端；所述的显示器与处理器的输出端连接，所述的处理器的输出端还连接有用于存储数据的存贮器和用于与主站通讯的485通信接口。

优选的，所述的处理器采用STC15F2K60S2单片机。

优选的，所述的压力传感器采用GYD10六路压力传感器。

优选的，所述的预处理电路采用基于INA128芯片的放大电路和基于LM358芯片的低通滤波器。

本发明的有益效果：本发明提出煤矿工作面支架压力数据分段拟合方法及装置，对工作面压力数据先进行分段，在这个分段内进行数据的多项式拟合，当数据量较大时，只传输拟合系数，而不传输实际数据，在接收端根据拟合系数恢复出数据。这样大大减少了要传输的数据量，又不丢失重要的数据信息，还固定了每个查询周期的数据传输量，方便数据传输管理。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的硬件连接图；

图3是本发明分站主程序流程图；

图4是本发明分站中断程序流程图；

图5是本发明主站十秒查询一次的曲线变化图；

图6是本发明主站十五秒查询一次的曲线变化图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明技术方案的细节及其优点，现结合附图和实施例进行详细介绍。

一种煤矿工作面支架压力数据分段拟合方法，包括以下步骤：

步骤1：将采集到的压力数据按工业总线系统中主站查询周期进行分段，并建立多项式拟合公式；

步骤2：在每个分段内进行数据量的判断，若数据量小于多项式拟合系数量，则直接传输数据；若数据量大于多项式拟合系数量，则对数据进行多项式拟合，传输时仅传输多项式系数；

步骤3：主站对接收到的数据类型进行判断，若接收到的是支架压力数据，则直接存储；若接收到的是多项式系数，则根据多项式系数近似恢复出支架压力数据。

一种煤矿工作面支架压力数据分段拟合装置，如图1、图2所示，该装置包括用于数据采集和数据分段拟合的处理器103，用于采集煤矿工作面支架前梁、前柱和后柱压力的压力传感器101和就地显示压力数据的显示器105；所述的压力传感器101通过预处理电路102连接处理器103的输入端；所述的显示器105与处理器103的输出端连接，所述的处理器103的输出端还连接有用于存储数据的存贮器104和用于与主站通讯的485通信接口106。

系统工作过程：压力传感器101分别监测从前梁、前柱、后柱引来的六路压力信号，由预处理电路102进行放大，放大电路中带有低通滤波器，对压力信号进行滤波处理，放大后的信号送到处理器103进行处理，处理单元进行显示转换，将要就地显示的压力信息送显示器105进行显示，并进行数据的分段拟合处理，程序和数据均存放在外部存贮器104中，分段拟合处理后的数据通过485通信接口106发送到监测系统总线上，同时通过总线接收主机来的查询指令。

数据分段拟合原理：支架压力监测数据的特殊性是在较缓慢变化的压力数据中含有人工移架时压力突变的奇异数据。对缓慢变化的压力数据，采样频率可以低至数秒甚至数十秒一次，而对移架时的奇异信号，希望采样频率能达到每秒三次以上。因此，实际支架压力监测系统为了可靠采集到人工移架时的压力突变信号，往往采用较高的采样率，如每秒三次采样。而对于超长工作面，支架多达200多架，每秒三次的采样数据难以实现实时数据传输。由于支架压力监测普遍采用工业总线查询方式，主站与分站之间的数据传输由主站发指令查询分站，分站接收到主站的查询指令才向主站发送数据，一个查询周期往往在数秒或数十秒。因此，将支架压力数据按查询周期进行分段，即分站在一个查询周期内将数据存贮在分站存贮器中，等到主站查询到该分站时，进行数据的多项式拟合，只传输拟合系数。这样大大减少了要传输的数据量，又不丢失重要的数据信息，还固定了每个查询周期的数据传输量，方便数据传输管理。

以分站每秒对工作面支架压力采样3次，主站每十秒查询一次共30组数据，和主站每十五秒查询一次共45组数据为例。

根据实测，本例中采用4次多项式能较好地满足支架压力监测的要求，即设测量到的数据x_i为：

x_i＝f(t_i)

其中t_i为第i个采样点时刻，在数据信号中，常直接用1,2,3…n来表示。f函数关系为未知，因此，用拟合公式为：

y_i＝a₄t_i⁴+a₃t_i³+a₂t_i²+a₁t_i+a₀，i＝1,2,3…n

其中，a₄,a₃,a₂,a₁,a₀为拟合系数，y_i为拟合后的数据，n为分段内数据的长度。与一般数据拟合不同的是，由于总线查询时间难以完全确定的，因此，分段的数据长度n的值可能会有变化。拟合的目标就是取什么样的系数组，能使得拟合后的数据y_i与测量数据x_i最接近。一般在数据拟合中常采用最小二乘法原则来确定拟合系数，即通过不断迭代，使拟合数据y与原测量数据x的差值的平方和为最小，即求下式F为最小时的系数集：

$>F={\Sigma }_{i=1}^n{\left|y_i-x_i\right|}^2$>

获取a₀～a₄，五个系数，再由拟合公式求出拟合得到的数据。由于系统查询周期是不能完全确定的，因此，分段数据的长度n也可能每次均不太相同。这样原来直接传输数据时，每次传输的数据量也不确定。采用分段拟合后，这样每个采样点在一个查询周期仅需传输5个系数。也就是说，当一个查询分段周期内数据量小于5时，直接传送数据，并在数据后补0，凑满5位数据。当数据量大于等于5时，进行4次多项式拟合，获取5位系数，传输时只传输这5位系数。这样每次均是传送5位数据。

下表为分站每秒对工作面支架压力采样3次，主站每十秒查询一次共30组数据，和主站每十五秒查询一次共45组数据的采样值和拟合值对比。

如图5和图6所示，查询周期为十秒钟和十五秒钟分段的数据拟合的数据，即30和45个采样数据，从曲线变化看都能满足支架压力数据应用的需要。可见，采用本发明提供的方法和装置后，主站十秒查询一次和十五秒查询一次，传输的数据量是相同的，都是每次传输5个数据，压力曲线变化也基本类似，足够满足应用需要。