基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统的设计与实现

刘 兵，陈 衡

(淮北职业技术学院 电子信息工程系，安徽 淮北 235000)

基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统的设计与实现

刘 兵，陈 衡

(淮北职业技术学院 电子信息工程系，安徽 淮北 235000)

针对目前煤矿瓦斯监测系统存在的缺陷，设计并实现了一种基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统，弥补了当前煤矿瓦斯监测系统普遍存在的稳定性差和可靠性低等不足.首先，根据煤矿瓦斯的实际特点进行建模，结合Agent技术自身的特点，讨论如何将其应用在煤矿瓦斯监测系统中，最后对将Agent技术应用在煤矿瓦斯监测系统的优势进行了对比分析和仿真.实验结果表明，Agent技术应用在煤矿瓦斯监测系统中可以大大降低监测系统网络的数据流量、减少监测系统的响应时间与数据传输带来的能量损耗，提高系统的安全性和稳定性.

Agent；瓦斯监测；响应时间；能量损耗

煤炭作为我国第一大能源，开采环境较为复杂，事故率较高[1].相关机构统计，我国目前由于瓦斯问题而造成的煤矿事故占总体煤矿事故的71%～82%，所以为了保证煤矿井下工作人员的安全，提高煤矿瓦斯监测系统的实时性和稳定性尤其重要[2].

将具有自主性和学习性的智能型Agent技术加入煤矿瓦斯监测系统，针对传统煤矿瓦斯监测系统的缺点做了改进和完善[3].在系统运行时，移动Agent可以根据实际的需求在煤矿瓦斯监测系统的任意节点之间来回移动，并且可以与数据采集Agent进行数据交换，获取实时的瓦斯浓度值.当该值超过设定阈值时，会立即向最近的节点发出报警，该节点会将相应信息发送给监测主站，以便工作人员采取相应措施[4].

1 煤矿瓦斯监测系统模型

基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统的模型主要包括数据采集Agent、管理Agent、移动Agent和监控主站，该模型可以实现瓦斯浓度的实时在线监测，以确保煤矿井下生产环境的安全可靠.

图1 数据采集AgentFig.1 Data acquisition Agent chart

1.1 数据采集Agent

数据采集Agent作为整个煤矿瓦斯在线监测系统最重要的部分，一般安装在煤矿工作面、掘进面或回风巷等瓦斯容易聚集的环境中[5].该子系统数据采集部分采用具有煤安认证的高稳定性数据采集器，核心部分主要包括单片机核心控制器模块、电源模块、数字采集模块、数据预处理模块、RFID模块和数据采集口等，结构如图1所示.

将预先编写并调试完成的代理程序烧入单片机，使其可以自主获取数据、处理通信，并且可执行管理Agent发出的命令.数据采集Agent设计思想为系统采用集成模拟信号采集模块的单片机通过采集口获取传感器的模拟信号，将信号通过串口发送给数字采集模块，数字信号传感器的信号可直接由数字采集模块获取[6].然后,将数字信号发送给数据预处理模块进行数据的二次处理，完成后将数据通过RFID模块实现无线传输，将数据发送给管理Agent，保证系统数据可以稳定、实时和高效地传输[7].

图2 管理AgentFig.2 Management Agent chart

1.2 管理Agent

管理Agent通过接收环境数据采集Agent的数据并进行处理，同时与监测主站进行实时通信，从而实现对瓦斯的实时监测[8]，它主要由状态对比分析模块、实时状态信息表、标准状态信息表、故障信号源和通信模块组成，如图2所示.

1.3 移动Agent

移动Agent主要完成对网络中各个节点的状态监测、数据处理和任务调度，可根据网络中的实际需要移动整个监测系统的任何一部分，保证整个系统能够安全稳定地运行.

1.4 监测主站

监测主站主要完成Agent策略的制定、方案的选择和监测网络数据及资源的最优化，从而实现煤矿井下瓦斯的实时准确监测.基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统模型如图3所示.

图3 基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统Fig.3 Coal mine gas online monitoring system model based on Agent

管理Agent与各个数据采集Agent之间通过无线传感网络进行实时通信，此过程中移动Agent在各个节点之间进行数据的传输，数据采集Agent实时获取周围环境的瓦斯浓度信息，当移动Agent移动到该对应数据采集Agent时进行数据交换并将该数据传输到管理Agent，管理Agent通过工业以太网将数据传输到监测主站，实现对煤矿瓦斯浓度的在线监测[9].

2 基于Agent的瓦斯浓度数据采集

移动Agent是自身具备某种特性和功能的一种软件实体，具有智能性、移动性和数据实时处理的能力.移动Agent在整个瓦斯数据采集和传输过程中都封装保存，根据设定的路径进行传输，当数据传输到目标设备时，设备根据其规则解析出实际需要的数据.本设计以Agent技术为核心实现数据的处理和传输，同时在监测主站和各监测分站之间的数据处理和传输也是通过Agent技术实现的.与基于C/S数据传输模式的传统瓦斯监测系统相比，基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统可以显著减少网络传输的数据冗余、降低监测系统的响应时间、提高系统的安全性能.图4和图5分别为C/S数据处理模式和Agent数据处理模式的示意图.

图4 C/S数据处理模式Fig.4 C/S data processing mode

图5 Agent数据处理模式Fig.5 Agent data processing mode

由图4和图5可知,基于C/S数据处理模式下煤矿瓦斯的实时监测是通过与终端节点连接的传感器实现的，各终端节点直接将数据发送给基站，然后由基站对数据进行统一处理；Agent数据处理模式下各终端节点之间的数据进行顺序传输与融合处理，Agent根据实际需要移动到相应的节点处理数据，并将最终数据传输给基站，减少了传输过程中的数据冗余和系统的响应时间.

图6 系统工作流程Fig.6 System work flow chart

3 监控系统的实现

3.1 系统实现的流程

基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统工作流程如图6所示.

系统启动后，地面监测主站根据操作者的实际需求，为移动Agent分配相应的任务，同时激活各个节点的数据采集Agent和管理Agent.此时,数据采集Agent开始采集瓦斯浓度数据，管理Agent获取各采集Agent发送过来的实时数据并进行处理.在整个过程中，移动Agent会在通信网络的各个节点之间移动，保证系统的稳定和安全.当数据传输到监控主站后，主站会将对应的瓦斯浓度数据与知识库中允许的阈值进行比较，若超过限制，会立即发出报警信息并采取相应措施，直到瓦斯浓度达到安全阈值以下为止.

3.2 系统的软件实现

本系统综合考虑软件开发的实际需求、周期和难度，采用Visual C++实现基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统软件的编写.Visual C++是微软公司一种面向对象编程的集成软件开发平台，具有编程可视化、模块集成化、程序框架构造灵活等特点，采用其为本系统的上位机软件监测平台是可行且有效的.

当启动本监测系统时，进入软件并根据设定的账号登录即可获得相应的权限进入主界面，在主界面可根据监测需求选择相应的监测分站，监测分站界面上会显示实时的瓦斯浓度值和一个时间段内的瓦斯浓度曲线，同时可以查看和打印以往的历史报表.当系统监测到瓦斯浓度超限时，监测主站会立即发出报警信号并通知相关工作人员及时处理，从而保证煤矿井下工作人员的安全.

4 Agent技术的优势分析

将基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统与传统的C/S数据处理模式下的煤矿瓦斯监测系统的参数进行比较，可说明本系统在性能上要优于传统的C/S监测系统.

4.1 监测系统的响应时间

系统响应时间是指系统发出请求命令到接收到接收端发送的反馈结果的时间间隔.在传统的C/S数据处理模式(图4)下，基站需要依次向每个节点发出查询信号，获得对应节点的响应，此时响应总时间为基站向第一个节点发送数据到接收到最后一个节点数据反馈的时间间隔.假定在该过程中获取每个节点响应的时间间隔相同，则此时的总响应时间可表示如下:

tCS=n(t1+t2)+τ,

(1)

式中：tCS为总响应时间，s；t1为数据采集Agent采集一次瓦斯数据的时间，s；t2为完成一次请求命令和获得响应的时间间隔，s；τ为系统延时，s；n为数据采集Agent的数目.

在基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统(图5)中，响应时间指管理Agent向第一个数据采集Agent发送查询信号后，移动Agent从第一个数据采集Agent到最后一个之间的数据交换并将最终数据发送给管理Agent的时间间隔.假定数据采集Agent采集瓦斯浓度的时间间隔相同，同时移动Agent在不同节点之间移动的时间一致，则本系统的响应时间如下:

tMA=(n+1)tm+nts,

(2)

式中：tMA为移动Agent对所有节点进行一次数据采集的响应时间，s；ts为移动Agent获取一个数据采集Agent数据的时间，s；tm为移动Agent在相邻节点之间转移消耗的时间，s.

从公式(1)和公式(2)可以看出，在C/S数据处理模式下的整个监测过程中，t1值相对较大，然而在本系统的瓦斯数据采集过程中消耗的时间是不存在t1这个概念的，从而可以使系统的响应时间大大减少.

4.2 监测系统的数据流量

在传统的C/S数据处理模式下，系统实现一次数据采集需要消耗的数据流量

QCS=n(q1+q2),

(3)

式中：QCS为系统消耗的总数据流量，Kb/s；q1为基站采集一次数据消耗的数据流量，Kb/s；q2为基站发出一次数据请求命令和获得响应消耗的能量，Kb/s.

在Agent数据处理模式下，数据采集Agent负责处理瓦斯的浓度信息，移动Agent负责交互并获得数据，数据流量计算公式为

(4)

对公式(3)和公式(4)进行比较，可以看出随着监测节点数目的增加，传统C/S数据处理模式下数据流量的增加量远远大于基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统.

5 结语

将Agent技术应用到煤矿瓦斯的在线监测系统中，充分利用Agent技术在数据处理方面的优势，降低了整个系统传输的数据流量，降低了系统整体的响应时间，从而减少了系统的能量消耗，使系统的使用寿命获得了延长.基于Agent的煤矿瓦斯在线监测系统在很大程度上提高了煤矿瓦斯监测系统的安全性和稳定性，为煤矿井下的安全生产提出了一种高效的监测方案，在煤矿及其相关领域具有很好的使用和推广价值.

[1] 倪冠华,张超.中小型煤矿瓦斯监测监控系统的设计[J].煤矿安全,2011(3):68-71.

[2] 马军爽.基于RS485总线技术的煤矿瓦斯浓度监测及报警系统设计[J].煤炭技术,2014(10):47-49.

[3] 邵彦斌.基于B/S和C/S的煤矿数字化瓦斯监测远程联网系统的设计与实现[D].南昌:南昌大学,2009.

[4] 苏帅.基于Agent技术的环境信息监测系统设计与实现[D].扬州:扬州大学,2014.

[5] 李涛,李辉.基于CAN总线的煤矿瓦斯与环境监测系统设计[J].工矿自动化,2011(4):59-61.

[6] 王军号,孟祥瑞.物联网感知技术在煤矿瓦斯监测系统中的应用[J].煤炭科学技术,2011(7):64-69.

[7] 王飞,宋文,戴剑波,等.基于ZigBee技术的煤矿安全监测系统的设计与实现[J].矿业安全与环保,2011(6):41-43,102.

[8] 王建,王汝琳,王学民,等.基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统[J].矿山机械,2007(2):18-20.

[9] 苏举端,高春艳,谢殿荣.煤矿瓦斯监测系统的分析与研究[J].工业安全与环保,2009(10):30-32.

2015-11-26

安徽省教育厅质量项目(2013tszy060；2013sxzx033)

刘兵(1971-)，男，江苏淮阴人，讲师，主要研究方向为智能信息处理.

TP212

A

1674-330X(2016)02-0066-04