物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)研究

伊廣璐

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

進(jìn)入21 世紀(jì)后，中國(guó)在世界工業(yè)4.0 改革發(fā)展潮流中，提出了與本國(guó)實(shí)際工業(yè)發(fā)展情況相一致的“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略計(jì)劃。煤礦行業(yè)作為支撐工業(yè)改革發(fā)展的動(dòng)力能源之一，需要做到為工業(yè)提供更具實(shí)質(zhì)的品質(zhì)化服務(wù)，因此，煤礦行業(yè)自身也需要進(jìn)行一番智能化改革。當(dāng)前，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入初步實(shí)踐階段，為煤礦產(chǎn)業(yè)的深化改革提供了一個(gè)有利時(shí)機(jī)，下面以此為出發(fā)點(diǎn)對(duì)主題展開(kāi)說(shuō)明。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.1 研究現(xiàn)狀

從我國(guó)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用方面分析，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以4G 通訊技術(shù)為基礎(chǔ)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)。從其特征方面分析，系統(tǒng)以集中控制為主，具體結(jié)構(gòu)是在井上設(shè)置主站控制中心，然后，在井下各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域設(shè)置測(cè)控分站；當(dāng)分站完成信息采集后，既可發(fā)送到主站，由主站對(duì)收集到的信息進(jìn)行分析處理，然后，再以控制命令的形式進(jìn)行分發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)控制。從材料與技術(shù)方面分析，主要的材料包括專用電纜與光纜等；其中通訊技術(shù)除了RS485、CAN 之外，還有工業(yè)以太網(wǎng)（目前，應(yīng)用呈增長(zhǎng)趨勢(shì)）；另外，在專用通信協(xié)議方面，目前，主要采用各自規(guī)定的方式達(dá)到對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)（信息和命令）的傳輸?shù)取?/p>

1.2 存在的問(wèn)題

當(dāng)前，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題相對(duì)較多，具體表現(xiàn)在硬件與軟件兩大層面。以硬件中存在的問(wèn)題為例：首先，當(dāng)前煤礦安全采用有線覆蓋方式，當(dāng)傳感器密度不大的條件下，系統(tǒng)的擴(kuò)展性能與覆蓋范圍會(huì)受到一定限制，從而造成系統(tǒng)覆蓋受限，并出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲目。以軟件為例，若要使各項(xiàng)技術(shù)在4G 一體化設(shè)計(jì)方案下實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展、延長(zhǎng)使用壽命，縮短產(chǎn)品更新?lián)Q代時(shí)間，則需要在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)組成部分之間，增強(qiáng)對(duì)接效用。另外，在基于4G 的一體化系統(tǒng)之中，維護(hù)管理已經(jīng)成為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)的重要保障，因而要求在信息通訊方面增強(qiáng)綜合信息化網(wǎng)絡(luò)管理能力。

2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

本次研究根據(jù)現(xiàn)行基于4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)體系中的運(yùn)用情況，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能做出說(shuō)明。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

根據(jù)要解決的問(wèn)題，本文建議在現(xiàn)行4G 一體化總體方案中，按照物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的萬(wàn)物互聯(lián)思路，增強(qiáng)綜合網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)能力。具體如下：首先，根據(jù)現(xiàn)有4G 綜合通信分站，將礦井無(wú)線通訊、應(yīng)急廣播、人員定位等進(jìn)行集中統(tǒng)一。具體操作中，可以將各個(gè)AP 的信息進(jìn)行集中化的預(yù)先處理，再使其傳輸?shù)街髡尽钠涮匦苑治?，首先，物?lián)網(wǎng)環(huán)境下煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即使在控制器失效的條件下，也能實(shí)現(xiàn)信息的上傳、傳輸、執(zhí)行、監(jiān)測(cè)等任務(wù)；因此，具有較高的抗毀性能。其次，取消分站，改用AP，優(yōu)化了信息傳輸環(huán)節(jié)，提高了扁平化程度，從而在信息傳輸處理的優(yōu)化層面增強(qiáng)了其應(yīng)用可靠性能。最后，在骨干通信網(wǎng)絡(luò)中，能夠?qū)崿F(xiàn)云計(jì)算中心的設(shè)置，從而達(dá)到對(duì)多元類型、多樣信息的分析處理，因而能夠應(yīng)對(duì)煤礦災(zāi)害的各種風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警，解決突發(fā)性、非線性，且需要大量運(yùn)算的監(jiān)測(cè)任務(wù)。因此，能夠有效解決當(dāng)前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中暴露的各類問(wèn)題。

2.2 主要部件與邏輯分站

目前，4G 一體化方案中的系統(tǒng)兼容性相對(duì)較好，因而可以從功能擴(kuò)展的角度，將公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備與各個(gè)AP 分站進(jìn)行“多網(wǎng)融合”，進(jìn)而提升“一網(wǎng)一站”服務(wù)效率。另一方面，在“多網(wǎng)融合”條件下提升信息服務(wù)效率的同時(shí)，可以在“一網(wǎng)一站”模式中，設(shè)置類似U 盤(pán)的功能，能夠更好地儲(chǔ)存信息，實(shí)現(xiàn)信息的移動(dòng)傳輸與自動(dòng)化傳輸?shù)?；這樣，AP 分站發(fā)生問(wèn)題時(shí)，還能夠利用其U 盤(pán)功能，更好地進(jìn)行獨(dú)立的信息處理。從預(yù)設(shè)邏輯分站的角度分析，AP 屬于邏輯意義上的分站，其組態(tài)功能依然以主站為主，但在組合層面具備更加靈活的組成模式，因此，在覆蓋完全的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)分站的優(yōu)化；而且，民地?cái)嚯娀驈?fù)電功能也能夠得到有效控制，無(wú)須主站系統(tǒng)控制，僅在局部?jī)?nèi)即可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)控制，因此，具有更高的可靠性與安全性能；由此，也形成了具有冗余控制器特征的邏輯分站。

3 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)

3.1 工作過(guò)程或原理

根據(jù)以上分析，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行體系架構(gòu)，包括：系統(tǒng)部件發(fā)現(xiàn)階段——系統(tǒng)組態(tài)階段——系統(tǒng)運(yùn)行階段——系統(tǒng)重構(gòu)階段。在發(fā)現(xiàn)階段，執(zhí)行器、控制器、傳感器，均能夠自動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主信息傳送；在系統(tǒng)組態(tài)階段，管理員根據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)的執(zhí)行器、控制器、傳感器可以進(jìn)行邏輯分站組合操作，從而進(jìn)行交叉控制，使1 個(gè)邏輯分站的控制域內(nèi)實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的安全監(jiān)控，并使各控制域?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立執(zhí)行，縮短控制信息傳輸距離，提升控制效率，減輕主站負(fù)擔(dān)，分化主站損壞可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 分層架構(gòu)

假定采用協(xié)議IPv6、無(wú)線傳感器、具有開(kāi)關(guān)量輸入功能的執(zhí)行器、具備冗余布置的控制器，那么，就可以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行體系分層架構(gòu)。具體如下：（1）在萬(wàn)兆網(wǎng)環(huán)中心層，可以將它與地面核心交換機(jī)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，而在AP 分站關(guān)聯(lián)層面，則增設(shè)一個(gè)綜合分站，這樣就可以使原有的AP 分站的獨(dú)立功能與綜合分站集中后的綜合功能明確區(qū)分，提升中心層萬(wàn)兆網(wǎng)環(huán)的信息處理量級(jí)，提升信息分析與反饋速度，使綜合網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)信息更全面。（2）在應(yīng)用支撐層設(shè)置M2M；（3）在網(wǎng)絡(luò)層設(shè)置骨干通信網(wǎng)與AP，從而滿足綜合分站對(duì)于AP 分站各項(xiàng)信息的直接收集與處理及反饋；這樣，中心層與AP 分站之間實(shí)際上形成了兩個(gè)層級(jí)的信息處理方案，并通過(guò)綜合分站進(jìn)行關(guān)聯(lián)，常規(guī)性信息可以在綜合分站進(jìn)行解決，復(fù)雜信息可以透過(guò)中心層進(jìn)行處理，即使當(dāng)AP 分站發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)后，也能夠利用設(shè)置好的U盤(pán)功能在中心層進(jìn)行獨(dú)立形式的大數(shù)據(jù)分析。（4）在目前的4G 一體化總方案中，可以將4G 專網(wǎng)、地面覆蓋、公網(wǎng)對(duì)接，高度通信系統(tǒng)，圖像監(jiān)控、精確定位系統(tǒng)，設(shè)備管理、生產(chǎn)管理各個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)行地面核心交換機(jī)與辦公網(wǎng)絡(luò)及即時(shí)通訊視頻會(huì)議方面的全面聯(lián)動(dòng)，進(jìn)而以中心層萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)的功能，促進(jìn)公共綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)各類信息的單元同步顯示，進(jìn)而提升整體上的煤礦安全監(jiān)控能力。

3.3 高效服務(wù)功能

在提升現(xiàn)行4G 一體化煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)功能后，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的萬(wàn)物互聯(lián)需求。同時(shí)，這種類似全息信息圖景的綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)功能優(yōu)化方案，在根本上能夠使中心層的數(shù)據(jù)信息處理與各個(gè)子系統(tǒng)的信息反饋顯示時(shí)間縮短，并在常規(guī)服務(wù)中實(shí)施針對(duì)AP 分站的獨(dú)立專項(xiàng)服務(wù)；而在整體的安全監(jiān)控服務(wù)中，則能夠達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)化的高效預(yù)警，并采取必要的應(yīng)急預(yù)案，使各個(gè)子系統(tǒng)同時(shí)收到與其專項(xiàng)服務(wù)相關(guān)的預(yù)警信息內(nèi)容，并提供對(duì)應(yīng)應(yīng)急方案。這樣，實(shí)質(zhì)上是優(yōu)化了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)體系，使其能夠在發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，做到科學(xué)合理、井然有序的預(yù)防措施應(yīng)用。另外，當(dāng)某個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，則能夠根據(jù)公共綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)反饋的信息進(jìn)行同步的影響因素分析，提升原因追溯效率，進(jìn)而從整體上實(shí)現(xiàn)局部問(wèn)題的解決，此種思路在實(shí)質(zhì)上解決因系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)隱患而引發(fā)的同類問(wèn)題重復(fù)發(fā)生問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)節(jié)下需要突出萬(wàn)物高效互聯(lián)屬性，將虛擬世界與現(xiàn)場(chǎng)世界進(jìn)行了深度融合，使二者之間找到結(jié)合契機(jī)，結(jié)合以上分析可以認(rèn)識(shí)到，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)，它的集中優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在性能方面；但是，從實(shí)踐應(yīng)用的角度分析，基于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)，其內(nèi)容相對(duì)復(fù)雜，在技術(shù)方面還需要針對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化與程序化的規(guī)程等做進(jìn)一步的統(tǒng)一分析，尤其是標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性制定問(wèn)題非常棘手，另外，封閉式的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下必然會(huì)逐漸走向開(kāi)放形式，在這種形式下，也需要從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全方面匹配相應(yīng)的安全技術(shù)。