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

姜 天

（北京航天試驗技術(shù)研究所 機(jī)電技術(shù)事業(yè)部，北京 100074）

0 引 言

煤礦作為工業(yè)生產(chǎn)的主要能源之一，其行業(yè)的發(fā)展對國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了至關(guān)重要的作用。煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，人員集中，安全隱患尤為突出，提升煤礦生產(chǎn)的安全性，確保施工人員人身以及企業(yè)財產(chǎn)安全，是煤礦行業(yè)共同關(guān)注的話題。目前，我國煤礦大多采用有線電纜的方式實現(xiàn)井下監(jiān)測和通信，這種方式布置成本高，維護(hù)難度大，且監(jiān)測系統(tǒng)、定位系統(tǒng)彼此獨(dú)立，功能單一，協(xié)調(diào)性差。所以，建立一套全方位的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，能夠便于觀察礦區(qū)地面及地下環(huán)境、電纜電路等的運(yùn)行情況。

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在煤礦安全生產(chǎn)管理中也開始運(yùn)用這種集成度高的信息系統(tǒng)，利用傳感器對礦區(qū)所有環(huán)境、設(shè)備、人員進(jìn)行全面監(jiān)測。礦區(qū)各類信息間的交互，實現(xiàn)了整個礦區(qū)的智能化管理，提高了其協(xié)調(diào)資源、統(tǒng)籌資源、合理利用資源的能力，同時也提高了安全生產(chǎn)能力。本研究結(jié)合客戶需求，分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)平臺架構(gòu)以及功能進(jìn)行了設(shè)計。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題

2010年，徐州市礦務(wù)局首次提出了智能化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦安全管理的理念，引起了國家礦物總局高度重視，并成立了對應(yīng)的科研機(jī)構(gòu)，這也標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始正式應(yīng)用于煤礦安全管理中。就目前而言，我國基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)還處于開發(fā)和嘗試期，存在很多亟待解決的問題。

1.1.1 系統(tǒng)健壯性差

首先，系統(tǒng)抗壓能力差。隨著信息量的逐步加大，系統(tǒng)訪問量也在提升，這些都會為系統(tǒng)增加較大的負(fù)擔(dān)，而由于受到系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)能力的限制，系統(tǒng)運(yùn)行不流暢，甚至引發(fā)系統(tǒng)癱瘓。其次，系統(tǒng)容錯能力差。在實際應(yīng)用時，一旦系統(tǒng)中的某項功能出現(xiàn)故障，就會對系統(tǒng)運(yùn)行造成影響。

1.1.2 缺少技術(shù)融合的整體解決辦法

雖然目前煤礦在安全管理方面運(yùn)用了很多現(xiàn)代化技術(shù)，但這些技術(shù)的應(yīng)用都相對獨(dú)立，并未有機(jī)融合，無法形成對安全監(jiān)測的全面管理，大大降低了解決問題的效率。

1.1.3 缺乏有效的數(shù)據(jù)分析及智能決策

目前，我國煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中的日常信息收集、統(tǒng)計、分析等功能還不完善，智能處理事物、實時報警等功能欠缺，大多仍依靠人工實現(xiàn)安全管理的相關(guān)操作，導(dǎo)致決策者獲得信息的及時性無法得到保證，甚至存在錯誤決策的可能。

1.2 對現(xiàn)有系統(tǒng)存在問題的解決方法

1.2.1 系統(tǒng)健壯性解決方案

采用分布式架構(gòu)模式，在不同的服務(wù)器上部署服務(wù)，建立起相對獨(dú)立的服務(wù)系統(tǒng)，用以解決系統(tǒng)容錯能力差以及抗壓能力不足的問題，從而最大限度地提高硬件資源利用率。

1.2.2 技術(shù)融合解決方案

采用全面系統(tǒng)的控制技術(shù)、通信計算機(jī)及現(xiàn)代管理技術(shù)，將生產(chǎn)全過程進(jìn)行統(tǒng)一控制，從而形成一個整體進(jìn)行管理。以此可提升企業(yè)內(nèi)部的管理水平與資源利用率。

（1）全面建設(shè)礦區(qū)的信息網(wǎng)絡(luò)；

（2）建立礦井人員定位及通信系統(tǒng)；

（3）運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的綜合智能化，對礦山進(jìn)行全面監(jiān)測和管理。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析及智能決策解決方案

煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)要具備數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計以及分析能力，并依據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果生成報告，提供智能決策解決方案。結(jié)合危機(jī)事件的類型以及種類，建立專家級別的指導(dǎo)系統(tǒng)，應(yīng)對各種危機(jī)事件，落實危機(jī)處理的全過程管理。

1.3 系統(tǒng)的性能需求

調(diào)查和分析是目前我國煤礦安全系統(tǒng)中普遍存在的不足，結(jié)合相關(guān)改善措施，提出建立的系統(tǒng)要遵循先進(jìn)、實用、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則。在此基礎(chǔ)上，完成煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的自動化，對井下情況進(jìn)行全程監(jiān)控，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和分析，確保數(shù)據(jù)的實時性、全面性和準(zhǔn)確性。另外，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)籌管理，以提升決策效率，避免發(fā)生安全事故。系統(tǒng)需按照總體部署、分步進(jìn)行的原則確定系統(tǒng)的性能需求。

1.3.1 建設(shè)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)中心

建立數(shù)據(jù)庫平臺，對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，并按照不同的硬件和軟件組合方式，對礦井的所有信息數(shù)據(jù)進(jìn)行全程收集，以便為日后分析判定突發(fā)事件提供有力依據(jù)。

1.3.2 建立監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享

在礦區(qū)內(nèi)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享和管理體系，以便對區(qū)域進(jìn)行集中監(jiān)控，同時方便礦區(qū)內(nèi)的從業(yè)人員隨時掌握井區(qū)內(nèi)的動態(tài)信息。

1.3.3 建設(shè)安全報警預(yù)防機(jī)制

利用報警信號的燈光、聲音提醒工作人員，以便其采取對應(yīng)措施。

1.3.4 增強(qiáng)分析數(shù)據(jù)的能力

對礦井的生產(chǎn)信息、現(xiàn)場各項設(shè)備的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，最終發(fā)布處理結(jié)果，方便決策人員能夠及時、準(zhǔn)確地做出判斷。

2 系統(tǒng)平臺架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)平臺架構(gòu)共有三層，如圖1所示。

圖1 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)平臺架構(gòu)

感知層網(wǎng)絡(luò)、骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)共同組成了感知與控制層，前者指無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)，如WiFi，WSN等；后者由千兆工業(yè)以太網(wǎng)組成。感知與控制層的功能是收集煤礦作業(yè)過程中的所有傳感信息等，在該層中每個子系統(tǒng)匯集在一起，通過全分布的方式與物聯(lián)網(wǎng)鏈接。

控制中心的信息處理、發(fā)掘、融合等借助信息集成與MES（Manufacturing Execution System，MES）層實現(xiàn)，而該層主要利用千兆工業(yè)以太網(wǎng)骨干的功能，實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的控制和監(jiān)測。

煤礦企業(yè)各部門利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)煤礦災(zāi)害預(yù)警與處理、供應(yīng)鏈的管理、安全生產(chǎn)的監(jiān)督與評估、設(shè)備診斷等，而這些也是管理決策與應(yīng)用層的主要功能。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

煤炭安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用和功能是對煤礦作業(yè)過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、統(tǒng)計、分析和處理，提供基礎(chǔ)決策，為監(jiān)管部門提供實時、準(zhǔn)確、全面的信息，以提高其管理能力，確保煤礦安全生產(chǎn)。設(shè)計煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)要結(jié)合自動化技術(shù)的要求，配備設(shè)備傳感器，同時還要考慮系統(tǒng)的規(guī)范性和開放性。結(jié)合系統(tǒng)的功能要求以及基本框架結(jié)構(gòu)，確定系統(tǒng)設(shè)計的總體方案。目前設(shè)計的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由五個部分構(gòu)成，每個部分的功能如下所述：

（1）網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)：該系統(tǒng)的作用是傳輸煤礦作業(yè)中的網(wǎng)絡(luò)信息。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過CAN總線實現(xiàn)井上井下的信息傳遞，有效解決移動通信網(wǎng)絡(luò)的局限性問題。

（2）用戶管理平臺：建立不同用戶的使用權(quán)限，通過身份驗證的方式實現(xiàn)不同權(quán)限用戶的資源與功能分配。

（3）礦井監(jiān)控子系統(tǒng)：利用數(shù)據(jù)、趨勢圖、表格等內(nèi)容實現(xiàn)對井下作業(yè)情況的監(jiān)控，具體包括七項子功能。

（4）專家子系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要用于處理突發(fā)事件，實現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案的制定、發(fā)布，并實時記錄落實情況。

（5）綜合數(shù)據(jù)管理平臺：該平臺的主要功能是實現(xiàn)企業(yè)的門戶網(wǎng)站數(shù)據(jù)管理、實時數(shù)據(jù)管理、在線設(shè)備管理等。綜合數(shù)據(jù)管理平臺是監(jiān)測系統(tǒng)的管理層，能夠?qū)崟r存儲井下監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)信息。

3.2 系統(tǒng)工作流程分析

系統(tǒng)的功能設(shè)計主要分為兩部分，即監(jiān)控子系統(tǒng)與專家子系統(tǒng)。前者的功能是對煤礦數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和傳輸，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的起點；后者的功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并以此判定煤礦生產(chǎn)環(huán)境的安全性，一旦發(fā)現(xiàn)危機(jī)事件，會及時預(yù)警并采取應(yīng)急措施。各子系統(tǒng)的具體工作流程如圖3、圖4所示。

圖3 監(jiān)控子系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié) 語

本文以煤礦生產(chǎn)過程中的安全監(jiān)控作為切入點，利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立了全面、系統(tǒng)、科學(xué)高效的煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)架構(gòu)、功能安全、性能需求的角度進(jìn)行逐一探討。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大大提高了煤礦安全管理的效率和水平，實現(xiàn)了預(yù)警數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、報告生成等功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。對煤礦井上井下的各種設(shè)備、人員、通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理，提高了資源利用率。煤礦作業(yè)帶有一定的特殊性，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠為安全生產(chǎn)帶來保障，雖然目前該技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用已經(jīng)取得了很好的成效，但還有諸多問題亟待解決。隨著新技術(shù)、新應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，我國媒體業(yè)的安全監(jiān)測系統(tǒng)將會越來越完善、科學(xué)，不僅能夠提高煤業(yè)生產(chǎn)的安全性，還能確保煤礦企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

圖4 專家子系統(tǒng)工作流程圖