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摘要：本文探讨了面域化测控新模式体系和神经元网络LonWorks现场总线测控新模式体系在煤矿通风系统的具体应用，阐述了通风实时监控系统的理论技术、总体架构、主要功能及应用效果，具有重要的抛砖引玉的理论价值。
关键词：煤矿；通风；监测监控；总线技术
2008年国家安全监管总局提出：要建立“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的瓦斯综合治理工作体系。通风是治理瓦斯的基础，矿井通风系统可靠稳定，采掘工作面有足够的新鲜风流，瓦斯不聚积、不超限，就不会发生瓦斯事故。因此，能够实现通风可靠测控就可及时或超前发现问题，减少或避免瓦斯积聚；能够实现整个矿井所有影响区域的超前断电，就可大幅度避免事故发生；能够对工作面整体安全状态进行监测监控，就可有效避免工作面瓦斯事故的发生。
一、通风可靠实时监测监控理论基础
1、神经元网络现场总线监控技术
LonWorks现场总线技术的核心是神经元芯片，由这些神经元芯片组建的神经元网络，起源于人体的神经网络，采用无主通讯机制，每个神经元节点（网络节点）拥有三颗CPU，分别实现网络通讯、调度、数据处理，可实现网络化互联互控、高速高可靠性通讯等功能。
系统中的每个测控单元（神经元节点）都能通过多个路径向其它神经元发送信息，形成整个矿井的实时测控网络，实现一点超限全网响应；每个测控单元可用于某一项或几项特殊功能；任何一个测控单元发生故障，不会影响其它测控单元的正常工作；每个神经元节点均可实现网络通讯、调度、数据处理，可实现实时多任务处理；全面提升了系统的速度、带宽、稳定性、可靠性。当瓦斯浓度持续升高或已经达到超限临界值时，不必经过地面测控中心中转，就可对瓦斯流动路线上的电器设备实现实时或超前断电，从而避免电火花引爆。
与传统的测控技术比较，Lon?Works现场总线技术将落后的主从式测控模式，提升到神经元网络测控模式，有效解决了风流反向和瓦斯流动区域多级超前断电问题，有效解决了面域内与面域间的实时关联控制问题。LonWorks现场总线技术将国家标准规定的“区域性断电时间小于60秒”缩短到全系统断电不超过2秒；通讯速度提高30倍，系统容量提高10倍以上，煤矿整体安全生产测控能力将得到大幅度提高。
2、面域化通风可靠监控技术
与传统的基于测点的监测方式不同，面域化通风可靠监控技术是以工作面等作业点为目标对象，提供对面域对象整体相关安全因素的全面智能化的分析与相关因素关联分析，同时提供对所有测控单元的全面分析，譬如统计分析、趋势分析、预测分析；提供对面域对象的全面实时监测，譬如列表监测、图形化监测、动画监测、安全评价、预测预警等。该方式尤其适于对重点工作面进行全面分析与实时监测，包括曲线、预测、自动统计分析、报表等。
二、煤矿通风可靠实时监测监控系统总体结构
第一层：井下硬件系统。组成包括：隔爆兼本安工业以太网与Lon?Works网关、LonWorks现场总线、LonWorks路由器、监测分站或总线适配器、供电电源、风筒风量实时监测装置、巷道风量监测传感器、主扇风量监测传感器、风速风向传感器、风速传感器、风门开关传感器、甲烷传感器等监测单元、断电器等测控单元。
第二层：数据高速公路环网。目前煤矿一般采用的环网为光纤环网，主要硬件组成为：光纤、隔爆兼本安工业以太网交换机。为提高传输性能，也可使用无源光网络技术，与煤矿井下光纤环网的区别是多种系统多种媒体可共用通道而不相互影响，传输速度大幅提高而成本将大幅度下降。
第三层：井上面域化监控软件。软件系统组成包括：主扇开停、主扇工况、矿井总回风量实时监测系统；风机风筒风量、微风、停风、断电实时监测系统；采掘工作面风量实时监测系统等等。
三、通风可靠实时监测监控系统主要功能
1、全矿井通风状态在线监测、停微风报警与断电控制功能。通过风量在线对比监测，及时发现通风设计问题与微风报警；通过对局扇风筒风量在线监测，及时发现停风、风量不足、风筒损害等安全隐患，当停风或者微风隐患发生时，及时切断瓦斯超限影响区域电源，从而避免因停风引起的瓦斯积聚隐患。
2、矿井通风稳定性在线监测功能。通过在角联巷道安装风向监测传感器，实现角联巷道通风稳定性在线监测，当角联巷道风流反向时给出报警提示。可集成风向监测、风量监测和风压监测等功能，实现矿井通风稳定性在线监测。
3、矿井通风合理性在线监测功能。具有煤矿巷道通风压力高精度在线监测技术，实现了煤矿通风压力分布的直观显示，具体用途包括：
a.分析评估煤矿通风压力与巷道通风阻力分布情况，分析自然风压影响，分析多主扇联合运行情况的相互影响，从而进行优化改造。
b.监测通风状态与通风稳定性。一旦发现风压突变异常，如通风压力异常变化表明通风网络已发生变化，通风风量已发生变化，预示通風系统可能发生严重问题。
c.分析通风压力与瓦斯涌出的影响。如压力分布与矿井老采空区瓦斯涌出关系、与抽放效果关系、与工作面采空区瓦斯涌出关系、与工作面尾巷风量关系，从而采取优化调解措施。例如采用均压方式控制工作面瓦斯涌出到最小，控制采空区自燃发火等问题。
d.监测矿井通风异常时的状态。例如巷道贯通、矿井反风、主扇停风等异常发生时的状态，及时发现问题及时处理。
e.矿井日常通风调节的在线监测。例如通过调节风扇两侧压力，可直接得到调节状态和影响效果，从而科学高效率进行在线快速在线调节，显著提高效率和科学性。
4、直观显示及辅助设计功能。具有基于监测数据源的通风瓦斯涌出实时监测与统计分析新技术、通风优化辅助功设计系统、煤矿通风网络图自动生成系统、工作面采空区流场流态数值模拟系统。
上述技术成果在国内多个煤矿进行了应用，实际应用表明，本研究采用巷道风量传感器、风筒风量监测装置、风向传感器、绝对风压传感器实现了通风可靠在线实时监测，通风可靠实时在线监测技术能够大幅度减少煤矿瓦斯超限隐患。本技术可为通风合理性提供实时通风网络计算与辅助设计功能。实际应用表明，面域化测控新模式体系和神经元网络LonWorks现场总线测控新模式体系具有十分广泛的应用前景。
关键词：煤矿；通风；监测监控；总线技术
2008年国家安全监管总局提出：要建立“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的瓦斯综合治理工作体系。通风是治理瓦斯的基础，矿井通风系统可靠稳定，采掘工作面有足够的新鲜风流，瓦斯不聚积、不超限，就不会发生瓦斯事故。因此，能够实现通风可靠测控就可及时或超前发现问题，减少或避免瓦斯积聚；能够实现整个矿井所有影响区域的超前断电，就可大幅度避免事故发生；能够对工作面整体安全状态进行监测监控，就可有效避免工作面瓦斯事故的发生。
一、通风可靠实时监测监控理论基础
1、神经元网络现场总线监控技术
LonWorks现场总线技术的核心是神经元芯片，由这些神经元芯片组建的神经元网络，起源于人体的神经网络，采用无主通讯机制，每个神经元节点（网络节点）拥有三颗CPU，分别实现网络通讯、调度、数据处理，可实现网络化互联互控、高速高可靠性通讯等功能。
系统中的每个测控单元（神经元节点）都能通过多个路径向其它神经元发送信息，形成整个矿井的实时测控网络，实现一点超限全网响应；每个测控单元可用于某一项或几项特殊功能；任何一个测控单元发生故障，不会影响其它测控单元的正常工作；每个神经元节点均可实现网络通讯、调度、数据处理，可实现实时多任务处理；全面提升了系统的速度、带宽、稳定性、可靠性。当瓦斯浓度持续升高或已经达到超限临界值时，不必经过地面测控中心中转，就可对瓦斯流动路线上的电器设备实现实时或超前断电，从而避免电火花引爆。
与传统的测控技术比较，Lon?Works现场总线技术将落后的主从式测控模式，提升到神经元网络测控模式，有效解决了风流反向和瓦斯流动区域多级超前断电问题，有效解决了面域内与面域间的实时关联控制问题。LonWorks现场总线技术将国家标准规定的“区域性断电时间小于60秒”缩短到全系统断电不超过2秒；通讯速度提高30倍，系统容量提高10倍以上，煤矿整体安全生产测控能力将得到大幅度提高。
2、面域化通风可靠监控技术
与传统的基于测点的监测方式不同，面域化通风可靠监控技术是以工作面等作业点为目标对象，提供对面域对象整体相关安全因素的全面智能化的分析与相关因素关联分析，同时提供对所有测控单元的全面分析，譬如统计分析、趋势分析、预测分析；提供对面域对象的全面实时监测，譬如列表监测、图形化监测、动画监测、安全评价、预测预警等。该方式尤其适于对重点工作面进行全面分析与实时监测，包括曲线、预测、自动统计分析、报表等。
二、煤矿通风可靠实时监测监控系统总体结构
第一层：井下硬件系统。组成包括：隔爆兼本安工业以太网与Lon?Works网关、LonWorks现场总线、LonWorks路由器、监测分站或总线适配器、供电电源、风筒风量实时监测装置、巷道风量监测传感器、主扇风量监测传感器、风速风向传感器、风速传感器、风门开关传感器、甲烷传感器等监测单元、断电器等测控单元。
第二层：数据高速公路环网。目前煤矿一般采用的环网为光纤环网，主要硬件组成为：光纤、隔爆兼本安工业以太网交换机。为提高传输性能，也可使用无源光网络技术，与煤矿井下光纤环网的区别是多种系统多种媒体可共用通道而不相互影响，传输速度大幅提高而成本将大幅度下降。
第三层：井上面域化监控软件。软件系统组成包括：主扇开停、主扇工况、矿井总回风量实时监测系统；风机风筒风量、微风、停风、断电实时监测系统；采掘工作面风量实时监测系统等等。
三、通风可靠实时监测监控系统主要功能
1、全矿井通风状态在线监测、停微风报警与断电控制功能。通过风量在线对比监测，及时发现通风设计问题与微风报警；通过对局扇风筒风量在线监测，及时发现停风、风量不足、风筒损害等安全隐患，当停风或者微风隐患发生时，及时切断瓦斯超限影响区域电源，从而避免因停风引起的瓦斯积聚隐患。
2、矿井通风稳定性在线监测功能。通过在角联巷道安装风向监测传感器，实现角联巷道通风稳定性在线监测，当角联巷道风流反向时给出报警提示。可集成风向监测、风量监测和风压监测等功能，实现矿井通风稳定性在线监测。
3、矿井通风合理性在线监测功能。具有煤矿巷道通风压力高精度在线监测技术，实现了煤矿通风压力分布的直观显示，具体用途包括：
a.分析评估煤矿通风压力与巷道通风阻力分布情况，分析自然风压影响，分析多主扇联合运行情况的相互影响，从而进行优化改造。
b.监测通风状态与通风稳定性。一旦发现风压突变异常，如通风压力异常变化表明通风网络已发生变化，通风风量已发生变化，预示通風系统可能发生严重问题。
c.分析通风压力与瓦斯涌出的影响。如压力分布与矿井老采空区瓦斯涌出关系、与抽放效果关系、与工作面采空区瓦斯涌出关系、与工作面尾巷风量关系，从而采取优化调解措施。例如采用均压方式控制工作面瓦斯涌出到最小，控制采空区自燃发火等问题。
d.监测矿井通风异常时的状态。例如巷道贯通、矿井反风、主扇停风等异常发生时的状态，及时发现问题及时处理。
e.矿井日常通风调节的在线监测。例如通过调节风扇两侧压力，可直接得到调节状态和影响效果，从而科学高效率进行在线快速在线调节，显著提高效率和科学性。
4、直观显示及辅助设计功能。具有基于监测数据源的通风瓦斯涌出实时监测与统计分析新技术、通风优化辅助功设计系统、煤矿通风网络图自动生成系统、工作面采空区流场流态数值模拟系统。
上述技术成果在国内多个煤矿进行了应用，实际应用表明，本研究采用巷道风量传感器、风筒风量监测装置、风向传感器、绝对风压传感器实现了通风可靠在线实时监测，通风可靠实时在线监测技术能够大幅度减少煤矿瓦斯超限隐患。本技术可为通风合理性提供实时通风网络计算与辅助设计功能。实际应用表明，面域化测控新模式体系和神经元网络LonWorks现场总线测控新模式体系具有十分广泛的应用前景。