基于物聯(lián)網(wǎng)煤礦粉塵濃度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

孔 亮 康亞偉

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司蔣莊煤礦，山東 棗莊 277519）

隨著煤礦井下作業(yè)向高產(chǎn)高效發(fā)展，煤礦井下及掘進(jìn)迎頭環(huán)境的粉塵濃度也越來越高，不僅給綜采工作人員的身心健康帶來嚴(yán)重危害，而且使設(shè)備的工作環(huán)境遭到破壞，加速了采煤機(jī)械設(shè)備的磨損度，增加了各類事故的發(fā)生概率。盡管棗莊礦業(yè)集團(tuán)蔣莊煤礦已安裝有粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，但無法做到對(duì)粉塵濃度的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測和提前預(yù)警。針對(duì)這一情況，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行融合，設(shè)計(jì)了一套新型煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[1-6]，并進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

1 煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用給“兩化融合”的實(shí)施提供了一個(gè)突破口，在環(huán)保監(jiān)測及能源管理方面，物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)保設(shè)備的融合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中各種污染源及污染治理各個(gè)環(huán)節(jié)關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在這一大背景下，以蔣莊煤礦為研究對(duì)象，融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)。

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和思路

融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，基于云服務(wù)平臺(tái)獨(dú)特的運(yùn)營模式，實(shí)現(xiàn)粉塵濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理服務(wù)，對(duì)煤礦粉塵職業(yè)病的預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建不僅提供了粉塵濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的服務(wù)處理能力，更有效地提高了粉塵職業(yè)病防治的水平。

1.2 煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)模式

以往蔣莊煤礦井下粉塵濃度的監(jiān)測主要是采取人工抽檢方式，粉塵濃度數(shù)據(jù)的時(shí)效性差，真實(shí)性存疑，同時(shí)數(shù)據(jù)也存在覆蓋面窄的問題，無法全面地反映井下粉塵濃度的超限問題，無法對(duì)工人職業(yè)病危害進(jìn)行預(yù)警。針對(duì)以上分析，以呼吸性粉塵濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測為主，基于上級(jí)監(jiān)管部門的監(jiān)管要求和工人職業(yè)病危害預(yù)警要求，構(gòu)建一套“粉塵監(jiān)測+服務(wù)平臺(tái)+服務(wù)對(duì)象”的煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)，為企業(yè)和工人提供服務(wù)，其服務(wù)如圖1。

圖1 煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)模式示意圖

各煤礦企業(yè)采用多種粉塵監(jiān)測方法（個(gè)體攜帶采樣法、固定式傳感器采樣等）對(duì)呼吸性粉塵濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測；各煤礦企業(yè)將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)；運(yùn)營公司在平臺(tái)對(duì)上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將處理后的結(jié)果提供給用戶服務(wù)；同時(shí)將處理結(jié)果提供給國家各級(jí)監(jiān)管部門，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)管部門的監(jiān)管職能；云服務(wù)平臺(tái)由專業(yè)的運(yùn)營公司進(jìn)行運(yùn)營和日常管理。

1.3 云服務(wù)平臺(tái)整體架構(gòu)分析

設(shè)計(jì)粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)由“感知層+網(wǎng)絡(luò)層+應(yīng)用層”3 層結(jié)構(gòu)體系組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。在感知層布置數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，在網(wǎng)絡(luò)層布置“無線網(wǎng)絡(luò)+有線網(wǎng)絡(luò)”設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸工作，在業(yè)務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行功能的應(yīng)用。

圖2 粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

在井下監(jiān)控點(diǎn)位置采用粉塵濃度傳感器、智能PDA 手持終端、本安型視頻終端等設(shè)備完成對(duì)監(jiān)控點(diǎn)粉塵濃度的采集，通過無線基站、礦用交換機(jī)、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、地面工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、以太網(wǎng)等設(shè)備將采集的信息傳遞到職業(yè)危害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息庫和職業(yè)危害動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息庫，然后進(jìn)一步傳遞至職業(yè)病危害大數(shù)據(jù)中心和粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)。當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)粉塵濃度超限后，粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)會(huì)采用中斷預(yù)警的工作方式，同時(shí)將信息報(bào)告給政府各級(jí)監(jiān)管部門。

2 煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

蔣莊煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)業(yè)務(wù)功能情況如圖3。該系統(tǒng)主要包括煤礦粉塵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)板塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)（個(gè)體和環(huán)境的呼吸性粉塵濃度+塵肺病基礎(chǔ)信息）的采集功能；粉塵大數(shù)據(jù)中心板塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、處理、歸納和整合功能；粉塵在線監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)，主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、政府監(jiān)管、職業(yè)病檔案管理功能。

圖3 煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)業(yè)務(wù)功能示意圖

2.1 煤礦粉塵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

煤礦粉塵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由呼吸性粉塵濃度傳感器、總粉塵濃度傳感器、高清攝像頭、人員定位傳感器等部件組成。根據(jù)井下工作面大小和巷道長度，在設(shè)定的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)采集點(diǎn)，對(duì)呼吸性粉塵和總粉塵濃度、作業(yè)人員定位、移動(dòng)設(shè)備定位等信息進(jìn)行采集，同時(shí)將采集信息傳輸至系統(tǒng)大數(shù)據(jù)中心。

2.2 煤礦粉塵大數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4，由呼吸性粉塵濃度傳感器、總粉塵濃度傳感器、攝像頭、數(shù)據(jù)庫、視頻電視墻、地面監(jiān)控主站、交換機(jī)、通訊設(shè)備、服務(wù)器等部件組成?！盁o線傳輸網(wǎng)絡(luò)+有線傳輸網(wǎng)絡(luò)”的多方式網(wǎng)絡(luò)傳輸共同完成數(shù)據(jù)傳輸功能，構(gòu)建監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，可有效提高傳輸效率。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)多源異構(gòu)職業(yè)危害數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，構(gòu)建職業(yè)危害粉塵監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，完成職業(yè)危害預(yù)警分類數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。職業(yè)危害粉塵監(jiān)測中主要的動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括PM10、PM2.5、總塵濃度、游離SiO2、噪聲、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等。數(shù)據(jù)中心架構(gòu)如圖5。

圖5 數(shù)據(jù)中心架構(gòu)示意圖

基礎(chǔ)支撐由硬件環(huán)境、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)軟件組成；數(shù)據(jù)采集及處理由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)抗干擾處理、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)融合組成；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)管理主要包括安全訪問控制、數(shù)據(jù)維護(hù)、備份恢復(fù)；數(shù)據(jù)服務(wù)包括數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)發(fā)布。

2.3 煤礦粉塵在線監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)

監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)以采集的粉塵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)各接口信令數(shù)據(jù)進(jìn)行聚集處理，形成數(shù)據(jù)集市，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的共享，提供粉塵監(jiān)測的監(jiān)管服務(wù)和職業(yè)病危害預(yù)警服務(wù)。

建立了面對(duì)多級(jí)部門扁平化的監(jiān)管系統(tǒng)，針對(duì)各級(jí)地方政府的監(jiān)管部門，平臺(tái)均提供相應(yīng)的功能部署，同時(shí)進(jìn)行扁平化管理。對(duì)煤礦井下粉塵濃度的監(jiān)測和工人職業(yè)病的預(yù)警構(gòu)建為多方共同監(jiān)管的模式，能有效提高各級(jí)監(jiān)管部門對(duì)煤礦的安全監(jiān)管能力，有助于工人和企業(yè)掌握職業(yè)病的危害情況和預(yù)警措施。

在線監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)對(duì)采集到的煤礦粉塵數(shù)據(jù)（監(jiān)測點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、粉塵濃度數(shù)據(jù)、濃度超限數(shù)據(jù)等）進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，可視化技術(shù)展現(xiàn)，為監(jiān)管部門的決策提供依據(jù)，及時(shí)地對(duì)煤礦井下粉塵濃度安全問題進(jìn)行預(yù)警處理。

構(gòu)建了職業(yè)病危害檔案，通過云服務(wù)平臺(tái)對(duì)煤礦企業(yè)和工人開放，可分析工人累計(jì)接塵狀況，可查看歷史監(jiān)控檔案，提前預(yù)警作業(yè)工人的健康狀況。

3 在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和實(shí)踐應(yīng)用

3.1 在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用基于Hadoop 煤礦數(shù)據(jù)中心構(gòu)架，并應(yīng)用B/S 技術(shù)架構(gòu)開發(fā)系統(tǒng)。Web前端采用HTML、CSS、JavaScript、jQuery、ajax、bootstrop 等技術(shù)，服務(wù)器后端采用Dubbo 分布式服務(wù)框架、SpringMVC、Zookeeper 等技術(shù)，選擇HBase 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理方法和系統(tǒng)來對(duì)粉塵數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，在Eclipse 開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，通過瀏覽器進(jìn)行訪問。

3.2 實(shí)踐應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦粉塵濃度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后，在棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司蔣莊煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，經(jīng)安裝調(diào)整后投入到了實(shí)踐應(yīng)用過程中。煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)投入應(yīng)用后，蔣莊煤礦可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下煤礦環(huán)境粉塵數(shù)據(jù)及工人接塵狀況數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到煤礦粉塵大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)與管理以及應(yīng)用服務(wù)，為多級(jí)監(jiān)管部門的監(jiān)管和工人職業(yè)病的防治和預(yù)警提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。系統(tǒng)的應(yīng)用有效解決了蔣莊煤礦井下粉塵濃度存在監(jiān)測時(shí)效性差、無法連續(xù)監(jiān)測、無上級(jí)部門監(jiān)管等問題。通過煤礦粉塵監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)長期累計(jì)的職業(yè)病數(shù)據(jù)，可以及時(shí)跟蹤作業(yè)工人累計(jì)接塵情況，為職業(yè)病的預(yù)警提供了有效數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。