基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)

周先軍，何雪江，侯興濤，盛秋林

（湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)

周先軍，何雪江，侯興濤，盛秋林

（湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

文章分析總結(jié)了當(dāng)前數(shù)字礦山中物聯(lián)網(wǎng)的礦山安全現(xiàn)狀，提出一種固定感知與移動(dòng)感知相結(jié)合，孤立感知與聯(lián)合感知相結(jié)合的礦山安全系統(tǒng)方案，簡(jiǎn)要分析了該方案的科學(xué)性和可行性。

物聯(lián)網(wǎng)；礦山安全；物聯(lián)網(wǎng)

1 介紹

我國(guó)的能源現(xiàn)狀是多煤少氣缺油，而煤礦生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜惡劣，井下用人多而且人員集中，安全設(shè)備比較陳舊，安全監(jiān)控系統(tǒng)采用的技術(shù)比較落后，再加上運(yùn)行管理不夠，使得安全形勢(shì)不容樂觀。而煤礦安全關(guān)乎國(guó)計(jì)民生、關(guān)乎礦業(yè)工人家庭幸福。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建礦山安全系統(tǒng)，通過煤礦井下人員RFID管理系統(tǒng)確保井上井下的有效管理、溝通，在很多時(shí)候，礦難的發(fā)生毫無預(yù)兆，來不及疏散人群，對(duì)于被困在礦井中的工作人員來說，系統(tǒng)便會(huì)通過各傳感器的數(shù)據(jù)反饋及時(shí)了解到礦難發(fā)生區(qū)域的情況，將部分危險(xiǎn)地帶的通道自動(dòng)關(guān)閉，切斷部分可能引發(fā)更為嚴(yán)重事故的電源以及管道，防止發(fā)生火災(zāi)或者爆炸事故，避免被困人員受到更多的威脅。在礦井中安裝紅外入侵探測(cè)器，隨時(shí)了解到礦井內(nèi)是否還有生存者，而空氣質(zhì)量探測(cè)器也能隨時(shí)向控制中心發(fā)送環(huán)境質(zhì)量參數(shù)，在環(huán)境惡劣的時(shí)候，發(fā)出并且通過對(duì)相關(guān)傳感器的準(zhǔn)確定位，及時(shí)打通通道，對(duì)被困者進(jìn)行救援工作。

文章探索以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的礦山安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，著眼建立物聯(lián)網(wǎng)礦山安全系統(tǒng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)概念最早起源于麻省理工學(xué)院(MIT)的自動(dòng)識(shí)別中心（Auto-ID）1999年提出的射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)——把所有物品通過射頻識(shí)別等傳感設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能化管理。2009年8月7日，時(shí)任總理溫家寶視察無錫時(shí)提出“感知中國(guó)”理念，由此推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)從概念、政策、配套到技術(shù)研發(fā)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)儼然已掀起信息領(lǐng)域繼計(jì)算機(jī)、因特網(wǎng)之后的第3次技術(shù)風(fēng)暴。物聯(lián)網(wǎng)的特征是全面感知、可靠傳送、智能處理。該技術(shù)通過嵌入在物體、人體中的各種傳感設(shè)備、電子標(biāo)簽，使物體、人處于網(wǎng)絡(luò)在線狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

感知層，主要通過RFID、靜態(tài)傳感器、動(dòng)態(tài)傳感器等各類感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。感知和標(biāo)識(shí)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)必須能夠?yàn)榫滤杏袃r(jià)值物體提供感知服務(wù)，包括設(shè)備、人員、環(huán)境、工礦的監(jiān)測(cè)。各類靜態(tài)節(jié)點(diǎn)和以人、車輛為代表的移動(dòng)感知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成移動(dòng)感知平臺(tái)，通過感知網(wǎng)關(guān)接入局域網(wǎng)，執(zhí)行環(huán)境信息的感知。

網(wǎng)絡(luò)層，通過各種接入設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、蜂窩通信網(wǎng)、有線無線局域網(wǎng)的融合。網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備主要鋪設(shè)在地面，構(gòu)建覆蓋整個(gè)礦區(qū)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，以完成可靠傳輸。網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)是礦山物聯(lián)網(wǎng)的主干網(wǎng)，利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、煤礦移動(dòng)通信技術(shù)、M2M技術(shù)以及6LowPAN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)感知信息以IP為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)可靠傳送。全礦生產(chǎn)、安全等全部信息集成到控制中心，進(jìn)行各種智能信息處理，如信息融合、信息挖掘等。

應(yīng)用層，對(duì)礦區(qū)安全數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)礦區(qū)實(shí)施智能化控制和監(jiān)測(cè)，包含了礦區(qū)3DGIS、綜合自動(dòng)化、人員管理、視頻監(jiān)控、短信管理、礦區(qū)應(yīng)急指揮、調(diào)度系統(tǒng)等。當(dāng)某個(gè)事件發(fā)生時(shí)，及時(shí)作出反應(yīng)，應(yīng)用當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行指導(dǎo)和處理。另外，依據(jù)采集數(shù)據(jù)，對(duì)礦山安全生產(chǎn)形勢(shì)進(jìn)行評(píng)估、煤礦安全隱患排查。

3 礦山物聯(lián)網(wǎng)

煤炭生產(chǎn)工作場(chǎng)所黑暗狹窄，采掘工作面又處在移動(dòng)中，需要實(shí)時(shí)全面掌握礦區(qū)井上井下機(jī)電設(shè)備狀態(tài)及井下人員分布，對(duì)可能的礦體采空區(qū)變形、礦區(qū)有害氣體聚集、采礦工人身體異常變化等情況有效預(yù)測(cè)、及時(shí)干預(yù)。基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)，將感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、信息處理、信息管理等與當(dāng)代采礦緊密結(jié)合，構(gòu)成礦山中人與人、物與物、人與物均能緊密相連，動(dòng)態(tài)控制礦山安全生產(chǎn)的全過程。

井下無線覆蓋主要由無線接入點(diǎn) (AP)完成，多種支持WIFI的終端，如身份識(shí)別卡、無線攝像機(jī)、WIFI手機(jī)等，AP通過本安以太網(wǎng)延長(zhǎng)器或光纖耦合器，將接收到的終端信息發(fā)送給交換機(jī)，交換機(jī)通過光纖耦合器接入井下光纖骨干網(wǎng)，從而將終端的信息傳輸給骨干網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而傳輸?shù)降孛嬷笓]中心，達(dá)到井下綜合監(jiān)控和管理。井下個(gè)人安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由雙向個(gè)人信息終端、有線與無線通信網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用管理平臺(tái)組成。個(gè)人信息終端功能還包括：瓦斯/溫度監(jiān)控、匯聚傳感信息向上位機(jī)發(fā)送、向上位機(jī)發(fā)送呼救信號(hào)、監(jiān)測(cè)被困人員的生命活動(dòng)跡象、接收調(diào)度室發(fā)送的避災(zāi)路線等。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有體積小、數(shù)量大、布置靈活、不需單獨(dú)供電、不需要專人維護(hù)等特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于礦山，實(shí)現(xiàn)礦山設(shè)備信息、環(huán)境信息、井下人員信息與定位信息及時(shí)地傳輸給地面監(jiān)控中心，為井下視頻、VOIP等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)搭建基礎(chǔ)平臺(tái)?；谖锫?lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)為：感知層網(wǎng)絡(luò)是WSN、RFID，骨干傳輸網(wǎng)通常由千兆工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成，完成信息的集成傳輸。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)方案

物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際使用，可以一方面在礦山部署固定感知節(jié)點(diǎn)，此類節(jié)點(diǎn)不管有無礦工生產(chǎn)活動(dòng)，這類節(jié)點(diǎn)自動(dòng)成簇，監(jiān)測(cè)礦山的礦體移動(dòng)、氣體聚集、礦道應(yīng)力變化，此類數(shù)據(jù)著眼礦工的工作背景檢測(cè)；另一方面，礦工隨身攜帶或隨礦工移動(dòng)的設(shè)備裝配節(jié)點(diǎn)，這類節(jié)點(diǎn)隨礦工工作而變化位置，表征礦工的生產(chǎn)活躍情況，此類節(jié)點(diǎn)發(fā)送感知信息到其周圍的固定節(jié)點(diǎn)，此類節(jié)點(diǎn)由于與礦工活動(dòng)息息相關(guān)，所獲得的數(shù)據(jù)著眼礦工瞬時(shí)狀態(tài)檢測(cè)。

礦工隨身攜帶了感知設(shè)備，該個(gè)人信息設(shè)備成為礦工安全生產(chǎn)的孤立感知節(jié)點(diǎn)，在個(gè)人信息設(shè)備唯一運(yùn)行下，該設(shè)備需進(jìn)行高密度的信息采集和處理。在大多數(shù)生產(chǎn)場(chǎng)合，多個(gè)礦工的信息設(shè)備，或者單個(gè)礦工的信息設(shè)備與其周圍預(yù)置的固定探測(cè)節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系，形成合作感知。由于陰影效應(yīng)、多徑效應(yīng)等要素的客觀存在，單感知節(jié)點(diǎn)所獲取的信息可能比較片面，其探測(cè)率一般為0.7，漏警率為0.2；如果對(duì)某一特定的災(zāi)害事件，其周圍環(huán)境存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)（或固定或移動(dòng)），這將大大改善事件的探測(cè)率和漏警率。多個(gè)節(jié)點(diǎn)展開聯(lián)合探測(cè)，使對(duì)危險(xiǎn)事件感知的探測(cè)，探測(cè)概率達(dá)到0.9，而虛警概率小于0.1；當(dāng)對(duì)災(zāi)害的聯(lián)合感知確認(rèn)后，礦工執(zhí)行相應(yīng)災(zāi)害預(yù)案，短時(shí)間內(nèi)撤離，退避于相對(duì)安全的位置，或者災(zāi)害檢測(cè)預(yù)警解除。

5 結(jié)語

論文分析了基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)總體架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，提出基于固定探測(cè)與移動(dòng)探測(cè)相結(jié)合、孤立探測(cè)與聯(lián)合探測(cè)相結(jié)合礦山安全物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方案，并簡(jiǎn)要論述了該方案的具體特點(diǎn)。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無所不在和愈來愈成熟，構(gòu)建在這一平臺(tái)之上的礦山安全系統(tǒng)，將有效維護(hù)礦山安全。對(duì)煤礦生產(chǎn)環(huán)境下的人員、機(jī)器、設(shè)備實(shí)施實(shí)時(shí)全過程控制，以高效、安全、綠色開采為目標(biāo)。

Mine Safety System based on Internet of Things

ZHOU Xian-jun,HE Xue-Jiang,HOU Xing-tao,SHEN Qiu-lin,et al
(Institute of Electrical and Electronic Engineering,Hubei University of Technology ，Wuhan,Hubei 430068,China).

This paper analyzed and summarized the security status of IOT in current digital mines and proposed a safety system proposal for mines which features with the combination offixed perception and mobile combination and the integration of isolated,perception and joint perception,and briefly analyzed of the scientificity and feasibility of the proposal.

internet of things(IOT);mine safety;Internet of things

TP393.09

A

2095-980X（2015）02-0061-02

2015-01-15

本研究得到了武漢市科技局基礎(chǔ)研究計(jì)劃的資助（項(xiàng)目編號(hào)：2013012401010845）。

周先軍（1970-），男，副教授，主要研究方向：無線互聯(lián)、電力網(wǎng)絡(luò)。