基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字式煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)研究

程文嶺

摘? 要：我國煤礦的工作條件非常復(fù)雜，瓦斯、煤塵、頂板、水災(zāi)、火災(zāi)等環(huán)境因素非常不穩(wěn)定，其中的安全風(fēng)險也很大。因此，改進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)是確保煤礦生產(chǎn)的重要手段。文章簡述了現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)存在的不足，列舉出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字化煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。促進(jìn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的綜合監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，并實現(xiàn)了數(shù)字煤礦安全監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);煤礦安全;監(jiān)控技術(shù)

中圖分類號：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0160-02

Abstract： The working conditions of coal mines in China are very complex， and the environmental factors such as gas， coal dust， roof， flood， fire and so on are very unstable， in which the safety risk is also very large. Therefore， improving coal mine safety production technology is an important means to ensure coal mine production. This paper briefly describes the shortcomings of the existing coal mine safety measuring and monitoring technology， and enumerates the application of the Internet of things technology in the digital coal mine safety monitoring system， thus promoting the construction of the comprehensive monitoring system based on the Internet of things， and realizing the development and application of digital coal mine safety monitoring technology.

Keywords： Internet of things; coal mine safety; monitoring technology

1 概述

我國的煤礦有著復(fù)雜的地質(zhì)條件，主要是以井工煤礦為主，煤礦的數(shù)量和產(chǎn)量都很高，很容易引發(fā)和造成災(zāi)難。礦井企業(yè)的未來發(fā)展方向是信息化和數(shù)字化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有助于建設(shè)數(shù)字式煤礦，而且有助于實現(xiàn)全球感官環(huán)境，實現(xiàn)移動目標(biāo)，協(xié)調(diào)控制、操作和管理，最終改進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營和決策。

2 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)通過諸如射頻識別、監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)、人員位置監(jiān)測、視頻監(jiān)視、物理化學(xué)傳感器等信息檢測裝置，將各部分連接到互聯(lián)網(wǎng)，以便根據(jù)商定的協(xié)議進(jìn)行信息交換與對接。最后，實現(xiàn)了智能識別、定位、追蹤、監(jiān)視和管理，這其中包括在互聯(lián)網(wǎng)上建立商品之間的聯(lián)系，交換和交換信息。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)模式包括四種類型：智能控制應(yīng)用于工業(yè)或工業(yè)客戶企業(yè);智能控制應(yīng)用公共客戶;數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)測;定位跟蹤行業(yè)或企業(yè)中的客戶。

物聯(lián)網(wǎng)的價值在于讓人與事物、事物和事物之間能夠進(jìn)行溝通。物聯(lián)網(wǎng)可以分成三個層次：感知層、底層、間隙層。感知層可以獲得在真實世界中的數(shù)據(jù)，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ)應(yīng)用對象陣列;下層是用于收集數(shù)據(jù)的感知層，中間層是用于傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層，上層主要是應(yīng)用，正常情況下，感知層包括數(shù)據(jù)采集、傳輸。通過傳感器等裝置獲取數(shù)據(jù)，然后通過諸如藍(lán)牙、紅外線、總線等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù)。網(wǎng)站現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)是構(gòu)成物理網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)。這也是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的延伸，正在通過各種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，如有線和無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等加以實現(xiàn)。由感知層收集的數(shù)據(jù)信息，并允許智能處理和分析，應(yīng)用層可以將工業(yè)要求結(jié)合起來，因為它是數(shù)字信息技術(shù)與工業(yè)專業(yè)技術(shù)之間的深層融合。體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)處理數(shù)據(jù)的特征，并且提供正確的決策，實現(xiàn)知覺和傳輸信息的智能處理，并為用戶提供豐富的特殊服務(wù)。

3 簡述數(shù)字化煤礦

“數(shù)字化煤礦”是計算機(jī)和各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組合，這些技術(shù)可以自動控制井下設(shè)備，并在網(wǎng)絡(luò)平臺上均勻提供井下環(huán)境信息和電器狀況信息。物聯(lián)網(wǎng)的核心就是網(wǎng)絡(luò)，新的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的特點是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)、模塊化。煤礦數(shù)字化的實施取決于為煤礦建立一個完整的四維地理信息系統(tǒng)，從而能夠建立一個三維煤礦地質(zhì)模型，一個二維電子礦井地圖，以及數(shù)字化地面物理模型。以可見和透明的方式管理煤礦的隧道。關(guān)于煤炭生產(chǎn)設(shè)施和生產(chǎn)進(jìn)展的實時數(shù)據(jù)，傳感器及監(jiān)視和監(jiān)視技術(shù)被用于動態(tài)監(jiān)視生產(chǎn)過程工作建造數(shù)字化煤礦可以創(chuàng)造一個更加安全和舒適的工作環(huán)境。這有助于控制整個生產(chǎn)過程管理。同時，虛擬設(shè)備的集成能夠?qū)崟r控制實地業(yè)務(wù)，大大提高煤炭生產(chǎn)的效率。提高企業(yè)的活力和競爭力、提高生產(chǎn)安全性，煤炭生產(chǎn)數(shù)字信息系統(tǒng)可以為煤礦企業(yè)提供技術(shù)支持。在煤炭工業(yè)中使用這兩種功能可以為煤炭生產(chǎn)提供必要的支持，并對生產(chǎn)進(jìn)行實時監(jiān)測和管理。還能預(yù)防突發(fā)自然災(zāi)害及相關(guān)事故并獲得智慧化生產(chǎn)，促進(jìn)我國采礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 現(xiàn)代監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)運(yùn)用中的不足

4.1 監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備水平參差不齊

中國礦產(chǎn)資源存儲量相對較大，是世界煤炭的重要產(chǎn)地。但是，國內(nèi)煤炭生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)水平以及安全防護(hù)等方面差別很大?？梢哉f中國目前煤炭生產(chǎn)的特點是中小型國有煤礦共存，這就使得管理煤礦部門煤炭生產(chǎn)的技術(shù)設(shè)備水平和安全生產(chǎn)質(zhì)量的監(jiān)管變得更為困難，相比于其他高水平的國家相差較大。自2012年以來，中國政府有關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)對煤炭行業(yè)的問題進(jìn)行了一系列的重組，但情況仍然危急。在中國少數(shù)大型煤礦中，許多煤礦沒有排氣設(shè)備。但是更為嚴(yán)重的是，30多家公司完全缺乏瓦斯氣體監(jiān)測系統(tǒng)，更不用說管理系統(tǒng)。同時，許多中小型煤礦，無論是生產(chǎn)設(shè)備還是監(jiān)視設(shè)備，都長期運(yùn)作，負(fù)荷過重，升級延誤，造成安全風(fēng)險增加。

4.2 安全生產(chǎn)現(xiàn)代化監(jiān)測監(jiān)控水平不理想

眾所周知煤礦處于困難的自然環(huán)境中，容易發(fā)生多種事故，煤礦安全事故的受害者人數(shù)始終是世界上最高的。瓦斯氣體事故在煤礦安全事故中尤為常見，造成大量人員傷亡，并對巷道和礦井設(shè)備造成無法估量的危害，這可以說是對生產(chǎn)作業(yè)的破壞，還對工作人員的生命和安全也造成威脅。由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，與煤礦生產(chǎn)安全有關(guān)的高難度因素，以及絕大多數(shù)煤礦生產(chǎn)環(huán)境，使得生產(chǎn)安全形勢更加嚴(yán)峻。中國絕大多數(shù)采礦生產(chǎn)仍依賴于勞動力，屬于勞動密集型行業(yè)，無論是采礦生產(chǎn)還是地下的安全監(jiān)控，都是由工人自己負(fù)責(zé)?，F(xiàn)代監(jiān)測和監(jiān)視的普及率很低，覆蓋率不到60%。由此可以看出，安全生產(chǎn)的監(jiān)測和監(jiān)視水平并不令人滿意。

5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字化煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

在煤礦生產(chǎn)和管理中使用煤炭物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大大降低了安全事故的可能性，提高了安全系數(shù)，保護(hù)地下室的人身安全，為我國煤炭工業(yè)的長期發(fā)展做出貢獻(xiàn)。在煤礦監(jiān)測和監(jiān)視系統(tǒng)中使用物理網(wǎng)絡(luò)，尤其表現(xiàn)在機(jī)械設(shè)備監(jiān)視方面，應(yīng)該是一個很好的例子。還包括故障診斷，實時監(jiān)測地下采礦和回收作業(yè)，以及三維定位和人員通信這些方面。

（1）以礦井環(huán)境的安全監(jiān)控為目標(biāo)，實時監(jiān)測礦井環(huán)境安全和各種環(huán)境參數(shù)，是基于物聯(lián)網(wǎng)的閉式在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要功能之一。環(huán)境參數(shù)通常包括氣體、正壓、負(fù)壓、溫度和密閉墻外的周圍氣體等，在收集完成這些數(shù)據(jù)之后，再由地面中心站進(jìn)行控制和超限報警處理發(fā)送。在互聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的幫助之下，可以對井下空氣中的氣體等進(jìn)行監(jiān)測，并對設(shè)備的運(yùn)行狀況、風(fēng)速、溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)對煤炭生產(chǎn)的實時、連續(xù)、遠(yuǎn)程管理。（2）對井下人員進(jìn)行實時安全監(jiān)控，電子數(shù)據(jù)應(yīng)按約定格式存入識別卡中。讀卡器和識別卡通過射頻發(fā)送非接觸式雙向數(shù)據(jù)，射頻信號通過發(fā)射天線發(fā)送。這個讀卡器的天線信號具有一定的有效區(qū)域范圍。當(dāng)識別卡到達(dá)這個有效范圍的時候，使用卡的內(nèi)置天線發(fā)送編碼信息，載波信號通過天線控制器發(fā)送到讀卡器。讀卡器利用工業(yè)總線對接收到的信號進(jìn)行解碼和設(shè)置，然后經(jīng)過總線將信息發(fā)送到各個分站。最后，讀卡器識別信息被傳輸?shù)降孛鎮(zhèn)鬏斀涌诨颦h(huán)形網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，并從采集程序處理并寫入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。（3）系統(tǒng)可以全面地進(jìn)行個人信息的采集，包括無線信息采集網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋到整個隧道，而有線網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)一步傳輸和處理數(shù)據(jù)。（4）物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控生產(chǎn)線的實時安全。工業(yè)電視監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是數(shù)字化煤礦的重要組成部分。它采用各種先進(jìn)的監(jiān)控設(shè)備，在井下安裝攝像頭，能夠全面監(jiān)控煤礦區(qū)、煤儲庫、輸送機(jī)和重要地面區(qū)域，監(jiān)控信息可以傳送到調(diào)度室。各個現(xiàn)場監(jiān)控管理人員能對各生產(chǎn)線進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。這個系統(tǒng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)，也是一個能夠不接觸測量煤炭產(chǎn)量來進(jìn)行計量的設(shè)備。這個系統(tǒng)通常用于煤礦開采中存在瓦斯或煤塵爆炸危險的場所，還能夠連續(xù)自動測量輸送帶上散料的流量和堆積重量。（5）基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)是利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)?？蓪⑷藛T位置監(jiān)測系統(tǒng)采集的氣體數(shù)據(jù)和人員信息上報、傳送至高級管理部門，能夠及時處理相關(guān)信息，能夠直接、快速地控制和管理下游煤礦的生產(chǎn)安全形勢，實時預(yù)測煤礦的潛在風(fēng)險，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，排除故障實施糾正措施，為進(jìn)一步的管理和決策提供數(shù)據(jù)支持。（6）通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，能有效地控制煤炭設(shè)備，確保不發(fā)生故障，并在出現(xiàn)問題時，可以自己發(fā)現(xiàn)并解決問題。很好地規(guī)避管理人員因管理不善而可能造成的不必要的風(fēng)險和損害。（7）井下采掘和道路監(jiān)控是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)的主要動力，我們利用礦井內(nèi)有限的網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器全覆蓋，在采掘和采集過程中對空間中的粉塵、一氧化碳等有毒有害物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，而且和通風(fēng)機(jī)、風(fēng)窗等設(shè)備有效控制空氣中的含氧量。（8）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三維定位和個人通信可以用于地下視頻和語言通信的漫游機(jī)制中，提高地下通信的效率和通信質(zhì)量，對于井下人員的位置進(jìn)行有效的監(jiān)控，通過三維定位，也可以直接看到井下人員的移動路線和分布情況，有利于各項工作的開展。（9）通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山的有效運(yùn)用，使得它向著信息化、自動化、智能化方向發(fā)展，極大地改變了傳統(tǒng)意義上依靠相關(guān)人員主觀判斷的方式。通過信息采集和感知技術(shù)等大規(guī)模數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了處理平臺的發(fā)展更加的優(yōu)越和高級。

系統(tǒng)的應(yīng)用積累了豐富的實踐經(jīng)驗，具有很好的示范作用。根據(jù)目前系統(tǒng)的運(yùn)行情況，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其成功應(yīng)用為下一步開展煤礦風(fēng)險研判及大數(shù)據(jù)分析提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐，為煤礦開展煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)積累了豐富的實踐經(jīng)驗，具有很好的示范作用。

6 結(jié)束語

我國煤礦監(jiān)控技術(shù)正處于發(fā)展初期，具有巨大的潛力和空間。如何從控制理念入手，全面學(xué)習(xí)國內(nèi)外優(yōu)秀典型的應(yīng)用案例并加以介紹和接收。同時，根據(jù)自身情況自主研發(fā)，也值得整個行業(yè)的關(guān)注。如今，人們越來越重視煤礦的安全開采，煤礦的安全開采直接影響到公司未來的發(fā)展，而煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以更好地定位煤礦開采中的移動目標(biāo)，煤礦數(shù)字化建設(shè)與相應(yīng)的技術(shù)相結(jié)合，加強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)和礦山環(huán)境實時安全監(jiān)控中的應(yīng)用，井下人員和生產(chǎn)的聯(lián)系，意識到了煤炭能源信息化的發(fā)展是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字礦山建設(shè)中的應(yīng)用，是實現(xiàn)煤礦綜合自動化發(fā)展的最終趨勢。

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