無線物聯(lián)：為煤礦安全生產(chǎn)保駕護航

房衛(wèi)東　熊勇　付文俊　李長錄

煤礦工業(yè)安全現(xiàn)狀

我國是一個煤炭大國，已探明煤炭存儲量居世界第三，煤炭開采量世界第一。因國家能源對煤炭的依賴程度很高，煤炭工業(yè)在我國國民經(jīng)濟領域發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而近年來，諸多煤礦特大事故的發(fā)生令人觸目驚心，嚴峻的安全生產(chǎn)形勢迫使煤炭企業(yè)在國家政策的強力支持下，尋求煤礦安全生產(chǎn)信息化解決方案和相關產(chǎn)品。

為了減少煤炭安全生產(chǎn)事故，提高煤炭企業(yè)的科技水平，國家將自動化、信息化、數(shù)字化礦井列入煤炭行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確要求加大高科技投入，強制煤礦生產(chǎn)必須配備瓦斯監(jiān)控、視頻監(jiān)控、井下通信和人員定位等信息設備。

對煤炭行業(yè)而言，完整的生產(chǎn)安全檢測措施不僅能有效提高煤礦生產(chǎn)效率，更是煤炭安全生產(chǎn)的重要保障。煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)通常需要對井下內(nèi)部多種指標進行數(shù)據(jù)采集，如溫度、濕度、各種氣體濃度及粉塵等。

現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)一般都采用有線方式，進行礦下環(huán)境信息傳遞。而隨著煤炭生產(chǎn)挖掘、井下結(jié)構(gòu)變化，坑道空間變得越來越狹窄，此時有線通信線路維護和延伸會更加困難，一旦線路發(fā)生故障，整個監(jiān)測系統(tǒng)也隨之癱瘓。

目前，煤礦自動化系統(tǒng)技術應用在煤礦安全生產(chǎn)中，還存在諸多問題：首先，感知手段傳統(tǒng)單一，如瓦斯傳感器還是以傳統(tǒng)笨重的催化元件為主，沒有MEMS微機電化集成傳感器。

其次，缺乏泛在感知網(wǎng)絡，基本沒有統(tǒng)一的地下無線覆蓋感知層網(wǎng)絡，不能適用于煤礦流動作業(yè)，危險源位置、分布、及其流動規(guī)律均不確定的場合，存在很大的感知盲區(qū)，無法做到無縫覆蓋。

另外，缺乏應用層面的信息融合，缺乏應用系統(tǒng)之間的聯(lián)動與信息融合、決策融合等問題。

此外，多學科交叉研究不夠，重大災害產(chǎn)生的機理，煤礦設備故障診斷與預測等多學科研究融合不充分等問題嚴重影響了煤礦安全生產(chǎn)。

最后要提出的是當前煤礦工業(yè)生產(chǎn)沒有充分考慮到節(jié)能減排。節(jié)能減排工作對中國可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，目前我國在節(jié)能降耗方面仍面臨很大壓力，節(jié)能降耗投入不足，煤礦安全生產(chǎn)中的節(jié)能減排重點項目建設滯后，導致煤礦安全系統(tǒng)能耗高、成本大，很難普及。

物聯(lián)網(wǎng)護航煤礦安全

煤礦安全生產(chǎn)關系到人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，各級政府一貫重視煤礦安全生產(chǎn)問題，并采取一定措施不斷加強安全生產(chǎn)工作。

由于煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)復雜，工作場所黑暗狹窄，人員集中，采掘工作面隨時移動，地質(zhì)條件的變化會使工作面不斷出現(xiàn)新情況和新問題，如果不及時采取相應的有效措施，可能會導致重大災害事故，給安全生產(chǎn)帶來隱患。

如何正確處理安全與生產(chǎn)、安全與效益的關系？準確、實時、快速履行煤礦安全檢測職能顯得尤為重要，有效進行礦工管理，保證搶險救災、安全救護的高效運作已刻不容緩。

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，當前煤礦生產(chǎn)的安全隱患很大一部分源于礦下信息采集不足、對事件情況掌控不力所造成。因此，煤礦工業(yè)安全管理的前提條件是有力的信息感知手段與可靠的信息傳輸設備。物聯(lián)網(wǎng)技術的出現(xiàn)，特別是各種新型感知方式的出現(xiàn)，為煤礦安全生產(chǎn)提供了有效保障。

物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知功能，可以利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息，可以有效感知礦下信息，從而采取相應措施；通過可靠傳遞，通過各種無線網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去，也為高效能源利用提供了便利。最后經(jīng)過智能處理，利用云計算，模糊識別等各種智能計算技術，對海量的數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制，可以建立具有現(xiàn)實意義的煤礦立體安全體系。

運用物聯(lián)網(wǎng)技術，可以積極推動煤炭生產(chǎn)安全化監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)、提升信息化水準，能夠大力促進煤炭行業(yè)的工業(yè)效率和安全保障，加快煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控信息化的步伐。

當前，具有典型物聯(lián)網(wǎng)技術特征的系統(tǒng)與設備涉及井下人員無線定位系統(tǒng)，無線自診斷催化燃燒式甲烷、電化學一氧化碳傳感器，無線催化燃燒式甲烷、一氧化碳便攜檢測報警儀等若干應用。

基于Zigbee的井下人員無線定位系統(tǒng)

進行井下人員跟蹤定位、實時監(jiān)控，可以有效管理人員安全，保障安全生產(chǎn)。由于煤礦工作場所的特殊性，采用無線通信的方式具有易部署、易維護、易實現(xiàn)的特點，被多數(shù)井下定位系統(tǒng)所采用。

Zigbee是一種近年來才興起的無線網(wǎng)絡通信技術標準，但基于此技術的通信產(chǎn)品和應用迅速得以普及并高速發(fā)展。Zigbee并不是完全獨有的、全新的通信標準，它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4（無線個人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)議標準，并在此基礎上進行了完善和擴展。其網(wǎng)絡層、應用會聚層和高層應用規(guī)范（API）由Zigbee聯(lián)盟進行制定。

Zigbee協(xié)議棧架構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀的網(wǎng)絡，每個節(jié)點的功能各有其特點（并非都相同）。為降低成本，基于礦用人員定位系統(tǒng)的大部分節(jié)點為子節(jié)點，在組網(wǎng)通信上，它只是某功能的一個子集，稱為精簡功能設備；而另外還有一些節(jié)點，負責與所控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設備（也稱為協(xié)調(diào)器）。

片狀結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡

以先進的Zigbee無線網(wǎng)絡技術為平臺，可以建立全新的井下人員定位安全系統(tǒng)。采用基于RSSI的測距技術，結(jié)合先進的節(jié)點定位算法，可以對井下人員進行比較精確的實時定位。其運行平臺——基于ARM處理器的嵌入式Linux系統(tǒng)，結(jié)合了ARM微處理器、嵌入式Linux、數(shù)據(jù)庫等技術，可以設計一套定位精度高、實時性強、功能完善的井下人員定位安全系統(tǒng)。

完成各部分程序的設計思路及實現(xiàn)過程包括串口通信、Socket網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)庫訪問接口等多個模塊。實現(xiàn)了真正意義上的井下人員實時定位，并依靠Zigbee技術自身的特點，徹底消除了人員漏檢現(xiàn)象。

基于路徑搜索的井下人員定位算法，充分考慮了井下結(jié)構(gòu)特點、井下人員運動分布規(guī)律和信號的傳播特性，運算量小、定位準確，適合井下環(huán)境的大規(guī)模部署，使管理人員能夠隨時掌握井下人員、設備的分布狀況和每個礦工的運動軌跡，以便于進行更加合理的調(diào)度管理。

當事故發(fā)生時，井下人員可以通過持有的定位卡片向地面機房求救，救援人員也可根據(jù)井下人員及設備定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)，迅速了解有關人員的位置情況，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率。

無線自診斷傳感器

煤礦井里甲烷和一氧化碳濃度指標的實時監(jiān)控和及時報警，對礦井安全管理起著重要作用。壽命長、抗干擾的甲烷、一氧化碳傳感器可在井底復雜環(huán)境中發(fā)揮更大作用。

傳統(tǒng)的傳感器采用電流、頻率等模擬量輸出，而全新設計的改進型傳感器采用全數(shù)字接口，極大地增加了信號傳輸?shù)目垢蓴_能力。

在內(nèi)部功能的設計上，對傳感器關鍵電路進行了優(yōu)化設計，大大提高了傳感器壽命，采用自適應靈敏度校準的功能，延長了傳感器人工校準的時間，并且大幅度提高了設備的靈敏度和準確率。

在板級功能上，對關鍵部位的電壓進行實時監(jiān)控，可以在第一時間內(nèi)檢查出電路問題，并及時向上位機報警，從而避免了數(shù)據(jù)的誤報。

在抗干擾能力上，從硬件設計，軟件設計，協(xié)議設計和傳輸線等各方面進行了改進，增強了系統(tǒng)糾錯能力以及提高了EMC抗干擾能力，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小了設備故障概率和出錯率。

該傳感器增加了無線傳輸模塊，可以在100米外將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線接入點，為井下無線傳感器網(wǎng)絡提供了軟硬件平臺，可以通過遠程無線傳輸數(shù)據(jù)到分站，實現(xiàn)傳感器設備的無線組網(wǎng)，為數(shù)據(jù)采集和傳輸提供了極大的便利。

最后值得強調(diào)的是，無線自診斷催化燃燒式甲烷、電化學CO傳感器的EMS抗干擾能力不低于3級。

無線便攜檢測報警儀

與固定的甲烷及一氧化碳監(jiān)控和報警系統(tǒng)相比較，便攜式報警儀在部署成本以及使用方面具有一定優(yōu)勢。

便攜式甲烷檢測報警儀采用熱催化敏感元件，單片機智能控制、帶四位數(shù)碼管顯示的礦用本安兼隔爆型檢測報警設備。適用于具有甲烷、煤塵等爆炸性混合物的煤礦井下環(huán)境。

與其它同類產(chǎn)品相比，便攜式甲烷檢測報警儀具有以下特點：穩(wěn)定可靠，智能化程度高；儀器設置與操作都十分方便，可用鍵盤調(diào)整儀器零點、靈敏度、報警點。

便攜式甲烷檢測報警儀具有無線收發(fā)模塊，無遮擋無線通信距離大于100米，1S內(nèi)可以發(fā)送和接受32組物理量測量值、時間、地址信息、儀器編號，具有信息無線上傳功能。其小巧美觀的便攜設計非常便于移動使用。

一氧化碳報警器采用單片機技術和高靈敏抗中毒型氣體傳感器，能自動適應環(huán)境的變化，自動修正傳感器的老化曲線，保持恒定的報警靈敏度。

一氧化碳報警器具備識別傳感器故障及提供高濃度氣體超限保護的能力。當傳感器由于老化而可能失去功能時，能自動識別并報警，有效避免了漏報。具有多種自適應能力；使用超高亮LED 數(shù)碼管顯示，直觀清晰；具有無線收發(fā)模塊，無遮擋無線通信距離大于100米，1S內(nèi)可以發(fā)送和接受32組物理量測量值、時間、地址信息、儀器編號，具有無線上傳功能。小巧美觀的便攜設計便于移動使用。此外，便攜式檢測報警儀的EMS抗干擾能力不低于3級。

溫家寶總理指出“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應用，搶占經(jīng)濟科技制高點”，標志著物聯(lián)網(wǎng)正式進入我國國家戰(zhàn)略層面。而煤礦安全生產(chǎn)涉及范圍廣、影響面大、社會敏感性強，同時也是社會生產(chǎn)力進步和企業(yè)文明的重要標志。利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)全面感知、可靠傳遞、智能處理、數(shù)據(jù)分析，實施智能化控制，建立具有現(xiàn)實意義的煤礦立體安全體系，對我國煤炭工業(yè)乃至整體國民經(jīng)濟的發(fā)展都具有至關重要的戰(zhàn)略意義。