礦井作業(yè)人員安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

寇俊芬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037001）

1 概況

由于云崗礦井在設(shè)置安全監(jiān)控的情況下，并未對(duì)工作人員的安全問(wèn)題進(jìn)行考慮。因此并不能對(duì)井下工作人員的安全進(jìn)行監(jiān)控。鑒于此，可以選用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與此同時(shí)需要充分結(jié)合井下工作人員的工作情況，從而構(gòu)建了煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)該具備如下幾個(gè)功能：其一，可以時(shí)刻監(jiān)測(cè)井下員工的安全情況；其二，能夠適應(yīng)井下工況情況，抗干擾能力要強(qiáng)；其三，能夠快速地分析數(shù)據(jù)并且制定出與之匹配的決策；第四，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)用數(shù)據(jù)的能力；第五，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性等[1]。

2.1 總體架構(gòu)

該系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)都來(lái)源于井下傳感器，對(duì)于傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)而言在進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生許多無(wú)效數(shù)據(jù)，因此導(dǎo)致傳輸效率低下，為此筆者將在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

為了有效地提高監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，該數(shù)據(jù)處理采用去中心化數(shù)據(jù)處理形式。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)借助LSTM算法對(duì)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行分析，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，將數(shù)據(jù)定期上傳到中心服務(wù)器。圖1 表示監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)。其主要包括如下幾個(gè)數(shù)據(jù)層：第一，邊緣感知層；第二，霧決策層；第三，云服務(wù)層；第四，管控應(yīng)用層。其對(duì)于邊緣感知層而言，工作人員在井下工作時(shí)，需要佩戴邊緣感知傳感器，其可以收集人體的身體狀況數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以及周邊環(huán)境的數(shù)據(jù)，并且完成對(duì)有效數(shù)據(jù)的收集。對(duì)于霧決策層而言，將其設(shè)計(jì)在邊緣感知層之后，通?？梢越柚鶯oRa 技術(shù)，進(jìn)而可以將邊緣傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸給井下環(huán)網(wǎng)光纖，與此同時(shí)可以完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析與分享，此外可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異常數(shù)據(jù)的溯源。對(duì)于云服務(wù)層而言，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的匯集以及存儲(chǔ)，與此同時(shí)還可以把數(shù)據(jù)傳輸給管理應(yīng)用層。對(duì)于管控應(yīng)用層而言，能夠提供井下人員安全狀況的數(shù)據(jù)信息，并且可以將其傳輸給系統(tǒng)管理人員，這時(shí)管理人員可以借助管控應(yīng)用層給工作人員發(fā)出指令，從而可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)緊急事件的功能。

2.2 邊緣感知層

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

邊緣感知層對(duì)井下工作人員的安全、運(yùn)動(dòng)以及相應(yīng)的周圍信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。與此同時(shí)將采集獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由此可以看出在選擇邊緣感知層時(shí)，必須充分考慮硬件的數(shù)據(jù)處理能力。為此該系統(tǒng)選用的內(nèi)核處理器為ARM Cortex-M，并且該硬件還具有較強(qiáng)擴(kuò)展性。圖2表示構(gòu)建的邊緣感知層硬件結(jié)構(gòu)，主要包括如下幾個(gè)方面：第一，數(shù)據(jù)采集模組；第二，運(yùn)算處理模組；第三，顯示以及輸入模組；第四，LoRa通信模組等。

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

邊緣感知層結(jié)構(gòu)模組中，其擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理單元，在將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可以將其輸送給運(yùn)算分析模組。數(shù)據(jù)采集單元選用ARM Cortex-M，變成語(yǔ)言為C語(yǔ)言，從而可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。接著借助SPI將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給運(yùn)算分析模組[2]。圖3 表示運(yùn)算模組程序運(yùn)行流程，其包括兩個(gè)子單元：第一，驅(qū)動(dòng)程序；第二，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)等。

2.3 霧決策層

2.3.1 硬件設(shè)計(jì)

霧決策層功能包括兩個(gè)方面：第一，無(wú)線網(wǎng)關(guān)；第二，霧決策。LoRa 無(wú)線通信能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線網(wǎng)關(guān)功能，其可以借助無(wú)線網(wǎng)關(guān)將從霧決策層獲得的數(shù)據(jù)傳輸給云服務(wù)層。這樣可以實(shí)現(xiàn)借助以太網(wǎng)進(jìn)行高速環(huán)網(wǎng)的連接。為了能夠有效地提高霧決策的高效性，通常選用4 核4 線程的Intel Pentium N420064 位微處理器，圖4 表示霧決策層的結(jié)構(gòu)框架，主要包括如下幾個(gè)單元：第一，LoRa通信模組；第二，人機(jī)交互模組；第三，以太網(wǎng)通信模組等。

2.3.2 軟件設(shè)計(jì)

由于霧決策層具有較多的功能，因此在設(shè)計(jì)軟件的過(guò)程中，依據(jù)相應(yīng)的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以對(duì)各個(gè)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)用。圖5表示霧決策層的模塊組成結(jié)構(gòu)，主要包括如下幾個(gè)方面：第一，無(wú)線連接單元；第二，數(shù)據(jù)收發(fā)單元；第三，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；第四，數(shù)據(jù)交互單元；第五，數(shù)據(jù)報(bào)表處理單元等。LoRa 無(wú)線通信模組在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，往往需要借助收發(fā)解析。在進(jìn)行數(shù)據(jù)解析的過(guò)程中，數(shù)據(jù)標(biāo)頭可以對(duì)數(shù)據(jù)管理進(jìn)行判斷。假如接收的是無(wú)線連接請(qǐng)求，那么可以借助無(wú)線連接管理程序進(jìn)行處理。假如數(shù)據(jù)屬于正常的數(shù)據(jù)交互，那么僅僅需要調(diào)用數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。

2.4 云服務(wù)層和管控應(yīng)用層

通常情況下，云服務(wù)層與相應(yīng)的管控應(yīng)用層而言，其管理的重心為如下三個(gè)方面：第一，監(jiān)控系統(tǒng)管理人員；第二，接受邊緣感知層傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)；第三，接受霧決策層傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，將信息傳遞給管控應(yīng)用層以及將數(shù)據(jù)顯示給管理人員。

2.4.1 云服務(wù)層軟件設(shè)計(jì)

通常情況下，云服務(wù)層運(yùn)行程序包括三個(gè)方面：第一，數(shù)據(jù)收發(fā)層；第二，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層；第三，管控應(yīng)用層。在數(shù)據(jù)收發(fā)層中，對(duì)于數(shù)據(jù)的收發(fā)并不需要較大的計(jì)算量，只要能夠滿足最大數(shù)據(jù)傳輸量的需要即可。通常數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層，不僅需要滿足數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，而且將需要的數(shù)據(jù)傳輸給管控應(yīng)用層。圖6 表示云服務(wù)層程序結(jié)構(gòu)圖。

2.4.2 管控應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

管理控制層進(jìn)行人機(jī)交互，通?？梢詫?shí)現(xiàn)如下幾個(gè)功能：第一，采集井下人員的安全情況；第二，周圍環(huán)境信息；第三，工作人員的運(yùn)動(dòng)情況，圖7表示管理控制層程序流程結(jié)構(gòu)圖。

3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

該系統(tǒng)在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月的測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其具有較好的抗毀傷能力。系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)定的功能，可以精準(zhǔn)地捕獲井下工作人員的安全狀況。通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)共計(jì)檢測(cè)到14 起人員不適的情況，其中主要以心跳加速為主，并且將存在有問(wèn)題的員工及時(shí)地撤離。經(jīng)過(guò)有關(guān)人員測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以為公司節(jié)約150萬(wàn)的人員事故開(kāi)支[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

安全生產(chǎn)是煤礦的首要任務(wù)，由于當(dāng)前云崗煤礦在人員檢測(cè)方面存在一定的問(wèn)題，因此以此為出發(fā)點(diǎn)不斷完善井下人員安全監(jiān)控系統(tǒng)，其包括如下幾個(gè)方面：第一，邊緣感知層；第二，霧決策層；第三，云服務(wù)層；第四，管控應(yīng)用層等。經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，能夠滿足工程的需要，具有一定的推廣價(jià)值。