礦山微功耗安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張達(dá)，王濟(jì)農(nóng)，冀虎，紀(jì)浩，趙云峰

（1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102608；2.北京礦冶研究總院，北京 100160；3.中國-南非礦產(chǎn)資源綜合利用聯(lián)合研究中心，北京 102608；4.中國-南非礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)利用“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 102608；5.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100160）

1 引言

目前，我國正在加速工業(yè)化建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進(jìn)程，而這些建設(shè)對我國礦產(chǎn)資源行業(yè)的供給能力和產(chǎn)品質(zhì)量提出了越來越高的要求[1]。在新的形勢下，綠色開采、智能開采、深部開采等已成為礦業(yè)行業(yè)的研究熱點(diǎn)[2-6]。隨著礦山開采強(qiáng)度不斷加大，開采深度日益增加，礦山面臨著更嚴(yán)峻的開采安全保障問題，成為制約我國礦業(yè)行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題[7-9]。

我國礦山企業(yè)大多已建立了人工或者在線安全監(jiān)測系統(tǒng)，如尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)、露天邊坡監(jiān)測系統(tǒng)或地壓監(jiān)測系統(tǒng)等。然而，受高溫潮濕、粉塵侵蝕、爆破沖擊、作業(yè)破壞、極端天氣等外界因素影響，或受傳感器質(zhì)量、頻繁斷電、通信故障、軟件兼容性等內(nèi)部因素的影響，現(xiàn)有“系統(tǒng)集成式”的礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)往往存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)混亂、運(yùn)行可靠性差和維護(hù)復(fù)雜性高等突出問題[10-13]。同時(shí)，這些安全監(jiān)測系統(tǒng)由于建設(shè)及運(yùn)維成本過高，僅適合在小尺度的局部范圍應(yīng)用，很難實(shí)現(xiàn)對礦山大范圍的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域內(nèi)潛在隱患的有效監(jiān)測。另外，現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)大多只是實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和展示等基本功能，并基于相關(guān)要求或工程設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行單閾值簡單報(bào)警，并未考慮監(jiān)測對象本身的工藝特性和結(jié)構(gòu)特性，容易造成誤報(bào)或漏報(bào)，難以保障安全監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警有效性[14-15]。

經(jīng)過多學(xué)科多年的努力，礦山的總體安全生產(chǎn)水平已得到顯著提高，但重大事故仍時(shí)有發(fā)生，安全形勢依然嚴(yán)峻[16]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)強(qiáng)調(diào)物物互聯(lián)，在微功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)[17-18]、智能化傳感單元[19-21]、柔性無線通信網(wǎng)絡(luò)[22-24]以及邊緣計(jì)算技術(shù)[25]等方面可以為礦山安全監(jiān)測提供有益的借鑒，憑借其多學(xué)科交叉融合特性為徹底解決礦山安全生產(chǎn)問題提供了全新的途徑[26-27]。

本文針對礦山企業(yè)安全監(jiān)測系統(tǒng)存在的可靠性差、覆蓋面小、成本高昂、維護(hù)不力、預(yù)警不準(zhǔn)等問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的最新成果，提出了一種新的礦山微功耗安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及成套解決方案。首先，自主研制了微功耗物聯(lián)網(wǎng)采集終端，可兼容接入各種標(biāo)準(zhǔn)的礦用監(jiān)測傳感器，在采用電池供電的情況下可連續(xù)工作2 年，也可通過捕獲光能、振動(dòng)能、溫差能等礦山容易獲取的微能量，實(shí)現(xiàn)對礦山監(jiān)測對象的大范圍、長時(shí)間、低成本監(jiān)測；其次，研究開發(fā)了安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的故障診斷與自愈技術(shù)，可對傳感器、數(shù)據(jù)采集終端、微能量捕獲系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)等進(jìn)行健康狀態(tài)的在線診斷和故障辨識，一旦出現(xiàn)故障，快速啟動(dòng)故障信息上報(bào)，并根據(jù)預(yù)設(shè)策略嘗試進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)，從而保障安全監(jiān)測系統(tǒng)的可靠運(yùn)行；再次，開發(fā)了礦山生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)路由、候選集選擇策略、能量捕獲預(yù)測和能量分配策略，使安全監(jiān)測系統(tǒng)在電池供電或本地微能量捕獲供電的情況下能夠在低能耗的前提下實(shí)現(xiàn)有效的無線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)上傳；最后，建立了基于工業(yè)混合云的礦山安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺，結(jié)合對礦山監(jiān)測對象的精細(xì)建模與數(shù)值模擬構(gòu)建了專家系統(tǒng)，并結(jié)合人工智能算法實(shí)現(xiàn)了對礦山監(jiān)測對象的異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測對象潛在隱患的臨災(zāi)預(yù)警。通過上述措施，構(gòu)建了具有低功耗、低成本、高集成度、易部署、高可靠和云端分析預(yù)警等優(yōu)勢的礦山安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)整體解決方案，為礦山生產(chǎn)作業(yè)安全提供有效的技術(shù)支撐。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

礦山微功耗安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對礦山開采過程中關(guān)鍵監(jiān)測對象的安全狀態(tài)的有效管控，需完成安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠、準(zhǔn)確獲取，高效、便捷上報(bào)及實(shí)時(shí)、智能分析。依照功能劃分，該系統(tǒng)總體上可分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層三層架構(gòu)，如圖1 所示。

2.1 感知層

感知層主要由礦用安全監(jiān)測傳感器、物聯(lián)網(wǎng)采集終端組成，主要完成礦山監(jiān)測對象的狀態(tài)獲取。

1)礦用安全監(jiān)測傳感器

礦用安全監(jiān)測傳感器是礦山安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的最前端節(jié)點(diǎn)，由于安全監(jiān)測參數(shù)種類眾多，難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，因此要考慮兼容常見傳感器廠商的接口和通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測系統(tǒng)的微功耗，安全監(jiān)測傳感器一般選用一次變送的微傳感器或傳感單元，針對礦山工作條件進(jìn)行二次封裝和專項(xiàng)防護(hù)，并強(qiáng)調(diào)智能分析和邊緣計(jì)算特性。這些傳感器具有體積小、價(jià)格低、功耗小的特點(diǎn)，適合大范圍、高密度的監(jiān)測應(yīng)用場合，以獲取被監(jiān)測對象盡可能全面的狀態(tài)信息，從而形成多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，支撐數(shù)據(jù)分析與智能預(yù)警應(yīng)用。

圖1 礦山微功耗安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2)物聯(lián)網(wǎng)采集終端

物聯(lián)網(wǎng)采集終端的作用是對礦山安全監(jiān)測傳感器輸出的物理信號進(jìn)行采樣，得到標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字信號；同時(shí)，結(jié)合故障診斷算法，提高安全監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)礦山安全監(jiān)測傳感器的布設(shè)密度及工藝要求，物聯(lián)網(wǎng)采集終端一般包括單通道或多通道2 種常見配置。

單通道物聯(lián)網(wǎng)采集終端主要用于監(jiān)測密度較小、在一定范圍內(nèi)僅需單一監(jiān)測參數(shù)或者相鄰監(jiān)測點(diǎn)之間不便于布設(shè)線纜的應(yīng)用場景。例如，在中線法筑壩尾礦壩的外坡表面位移監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測應(yīng)用中，若物聯(lián)網(wǎng)采集終端采用多通道，根據(jù)監(jiān)測臺網(wǎng)布設(shè)密度要求，必然需要在多個(gè)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)采集終端之間采用有線連接，這些線纜在不斷放礦沖刷條件下極易被破壞，而采用單通道物聯(lián)網(wǎng)采集終端則可將傳感器與物聯(lián)網(wǎng)采集終端就近安裝，大大減小工程布線量，提升系統(tǒng)的可靠性，并具有更好的適用性和性價(jià)比。與之類似，在尾礦庫庫水位監(jiān)測或降雨量監(jiān)測應(yīng)用中，在特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行單通道數(shù)據(jù)采集就可完全滿足監(jiān)測要求，也比較適合采用單通道物聯(lián)網(wǎng)采集終端。

多通道物聯(lián)網(wǎng)采集終端適用于多個(gè)鄰近傳感器之間具備良好的線纜連接條件，且在終端附近臺網(wǎng)監(jiān)測密度較大的場合。在這些場合下，單獨(dú)為每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)性價(jià)比偏低，且易造成通信系統(tǒng)的過度復(fù)雜和低效，增加系統(tǒng)整體功耗。典型的多通道物聯(lián)網(wǎng)采集終端應(yīng)用場景是礦山井下微震監(jiān)測系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)采集終端大多置于某一生產(chǎn)中段的工作面附近，如采場脈外巷道內(nèi)，并在終端附近安裝4～8 個(gè)通道的微震傳感器，構(gòu)成監(jiān)測臺網(wǎng)。由于各個(gè)傳感器處于不同的區(qū)域，且常不通視，若每個(gè)傳感器均采用獨(dú)立的單通道物聯(lián)網(wǎng)采集終端，則這些終端之間必然需要通過多跳的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，需增加額外的無線網(wǎng)絡(luò)中繼基站，一方面損失了網(wǎng)絡(luò)帶寬，另一方面也增加了成本和功耗。而采用多通道物聯(lián)網(wǎng)采集終端時(shí)，各個(gè)傳感器均可通過線纜接入終端，再將采樣后得到的數(shù)字信號以有線網(wǎng)絡(luò)形式就近接入礦山井下以太網(wǎng)絡(luò)，或者以無線網(wǎng)絡(luò)形式連接到接入點(diǎn)。

礦用安全監(jiān)測傳感器與物聯(lián)網(wǎng)采集終端之間多采用有線連接方式。物聯(lián)網(wǎng)采集終端與傳輸層之間優(yōu)先采用有線連接方式，必要情況下采用單跳或多跳無線通信方式就近接入有線網(wǎng)絡(luò)，尾礦庫在線監(jiān)測、邊坡安全監(jiān)測等地表應(yīng)用在有條件的情況下還可借助第三方運(yùn)營商的蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

2.2 傳輸層

傳輸層包含了用于數(shù)據(jù)通信的軟硬件，主要用于感知層和應(yīng)用層之間的監(jiān)測數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)及控制指令的上傳和下達(dá)。

物聯(lián)網(wǎng)采集終端具備有線通信和無線通信2 種數(shù)據(jù)傳輸方式，有線通信支持以太網(wǎng)通信、RS485串行總線通信及CAN（controller area network）總線通信，無線通信支持Wi-Fi、ZigBee、LoRa 及蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等。

在典型的井下安全監(jiān)測場景下，井下安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置有多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)采集終端，各終端的無線通信模塊構(gòu)成了井下MESH 網(wǎng)絡(luò)，可進(jìn)行柔性自組網(wǎng)通信，再通過數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)就近接入井下以太網(wǎng)。針對長距離巷道通信場景，由于井下MESH 網(wǎng)絡(luò)大多分布于巷道沿線，常形成鏈?zhǔn)綗o線通信拓?fù)溥M(jìn)行多跳無線通信，若終端之間距離較遠(yuǎn)或通視條件很差，還可能需要補(bǔ)充中繼通信節(jié)點(diǎn)以保障通信質(zhì)量。

在典型的地表安全監(jiān)測場景下，多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)采集終端常通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，光纖通信具有本質(zhì)防雷的特性，適合長距離信號傳輸，但容易被極端氣象條件或者人工活動(dòng)破壞，建設(shè)成本和維護(hù)成本高。為此，物聯(lián)網(wǎng)采集終端支持通過第三方運(yùn)營商的蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，建站成本低，終端數(shù)量增減靈活，運(yùn)維成本適中。隨著我國4G、5G 等移動(dòng)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步和數(shù)據(jù)流量資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的不斷下調(diào)，這種通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的解決方案逐步得到推廣普及。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析預(yù)警、安全監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)診斷及針對監(jiān)測對象的線上增值咨詢服務(wù)等，包括礦山本地安全監(jiān)測軟件平臺、部署在云端的礦山安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺及運(yùn)行在以上2 個(gè)平臺上的多種專業(yè)化功能插件，如數(shù)據(jù)采集插件、故障診斷插件、數(shù)據(jù)處理插件、三維展示插件、數(shù)據(jù)庫同步插件、系統(tǒng)發(fā)布插件、應(yīng)急救援插件等。

應(yīng)用層將感知層收集到的監(jiān)測對象狀態(tài)信息進(jìn)行自動(dòng)處理并基于人工智能技術(shù)及專家系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警，供安全分析專家或者生產(chǎn)管控人員用于對礦山安全管理和生產(chǎn)調(diào)度進(jìn)行決策。

3 安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)

本文提出的礦山微功耗安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)采集終端、無線節(jié)能通信模塊為核心硬件基礎(chǔ)，具有高集成度、微功耗等特點(diǎn)，適合礦山安全監(jiān)測應(yīng)用需求。

3.1 智能傳感器

本文以礦用智能型微震檢波陣列為例，闡述礦山低功耗安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的智能傳感器的技術(shù)要點(diǎn)。

礦用智能型微震檢波陣列框架如圖2 所示。相對于常規(guī)傳感器，智能傳感器內(nèi)置了微處理器，可實(shí)現(xiàn)波形預(yù)處理、在線分析診斷、遠(yuǎn)程控制等功能，從而實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算。本文研發(fā)了智能型微震檢波陣列，它是在常規(guī)的三向檢波器的基礎(chǔ)上，通過在每一個(gè)方向上疊加傳感器芯體，構(gòu)成多維檢波器陣列，從而在小體積的情況下保障了傳感器的高信噪比和靈敏度性能。智能傳感器可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的智能傳感器自動(dòng)辨識與ID 分配、自動(dòng)去噪及傳感器故障診斷、傳感器芯體靈敏度校準(zhǔn)等功能。

圖2 礦用智能型微震檢波陣列框架

礦用智能型微震檢波陣列核心模塊包括信號接入與阻抗匹配模塊和嵌入式濾噪模塊。其中，信號接入與阻抗匹配模塊安裝于微震檢波陣列內(nèi)部；嵌入式濾噪模塊疊加安裝于信號接入與阻抗匹配模塊頂端，該模塊兼具傳感器管理與故障診斷功能，是智能傳感器的控制核心。

礦用智能型微震檢波陣列的降噪原理如下。在檢波器敏感單元最大靈敏度方向上，安裝(n+1)個(gè)等靈敏度的檢波器敏感單元，檢波器敏感單元間距為d，同一振動(dòng)信號依次傳播到1～(n+1)個(gè)檢波器敏感單元。假設(shè)相鄰2 個(gè)檢波器敏感單元接收到振動(dòng)信號的相對時(shí)差為tΔ，則檢波器敏感單元拾取振動(dòng)信號在時(shí)域下疊加后的方程為

對方程進(jìn)行傅里葉變換，可得頻域下檢波器敏感單元拾取振動(dòng)信號的方程為

其中，v(ω)為v(t)在頻域下的表達(dá)式，j為時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域后的虛數(shù)單位，ω為傅里葉變換后的頻域變量。

由此可見，增加檢波器敏感單元后，其拾取振動(dòng)信號的總振幅比單個(gè)檢波器敏感單元的振幅增大了(n+1)倍，與信號的到達(dá)時(shí)間無關(guān)，只與信號的頻率和到達(dá)各敏感單元的相對時(shí)差有關(guān)。

下面，進(jìn)一步分析經(jīng)過組合的敏感單元所拾取信號中有效信號與隨機(jī)噪聲之間的關(guān)系。

已知輸入信號v(t)為有效信號和隨機(jī)噪聲的合成，可表示為

其中，s(t)為有效信號，n(t)為隨機(jī)噪聲。由于隨機(jī)噪聲的瞬時(shí)幅值是隨機(jī)的，并不確定，因此不能用隨機(jī)噪聲的瞬時(shí)幅值與有效信號振幅相比。因此選用均方值，通過描述隨機(jī)信號偏離其平均值的幅度大小，進(jìn)行信噪比（SNR）計(jì)算。

將信噪比定義為

其中，A為有效信號振幅，σ為隨機(jī)噪聲的均方值。

當(dāng)同一方向上的(n+1)個(gè)檢波器敏感單元進(jìn)行信號疊加后，輸出信號為

其中，疊加前的隨機(jī)噪聲均方值為

疊加后的隨機(jī)噪聲均方值為

其中，R為相關(guān)函數(shù)，有

如果有效信號到達(dá)各個(gè)檢波器敏感單元的震相相同，且檢波器敏感單元收到的隨機(jī)噪聲是互不相關(guān)的，則，計(jì)算疊加后和疊加前的信噪比比值為

可見，由于有效信號存在相關(guān)性，而隨機(jī)噪聲不相關(guān)，通過檢波器敏感單元信號疊加提高了信噪比。

本文基于丹麥B&K 公司的振動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)給定有效幅值固定、頻率（30～1 130 Hz）可調(diào)的振動(dòng)激勵(lì)，通過分析振動(dòng)臺上常規(guī)檢波器和智能檢波陣列的相關(guān)性，在頻域找到給定頻率激勵(lì)對應(yīng)的振幅均方根最大值，并根據(jù)最大值設(shè)定閾值，提取有效信號，以此分別測試不同頻率下檢波陣列的信噪比。

本文開發(fā)的智能傳感器基于檢波器陣列結(jié)構(gòu)和嵌入式信號處理算法，通過通道相關(guān)性提取有效信號，有效地抑制隨機(jī)噪聲干擾實(shí)現(xiàn)降噪，將信噪比提高1.4 倍，分別如表1 和表2 所示。表1 中，幅值閾值為30%，相干系數(shù)＞0.6。表2 中，幅值閾值為30%，相干系數(shù)＞0.8。

表1 檢波器疊加信噪比分析1

表2 檢波器疊加信噪比分析2

3.2 物聯(lián)網(wǎng)采集終端

智能傳感器獲取礦山監(jiān)測對象的狀態(tài)數(shù)據(jù)后，需要通過物聯(lián)網(wǎng)采集終端實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。本文圍繞礦山典型的安全在線監(jiān)測系統(tǒng)需求及其工藝難點(diǎn)與特點(diǎn)，針對尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)、邊坡監(jiān)測系統(tǒng)、地壓監(jiān)測系統(tǒng)、地下礦山安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”等典型礦山安全監(jiān)測應(yīng)用進(jìn)行概括凝練，提出了適合礦山安全監(jiān)測要求的新型的低功耗物聯(lián)網(wǎng)采集終端。

該終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要包括了核心處理器、外部接口模塊、傳感器及溫度采集模塊、按鍵及指示燈、溫濕度監(jiān)測模塊、碰撞跌落檢測模塊、無線通信模塊、微能量緩沖及儲能模塊、電量監(jiān)測模塊等主體功能模塊。

物聯(lián)網(wǎng)采集終端支持內(nèi)部電池供電與外部供電，甚至可通過能量捕獲裝置對礦山常見的光能、熱能、電磁能、溫差能、振動(dòng)能等微弱雜散能量進(jìn)行收集，為物聯(lián)網(wǎng)采集終端提供電能，大幅簡化了安全監(jiān)測系統(tǒng)的安裝要求和運(yùn)行維護(hù)要求。

另外，該物聯(lián)網(wǎng)采集終端具備完善的故障診斷能力，能夠?qū)χ悄軅鞲衅?、供電線纜、通信系統(tǒng)及自身運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線評估。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)采集終端硬件結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)采集終端采用了高集成度的核心電路設(shè)計(jì)，便于在礦山監(jiān)測對象中進(jìn)行大范圍高密度安裝應(yīng)用，配備內(nèi)置EEPROM 存儲器，確保在網(wǎng)絡(luò)通信失敗的情況下能夠?qū)?shù)據(jù)暫存于本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再同步到云端進(jìn)行處理及分析。

物聯(lián)網(wǎng)采集終端針對礦山常用的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等典型傳感器的工作原理、信號特點(diǎn)、通信協(xié)議、狀態(tài)特征及常見故障等進(jìn)行了總結(jié)提煉，針對傳感器失效、供電異常、線路損壞等典型故障建立了自檢測模型，如表3 所示。

所提終端采用了微功耗設(shè)計(jì)，通過能量緩沖管理、智能休眠喚醒及模塊功耗管理等方式，從軟硬件各個(gè)細(xì)節(jié)有效控制和降低了系統(tǒng)功耗。經(jīng)實(shí)測，在供電電壓為3.7 V 時(shí)，該裝置的靜態(tài)消耗電流僅為8.1 μA；在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，平均電流約為40 mA，完成時(shí)間為1.36 s；在監(jiān)測信息無線上傳時(shí)平均電流約為44 mA，完成時(shí)間為14.5 ms，其中峰值發(fā)送電流為130 mA，發(fā)送時(shí)間為1.7 ms；在進(jìn)行指令接收時(shí)平均電流約為35 mA，完成時(shí)間為3 s。在故障診斷與自愈功能每小時(shí)采集并上報(bào)一次的策略模式下，平均動(dòng)態(tài)電流消耗低于30 μA，若使用單節(jié)2.6 Ah 的14500 規(guī)格的鋰電池供電，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行壽命可達(dá)8 年以上，功耗測試的結(jié)果如表4所示。

表3 傳感器主要故障自檢模型參數(shù)

3.3 無線節(jié)能通信模塊

物聯(lián)網(wǎng)采集終端獲取的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)需要傳輸至數(shù)據(jù)分析與處理服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。本文在進(jìn)行無線通信過程中，充分考慮了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)采集終端的電能消耗狀態(tài)和電能剩余狀態(tài)，在電能較充裕時(shí)，以較高的壓縮率和傳輸速率進(jìn)行通信；否則，要相應(yīng)降低壓縮率和傳輸速率。

基于這一原則，建立無線通信網(wǎng)絡(luò)模型，并考慮傳輸節(jié)點(diǎn)在接收、轉(zhuǎn)發(fā)、采樣和壓縮數(shù)據(jù)過程中的能量消耗，動(dòng)態(tài)地在每個(gè)時(shí)槽內(nèi)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)地分配數(shù)據(jù)采樣速率并選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)壓縮策略，在保持節(jié)點(diǎn)電量不耗盡的條件下最大化網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)總量。

首先，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理策略進(jìn)行歸一化建模。假設(shè)一個(gè)基于數(shù)據(jù)壓縮的無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)數(shù)據(jù)收集sink 節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)有效通信半徑為R。用pj(t)和Cj(t)分別表示節(jié)點(diǎn)j在時(shí)槽t內(nèi)匯聚樹上父節(jié)點(diǎn)集合和子節(jié)點(diǎn)集合。假設(shè)在每個(gè)時(shí)槽t內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定地進(jìn)行采樣，記節(jié)點(diǎn)j的采樣速率為rj(t)，節(jié)點(diǎn)j傳送單位比特長度的數(shù)據(jù)給其父節(jié)點(diǎn)p的能耗為，接收單位比特長度的數(shù)據(jù)的能耗為crx，采樣單位比特長度的數(shù)據(jù)的能耗為cs。

對于一個(gè)節(jié)點(diǎn)j，定義其可壓縮的數(shù)據(jù)流和不可壓縮的數(shù)據(jù)流分別為，則

設(shè)節(jié)點(diǎn)j在時(shí)槽t下對于其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用高壓縮比、低壓縮比和不壓縮3 種方式的比例分別為xj(t)、yj(t)和1-xj(t)-yj(t)，則可將壓縮速率和采樣速率的能耗描述為

其中，有

其中，c rlzw和分別為采用S-LZW 算法[27]的壓縮比和單位比特壓縮能耗，crbwt和分別為采用S-LZW-BWT[27]算法的壓縮比和單位比特壓縮能耗。

在這種情況下，可將無線節(jié)能通信問題轉(zhuǎn)化為最大化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采樣總量問題，表示為

表4 物聯(lián)網(wǎng)采集終端功耗測試結(jié)果

采用最優(yōu)化方法對上述問題進(jìn)行求解，將求解后的最優(yōu)策略作為物聯(lián)網(wǎng)采集終端的通信策略，并在安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺上進(jìn)行各終端通信行為的全局調(diào)配，進(jìn)一步降低監(jiān)測系統(tǒng)的能耗。

3.4 礦山安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺

礦山低功耗安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將獲取到的監(jiān)測對象狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理與災(zāi)害分析預(yù)警模塊進(jìn)行后續(xù)處理。本文提出了“專家會診監(jiān)管、風(fēng)險(xiǎn)分級監(jiān)管、網(wǎng)絡(luò)化閉環(huán)監(jiān)管”多維一體的安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺，全面實(shí)現(xiàn)對礦山開采過程各種典型災(zāi)害隱患的立體監(jiān)管，具備資料管理、數(shù)據(jù)報(bào)表、風(fēng)險(xiǎn)登記、指標(biāo)評價(jià)、系統(tǒng)運(yùn)維、異地容災(zāi)、狀態(tài)巡檢、遠(yuǎn)程診斷、災(zāi)害預(yù)警、態(tài)勢分析、專家評判等功能，也可與情景構(gòu)建與應(yīng)急救援相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)深部開采過程地壓災(zāi)害的演-防-控一體化。

該平臺采用工業(yè)混合云架構(gòu)，以第三方公有云平臺作為載體，實(shí)現(xiàn)礦山現(xiàn)場在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳、存儲、清洗、預(yù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，云平臺根據(jù)安全監(jiān)測業(yè)務(wù)的處理量柔性分配網(wǎng)絡(luò)資源和計(jì)算資源。

當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)完成預(yù)處理之后，系統(tǒng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)推送至礦山本地和第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)的私有云平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地容災(zāi)存儲，也為高效的預(yù)警分析和專家評判提供平臺支撐。當(dāng)?shù)V山網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲于物聯(lián)網(wǎng)采集終端，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，數(shù)據(jù)自動(dòng)同步到云端進(jìn)行處理。

安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的數(shù)據(jù)分析處理與預(yù)警服務(wù)，具體算法以組件方式掛載在云服務(wù)平臺上進(jìn)行調(diào)用，根據(jù)研究開發(fā)進(jìn)度不斷迭代更新。下面以尾礦庫調(diào)洪演算預(yù)警為例進(jìn)行闡述。

調(diào)洪演算程序的輸入包括洪水計(jì)算結(jié)果、水位-下泄流量關(guān)系和水位-調(diào)洪庫容關(guān)系，輸出結(jié)果為尾礦庫水位過程以及尾礦庫是否安全的提示，如圖4 所示。

圖4 調(diào)洪演算及預(yù)警流程

具體的調(diào)洪演算及預(yù)警步驟如下。

Step1用多項(xiàng)式（或其他）函數(shù)擬合水位-調(diào)洪庫容關(guān)系曲線，得到兩者之間的關(guān)系式V調(diào)=F(Z)。

Step2根據(jù)入庫洪水過程線計(jì)算第一個(gè)時(shí)段的入流洪水總量，其中W入單位為m3；Q0和Q1分別為t時(shí)刻和t+1 時(shí)刻的洪水流量，單位為m3/s；tΔ 為時(shí)段長，計(jì)算時(shí)取為10 min。

Step3輸入起始水位高程Z0，根據(jù)V調(diào)=F(Z)計(jì)算初始水位Z0對應(yīng)的庫容V0。

Step4根據(jù)水位-泄洪函數(shù)關(guān)系q=f(z)計(jì)算Z0對應(yīng)的泄流量q0。

Step5若，假設(shè)時(shí)段末水位為Z01=Z0+0.001，計(jì)算該水位對應(yīng)的泄流量q01。

Step6云服務(wù)平臺啟動(dòng)，自動(dòng)計(jì)算出。

Step7根據(jù)水位-庫容關(guān)系V調(diào)=F(Z)，計(jì)算Z01對應(yīng)的庫容V01。

Step8判斷，若符合條件，則Z01即為第一個(gè)時(shí)段末的水位。

Step9若不符合條件，繼續(xù)假設(shè)Z02=Z01+0.001，計(jì)算q02，重復(fù)Step4～Step8 進(jìn)行計(jì)算，直到找到符合條件的時(shí)段末水位。

Step10繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)時(shí)段入流量計(jì)算。轉(zhuǎn)至Step2，計(jì)算下個(gè)時(shí)段入流量。用計(jì)算所得上個(gè)時(shí)段末水位代替Step3 和Step4 中的起始水位Z0進(jìn)行計(jì)算，得到該時(shí)段的時(shí)段末水位，直到計(jì)算完入流的所有時(shí)段。

Step11得到時(shí)間-水位過程線，從該過程線中讀取最高水位Hmax。

Step12讀取尾礦庫的尾礦壩高程H壩，當(dāng)前子壩高程H子壩，計(jì)算尾礦庫的安全超高H超高=H壩-H子壩-Hmax。

Step13讀取尾礦庫干灘坡比λ，計(jì)算尾礦庫干灘長度。

Step14根據(jù)尾礦庫安全等級閾值，來判斷尾礦庫是否安全。H閾紅、H閾橙、H閾黃分別為紅色、橙色和黃色預(yù)警閾值，L閾紅、L閾橙、L閾黃同理，則

①若H超高＜H閾紅或L灘＜L閾紅發(fā)布紅色預(yù)警。

② 若H閾紅≤H超高＜H閾橙或L閾紅≤L超高＜L閾橙發(fā)布橙色預(yù)警。

③若H閾橙≤H超高＜H閾黃或L閾橙≤L超高＜L閾黃發(fā)布黃色預(yù)警。

④ 若H閾黃＜H超高或L閾黃＜L超高無預(yù)警。

Step15顯示判斷結(jié)果。

4 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

基于礦山微動(dòng)耗安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，本文構(gòu)建了礦山安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺框架，如圖5所示，并在20 余家礦山企業(yè)上線運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖5 礦山安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺框架

本文以某銅鎳礦的地壓監(jiān)測系統(tǒng)和某銅礦尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。在銅鎳礦中，曾安裝過國外某知名地壓監(jiān)測系統(tǒng)，各中段布置的數(shù)據(jù)采集基站及傳感器數(shù)量如下。

20 中段：一個(gè)6 通道數(shù)據(jù)采集基站，3 個(gè)單向、一個(gè)三向傳感器。

22 中段：2 個(gè)6 通道數(shù)據(jù)采集基站，5 個(gè)單向、2 個(gè)三向傳感器。

24 中段：一個(gè)4 通道、一個(gè)6 通道數(shù)據(jù)采集基站，4 個(gè)單向、2 個(gè)三向傳感器。

26 中段：一個(gè)8 通道數(shù)據(jù)采集基站，2 個(gè)三向傳感器。

因此，共設(shè)有6 個(gè)數(shù)據(jù)采集基站和19 個(gè)傳感器，共有33 個(gè)通道。

本文研制的物聯(lián)網(wǎng)采集終端與礦用智能型微震檢波陣列于2018 年10 月在該礦進(jìn)行安裝實(shí)驗(yàn)，經(jīng)論證分析，總共安裝4 個(gè)物聯(lián)網(wǎng)采集終端替換原先的采集基站，每個(gè)中段部署一個(gè)；16 個(gè)智能微震檢波陣列，其中20 中段4 個(gè)，22 中段5 個(gè)，24中段5 個(gè)，26 中段2 個(gè)。經(jīng)實(shí)際對比，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理分析，時(shí)間段的地壓事件定位云圖滿足要求，波形拾取效果優(yōu)于原有地壓監(jiān)測系統(tǒng)，如圖6 所示。同時(shí)應(yīng)用的傳感器數(shù)量大大減少，降低了成本。

圖6 拾取波形質(zhì)量對比

2019 年3 月16 日，某銅礦尾礦庫因當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)線路問題停工3 天，但是在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的物聯(lián)網(wǎng)采集終端和智能傳感器因?yàn)槲⒐脑O(shè)計(jì)，依靠自身的內(nèi)部供電以及能量捕獲裝置繼續(xù)工作，3 天內(nèi)采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在采集終端的內(nèi)置EEPROM里，在尾礦庫控制室電力恢復(fù)后將數(shù)據(jù)同步到云端處理，沒有造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺失。

2019 年5 月27 日，某銅鎳礦因爆破開采作業(yè)，原先的地壓監(jiān)測系統(tǒng)傳感器通信線路受損，失去聯(lián)系。此時(shí)新安裝的智能微震檢波陣列由于采用基于ZigBee 的局域無線節(jié)能通信方式，并未受到現(xiàn)場通信條件影響。同時(shí)，采集終端實(shí)時(shí)進(jìn)行故障診斷，迅速定位通信故障點(diǎn)，現(xiàn)場人員僅僅花費(fèi)一個(gè)下午就恢復(fù)了原監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的通信。

傳統(tǒng)的地壓監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式需要專家從礦山取得未經(jīng)處理的監(jiān)測數(shù)據(jù)，手動(dòng)應(yīng)用軟件進(jìn)行濾波、P 波S 波拾取、空間定位，再通過聚類分析、應(yīng)力反演、震源機(jī)制等系統(tǒng)分析來對礦山進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)指導(dǎo)。本文研究開發(fā)的礦山安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺能夠?qū)崟r(shí)地接收礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，并自動(dòng)處理計(jì)算，再通過圖表或三維顯示計(jì)算結(jié)果，如圖7 所示，專家及現(xiàn)場管控人員能夠通過多平臺對云平臺進(jìn)行訪問、查看、處理計(jì)算結(jié)果并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，極大地提高了信息處理效率，減少了經(jīng)驗(yàn)結(jié)論的時(shí)滯性。

圖7 某銅鎳礦地壓監(jiān)測系統(tǒng)三維定位

在無人值守的自動(dòng)計(jì)算處理情況下，本文提出的系統(tǒng)微震定位所得圖中也明顯少于原系統(tǒng)，如圖8 所示。

圖8 微震定位結(jié)果對標(biāo)

傳統(tǒng)的尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)僅針對單一指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，本文建立的包含在云平臺中的尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)以水位、應(yīng)力、位移等多源信息的融合，建立不同階段、不同量綱之間的綜合評估模型及預(yù)警指標(biāo)，提高風(fēng)險(xiǎn)判斷的可靠性，如圖9 所示。當(dāng)判斷結(jié)果出現(xiàn)災(zāi)情風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，在本文研究開發(fā)的礦山安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺的首頁進(jìn)行對應(yīng)礦山的閃爍預(yù)警。

圖9 尾礦庫在線監(jiān)測平臺多源參數(shù)計(jì)算曲線

5 結(jié)束語

本文針對礦山企業(yè)安全監(jiān)測系統(tǒng)存在的可靠性差、覆蓋面小、成本高昂、維護(hù)不力、預(yù)警不準(zhǔn)等問題，提出了一種新的礦山微功耗物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)安全監(jiān)測系統(tǒng)具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1)一體化設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集終端，具有更緊湊的結(jié)構(gòu)和超低功耗，可通過電池實(shí)現(xiàn)超長時(shí)間工作，也可通過微能量捕獲等方式連續(xù)提供能量工作。

2)系統(tǒng)對于智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)采集終端以及其他相關(guān)模塊進(jìn)行智能故障診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常和系統(tǒng)故障，并啟動(dòng)故障上報(bào)和自愈流程。

3)通過無線數(shù)據(jù)節(jié)能通信，實(shí)現(xiàn)基于ZigBee等方式的低能耗無線局域通信，或者基于第三方供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)無線接入，不受現(xiàn)場通信條件限制。

4)可基于礦山安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場在線數(shù)據(jù)的高可靠存儲，防止現(xiàn)場采集存儲服務(wù)器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

5)通過在線數(shù)據(jù)分析預(yù)警算法，結(jié)合專家現(xiàn)場診斷服務(wù)，實(shí)現(xiàn)真正有效的監(jiān)測預(yù)警和臨災(zāi)處置。