基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)研究*

李 強，付玉平

(1.山西煤炭進出口集團有限公司, 山西 太原 030006；2.太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院， 山西 太原 030024)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)研究*

李 強1，付玉平2

(1.山西煤炭進出口集團有限公司, 山西 太原 030006；2.太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院， 山西 太原 030024)

針對目前煤礦行業(yè)信息與自動化標(biāo)準(zhǔn)缺乏、系統(tǒng)間孤立、信息資源不共享等現(xiàn)象，各種孤立的系統(tǒng)難以高效地發(fā)揮作用，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，綜合煤礦井下多方面信息，構(gòu)建一個關(guān)于人、環(huán)境、地理信息及調(diào)度指揮相互聯(lián)系、相互互動的安全監(jiān)控系統(tǒng)，更好地保障煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)。

煤礦；物聯(lián)網(wǎng)；實時GIS；綜合信息交換

0 引 言

經(jīng)過多年不懈努力，國內(nèi)煤礦自動化建設(shè)與信息化改造取得良好成效。當(dāng)前，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)都是煤礦生產(chǎn)必備的系統(tǒng)，各種信息化系統(tǒng)的應(yīng)用較好的保障了煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。但也須清醒看到，煤礦行業(yè)信息與自動化標(biāo)準(zhǔn)缺乏、系統(tǒng)間孤立、信息資源不共享等現(xiàn)象依然普遍存在，各種孤立的系統(tǒng)難以高效的發(fā)揮作用[1，3]。例如當(dāng)井下瓦斯超標(biāo)安全監(jiān)控系統(tǒng)會發(fā)出報警，調(diào)度室需要指揮現(xiàn)場人員撤離，但此時井下人員的具體分布情況是顯示在人員定位系統(tǒng)中的，而且調(diào)度決策需要電話、擴音廣播等傳達到現(xiàn)場?？梢钥闯觯@樣的體系中，人、環(huán)境、安全、通訊等各方面信息是相互孤立的，沒有有效結(jié)合，發(fā)揮綜合高效的安全防范與指揮作用。

礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方興未艾，它的出現(xiàn)與成熟運用，可有效解決上述問題。狹義物聯(lián)網(wǎng)是指連接物與物的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物品的智能識別與跟蹤管理;廣義物聯(lián)網(wǎng)則為信息空間與物理空間的融合，將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，建立物與物、人與物、人與人之間的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)高效的信息交互，并通過新的服務(wù)模式將各種信息技術(shù)融入社會行為[2，3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)強調(diào)“聯(lián)系”和“信息交互”，這一點恰恰符合煤礦安全生產(chǎn)的要求。因此，本文討論用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，綜合煤礦井下多方面信息，構(gòu)建一個人、環(huán)境、地理信息、調(diào)度指揮相互聯(lián)系、互動的安全監(jiān)控體系。

1 體系結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)礦山物聯(lián)網(wǎng)有以下幾個要點：

(1) 終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)化、智能化；

(2) 骨干和無線感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；

(3) 礦山地理信息的數(shù)字化，即礦山地理信息GIS與3D化，并以此作為礦山安全、定位等信息的綜合現(xiàn)實平臺；

(4) 綜合信息交換平臺，實現(xiàn)異構(gòu)信息綜合利用；

為此，如圖1所示，將整個系統(tǒng)在物理上劃為三層。首先是信息感知層，包括智能終端、傳感器等；其次是骨干和無線感知層，主要由交換機和無線接入點(Access Point ，以下簡稱AP)構(gòu)成；最后是軟件層，用來匯聚、分析、綜合展現(xiàn)各種信息并根據(jù)需要通過網(wǎng)絡(luò)層下終端發(fā)出相應(yīng)的命令信息。

在整個系統(tǒng)中，通過網(wǎng)絡(luò)層各種信息可以匯集傳至地面得以利用，而其中的無線網(wǎng)絡(luò)可以使原有的骨干網(wǎng)絡(luò)得以延伸到井下每一個角落，而且其無線的特質(zhì)使其更不會因為工作面施工經(jīng)常性地遭到破壞；智能終端是指內(nèi)置處理器、通信模塊、傳感器、定位模塊的礦燈，通過它可以實現(xiàn)礦工精確實時定位，環(huán)境信息、礦工體征信息采集發(fā)送以及礦工與井上監(jiān)控調(diào)度人員的短信互動；軟件層則相當(dāng)于一個大腦，將所有井下的安全、人員、設(shè)備、環(huán)境信息匯集到一起，并作分析，最后通過GIS平臺展現(xiàn)出這些信息，最終實現(xiàn)人、環(huán)境、地理、設(shè)備信息的綜合關(guān)聯(lián)顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

系統(tǒng)采用基于802.11a/b/g協(xié)議的WiFi網(wǎng)絡(luò)，利用無線AP對煤礦井下進行無線覆蓋。系統(tǒng)中所使用的AP支持802.11a/b/g協(xié)議，速率可達54,48,36,24,18,12,11,5.5,2,1 Mbps。工作在2.4 G的ISO 國際公用頻段，支持無線信道1-11。系統(tǒng)之所以采用WiFi網(wǎng)絡(luò)，主要考慮其相對于藍牙或ZigBee技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)信號強、帶寬大、傳輸速率快等優(yōu)點，能夠滿足人員定位的需要，還可以傳送實時的語音、圖像等信息[6-8]。

由圖2所示，無線接入點AP分為根AP(root AP)和普通AP。根AP通過有線以太網(wǎng)與服務(wù)器通信，并且根AP可作為普通AP的基站，負責(zé)中轉(zhuǎn)普通AP的信息；多個普通AP與一個根AP可組成無線網(wǎng)格(MESH)，信息的跳轉(zhuǎn)可多達十幾跳，但是考慮到跳數(shù)與帶寬衰減成正比關(guān)系，本設(shè)計方案中信息的跳轉(zhuǎn)最多經(jīng)過3跳。系統(tǒng)借助井下已有的主干以太網(wǎng)實現(xiàn)AP與服務(wù)器的互通，此方案既節(jié)省資源又減少了煤礦井下設(shè)備、線路多的情況。普通AP通過MESH連接根AP進行無線覆蓋，也減少了網(wǎng)線覆蓋的繁瑣工作。

AP組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)拓撲的形成是全自動的，AP會不斷檢測其工作環(huán)境和上行鏈路的帶寬狀況，自動地、實時的選擇最佳的回傳路徑。當(dāng)有線級聯(lián)的接入點(AP)之間的有線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題或者某些接入點(AP)出現(xiàn)故障， Mesh功能將會極大可能的使得整個無線網(wǎng)絡(luò)具有最佳的性能和最好的穩(wěn)定性和可靠性，同時，Mesh功能使得整個無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式可以選擇有線、無線和有線無線結(jié)合等，更加豐富組網(wǎng)技術(shù)。

圖2 無線接入點組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2 智能終端

在現(xiàn)有系統(tǒng)中礦工屬于被動得到環(huán)境狀態(tài)，礦工無法實時或及時獲取周圍的環(huán)境信息并主動聯(lián)系；通過智能終端，礦工、調(diào)度、環(huán)境信息形成了有效的閉環(huán)，在此基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)的功能包括感知個人周圍安全環(huán)境(如瓦斯、環(huán)境溫度等)，人員精確定位與動態(tài)跟蹤，報警與信息顯示，緊急逃生指引等。

2.3 綜合信息交換

綜合信息交換軟件子系統(tǒng)用來確保煤礦所有安全生產(chǎn)、人員、設(shè)備、管理信息等復(fù)雜異構(gòu)信息在一個統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺存儲，在異構(gòu)條件下進行聯(lián)通與共享，能夠使不同功能的應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)系起來，協(xié)調(diào)有序運行，實現(xiàn)將采集的感知信息及時的處理并轉(zhuǎn)發(fā)給其他的應(yīng)用組件、程序，從而保證信息動態(tài)順暢的溝通。其主要結(jié)構(gòu)包括：

(1) 統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口。實現(xiàn)異構(gòu)分別傳輸信息的統(tǒng)一接入，保證信息的高效、有序、可靠和安全。

(2) 信息流預(yù)處理模型。系統(tǒng)中的信息流預(yù)處理模塊主要利用高速分布式索引技術(shù)、關(guān)聯(lián)分析等手段進行初步處理，在確保數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性的前提下，適當(dāng)去除冗余信息和降低后端信息交換及實時處理的復(fù)雜性和重復(fù)性，提高后端系統(tǒng)的魯棒性。

(3) 構(gòu)建統(tǒng)一時空實時信息庫。統(tǒng)一時空實時數(shù)據(jù)庫是各類信息存儲快速交換及融合的主要場所，主要對信息的基本屬性及動態(tài)屬性分別存儲，通過高速Hash表對動態(tài)屬性進行高速的讀/寫，具有時間、空間、環(huán)境特征。

2.4 實時GIS

目前，煤礦井下移動目標(biāo)定位系統(tǒng)基本是區(qū)域定位的模式，不能夠?qū)崿F(xiàn)井下任意位置的連續(xù)監(jiān)控定位，更不能在礦井地質(zhì)測繪圖中實時、連續(xù)、動態(tài)地顯示目標(biāo)位置及歷史運動軌跡。系統(tǒng)基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)乱苿幽繕?biāo)進行連續(xù)動態(tài)定位，并且采集礦工周圍環(huán)境信息，將實時感知的人員位置信息、周圍環(huán)境信息、地理空間信息、網(wǎng)絡(luò)覆蓋信息與人員呼救信息的相融合，基于數(shù)字礦山、地理信息技術(shù)，在礦井實際測繪成果圖中動態(tài)實時地定位人員及機車位置，查詢目標(biāo)歷史軌跡并動態(tài)回放于電子礦圖上，形成一個實時GIS系統(tǒng)為煤礦安監(jiān)、調(diào)度部門提供實時監(jiān)控井下礦工的活動狀態(tài)及周圍環(huán)境狀況的信息平臺，為分析井下移動目標(biāo)運行情況、災(zāi)后應(yīng)急救援提供一個綜合動態(tài)的信息展示平臺和歷史資料查閱平臺。

3 結(jié) 論

平臺通過利用智能終端、無線感知網(wǎng)絡(luò)、綜合信息交換和實時GIS等技術(shù)，構(gòu)建了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)控體系，將煤礦工人信息、環(huán)境信息、地理信息、各種傳感器信息和指揮調(diào)度并綜合展示和交互，形成了一體化的監(jiān)控和指揮平臺，可以更好的保障煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)在山西霍爾辛赫煤業(yè)有限公司投入使用，取得了較好的效果。

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國家自然科學(xué)基金項目(51344002)、山西省青年基金項目(2013021029-1)、太原科技大學(xué)博士科研啟動基金項目(20122006)..

2014-05-28)

李 強(1971-)，男，山西交口人，大學(xué)本科，高級工程師，主要從事煤礦安全技術(shù)研究與管理方面的研究。

付玉平(1983-)，男，山東鄆城人，博士，講師，主要從事礦山壓力與巖層控制及災(zāi)害防治方面的研究。