TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.4, April 201 4, pp. 3093 ~ 3 0 9 9   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i4.4779          3093     Re cei v ed Se ptem ber 27, 2013; Revi se d No vem ber  12, 2013; Accepted Decem ber 6, 201 3   Study on Measuring and Forecasting of Fully  Mechan ized Working Face Roof Pressure System      Yong Zhang * 1,a XueQiang Yang 2,b ZengXin Wang 2, c   1 Dept of Radi o a ctivit y ,  T a i Shan Med i cal C o l l eg e, Chin a   2 Xin C ha Z h u a ng Min g  Co.Ltd , Shan Don g  P r ovinc e , Chin a   *Corres p o ndi n g  author, Ch an gche ng R oad 6 19,T a ian, (+ 86)053 86 222 17 4   Corresp on din g  author, e-mai l : gczk yanch e n @ 12 6.com *a , xq w a ng@ 16 3.com  b ,   zx w a n g @ 163.com c        A b st r a ct   Chin a is  on e o f  the lar gest co al pr od ucer a n d  c ons u m er c o untries  in th w o rld. How e ve r, due t o   the compl e xity of coal reso urc e s, storage co nditi ons, ge ol o g ical  disaster- p rone co al  min e s , it is also a coal   mi ne  acci dents  multip le c o u n try, coal  min e  a ccide nts an d d eaths of  Ch in a accou n ted  t o   a bout 80%   total  of   the w o rld. I n  t he c oal   mi ne  a ccide nt occurr ed, ro of  acc i de nt has  acc ount ed for  aro u n d   40%, s u ch  as  th e   roof co lla pse d , sli ppe d, d e for m ati on,  obstru c tion  an d so  o n . So t he  moni tor an early   w a rning  of r o o f  i s   particu larly  i m portant. State   of motio n  is  cl osely  rel a ted  to  mi ne r oof  pr essure.  Roof  s upp ort press u r e  or   resistanc ca n be measur ed   b y   the pressur e  sensor.  T h da ta sen d  to  the  ring  Ethern e t u nder grou nd  a n d   transmit to th mo nitori ng  cen t er of gr oun d.  T h roug i n for m ation  an alysis   process i ng,  it c oul d pr ovid e re al- time data an d early  w a rn ing, alar i n for m ati on. App l i ed ti me seri es the o ry  ana lysis a nd f o recasti ng futu re   pressur e  chan ges, can master the  roof mo vement trends  and regu lar i ty, guide safe pr oducti on. So t h e   decisi ons h a ve  some  practica l  signific ance.     Ke y w ords :   mi ne roof, press u re me asur ing,  dyna mic m onit o ring, safety fore cast, tim e  series    Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Chin a is on of the la rge s coal  produ ce r and  co nsum er  cou n trie s i n  the  wo rld [1 ], [7-8].  With the re ce nt incre a se in  capa city, increa sing  the in tensity of exploitation and t r an sfer to de ep  mining, coal  mine ro of safety issue s  increa singly  appa rent.Co a l-related  se curity in cide nts  freque ntly occur, an d the se curity  situa t ion remain grim. As we  kno w , due to the compl e xity of  coal re so urce s,  sto r ag e co ndition s,  and  geolo g ical   di saster-p ron e  coal  min e s, China coal   mine   accide nts an d death s  a c counted to a b out 80% total of  the worl d. In the acci de nt occurred, roof   accide nt ha s acco unted f o r a r ou nd  4 0 %,Such  as  the roof  col l apsed, sli p p ed, defo r mati on,  obstructio n  a nd so o n . So the roof monit o ring  a nd ea rl y warnin g is p a rticul arly im portant.    State of motion is  clo s ely  related to mi ne ro of pre ssure. Roof su pport p r e s sure ca n be  measured by the strain g a u ges  sen s o r  lo cating o n  bra c ket. The motion of the roof  is non-li nea r.        2. Fully  Mec h anize d  Wor k ing Face  Roof Pres sure  Monitoring  Sy stem  The above m onitorin g  syst em has follo wing main feat ure s  and te ch nical p a ra met e rs:   (1)  System Monit o ring Poi n ts: 1-64 m onitori ng station (up  to 192 points);  (2)  Measurement  range: 0 - 6 0  MPA;  (3)   Comp re hen si v e  erro r <2.5 % ;   (4)  Display outpu t: LCD, 20 ×  4 (LED b a ckli ght)  (5)   Bus interfa c e:  RS-48 5  or C A N Bus;     (6)  Enterpri se  standa rd comm unication protocol  sho r t fra m es;   (7)  Comm uni cati on fault che c k (CRC);   (8)  Comm uni cati on rate: 240 0 bps;   (9)  Supply voltage: 18V, intrinsically safe p o w er  sup p ly;  (10 )   Ambient temperatu r e: 0 -  40; Relative  Humidity: 0 - 95% RH;   (11 )   Form of intrin sic  safety explosio n-p r oof:  Exib1.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  3093 – 3 099   3094 3. The Worki ng Principle of Remo te M onitoring Sy stem   There are four pa rts in th e monitori ng   system: (1 Do wn hol e monitori ng e quipme n lay e r; (2) d a ta colle ction a nd monito ring  lay e r; (3 ) ap plicatio n se rver layer; (4 ) the rem o te cli ent.   Figure 1 is th e long-ra nge  comm uni cati ons   system t o  monitor  sch e matic.       Figure 1. Lon g-rang e Com m unication s Systems to M onitor Schem atic      3.1. Do w n  Hole Monitori ng Equipment La y e r     Colle cting  d a ta from  b r a c ket sen s o r s of  workin g f a ce  un dergro und, eve r y p r essu re  comm uni cati on su b-statio n has RS -48 5  or CAN in t e rface, it can  conn ect with  undergro und  ring  Ethernet thro ugh NPo r t interface.  U n de r g r o u n d  s e c t io n us ed  tw o iso l a t ed  R S -48 5  B u s.  Comm uni cation  ma ste r   station  con n e c ted to  the  su rveyed a r ea   co mmuni cation  su b-station.  It can  b e   con n e c ted to  16   measuri ng  st ations. Su rve y ed area  co mmuni cation   su b-station take on different  m onitori ng   function s,  g e nerally a com m unica tion sub-station re spo n si ble  fo r monitori ng a mining  fa ce   a nd  road way. Ea ch  com m uni cation  su b-station c an  conne ct maxi mum 6 4  m onitorin g   sites,  extensio n or sen s or, whi c h can meet  the domes ti c larg e-scale  mines an d layout pre s sure   monitori ng n eed s. Differe nt types of  monito ri ng  si tes u s ed  a  unified  codi n g . Through  the  comm uni cati on proto c ol id entifier co uld  dist ing u ish different types o f  paramete r s.   Comm uni cati on maste r  e m bedd ed DE 311 commu ni cation inte rfa c e (NPort int e rface).In   addition to  su pport Ethe rn e t  (TCP/IP pro t ocol) dat a transmi ssion, it  also  su ppo rt  telepho ne lin or a  sin g le m ode o p tical fi ber  data tra n s missio n. Un derg r o und  co mmuni cation  maste r  statio n via   a telepho ne  line, single - mode fibe r or Ether n e t ring net wo rk could  con n e ct with g r o und  monitori ng se rver conn ecti on.    3.2. Data  Col l ection and  Monitoring L a y e r   The laye ca n re ceive  dat a that came  from   the und erg r ou nd ring   Ethernet rea l -time,  store d  in the monitor serve r /databa se  se rver. Th rough  information  analysi s  processing, it cou l Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Study on Me asu r ing a nd F o re ca sting of Fully Me ch an ized  Workin g Face  Roof…  (Yong Zh ang 3095 provide  re al-t ime data a n d  early warnin g, alar m i n formation. The  databa se  co uld up date a nd  ma in te n a n c e in  time ; it als o   r e s p on s i ble  fo r   s e n d i ng  r e a l - t ime da ta  to  th e we b   s e r v er . Fo r   different h a rd ware a r chite c ture and  o peratin sy st ems on  a ne twork  of  com puters,  TCP/IP  network  prot ocol has the  ability to com m unicate  each other, so the la yer and the underground   field control layer co mmun i cation s u s ing  TCP/IP protocol.      3.3. The Ap plication Ser v er  La y e r   This laye ca n be u s e d  to manag e web  page s, an make th ese  page s throug h a lo cal  netwo rk o r  th e Internet for  cu stome r  bro w ser. Re al-ti m e data of web se rver  get  information f r om  the data  coll ection  an monitori ng l a yer mo nitori n g  serve r  a n d  availabl e.  Web  serve r   coul d   acce ss mo nitoring  se rver d a taba se u s in g ADO.NET t e ch nolo g y.    3.4. The Remote Client    Accept  clien t  browse r re que sts, via the In tern et a c cess data  o f  applicatio servi c   layer [1].      4. Time Series Ba sic Alg o rithm   Time se rie s  has the abilit y to express  nonlin ear   cha r acte ri stics [2]. Applied tim e  seri es  theory analy s is and fo reca sting future p r essu re  ch a n ges, can ma ster the roof m o vement tren ds   and  reg u larit y , could  guid e  safe p r od u c tion. So th deci s io ns  ha ve som e  p r a c tical  si gnificance  [3-4].Time se ries m odel s h a ve four ba si c form s:  (1)  AR model: au toreg r e ssive  model;   (2)  (2)MA m odel:  moving-ave r age;   (3)  ARMA model : Auto-reg r e s sive Moving -Average   (4)  (4)A RIMA mo del: Autoreg r essive Integrated Moving  Average Mo d e l   Next, let’s ta ke A R IMA m odel fo r an  e x ample, to b e  discu s sed.  Assuming  a  ran dom  pro c e ss  with  d of unit root , after it passes th rough d  times the differential can  be tran sform e d   into a stationary autoreg ressive movi ng avera ge  pro c e ss. The  stocha sti c  process is  cal l ed   singl e wh ole autore g ressiv e moving ave r age p r o c e s s [2].  Consider the  following model:    t t d u L y L ) ( ) (                                                                           (1)    ) ( L whi c h is  a stationary auto r eg re ssive o p e rato r. The ro ot of  0 ) ( L  is greater  than 1.  ) ( L , it represents  reversible movin g  average operator. If we take:    t d t y x                                                                                       (2)    Equation (1)  can b e  expre s sed a s   t t u L x L ) ( ) (                                                                               (3)    It means tha t   t y  after a  d time differen c e, it could b e  rep r e s ente d  by a stabl e,  rev e r s ibl e   ARMA  proce s s t x After  d  time differen c e, random  process  t y  can b e  tran sform e d  into a smo o th,  rev e r s ibl e  st o c ha st ic  pr oce ss.   ) ( L , is a p - o r der  autoregre ssive  ope rato r, ) ( L , is the m o ving   averag e ope rator of q-o r d e r.  t y , is also  calle d (p, d, q)-o rde r  si n g le wh ole au toreg r e ssive  moving ave r age mo del,  denote d  b y ) , , ( q d p ARIMA .  A R I M A  pro c e ss i s   also  call ed  autore g ressiv e integ r ated  moving  averag e p r o c e ss.  d L ) ( , call  the g ene rali zed   autore g ressiv e operator.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  3093 – 3 099   3096 Whe n  p   0, d = 0, q   0,  ) , , ( q d p ARIMA  become s  the pro c e s s ) , ( q p ARIMA Whe n  d = 0, p = 0, q   0,  ) , , ( q d p ARIMA  become s  the pro c e s s ) ( q MA Whe n  d = q = 0,  ) , , ( q d p ARIMA  become s   the pro c e s s ) ( p AR And whe n  p = d = q = 0, t he  ) , , ( q d p ARIMA  pro c e ssi n g  become s  white noise pro c e ss;       5. Roof Inte grate d  Sy st em D y namic Monitorin g  Time Series Modeling  Method s a n d   Procedur es   The ba si c ide a  of the ARI M A model i s  to predi ct the  cha nging  of roof p r e s sure  as the   data seq uen ce  fo rme d  by  a ran dom   seque nce,  u s i ng a  math e m atical  mod e l  to d e scri be  the  approximate  seq uen ce. T h is mo del is  use d  to app roximate de scription of this sequ en ce. O n ce  the model is i dentified, the time  seri es can use the past value s  an d the pre s ent  value to pre d ict  future value s . Next, let us illustrate s the  time seri es m odelin g and fore ca sting p r oce dures. Thi s   method con s i s ts of the followin g  five steps:   (1) Data  Inspec tion  For fully mecha n ized co a l  mining face  working resi stan ce of su pport, it first shoul d   inspect  real -time data for data validation, testing ti me  seri es sampl e  stabilit y, normality, periodic,   zero-m ean, make   the   ne ce ssary data pro c e ssi ng.  If   the  time   seri es no rmality or smo o th  i s  not  enou gh well, it need for data co nve r sio n . Often  there a r two metho d s: a differen c e   transfo rmatio n (u sing the  transfo rm-Create Tim e  Serie s ) an d  logarithmi c  transfo rmati ons  pro c ee d (u sin g  the Tran sfo r m-Com pute). Generally  it sho u ld be re peating tra n sf orm, com p a r e,  until the data sequence norma lity, stability, to achieve a relatively optimal.                                                          Figure  2.  Tim e  Serie s  Mod e ling Steps    (2) Pattern Rec o gnition  Usi ng a u toco rrel a tion a nal ysis a nd p a rti a l co rrelation  analysi s , di scrimi nate mo del form  and o r de r, by analyzin g th e time se rie s   sampl e co m parin g them i ndividually an d cal c ulatin AIC   Call SPSS,  dat a  validation,  hi stogram ,  correl a tion  char t   Pattern  recogn i tio n ,   au to correl a tio n ,  p a rtial  co rrelatio n   di a g ram ,   p ara m eter estim a tion Mo d e ling   AR MA, calcu late AIC, SBC an ot he r param e t e rs   M odel  C h ecki n g   M odel  o p ti m i z a tio n ,  rec o n f i g uri n g   p,  d ,   q  va l u es Pre d iction m echanize d  m i ning  face  resistance bra c k et  future wor k Call  m echanized m i ning  face  real-tim e data  support resista n ce   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Study on Me asu r ing a nd F o re ca sting of Fully Me ch an ized  Workin g Face  Roof…  (Yong Zh ang 3097 values  (or S B C value ) whe n  AIC is the mi nimu m value  , th e mo del i s   determi ned.  Then   determi ne the  type form of the model, to determi ne p, d, q of order.   (3) Pa ramete rs e s timation   Usi ng maxim u m likelih ood  estimation o r  least sq ua re s estim a tion  method to e s timate  φ θ  para m eter  values  and si gnifica nce tests perfo rmed.   (4) Mo del test ing   Test n e w m o del is  wh ethe r re asona ble  or not. If  the test is  not pa ssed, the n  adj ust (p,  q)  values, re-est imate pa ram e ters  and te st repeate d  u n til get acce ptance date.  Ho wever, a b o ve   three  pro c e s se s of m odel  identificatio n ,  para m et er  estimation, te sting  co rre cti on can i n flue nce  each othe r, sometime s ne ed cro ss,  rep eated exp e ri ments, in o r d e r to ultimate ly determin e   the  model form.   (5) Mo del p r e d iction   Predi ction  ro of moving  st ate at  some  time in  th e fut u re, b a sed  o n  predi ctive  model to  cal c ulate the  predi cted val ue [5-6].       6. Roof Time  Series Prediction Engine ering Practic Figure 3 is #  2 stent s average workin g resi st an ce ra w data ma p, from fully mechani zed   coal fa ce in  a mine in Inn e r Mon golia,  Chin a. A tota l of 44 of the data set, the data colle cte d   once every five minutes. For the co nvenien ce of  d a ta pro c e ssi n g , the paper  sele ct each d a ta   colle ction tim e  interval of  1 hou r, unit is M PA. First,  the ra w data  applied SPS S14 software  for   autocorrelatio n  and pa rtial correl ation an alysis. Ge t Fi gure 4 a nd Fi gure 5. See n  from the Figu re   4 and 5, the sam p le  sequence data f r om the  correlation coeffi cient oscillat e s around  a fixed   hori z ontal,  a nd at  pe riod ic g r a dually  decrea s e s so it  can  kn ow th at the  time  se rie s  is  sub s tantially  stationa ry. So it can be use  ti me serie s  to predi ct the future data.              Figure 3. Average  Wo rki n g  Resi stan ce  Ra Data Figure  Figure 4. Autoco rrelation                    Figure 5. Partial Correl ation Diag ram   Figure 6. Foreca st Re sult Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 4, April 2014:  3093 – 3 099   3098       Figure 7. Foreca st Re sult Figure 8. Foreca st Re sult                       From SPSS table can be found in the autocorr elation coefficients  and partial correl a tion  coeffici ents.  Acco rdi ng to Coeffici ent de termine d  the model pa ram e ter value s . Here take p  = 8,   q = 1, usin g ARIMA (8,0,1 ) model. Figu re 6, 7, 8 sho w s the p r edi cted results.   Figure 6 fore ca st the date from 45 ho urs to 51 hou rs,  Predictin g da ta and actu al values  match ,   good ne ss of fit is better.   Figure 7 pre d i cts value afte r 55 hou r, go odne ss of fit i s  better  still good.   Figure 8 is foreca st value a fter 59 hou r,  the pre c i s ion  of predi ction redu ced.   Seen to be o v er time, it m u st allow the  syst em to re -lea rn, its accuracy will i m prove.  Table 1 give s the compa r i s on between p r edi cting valu e and the a c tual value.                                Table 1. Fo re ca st Re sults  No.  Actual  values  predicting  value |difference |  error   percenta g e   45 72.81   73.81   2.43 3.3375   46 70.47   70.38   1.77  2.5117   47 69.24   68.7  0.76  1.098   48 71.45   70  4.69  6.564   49 68.32   66.76   2.31  3.3811   50 65.31   66.01   4.79  7.334   51 72.47   70.1  0.86  1.1867   52 73.84   71.61   0.27  0.366   53 76.01   74.11   1.01  1.329   54 76.19   77.02   1.41  1.851   55 81.2  77.6  3.48  4.2857   56 82.4  77.72   3.74  4.5388   57 84.7  78.66   6.48  7.6505   58 85.6  78.22   8.76  10.2336   59 79.3  76.84   2.46  3.1021       7. Conclusio n   The ap plication of integ r at ed sy stem of   C/S+B/S of the net work t opolo g y enha nce th e   spe ed comu nicatio n   of mine  net wo rks,a s  we ll  as imp r ove  the entire  cont rol net work  comm uni cati ons reli ability. The  data  se nd to th e ri ng  Ethern e t un derg r o und  an d tran smit to   the   monitori ng ce nter of grou n d . Throu gh in formation  an alysis p r o c e s sing, it could  provide real -time  data and e a rly warnin g, a l arm info rmat ion.Using  tim e  se rie s  method s, we ca n better pred ict  mine  coal  ro of re sista n ce, maste r  the  roof movi ng  a nd chan ging  law. To  stren g thenin g  of roof  sup port and maintena nce,  red u ce se cu rity  incid ents,  guidin g  for  safe  pro d u c tion of  coal mine   enterp r i s e, ha s impo rtant practical sig n ifican ce.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Study on Me asu r ing a nd F o re ca sting of Fully Me ch an ized  Workin g Face  Roof…  (Yong Zh ang 3099 Ackn o w l e dg ements   This  work is  suppo rted by the Natu ral Sc ience Foun da tion of Shand ong Provin ce,  China   (Nu m be r: ZR2011EL 019 ).       Referen ces   [1]  Z hang Y ong.  Stud y   on i n teg r ated tech nol o g y   bas ed  o n  r oof d y n a mic  monitori ng. Qi ng Da o: Sha n   Don g  Univ ersit y  of scie n ce a n d  techno lo g y . 2 009.   [2]  Chatfie l d C. T h e ana l y sis of time series. Ne w   York: Ch ap man an d Hal l . 199 6: 91-1 10.   [3]  JIA Rui-sh eng,  SUN H ong-m e i, YAN  Xi an g- hon g. Mod e l fo r safet y   eval ua tion of c oal m i ne ro of bas e d   on evi d e n ce fu sion the o r y Jo urna l of Chin Coal S o ciety . 2 010; 35( 9): 149 6-15 00.   [4]  Li L i , Ch eng  Ji ulo ng. F l o o w a ter irru ption  p r edicti on  base d  on  inform ati on fusi on.  Jo u r nal of  Ch in a   Coal S o ciety . 2 006; 31( 5): 623 -626.   [5]  Z hou H ao, L i   Shao ho ng. C o mbin ation  of s upp ort  vector  machi ne  and  e v ide n ce th eor y in i n formati on   fusion.  Ch in ese Journ a l of Se nsors an d Actu ators . 2008; 2 1 ( 9): 1566- 15 70 [6]  Han J, Kamber M. Data Mining.  C once p t s  an d T e ch ni ques . S an F r ansisc o : Morg an K aufin an n   Publ ishers. 20 01: 30-4 2 [7]  Zhang  Yong, YAN X i ang- hong, Song  y ang.  T he co mp ute r  bracket  pres sure  mo nitor s ystem  of full y   m e ch an i z ed  co a l fa ce  i n  co al m i ne  b a s ed  on  C A N  Bu s . Procee din g s of the SNPD 20 0 7 . QingDa o 200 7: 317- 322.   [8]  Z hangY on g, Yan  Xi ang  Ho ng , Z hu Hon g  M e i, Son g  Ya ng.  Ethernet-b ase d  Co mp uter M onitor i ng th e   Roof Absciss io n Layer W i th E x perts F o recas t ing Syste m T he 5th Intern ati ona l Co nferen ce on F u zz S y stems a nd K n o w l e d ge Disc o ver y . Ji Na n. 2008: 62 2-6 26.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.