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

甘慶華，何智華（中國(guó)四聯(lián)儀器儀表集團(tuán)有限公司，重慶　400700）

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

甘慶華，何智華
（中國(guó)四聯(lián)儀器儀表集團(tuán)有限公司，重慶400700）

摘要：針對(duì)我國(guó)煤礦安全事故時(shí)有發(fā)生的現(xiàn)狀及煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中存在的主要問題進(jìn)行了研究，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。先對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究，再對(duì)煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了架構(gòu)，最后進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng)；煤礦監(jiān)控；信息系統(tǒng)

1　引言

作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，煤炭在我國(guó)的一次性能源的生產(chǎn)和消費(fèi)中所占的比例分別是76%和69%。根據(jù)預(yù)測(cè)得知我國(guó)的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)到2020年仍將占到我國(guó)總體一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)的60%左右的比例，到2050年的時(shí)候仍將占到50%以上的比例煤礦開采是我國(guó)重要的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，煤礦的安全運(yùn)作對(duì)其起到了保證及推動(dòng)的作用。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，近五年來全國(guó)煤礦共發(fā)生了1340起一次死亡人數(shù)在3-9人的重大事故，每年平均發(fā)生270起，在全國(guó)各類重大安全事故起數(shù)中所占的比例是12%；發(fā)生218起一次死亡人數(shù)在10至29人的特大事故，每年平均發(fā)生44起，在全國(guó)各類特大事故起數(shù)中所占的比例是6%；發(fā)生43起一次死亡30人以上的特別重大事故，每年平均發(fā)生9起，在全國(guó)各類特別重大事故起數(shù)中所占的比例為的59%?？梢娙绾螛?gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)具有重大意義。

2　煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究起步較早，其取得研究成果也較為豐富，比如在20世紀(jì)末，加拿大國(guó)際鎳公司的研究員針對(duì)煤礦地下采礦設(shè)備的遙控指揮問題，研究設(shè)計(jì)了一種獲取地下數(shù)據(jù)的裝置，命名為“Horta”，該成果可通過激光陀螺儀對(duì)井下環(huán)境的掃描生產(chǎn)三維結(jié)構(gòu)圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井挖掘、運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)的遠(yuǎn)程控制。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Doherty等人在2000年針對(duì)煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中人員定位問題，通過研究提出了凸規(guī)劃定位算法，該算法通過將節(jié)點(diǎn)定位問題轉(zhuǎn)化為凸約束優(yōu)化問題來計(jì)算位置坐標(biāo)，其定位精確度比較高。澳大利亞工業(yè)研究所在2002利用虛擬建模語(yǔ)言研究了提出“礦井?dāng)?shù)據(jù)四維可視化”概念，并開發(fā)出了一個(gè)礦井的四維可視化平臺(tái)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了礦井地球物理、地質(zhì)等數(shù)據(jù)的圖片化展示，進(jìn)而形成了礦山的虛擬環(huán)境。美國(guó) Rabaey J等人在2002年針對(duì)物聯(lián)網(wǎng) RFID射頻技術(shù)中的定位問題提出 Robust position 定位算法，該算法引入了置信度來提高定位的精確性，但是該算法在系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中需要較長(zhǎng)的覆蓋時(shí)間。美國(guó)賓漢頓大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究室通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)接口協(xié)議的研究，在2005年前后分別提出了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的各類協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而規(guī)范了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3　煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是由3個(gè)層面組成。主要包括了感知層，具體說就是信息采集與施用層；傳輸層，就是數(shù)據(jù)信息的傳輸層；應(yīng)用層，也就是各類信息的管理應(yīng)用層。最底層的感知層主要包括各類傳感節(jié)點(diǎn)，主要功能是對(duì)煤礦的瓦斯含量、空氣濕度、煤礦粉塵和生產(chǎn)計(jì)量等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集；而傳感層的主要功能將各類傳感節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用層上；而應(yīng)用層主要是提供煤礦安全管理中應(yīng)用的各類管理應(yīng)用軟件，主要是完成對(duì)各類數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)和處理，分析以及應(yīng)用。下面將基于上訴的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合我國(guó)煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的問題，在上文需求分析的基礎(chǔ)上，對(duì)煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把與煤礦各類與環(huán)境、設(shè)備、人員等有關(guān)的傳感器，比如瓦斯、人員識(shí)別、濕度、計(jì)量設(shè)施等傳感器，裝備在煤礦的開采、利用、安全監(jiān)控等層面里，然后將各類傳感器節(jié)點(diǎn)連接到系統(tǒng)中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了煤礦企業(yè)安全管理工作與煤礦開采各環(huán)節(jié)的整合。接著將各類煤礦管理應(yīng)用工具同時(shí)融入到這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，用更加精細(xì)、動(dòng)態(tài)和智能的方式管理煤礦生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)的效率，進(jìn)一步改善煤礦安全生產(chǎn)條件，促進(jìn)煤礦企業(yè)的整體信息化水平的提高。通過以上分析，煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)層次，分別是感知與控制層、信息集成層及管理決策應(yīng)用層，結(jié)合企業(yè)需求分析，這里將在三層基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加入信息展示層，作為企業(yè)的門戶系統(tǒng)。

4　煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)需要保證各類異構(gòu)信息能夠在一個(gè)統(tǒng)一開放的平臺(tái)的運(yùn)行，其中各類異構(gòu)信息主要包括了設(shè)備、環(huán)境、人員、管理等信息，這些異構(gòu)信息能夠在這個(gè)系統(tǒng)順利的聯(lián)通及共享，進(jìn)而使得各個(gè)不同功能的軟件系統(tǒng)有序、協(xié)調(diào)的運(yùn)行。軟件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：信息資源的分類與采集、系統(tǒng)設(shè)置維護(hù)、數(shù)據(jù)檢索及統(tǒng)計(jì)、專題數(shù)據(jù)服務(wù)引擎與接口，以及三維建模分析，具體功能如下。

（1）系統(tǒng)設(shè)置維護(hù)。系統(tǒng)的設(shè)置維護(hù)需要對(duì)用戶與權(quán)限進(jìn)行管理、對(duì)操作日志進(jìn)行管理、還需對(duì)數(shù)據(jù)字典與編碼管理，以及數(shù)據(jù)備份等。

（2）信息資源分類采編。信息資源的分類與采編主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入與采集表單、圖檔的上傳下載、信息的分類編碼功能。

（3）數(shù)據(jù)檢索統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)的檢索統(tǒng)計(jì)功能主要包括了數(shù)據(jù)的綜合檢索、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、圖檔綜合檢索與數(shù)據(jù)與圖檔下載。

（4）三維建模分析。三維建模分析主要包括了三維建模引擎、三維圖形顯示和三維建模分析計(jì)算這幾大功能。

（5）專題數(shù)據(jù)服務(wù)引擎與接口。專題數(shù)據(jù)服務(wù)引擎與接口模塊的主要功能包括了作業(yè)監(jiān)督與調(diào)控、安全監(jiān)測(cè)、以及ERP與OA接口。

5　總結(jié)

本文在對(duì)通過分析國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀及物聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，指出了我國(guó)傳統(tǒng)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中存在的問題，以及我國(guó)煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)目前的缺陷。然后在此基礎(chǔ)之上結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出了相對(duì)完善的煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，并給出了其詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

作者簡(jiǎn)介：甘慶華（1976--），男，重慶人，研究方向，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面的開發(fā)工作。