無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)中的運(yùn)用

劉輝

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

伴隨我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的能源儲(chǔ)備也逐漸減少，對(duì)于能源的需求量不斷提高，身為一個(gè)煤礦產(chǎn)業(yè)大國(guó)，我國(guó)的煤礦安全情況較為嚴(yán)峻，常常發(fā)生各種安全事故，對(duì)于從業(yè)人員的生命安全造成了嚴(yán)重的損害，同時(shí)也加大了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)之前的經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)煤炭行業(yè)發(fā)展道路較為粗糙，欠缺智能化的安全監(jiān)控系統(tǒng)，在作業(yè)過程中不能立刻精準(zhǔn)的把握礦井實(shí)時(shí)狀況。以往的有線布線措施非常麻煩，極易遭到外界損壞，欠缺穩(wěn)定性，且網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造比較單一，難以滿足某些要求動(dòng)態(tài)伸展工作面的需要；并且以往的監(jiān)控措施的監(jiān)控點(diǎn)比較固定，具有監(jiān)控缺口；同時(shí)后期的維護(hù)難度較大，維護(hù)時(shí)間久，資金要求高，難以完成綜合精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。所以構(gòu)建一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全智能監(jiān)控系統(tǒng)非常的重要。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)要分析

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的含義

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括了許多的微星移動(dòng)傳感器，由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)有目標(biāo)、有任務(wù)的無線網(wǎng)絡(luò)，利用這一無線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)的對(duì)受監(jiān)控位置的數(shù)據(jù)開展監(jiān)控、感應(yīng)和搜集，同時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)開展研究分析，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里，首先利用無線訊息把內(nèi)容傳輸進(jìn)入相應(yīng)的集中節(jié)點(diǎn)，再通過節(jié)點(diǎn)把訊息反饋進(jìn)入地面的監(jiān)控平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控地區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)，同時(shí)能夠幫助及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)控地區(qū)的突發(fā)事故及時(shí)制訂有效地應(yīng)對(duì)策略。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)用于各種以前的監(jiān)控系統(tǒng)難以展現(xiàn)作用的區(qū)域，將其應(yīng)用于受監(jiān)控地區(qū)，其通過在區(qū)域中布置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，利用節(jié)點(diǎn)的集中和外部監(jiān)控中心構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，因?yàn)樵跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)里擁有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，所以在對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)置的時(shí)候無法實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的手段區(qū)域進(jìn)行預(yù)設(shè)，節(jié)點(diǎn)利用無線訊息完成關(guān)聯(lián)，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造，在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里進(jìn)行信息搜集、處理完成任務(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里使用的通訊手段一般為多跳和對(duì)等的形式，這些手段可以防止長(zhǎng)時(shí)間地下監(jiān)控的時(shí)候受到距離的影響，削弱信號(hào)或者對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾的各項(xiàng)因素等問題。

1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

和以往的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁有不可替代的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在下列內(nèi)容中：

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中擁有大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，分布非常密集，在相同的監(jiān)控地區(qū)里可以設(shè)置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里的拓?fù)錁?gòu)造不是固定的，產(chǎn)出發(fā)生轉(zhuǎn)變，所以需要對(duì)其認(rèn)真的進(jìn)行監(jiān)管。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通訊方式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，所以一般采用的是廣播通訊體系。

（4）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)對(duì)電源功率、儲(chǔ)備容量等內(nèi)容具有局限性，所以通常使用的是喚醒式的工作形式。

（5）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是位于一個(gè)開放空間里開展的自行無人看守工作，有效地節(jié)約了人力資源成本。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用的重要作用

煤礦生產(chǎn)工作環(huán)境位于井下，生產(chǎn)條件非常的差且沒有信號(hào)，還存在大量的不可確定的因素。因此大多數(shù)煤礦都會(huì)通過監(jiān)控系統(tǒng)來滿足安全需要，之前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性要求不高，并且容易被環(huán)境所影響，不僅可靠性較差，同時(shí)對(duì)后期維護(hù)工作帶來巨大的難題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠有效處理以上所述的難題。同時(shí)在井下采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠使得監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控區(qū)域得到增加，有效規(guī)避潛藏隱患，解決之前的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)里出現(xiàn)的監(jiān)控盲區(qū)的安全問題。同時(shí)因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面涵蓋了大量的散布非常集中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，本身憑借其擁有的體積小、資金投入小、布設(shè)簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)易等多項(xiàng)長(zhǎng)處脫穎而出，還有它的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還能夠接駁傳環(huán)境、視頻等傳感器，能夠使得采集的數(shù)據(jù)種類更加多樣化。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作程序

3.1 信息搜集

信息搜集程序是安全監(jiān)控系統(tǒng)可以完成的基礎(chǔ)。傳感器是安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)里的資料終端搜集設(shè)施，它可以搜集井下的空氣狀況、水位狀況、土層結(jié)構(gòu)狀況、設(shè)施的運(yùn)行狀況等，詳細(xì)來講就是可以了解瓦斯氣體、一氧化碳濃度、巖層構(gòu)造穩(wěn)定性變換狀況等等。利用傳感器得到的相應(yīng)的信息來研究井下安全情況，給作業(yè)人員供給可靠的信息，確保作業(yè)人員可以及時(shí)的逃離危險(xiǎn)環(huán)境，以及對(duì)突發(fā)事故采取有效地解決對(duì)策。

3.2 信息輸送

安全監(jiān)控系統(tǒng)里的信息輸送是互相的，即將終端設(shè)施搜集的信息輸送到處理平臺(tái)，處理平臺(tái)再把控制處理命令輸送給執(zhí)行終端，所以信息的輸送程序極其關(guān)鍵，信息輸送是安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮監(jiān)管必不可少的程序。和以往的監(jiān)控手段的區(qū)別在于，無線傳感器監(jiān)控系統(tǒng)的輸送設(shè)施沒有電纜線路，能夠利用無線訊息來完成輸送，依照輸送的類型和信號(hào)的種類來安排對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，從而確保信號(hào)輸送的速度和質(zhì)量，防止發(fā)生輸送不及時(shí)、信息缺失、信息混亂等問題?？刂破饕蠛w電源板塊、控制板塊、編輯板塊、通訊板塊等，確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

3.3 信息研究

信息研究是安全監(jiān)控系統(tǒng)完成監(jiān)控和控制不可缺少的程序。監(jiān)控系統(tǒng)要求對(duì)傳感器搜集的信息開展簡(jiǎn)單的研究，把搜集的信息輸送到數(shù)據(jù)庫(kù)里，以及將其反饋到對(duì)應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員利用系統(tǒng)的幫助來進(jìn)行對(duì)應(yīng)的判斷。并且對(duì)搜集到的信息進(jìn)行儲(chǔ)存，其中包含空氣狀況、水位狀況等等，同時(shí)用于支撐構(gòu)成各種匯報(bào)報(bào)表，可以在線查看，也可以打印查閱，有利于從業(yè)人員對(duì)信息開展深入的研究。

3.4 診斷控制

診斷控制是安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能，在完成信息的搜集和研究以后，安全監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)要擁有自主診斷功能，這一診斷是根據(jù)系統(tǒng)研究結(jié)果以及工作人員研究的結(jié)果開展的，涵蓋了對(duì)終端傳感器以及通訊計(jì)算機(jī)的故障診斷，可以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。并且根據(jù)研究結(jié)果和診斷結(jié)果來開展對(duì)應(yīng)的控制，含有井下的信號(hào)燈、照明裝置、通風(fēng)裝置等，以確保再發(fā)生異常問題時(shí)候井下工作人員可以安全逃離，以及實(shí)施有效地急救手段。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)手段

4.1 硬件平臺(tái)要求

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用的時(shí)候，會(huì)面對(duì)各種差異化的環(huán)境和要求具備不同的硬件平臺(tái)需要，然而整體來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里廣泛使用的硬件重點(diǎn)涵蓋了傳感器節(jié)點(diǎn)、聚集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控平臺(tái)三種，這里面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)重點(diǎn)由傳感器、微處理器、無線通訊還有電池四項(xiàng)內(nèi)容構(gòu)成，微處理器是對(duì)節(jié)點(diǎn)開展控制和管理的硬件設(shè)施，無線通訊是對(duì)節(jié)點(diǎn)之間互相通訊的硬件設(shè)施，電池設(shè)備作用是給節(jié)點(diǎn)供電，保證節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)電量充沛；聚集節(jié)點(diǎn)利用通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊網(wǎng)絡(luò)之間的資料訊息互換開展通訊協(xié)議交換的硬件設(shè)備，基于檢測(cè)來輸送數(shù)據(jù)信息到外部網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)控平臺(tái)利用無線接收板塊開展節(jié)點(diǎn)資料搜集的硬件，其把瓦斯、溫度等資料利用無線傳感節(jié)點(diǎn)開展搜集和獲悉，從而對(duì)信息開展研究輸送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警的作用。

4.2 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程里，重點(diǎn)分為兩個(gè)操作系統(tǒng)，也就是鑲?cè)胧胶头植际?，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種經(jīng)典的鑲?cè)胧綉?yīng)用技術(shù)，對(duì)鑲?cè)胧綄?shí)時(shí)操作系統(tǒng)的使用時(shí)開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重點(diǎn)，目前來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特定的操作系統(tǒng)為TinyOS系統(tǒng)，這一系統(tǒng)利用縮減網(wǎng)絡(luò)的AD hoc 多跳輸送構(gòu)造對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)開展有效地定位算法。操作系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里的重點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有不可忽視的意義。

4.3 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里的通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)和完成通訊的根本，協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo)就是想要讓無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里的通訊體系和上層的應(yīng)用互相劃分開來，從而給傳感器的節(jié)點(diǎn)供給一種自組織的無線網(wǎng)絡(luò)下的通訊功能。這一協(xié)議里涵蓋了物理層、網(wǎng)絡(luò)層、輸送層等豐富的層次平臺(tái)，所有的平臺(tái)都對(duì)協(xié)議的優(yōu)化協(xié)調(diào)發(fā)揮了巨大的作用。

5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

5.1 明確煤礦安全智能監(jiān)控任務(wù)

在根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程里，要全面思考到煤礦安全生產(chǎn)不同方向的要求，讓所有的系統(tǒng)都可以在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里完成信息的共享，依照這一需求構(gòu)建得到的監(jiān)控任務(wù)重點(diǎn)涵蓋了下列三個(gè)內(nèi)容：

（1）要擁有信息搜集的自動(dòng)化功能，利用傳感器節(jié)點(diǎn)搜集溫度、瓦斯等各項(xiàng)資料，同時(shí)可以按時(shí)的利用網(wǎng)絡(luò)反饋到地面；

（2）要讓控制擁有自動(dòng)化的功能，當(dāng)井下發(fā)生瓦斯?jié)舛冗^大等問題時(shí)可以自動(dòng)化開展處理，給出警報(bào)信號(hào)、斷電等操作；

（3）要擁有信息自動(dòng)化發(fā)布的功能，利用傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)井下數(shù)據(jù)開展搜集以后立刻反饋到地面，讓地面控制平臺(tái)收到信息數(shù)據(jù)后可以立刻給出決策。

5.2 設(shè)置煤礦安全智能監(jiān)控計(jì)劃

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，其中包含了無線監(jiān)控分站、有線監(jiān)控分站、光線骨干網(wǎng)、地面監(jiān)控平臺(tái)還有總監(jiān)控中心五項(xiàng)內(nèi)容，這里面光線骨干網(wǎng)時(shí)信息輸送的核心，它融合了有線和無線兩項(xiàng)監(jiān)控手段，在井下比較開闊、光線充裕的區(qū)域通常采用的是有線監(jiān)控設(shè)備，在地形復(fù)雜的區(qū)域通常采用的是無線傳感設(shè)施，利用有線與無線兩種手段的信息搜集先把信息輸送到相應(yīng)的聚集節(jié)點(diǎn)，再開展處理，完成處理后再利用光纖骨干網(wǎng)反饋到地面的監(jiān)控平臺(tái)，以對(duì)井下實(shí)時(shí)情況給出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。

5.3 健全煤礦安全智能監(jiān)控體系

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用是對(duì)煤礦開采程序里部分比較特殊的位置開展實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)施，目的是想要應(yīng)對(duì)井下出現(xiàn)的各種緊急事故，利用這一技術(shù)的應(yīng)用來防止事故出現(xiàn)，所以對(duì)煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的健全是非常關(guān)鍵的，利用科學(xué)的系統(tǒng)健全可以讓無線傳感器節(jié)點(diǎn)在睡眠、革新、激活三種情況下獲得最佳發(fā)揮，并且還可以節(jié)約無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能源損耗，發(fā)揮巨大的監(jiān)控、安全預(yù)防作用。

5.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

下面將對(duì)煤礦的環(huán)境信息系統(tǒng)和設(shè)施信息系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)述。井下作業(yè)的過程中，一般要求布置大量的檢測(cè)傳感器。這一種類的傳感器的重點(diǎn)工作程序就是，搜集大量的檢測(cè)點(diǎn)的詳細(xì)資料，利用信息渠道把精準(zhǔn)的信息輸送到地面，反饋給信息監(jiān)控平臺(tái)，然后對(duì)這些資料開展處理。重點(diǎn)針對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)里的瓦斯、風(fēng)速和溫度等數(shù)據(jù)開展研究，同時(shí)對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)開展安全監(jiān)控，保證井下突發(fā)瓦斯爆炸不會(huì)危害作業(yè)人員生命安全。另外這一傳感器能夠自動(dòng)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，一旦采集的信息存在異常，井下的節(jié)點(diǎn)就會(huì)自動(dòng)給出報(bào)警訊號(hào)，控制中心能夠立刻掌握井下地理信息情況。環(huán)境信息系統(tǒng)可以獲悉井下工作面的所有信息，還能夠掌握各種各樣的信息，確保生產(chǎn)時(shí)的環(huán)境安全。第二種是煤礦的設(shè)備資料系統(tǒng)，這一系統(tǒng)重點(diǎn)是把傳感器設(shè)置在礦井作業(yè)時(shí)的各種設(shè)備里，完成對(duì)有關(guān)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控和故障診斷。重點(diǎn)的工作程序?yàn)椋诠ぷ髟O(shè)備里安裝傳感器節(jié)點(diǎn)，以及安排定時(shí)輸送，地面信息監(jiān)控平臺(tái)重點(diǎn)承擔(dān)對(duì)輸送的資料的分析和整理工作，同時(shí)對(duì)信息表現(xiàn)出的問題立刻進(jìn)行處理。還有，安排監(jiān)控系統(tǒng)能夠停止井下設(shè)施，調(diào)度平臺(tái)給出命令后，設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)依照命令內(nèi)容整改設(shè)施，已完成對(duì)井下設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)控和研究。

5.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦預(yù)警決策系統(tǒng)中的應(yīng)用

應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建煤礦安全決策和預(yù)警系統(tǒng)可以有效防止井下安全事故發(fā)生，是加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)水平的輔助措施。大家都知道，煤礦井下作業(yè)隱藏風(fēng)險(xiǎn)極大，預(yù)警決策系統(tǒng)能夠依照煤礦工作過程的詳細(xì)環(huán)境，分析得知隱藏風(fēng)險(xiǎn)，這是由于這一系統(tǒng)里設(shè)置各種預(yù)警模型，可以研究得到大部分風(fēng)險(xiǎn)源并給出預(yù)警訊息，然后開啟預(yù)警的應(yīng)對(duì)策略。并且，這一系統(tǒng)還可以對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源開展全程監(jiān)控，依照采集到的風(fēng)險(xiǎn)源實(shí)時(shí)資料，調(diào)整預(yù)警層級(jí)，有利于煤礦工作有效開展。但是決策支撐系統(tǒng)重點(diǎn)是以企業(yè)、行業(yè)主管部門批準(zhǔn)或要求的臨界值或臨界數(shù)值為根本值，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源開展判斷，假如風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)入臨界值，就啟動(dòng)預(yù)警管理鞏固做法，通過預(yù)警管理平臺(tái)輸送預(yù)警訊息，有關(guān)部門和從業(yè)人員依照提供的預(yù)警層級(jí)實(shí)施相應(yīng)的處理策略，在這個(gè)時(shí)候還要加強(qiáng)監(jiān)控，直到危險(xiǎn)源的數(shù)值重新回到安全值里。

6 總結(jié)

對(duì)于煤礦安全監(jiān)控是非常重要的工作，應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建其安全智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效處理煤礦里的安全問題。