基于計(jì)算機(jī)編程的地下礦山實(shí)時(shí)在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

韓浩鳴

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

1 概 述

地下礦山的安全仍然是采礦業(yè)的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。近年來(lái)，中國(guó)煤礦的死亡人數(shù)逐漸減少，但安全問(wèn)題仍然存在，其中37%的煤礦事故是由地下的瓦斯或粉塵點(diǎn)燃和爆炸造成的。因此，安全始終是采礦作業(yè)中的一個(gè)重要問(wèn)題，最近的一些研究主要集中在改善地下礦工工作環(huán)境，安全和健康問(wèn)題在礦山運(yùn)營(yíng)管理和工程設(shè)計(jì)中應(yīng)該得到優(yōu)先考慮，以提供和維護(hù)一個(gè)安全和健康的工作場(chǎng)所。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，業(yè)界通過(guò)地理信息系統(tǒng)(GIS)輔助的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的礦山自動(dòng)化已被廣泛應(yīng)用于礦山安全開采。

地下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由地面網(wǎng)關(guān)和指定的地下傳感器節(jié)點(diǎn)之間的幾個(gè)到幾百個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，當(dāng)前通常采用ZigBee技術(shù)作為傳感通信媒介，盡管其只能提供較低的數(shù)據(jù)速率，但優(yōu)勢(shì)在于功耗低、且節(jié)點(diǎn)的安裝及維護(hù)簡(jiǎn)單，同時(shí)還能夠提供基于許多無(wú)線跳數(shù)的高性能節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)中繼)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，該方式可以實(shí)現(xiàn)任何接入點(diǎn)或中心節(jié)點(diǎn)在集群之間相互傳輸數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[1]中對(duì)ZigBee在地下礦山的意義與其他無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。

GIS是用于實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)分析的技術(shù)，用于捕獲、存儲(chǔ)、分析、管理和呈現(xiàn)與位置相關(guān)的數(shù)據(jù)，GIS允許用戶以多種方式查看、理解、提問(wèn)、解釋和可視化數(shù)據(jù)，以地圖、地球、報(bào)告和圖表的形式顯示相互關(guān)系、模式和趨勢(shì)。 當(dāng)前基于Web的GIS成為業(yè)界應(yīng)用的主流，該方式有助于解決網(wǎng)絡(luò)媒體技術(shù)層面的空間信息集成與共享問(wèn)題。相關(guān)研究人員在技術(shù)上利用GIS服務(wù)解決應(yīng)急及疏散等安全問(wèn)題[2]。

本文主要研究地下礦井中包含通風(fēng)管理和安全應(yīng)急的信息系統(tǒng)，主要介紹了基于ZigBee節(jié)點(diǎn)開發(fā)的系統(tǒng)集成，以感應(yīng)地下礦井環(huán)境，調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)，地面辦公室與礦工之間的通信。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果顯示，利用ZigBee實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)降低了電力消耗，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及地面和地下人員之間的雙向通信。如圖1所示為系統(tǒng)集成的地下監(jiān)控和通訊的架構(gòu)，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將溫度，濕度和氣體濃度等和環(huán)境屬性相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)傳送到地面控制中心的GIS管理服務(wù)器，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)ZigBee程序接收和存儲(chǔ)，然后提供給控制中心進(jìn)行操作；當(dāng)出現(xiàn)預(yù)警情況時(shí)，通過(guò)GIS管理服務(wù)器中的邏輯數(shù)據(jù)分析過(guò)程立即識(shí)別和響應(yīng)。本文主要介紹該系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)以及系統(tǒng)集成過(guò)程中的程序設(shè)計(jì)邏輯。

圖1 地下礦山監(jiān)控和通訊系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

2 ZigBee與GIS系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee已被廣泛應(yīng)用于煤礦安全領(lǐng)域，主要用于地下煤礦領(lǐng)域，通過(guò)在自動(dòng)抄表系統(tǒng)，安全系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制等支持與其他無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)基于IEEE 802.15.4協(xié)議，該協(xié)議描述了無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的物理和媒體訪問(wèn)控制層，物理層是網(wǎng)絡(luò)通信的硬件層，可以在不同的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。媒體訪問(wèn)控制層負(fù)責(zé)提供節(jié)點(diǎn)與其直接鄰居之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸和通信，他也避免了數(shù)據(jù)沖突，提高了網(wǎng)絡(luò)效率，因此ZigBee網(wǎng)絡(luò)性能的可靠性和安全性已經(jīng)得到了業(yè)界的驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[3]中的研究成果證明了ZigBee網(wǎng)絡(luò)在地下環(huán)境的狹窄空間顯著增強(qiáng)了兩個(gè)固定節(jié)點(diǎn)之間在特定距離上傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)強(qiáng)度。同時(shí)文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)果顯示了在不同開口處的地下監(jiān)測(cè)和通信系統(tǒng)中固定ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的分組傳輸?shù)姆€(wěn)定通信。在實(shí)際的系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，為了利用地下ZigBee應(yīng)用來(lái)感知環(huán)境和短信，需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度特定的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間；換句話說(shuō)，傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔是不同的，以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

2.2 地理信息系統(tǒng)

GIS主要完成對(duì)地理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、建模、檢索、制圖和分析的計(jì)算機(jī)程序。在該系統(tǒng)中，指定環(huán)境的空間特征在一個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行存儲(chǔ)和操作，GIS為用戶評(píng)估合并了多層所需的地理和空間數(shù)據(jù)，并有助于事先確定可能事件的地點(diǎn)和時(shí)間。圖2為GIS處理地下礦場(chǎng)數(shù)據(jù)的執(zhí)行周期圖，GIS服務(wù)器能夠管理和處理來(lái)自不同來(lái)源的大量屬性的數(shù)據(jù)，他還能夠在基于互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)的用戶之間分發(fā)和共享數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以被其他用戶保存，操縱或告知。 因此，GIS可以減少共享地理數(shù)據(jù)及其屬性的時(shí)間和成本[4-7]。

圖2 GIS數(shù)據(jù)處理周期和地下礦山的地理層次關(guān)系

2.3 系統(tǒng)集成

由于礦山結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性致使可靠和簡(jiǎn)單的通訊是安全高效的采礦作業(yè)目標(biāo)中的一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，通過(guò)技術(shù)集成方式解決高危、不穩(wěn)定及環(huán)境特殊的礦山安全監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高可靠性和支持多跳網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，ZigBee可以在地下礦山隧道節(jié)點(diǎn)和地面網(wǎng)關(guān)之間建立一個(gè)完整的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在該研究中，ZigBee監(jiān)測(cè)地下環(huán)境屬性的能力與地理信息相結(jié)合，為地下采礦的通信、運(yùn)行和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供潛在的應(yīng)用。

如圖3所示為系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理及結(jié)果管理邏輯圖，地下礦山所要求的網(wǎng)絡(luò)必須能夠交互地提供地面控制中心與所有地下無(wú)線節(jié)點(diǎn)之間的雙向通信。根據(jù)地下礦井不同變量參數(shù)(V1，V2，…，Vn)的極限值設(shè)置安全，瞬變和不安全的條件。因此，GIS管理服務(wù)器中的遠(yuǎn)程或自動(dòng)對(duì)策被安排用于控制換氣扇并向有關(guān)當(dāng)局發(fā)送警報(bào)或報(bào)警信息。另外，在緊急情況下，即時(shí)發(fā)短信息在地下人員和地面操作員之間雙向通信。在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，短信息通訊等已經(jīng)達(dá)到了所要求的安全健康效果，改善了地下采礦作業(yè)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的搭建

圖3 數(shù)據(jù)處理和結(jié)果管理流程

被測(cè)地下礦井的由WSN構(gòu)成的系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等不同的ZigBee節(jié)點(diǎn)組成。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最初由協(xié)調(diào)器(網(wǎng)關(guān))創(chuàng)建以加入其他節(jié)點(diǎn)，在協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備之間提供了雙向通信，以發(fā)送和接收由他們的傳感器瞬時(shí)獲取的消息和數(shù)據(jù)。具有感知環(huán)境能力的路由器被用來(lái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中繼通信，另外，地面協(xié)調(diào)員根據(jù)設(shè)計(jì)的軟件啟用通風(fēng)扇的收發(fā)信息和遠(yuǎn)程控制。為了建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)包傳輸?shù)墓暮透呖煽啃猿蔀槿藗冏铌P(guān)心的問(wèn)題；對(duì)于前一種情況，ZigBee節(jié)點(diǎn)被配置為在礦山處于安全和瞬態(tài)條件下延長(zhǎng)電池壽命的較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)；而在后一種情況下，為了避免網(wǎng)絡(luò)擁塞和數(shù)據(jù)包丟失的可能性，考慮不同的時(shí)間間隔來(lái)進(jìn)行環(huán)境感知的數(shù)據(jù)傳輸。

ZigBee節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器除外)的直流電和交流電(DC/AC)的功率使用分別設(shè)計(jì)為在電池和礦址電源下工作，因此，交流電的使用延長(zhǎng)了電池的壽命，并且ZigBee節(jié)點(diǎn)能夠在任何事故停電期間繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)遙測(cè)。 ZigBee節(jié)點(diǎn)可以持續(xù)幾天到幾個(gè)月的時(shí)間取決于他們的數(shù)據(jù)速率和應(yīng)用，如圖4所示為ZigBee節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)[8-9]。

圖4 ZigBee的組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)

3.2 環(huán)境數(shù)據(jù)感應(yīng)

通過(guò)無(wú)線監(jiān)測(cè)的方式對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，采用JN5148型數(shù)字式溫濕度復(fù)合傳感器，該傳感器具有較高的靈敏度以及穩(wěn)定性。通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)集成甲烷、氧氣、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物和二氧化硫濃度等傳感器對(duì)地下礦井環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行感知。其中傳感器被配置為單線通信以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)，該系統(tǒng)中主要對(duì)礦井中的二氧化碳濃度的測(cè)量作為井下安全評(píng)估的依據(jù)。

3.3 短指令控制

ZigBee節(jié)點(diǎn)通過(guò)與連接電腦或手機(jī)來(lái)發(fā)送和接收短指令，當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，通過(guò)如圖4中的無(wú)線發(fā)射模塊與地面操作員的無(wú)進(jìn)行通訊，同時(shí)地下礦井中的ZigBee單元可接收井上的控制指令完成對(duì)換氣扇的遠(yuǎn)程控制，通常將ZigBee節(jié)點(diǎn)置于箱子里，以盡量減少環(huán)境對(duì)其運(yùn)行的影響。

3.4 通風(fēng)控制

地下礦井通風(fēng)不足是礦井人員職業(yè)安全與健康的一個(gè)重要問(wèn)題。此外，在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上考慮了優(yōu)化供應(yīng)地下新鮮空氣的風(fēng)機(jī)功耗，因此，需要在通風(fēng)系統(tǒng)中增加輔助風(fēng)扇來(lái)改善在炎熱季節(jié)的空氣質(zhì)量。本文所提出的系統(tǒng)中，通過(guò)程序遠(yuǎn)程輔助控制風(fēng)扇的運(yùn)行，在PC端安裝控制程序，如圖5所示為連接風(fēng)扇的ZigBee節(jié)點(diǎn)的控制程序，通過(guò)不同的接口控制相應(yīng)的風(fēng)扇的運(yùn)行。

圖5 ZigBee控制端程序界面

4 結(jié) 論

本文通過(guò)WSN和GIS的集成實(shí)現(xiàn)了井下礦井監(jiān)測(cè)與通信的自動(dòng)化。通過(guò)實(shí)時(shí)地下監(jiān)控溫度、濕度和氣體濃度(CO2)、通風(fēng)系統(tǒng)控制以及面對(duì)用戶在緊急情況下的通信的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)地下礦井的實(shí)時(shí)在線安全監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)配備了自動(dòng)或遠(yuǎn)程觸發(fā)器測(cè)量環(huán)境屬性的行動(dòng)計(jì)劃，測(cè)得的數(shù)據(jù)根據(jù)氣體濃度、地面站點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)預(yù)警及通風(fēng)系統(tǒng)的控制。

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