基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

朱 晶

（霍州煤電集團(tuán)云廈建筑工程有限公司， 山西 霍州 031400）

引言

當(dāng)前，自動(dòng)化、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在煤炭領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]，這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)煤礦生產(chǎn)模式，使煤炭生產(chǎn)和管理水平得到顯著提升?，F(xiàn)階段我國(guó)幾乎所有的煤礦都配備有各種形式的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，比如電力安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等。不同系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，給日常維護(hù)和管理造成了很大困難，增加了管理成本[4-5]。不同系統(tǒng)收集得到的數(shù)據(jù)格式、保存方式等都不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)很難實(shí)現(xiàn)共享，限制了這些安全系統(tǒng)功能的發(fā)揮[6]。針對(duì)當(dāng)前階段煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，本文在充分挖掘物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)不同安全監(jiān)控系統(tǒng)的有效融合。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用概述

當(dāng)前我國(guó)正在推進(jìn)工業(yè)4.0，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)則是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0 的重要手段，因此當(dāng)前階段工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可將工業(yè)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊以及數(shù)據(jù)分析等融入到生產(chǎn)不同環(huán)節(jié)，極大提升了工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，使工業(yè)生產(chǎn)成本大幅度降低。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用給生產(chǎn)過程帶來了顛覆性變革，信息交互更加及時(shí)、可靠性更高。感知礦山是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用的典型代表，結(jié)合數(shù)據(jù)感知技術(shù)、信息傳輸及其處理技術(shù)等，將煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)信息、煤礦測(cè)量數(shù)據(jù)信息、生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)信息等進(jìn)行收集與融合，基于數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)礦山管理的數(shù)字化和可視化?？蓪?duì)煤礦生產(chǎn)全流程進(jìn)行有效監(jiān)控，提升了煤礦開采過程的智能化水平。如圖1 所示為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知礦山整體架構(gòu)框圖。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知礦山整體架構(gòu)框圖

傳統(tǒng)的各個(gè)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是相互獨(dú)立運(yùn)行的，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)由于格式和保存方式不統(tǒng)一導(dǎo)致無法共享，沒有在最大限度上發(fā)揮安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可將煤礦井下各安全監(jiān)控系統(tǒng)有效融合，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的融合集成，對(duì)不同系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中統(tǒng)一管理和控制。對(duì)于提升煤礦井下安全監(jiān)控和管理水平意義重大。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)總體框架設(shè)計(jì)

煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)對(duì)不同安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效收集、傳輸、存儲(chǔ)和分析。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)需要搭建服務(wù)器，本平臺(tái)通過嵌入式技術(shù)建設(shè)專用數(shù)據(jù)庫(kù)，基于該數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。通過云計(jì)算技術(shù)建立平臺(tái)私有云，對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算分析。平臺(tái)主要包含三部分，分別為云平臺(tái)應(yīng)用軟件、不同安全監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器集群、云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中心。在高性能服務(wù)器上通過使用虛擬服務(wù)器技術(shù)，為所有已經(jīng)建設(shè)完成的安全監(jiān)控系統(tǒng)分配對(duì)應(yīng)的虛擬服務(wù)器，以存儲(chǔ)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中收集得到的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)煤礦運(yùn)行信息數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)。不需要對(duì)已經(jīng)建設(shè)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行改造升級(jí)，可節(jié)省大量建設(shè)成本。同時(shí)還提升了整個(gè)安全監(jiān)控平臺(tái)的兼容性，未來如果還需要建設(shè)新的監(jiān)控系統(tǒng)，可以直接通過虛擬服務(wù)器的分配將其納入到平臺(tái)中。

基于云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中心可以對(duì)安全監(jiān)控平臺(tái)收集得到的煤礦運(yùn)行數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，包括歷史數(shù)據(jù)信息和實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中心可以對(duì)所有的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)備份，以避免數(shù)據(jù)丟失。遇到故障問題，可以將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)恢復(fù)。煤礦運(yùn)行數(shù)據(jù)信息的收集和存儲(chǔ)可以為后續(xù)大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐，充分挖掘煤礦運(yùn)行數(shù)據(jù)的潛能，使之更好地為煤礦運(yùn)行和安全管理提供服務(wù)。平臺(tái)還充分利用已經(jīng)發(fā)展較為成熟的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等對(duì)煤礦生產(chǎn)過程進(jìn)行動(dòng)畫再現(xiàn)，在大顯示屏中顯示每次生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，使平臺(tái)運(yùn)行變得可視化和便捷化。如圖2 所示為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)架構(gòu)圖。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)包含的主要部分有：煤礦井下各安全監(jiān)控系統(tǒng)所分配的虛擬服務(wù)器，云監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器和平臺(tái)，煤礦企業(yè)數(shù)據(jù)中心及數(shù)據(jù)上傳通道，地方煤管局?jǐn)?shù)據(jù)中心及數(shù)據(jù)上傳通道，具有不同權(quán)限的移動(dòng)終端，煤礦調(diào)度中心綜合顯示大屏等。

2.2 云監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控平臺(tái)通過工業(yè)以太網(wǎng)建立內(nèi)網(wǎng)，且可以與辦公外網(wǎng)進(jìn)行連接，基于內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)構(gòu)建云監(jiān)控平臺(tái)。通過虛擬服務(wù)器技術(shù)在云監(jiān)控平臺(tái)中為煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)分配對(duì)應(yīng)的虛擬服務(wù)器，以構(gòu)建虛擬服務(wù)器集群，在以后的發(fā)展中逐漸取代實(shí)體服務(wù)器。為確保云監(jiān)控平臺(tái)的信息安全，通過防火墻等防護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)辦公外網(wǎng)和監(jiān)控內(nèi)網(wǎng)之間的有效隔離。監(jiān)控平臺(tái)內(nèi)部的虛擬服務(wù)器分別與對(duì)應(yīng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行連接，各安全監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息全部上傳到虛擬服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)，服務(wù)器具備防火墻的功能，能夠有效防止外部病毒對(duì)服務(wù)器發(fā)起的攻擊。如圖3 所示為云監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器總體架構(gòu)示意圖。硬件系統(tǒng)采用的是基于Linux 嵌入式系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)效率高。除具備服務(wù)器功能外，同時(shí)還具有路由器功能、防火墻功能、數(shù)據(jù)信息分析與轉(zhuǎn)發(fā)功能等。云監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器具備較好的可拓展性，方便以后拓展更加強(qiáng)大的功能。因此，總體上平臺(tái)具有較高的安全性、可靠性以及兼容性。此外，還專門為煤礦企業(yè)和管理部門提供了上傳數(shù)據(jù)的通道，上傳通道包括無線網(wǎng)絡(luò)和有線光纖網(wǎng)絡(luò)兩種形式。其中有線光纖網(wǎng)絡(luò)是主用上傳通道，如果光纖網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障問題無法上傳數(shù)據(jù)時(shí)，就可啟用無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。這種冗余的數(shù)據(jù)上傳通道保障了平臺(tái)運(yùn)行可靠性。

圖3 云監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器總體架構(gòu)示意圖

3 煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化采集技術(shù)

煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)需要收集各安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息才能夠發(fā)揮作用，但是當(dāng)前階段不同監(jiān)控系統(tǒng)由于建設(shè)水平不一樣，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、方法都存在差異。如何對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理是本平臺(tái)的一個(gè)關(guān)鍵問題。需要設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集接口，不同安全監(jiān)控系統(tǒng)全部通過該接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)信息直接傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的虛擬服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式和存儲(chǔ)方式的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一分析和處理。不再需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)矫總€(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)自身的物理服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)分析。通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，可實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互與共享，提升了數(shù)據(jù)的利用效率，數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)也保證了其安全性和可靠性。

3.2 數(shù)據(jù)信息的融合集成技術(shù)

煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)的最底層為多個(gè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)底層監(jiān)控系統(tǒng)開放。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的融合集成。數(shù)據(jù)融合集成方式有兩種，分別為分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)融合、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)融合。

3.3 數(shù)據(jù)信息的共享

建立煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)的目的就是要將煤礦內(nèi)已經(jīng)建成的各種安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行融合集成，確保不同安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息能夠共享，為煤礦安全和管理提供服務(wù)。本平臺(tái)能夠?qū)⒉煌到y(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享使用，且將這些數(shù)字信息同時(shí)顯示在一個(gè)應(yīng)用軟件平臺(tái)中。另外，軟件具有良好的拓展性，可以通過不同形式的接口實(shí)現(xiàn)與其他軟件的連接。

4 結(jié)論

1）基于先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的標(biāo)準(zhǔn)化采集、分析與傳輸，對(duì)所有數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)，保證了信息的安全性和可靠性。

2）基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建的煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化采集、分析處理，實(shí)現(xiàn)了不同監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的共享，極大地提升了煤礦安全監(jiān)控和管理水平。