基于超导磁测量技术的煤层有毒气体预警方法及系统与流程

本发明涉及煤矿安全监测，尤其涉及基于超导磁测量技术的煤层有毒气体预警方法及系统。

背景技术：

1、煤层有毒气体（如甲烷、一氧化碳等）是煤矿生产过程中最主要的灾害因素之一，其突发释放往往具有隐蔽性强、发展迅速的特点。现有煤矿安全监测系统主要依赖气体传感器对气体浓度进行实时检测，并结合通风系统参数进行预警判定；部分研究开始引入地球物理方法，如磁场监测、电阻率监测等手段，对煤层内部结构变化进行间接感知。这类方法能够在一定程度上反映煤层受扰动后的状态变化，但总体仍以气体浓度达到阈值后报警为主，属于事后或临界状态预警，难以实现真正意义上的超前预警。

2、随着传感技术的发展，超导磁测量技术因其高灵敏度逐步应用于煤矿领域，用于捕捉煤层在应力变化、裂隙扩展及微结构重组过程中产生的微弱磁场变化。然而，现有基于磁场的分析方法大多采用离散时间序列处理方式，对磁场强度或梯度进行统计分析或阈值判断，或简单结合机器学习模型进行分类识别。这类方法未能充分利用磁场在时间与空间上的连续演化特性，难以有效区分由采掘扰动、设备运行等因素引起的磁场变化与由煤层内部吸附气体解锁、裂隙连通演化引起的前驱变化，导致误报率较高或预警提前量不足。

3、现有技术缺乏对磁异常结构进行多尺度、结构化表达的能力，通常仅基于单点或局部区域进行判断，缺乏对磁场演化过程中持续性、接续性以及空间延展特征的综合分析手段。对于异常信号的判定，多依赖单一模型输出或固定阈值规则，缺少对不可解释残留特征的筛选机制以及对关键证据集合的约束表达，导致预警结果稳定性不足、可解释性较弱。

4、因此，如何提供基于超导磁测量技术的煤层有毒气体预警方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出基于超导磁测量技术的煤层有毒气体预警方法及系统，本发明在不改变现有磁测量采集硬件的前提下，引入频域扩散-跃迁耦合的ode-rnn模型对离散磁测量序列进行连续重建，并结合有向持久同调分析、跨尺度神经持久向量构建以及最小同调胶囊封口判定，实现对煤层吸附锁相断裂前驱特征的精准识别，能够从复杂噪声和多源扰动中提取不可解释的关键磁演化结构，具备预警提前量可量化、误报率低、稳定性强和可解释性高的优点。

2、根据本发明实施例的基于超导磁测量技术的煤层有毒气体预警方法，包括：

3、获取煤层目标监测区段的超导磁测量序列，对超导磁测量序列进行处理，生成磁测量时空序列；

4、将磁测量时空序列映射为裂隙方向加权图，按裂隙走向进行谱分簇，将同簇探头序列输入频域扩散-跃迁耦合的ode-rnn模型，输出带帧间置信区间的连续磁场演化序列；

5、对连续磁场演化序列计算磁场多维接续状态特征，基于方向向量构建有向时空邻接图并执行时间权重约束的有向持久同调滤波，生成拓扑条形码集合；

6、将拓扑条形码集合映射为固定长度的持久哈希向量，采用空间熵正则化与自适应权重融合生成跨尺度神经持久向量并计算磁场持久同调前驱指数，形成弱磁持久度特征序列；

7、在连续磁场演化序列的历史区段中检索与当前采掘工况、设备功率及通风参数一致的稳态磁窗口，提取稳态磁窗口对应的弱磁持久度特征分位数区间作为无释气参考区间，将当前弱磁持久度特征序列超过无释气参考区间的偏差定义为因果残留差分序列；

8、根据因果残留差分序列筛选因果残留条形码，将因果残留条形码连接形成同调异常候选链，对同调异常候选链逐项剥离并保留剥离后仍使因果残留差分高于预设阈值的必要条形码构成最小同调胶囊，当最小同调胶囊满足预设预警条件时，输出煤层有毒气体预警结果。

9、可选的，所述超导磁测量序列包括三轴磁场强度数据、三轴磁梯度数据、磁扰动方向数据、时间主键以及空间位置标识。

10、可选的，所述对超导磁测量序列进行处理包括按照时间主键和空间位置标识对超导磁测量序列进行对齐。

11、可选的，所述输出带帧间置信区间的连续磁场演化序列，包括：

12、依据各探头的空间位置标识建立探头节点之间的连接关系，将节点间空间邻近程度、节点连线方向与煤层裂隙走向的一致程度以及相邻探头磁扰动方向的一致程度进行联合表征，生成裂隙方向加权图，并基于所述裂隙方向加权图提取反映裂隙走向分布的图谱特征；

13、依据所述图谱特征对探头节点执行谱分簇处理，将裂隙走向一致、空间接续连续且磁扰动方向相近的探头划分为同一空间分簇，并按照时间主键提取各空间分簇对应的磁测量子序列；

14、构建以裂隙定向频域嵌入层、扩散-跃迁双支连续演化层和相位回锁置信解码层组成的频域扩散-跃迁耦合的ode-rnn模型；

15、将各空间分簇对应的磁测量子序列输入裂隙定向频域嵌入层，按照裂隙主方向、裂隙侧向和时间变化三个维度对三轴磁场强度数据、三轴磁梯度数据和磁扰动方向数据进行联合重排，生成包含主方向连续分量、侧向扰动分量和局部突变分量的分簇嵌入序列；

16、将分簇嵌入序列输入扩散-跃迁双支连续演化层，在时间维按照神经常微分方程的连续求解方式对主方向连续分量执行连续演化，在空间维依据裂隙方向加权图对相邻节点之间的状态传递执行扩散更新，对局部突变分量执行跨节点跃迁更新，生成分簇连续隐状态序列；

17、将分簇连续隐状态序列输入所述相位回锁置信解码层，对连续演化隐状态和跃迁校正隐状态执行时间相位回锁与空间方向一致性校正，输出各空间分簇在连续时间上的三轴磁场强度状态、三轴磁梯度状态和磁扰动方向状态，结合各连续时间节点的状态离散程度生成帧间置信区间，最后按照时间主键和空间位置标识对各空间分簇输出结果进行合并，生成连续磁场演化序列。

18、可选的，所述生成拓扑条形码集合，包括：

19、按照预设时间窗截取连续磁场演化序列，提取各时间窗内各空间位置对应的三轴磁场强度状态、三轴磁梯度状态和磁扰动方向状态，将同一时间窗内具有相同空间位置标识的状态数据组合为磁场时空状态点；

20、读取与每一磁场时空状态点在时间上相邻且在空间上邻接的候选状态点，分别计算磁场强度变化的一致程度、磁梯度变化的一致程度、磁扰动方向变化的一致程度以及相邻状态点之间的时间连续程度和空间连续程度，得到对应候选状态点之间的单项接续量；

21、对单项接续量执行联合归一处理，按照时间连续程度、空间连续程度、磁场强度变化一致程度、磁梯度变化一致程度和磁扰动方向变化一致程度进行加权合成，生成对应状态点对之间的磁场多维接续状态特征；

22、依据磁场多维接续状态特征筛选接续强度达到预设要求且主接续方向与煤层裂隙走向一致的状态点对，以磁场时空状态点作为图节点，以满足筛选条件的状态点对作为有向边，构建有向时空邻接图，为各有向边写入时间权重标签、空间方向标签、磁扰动方向标签和接续强度标签；

23、在有向时空邻接图上按照时间权重由高到低的顺序执行有向单纯形扩张，先生成沿前向时间和裂隙主方向连续延展的有向边单元，再生成由多个有向边单元闭合形成的有向环单元，随后生成由多个有向环单元围成的有向腔单元，并形成候选拓扑结构集合；

24、对候选拓扑结构集合执行时间权重约束的有向持久同调滤波，按照连续时间层级逐层释放候选拓扑结构，同时删除时间方向反转、裂隙方向偏离和磁扰动方向失配的候选拓扑结构，保留在连续时间层级中持续存在且空间延展方向保持一致的候选拓扑结构，并转换为带方向标签和时间权重的拓扑条形码集合。

25、可选的，所述形成弱磁持久度特征序列，包括：

26、读取拓扑条形码集合，按照时间窗、空间位置和裂隙方向标签将各拓扑条形码映射至固定长度编码槽位，生成对应时间窗的持久哈希向量；

27、依据各拓扑条形码在煤层目标监测区段内的空间覆盖位置、覆盖连续长度和裂隙方向聚集状态，生成空间熵正则化标记，对沿同一裂隙方向连续分布且持续区段稳定的拓扑条形码执行保留增强，对分散于非接续空间位置且缺少裂隙方向承接关系的拓扑条形码执行抑制处理，得到空间熵正则化持久向量；

28、基于各拓扑条形码的持续区段、时间权重标签、裂隙方向标签、拓扑结构类型以及连续磁场演化序列对应的帧间置信区间，生成条形码自适应融合权重，使覆盖裂隙主方向、跨时间窗连续保持且帧间置信区间收敛的拓扑条形码获得融合保留资格，使仅在单一时间窗出现或方向接续中断的拓扑条形码获得融合衰减资格；

29、将不同尺度层级对应的空间熵正则化持久向量按照同一时间窗、同一裂隙方向和同一空间承接路径进行对齐，以具有连续保持资格的拓扑条形码作为尺度融合锚点，对短尺度局部扰动、中尺度裂隙接续扰动和长尺度空间延展扰动进行自适应加权融合，生成跨尺度神经持久向量；

30、依据跨尺度神经持久向量中连续保持分量、裂隙方向分量、空间覆盖分量和时间权重分量的融合结果，生成对应时间窗的磁场持久同调前驱指数，按照时间主键排列各时间窗的磁场持久同调前驱指数，形成弱磁持久度特征序列。

31、可选的，所述将当前弱磁持久度特征序列超过无释气参考区间的偏差定义为因果残留差分序列，包括：

32、读取连续磁场演化序列对应的历史区段，并同步读取历史采掘工况、设备功率、通风参数、历史气体浓度记录和历史弱磁持久度特征序列，将历史气体浓度记录未达到预警阈值且历史弱磁持久度特征序列未形成最小同调胶囊的时间窗确定为候选稳态磁窗口；

33、将当前时间窗对应的采掘工况状态、设备功率区间和通风参数区间作为匹配条件，在候选稳态磁窗口中筛选工况状态一致、设备功率区间重合且通风参数区间重合的窗口，生成无释气稳态磁窗口集合；

34、提取无释气稳态磁窗口集合中各窗口对应的弱磁持久度特征，按照时间窗、空间位置和裂隙方向标签进行分组，分别生成各分组对应的弱磁持久度特征分位区间，将弱磁持久度特征分位区间确定为无释气参考区间；

35、将当前弱磁持久度特征序列按照时间窗、空间位置和裂隙方向标签与所述无释气参考区间进行对位，当当前弱磁持久度特征位于对应无释气参考区间内时，将对应偏差标记为零，当当前弱磁持久度特征超出对应无释气参考区间时，将超出部分标记为残留偏差；

36、按照时间主键汇集各时间窗、空间位置和裂隙方向标签对应的残留偏差，对连续出现且方向标签一致的残留偏差进行接续合并，生成因果残留差分序列。

37、可选的，所述当最小同调胶囊满足预设预警条件时，输出煤层有毒气体预警结果，包括：

38、读取因果残留差分序列中各时间窗、空间位置和裂隙方向标签对应的残留偏差，与拓扑条形码集合进行对位，将残留偏差达到预设差分阈值且对应拓扑条形码具有相同时间窗、相同空间位置和相同裂隙方向标签的条形码确定为因果残留条形码；

39、按照时间主键的先后顺序排列各因果残留条形码，依据相邻因果残留条形码之间的时间接续关系、空间邻接关系、裂隙方向一致关系和覆盖空间位置重叠关系建立条形码接续边，生成同调异常候选链；

40、对同调异常候选链执行逐项剥离处理，每次从同调异常候选链中移除一个因果残留条形码，重新计算移除后对应时间窗的因果残留差分状态和候选链连续状态；

41、当移除后的因果残留差分状态低于预设差分阈值，或者移除后的候选链连续状态中断时，将被移除的因果残留条形码标记为必要条形码，当移除后的因果残留差分状态仍达到预设差分阈值且候选链连续状态保持时，将被移除的因果残留条形码标记为可剥离条形码；

42、汇集全部必要条形码，按照必要条形码对应的时间窗、空间位置、裂隙方向标签、拓扑结构类型和覆盖空间位置生成最小同调胶囊；

43、当最小同调胶囊满足连续时间窗数量达到预设数量、覆盖空间位置沿同一裂隙方向连续、胶囊内必要条形码的因果残留差分均达到预设差分阈值且胶囊覆盖区段与历史有毒气体异常区段或抽采压力异常区段形成空间承接关系时，输出煤层有毒气体预警结果。

44、根据本发明实施例的基于超导磁测量技术的煤层有毒气体预警系统，包括：

45、磁测量时空序列生成模块，用于获取煤层目标监测区段的超导磁测量序列，按时间主键和空间位置对齐，生成磁测量时空序列；

46、连续磁场重建模块，用于将磁测量时空序列映射为裂隙方向加权图，输入频域扩散-跃迁耦合的ode-rnn模型，生成连续磁场演化序列；

47、拓扑条形码生成模块，用于基于连续磁场演化序列计算磁场多维接续状态特征，构建有向时空邻接图并生成拓扑条形码集合；

48、弱磁持久度计算模块，用于将拓扑条形码集合转换为跨尺度神经持久向量，计算磁场持久同调前驱指数，生成弱磁持久度特征序列；

49、因果残留差分模块，用于根据历史稳态磁窗口确定无释气参考区间，并将当前弱磁持久度特征序列与无释气参考区间对比，生成因果残留差分序列；

50、最小同调胶囊预警模块，用于根据因果残留差分序列筛选因果残留条形码，生成最小同调胶囊并输出煤层有毒气体预警结果。

51、本发明的有益效果是：

52、本发明通过在不改变现有超导磁测量采集硬件的前提下，对离散磁测量序列进行连续化建模与结构化分析，实现了由气体浓度触发预警向磁前驱识别预警的转变。相比传统依赖阈值判断的方式，本发明能够在气体尚未达到可检测浓度之前，从连续磁场演化过程中识别出煤层吸附状态发生变化的前驱信号，提前预警时间，提升煤矿安全监测的主动性与前瞻性。

53、本发明通过构建频域扩散-跃迁耦合的ode-rnn模型，对磁场序列进行连续时间重建，并结合有向持久同调分析方法，从时间与空间多维角度提取磁场演化的结构特征，能够有效区分由采掘扰动、设备运行等因素引起的常规磁变化与由煤层内部结构演化引起的异常磁变化。通过空间熵正则化与自适应权重融合机制，对多尺度拓扑特征进行统一表达，使得弱磁持久度特征具有更高的稳定性和抗干扰能力，从而降低误报概率。

54、本发明通过引入基于因果残留差分的筛选机制以及最小同调胶囊的封口判定方法，从所有异常结构中提取不可被剥离的关键证据集合，实现对预警结果的约束表达与闭合验证，不仅提高了预警结果的可靠性，还增强了结果的可解释性，使预警不再依赖单一异常指标，而是基于一组具有时间连续性、空间一致性和结构完整性的证据集合进行判定，从而在复杂工况下仍能保持稳定输出。