礦山井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

王雨 WANG Yu

（沛縣食品藥品安全監(jiān)督所，徐州 221600）

0 引言

基于我國“十四五規(guī)劃”不斷落實的背景，對于煤礦行業(yè)的建設(shè)發(fā)展提出了更高的要求。但在實踐中，往往存在開采難度大、危險性高以及效率低下的礦井作業(yè)實際現(xiàn)狀，需要積極研發(fā)和設(shè)計科學(xué)的監(jiān)控系統(tǒng)。通過引進(jìn)智能化技術(shù)，加強(qiáng)井下作業(yè)安全監(jiān)控，有利于規(guī)避礦難事故發(fā)生，提高公共安全保障能力，并且能夠輔助煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)管理，保證井下操作人員的人身安全，及時高效地協(xié)助井下救援等，從而實現(xiàn)礦山生產(chǎn)的安全保障水平得到提升。不過目前我國對于礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究，對煤礦復(fù)雜的物理場景、電磁環(huán)境中如何合理運用移動通信關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備仍存在一定空白。為此本文根據(jù)礦井生產(chǎn)需求設(shè)計相應(yīng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)，借助現(xiàn)代化通信關(guān)鍵技術(shù)，提高系統(tǒng)應(yīng)用價值，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

1 案例介紹

某礦山為一新建礦井，設(shè)計規(guī)模年產(chǎn)原煤120萬，其采用斜井開拓方式，共設(shè)置主、副、風(fēng)三個井筒，并應(yīng)用綜合機(jī)械化采煤方式。該礦井為低瓦斯礦井，井下施工操作風(fēng)險系數(shù)較高，而且作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，各種施工機(jī)械設(shè)備、電磁設(shè)備和通信裝置較多，電磁干擾較為強(qiáng)烈，對井下安全生產(chǎn)管理造成較大的難度，因此對現(xiàn)代化礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求越來越大。通過調(diào)查分析，目前該礦井開展井下安全監(jiān)控的難點問題表現(xiàn)如下。

①井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，工作點較為分散，開采人員以及裝備等頻繁移動。在礦山高效自動化和智能化開采等要求下，原有的礦井通信系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)目前工作需求，難以實現(xiàn)礦井人員定位、智能采運設(shè)備調(diào)度、遙控及生產(chǎn)過程監(jiān)控等。需要建立完善的異構(gòu)協(xié)同通信系統(tǒng)，以此保障煤礦井下作業(yè)安全，發(fā)揮生產(chǎn)管理功能。現(xiàn)有通信模式在很大程度上限制了礦井自動化和信息化的發(fā)展，無法確保井下安全[1]。

②為保障礦上井下作業(yè)安全，多數(shù)企業(yè)在煤礦生產(chǎn)環(huán)境中安裝大量的檢測和監(jiān)控設(shè)備。在此背景下各種信息源的傳輸速率具有較大跨度，為有效實現(xiàn)信息集成處理，對原有系統(tǒng)采用以太網(wǎng)接口模塊進(jìn)行有線固定接入。但該模式對礦井自動化采掘、運輸?shù)茸詣踊a(chǎn)生一定約束，無法實現(xiàn)生產(chǎn)中人員及設(shè)備的高效移動和隨機(jī)接入，并且對礦井突發(fā)事件中的通信網(wǎng)絡(luò)快速部署以及移動終端接入等需求難以滿足。

③由于礦井巷道的空間有限，自由性較差，而且呈現(xiàn)狹長、分支多等特點，無線信號在傳輸中存在較為嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)射功率存在受到一定限制。導(dǎo)致礦井無線通信設(shè)備的應(yīng)用效果不佳。所以必須要研制符合智能開采要求的無縫移動通信系統(tǒng)。

2 礦山井下安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 井下測控網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計

在本次案例的礦山井下安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計工作中，應(yīng)當(dāng)先確定井下測控網(wǎng)絡(luò)方案。根據(jù)當(dāng)前科學(xué)技術(shù)以及通信形式的創(chuàng)新發(fā)展，適合礦井中的無線通信方案較多，但綜合考慮安全監(jiān)控系統(tǒng)對通信的實際需求，可采用CC2430構(gòu)架的無線通信網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)勢體現(xiàn)在人員識別卡便攜、功耗相對較低等。在系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)，主要將2.4GHz作為無線網(wǎng)絡(luò)通信頻率，有助于實現(xiàn)智能化的人員定位，并可快速開展搜救功能。通過將該構(gòu)架作為無線網(wǎng)絡(luò)核心部件，能夠?qū)€人局域網(wǎng)和測控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而對井下人員開展定位和監(jiān)控功能，為安全生產(chǎn)和應(yīng)急救援提供良好保障。

在具體設(shè)計期間，綜合考慮該礦山對井下安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的需求特點，如采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實施構(gòu)建，則存在成本高、維護(hù)繁雜等問題。比如布設(shè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊時，必須要保證兩個模塊之間的距離符合一定標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下在空曠區(qū)域的傳輸距離為100m，當(dāng)放置在巷道內(nèi)時，穩(wěn)定信號的傳輸距離將會進(jìn)一步縮小，因此將會形成較高的成本[2]。另外，由于該網(wǎng)絡(luò)長度達(dá)到10km以上，則會出現(xiàn)較為繁重的維護(hù)任務(wù)，故障檢修壓力較大?；诖耍O(shè)計人員可將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與有線/無線傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，有助于在主井、副井以及大巷道內(nèi)增加傳輸距離。并可在工作面、掘進(jìn)面等人員密集區(qū)域增加中繼器布置數(shù)量，為安全監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)提供良好條件。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

針對礦山井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計，主要包括地面監(jiān)控設(shè)備、井下人員定位系統(tǒng)和無線搜救器等。地面監(jiān)控需合理設(shè)計監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、多路單模光端機(jī)、交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)終端等部分。井下人員定位系統(tǒng)需設(shè)計中繼器、人員識別卡、單路單模光端機(jī)等。無線搜救器主要設(shè)計人員識別卡及搜救器等設(shè)備。由于在安全監(jiān)控系統(tǒng)的井下部分共用人員識別卡，因此應(yīng)當(dāng)做好設(shè)計工作，保障其符合功能要求。具體如下。

①人員識別卡設(shè)計。即是采用獨立供電方式、便于隨身攜帶、發(fā)射人員編碼信息、手動報警等。綜合考慮到井下環(huán)境的惡劣性，可設(shè)計采用3.3V電源，應(yīng)用32MHz和32.768kHz的晶體振蕩器。同時對按鍵設(shè)計復(fù)位和報警等功能，對于提示礦井人員及其他人員的聲光報警器，可將板載天線與外接天線設(shè)計為分開工作模式，有助于增加通信距離[3]。如圖1所示。

②中繼器設(shè)計。該硬件設(shè)備主要作用時采集礦井人員的身份編碼、收集巷道內(nèi)瓦斯氣體濃度、環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)信息，然后發(fā)送給地面監(jiān)控主機(jī)。在設(shè)計時，應(yīng)保障主控芯片借助串口和無線信號采集模塊等進(jìn)行連接，能夠?qū)崿F(xiàn)人員編碼采集功能。同時利用外圍系統(tǒng)提供電源供電、晶振以及復(fù)位電路、報警電路等功能，順利在測控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用，保障通信順暢。

③無線搜救器設(shè)計。對該設(shè)備采用CC2430射頻信號收發(fā)芯片，與井下無線信號采集模塊的原理基本相同。在發(fā)生礦難后，監(jiān)控系統(tǒng)會彈出提示，啟用便攜式無線搜救系統(tǒng)，當(dāng)?shù)V井人員攜帶人員識別卡且處于正常工作狀態(tài)，可借助搜救器獲取井下被困人員的信息，以此實施救援。在設(shè)計時，應(yīng)保障搜救器具有顯示功能，通過串口擴(kuò)展接口和液晶顯示模塊，能夠提升數(shù)據(jù)通信效率和準(zhǔn)確性。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

礦上井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，主要涉及到識別卡軟件設(shè)計、中繼器軟件設(shè)計、無線搜救系統(tǒng)軟件流程設(shè)計等。具體如下。

①識別卡軟件設(shè)計。對識別卡上電后，應(yīng)對一些基本部件進(jìn)行初始化，比如選擇和啟動晶振頻率、檢測系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性、外圍器件初始化、芯片內(nèi)部定時器初始化等。然后開啟系統(tǒng)任務(wù)流程，如開啟所需中斷服務(wù)，按照LED顯示執(zhí)行相應(yīng)動作。常見動作包括RF中斷、USART中斷、睡眠計時器比較、看門狗中斷等。同時需對無線接收信機(jī)實施初始化，合理設(shè)置格式，保障通信的有效性。對于識別卡模塊收發(fā)子程序的設(shè)計，則是在上電初始化后，設(shè)置為主動掃描信道的工作方式，當(dāng)?shù)V井人員佩戴識別卡進(jìn)入到巷道后，將會掃描到無線信號采集模塊網(wǎng)絡(luò)并請求加入，以此建立關(guān)聯(lián)。其主程序流程如圖2所示。

圖2 人員識別卡主程序流程圖

②中繼器軟件設(shè)計。中繼器按照已定義的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，與監(jiān)控主機(jī)實施通信。在設(shè)計環(huán)節(jié)當(dāng)單片機(jī)上電或者復(fù)位后，主程序可先對相關(guān)芯片的寄存器進(jìn)行初始化，然后每500ms采集一次現(xiàn)場數(shù)據(jù)，每10s采集一次環(huán)境信息。主程序在每次循環(huán)中均要準(zhǔn)確判斷是否接收到監(jiān)控主機(jī)的數(shù)據(jù)請求信號、報警信號以及瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)信號等。中繼器在硬件連接中可通過擴(kuò)展串口、無線信號采集模塊等進(jìn)行連接，在軟件處理期間采用無線信號采集模塊的中斷功能，提示單片機(jī)的人員信息并接收。當(dāng)測控網(wǎng)絡(luò)接口收到監(jiān)控主機(jī)的數(shù)據(jù)請求信號后，按照相應(yīng)規(guī)則回饋信息幀，一旦發(fā)生瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)或者人員報警等，監(jiān)控主機(jī)可回饋相應(yīng)的報警幀。

③便攜式無線搜救系統(tǒng)軟件設(shè)計。其設(shè)計共有初始化和射頻信號收發(fā)等部分，先進(jìn)行晶振選擇和電源模式選擇，再設(shè)置I/O口方向、初始化、啟動射頻收發(fā)循環(huán)程序等。在該軟件系統(tǒng)設(shè)計期間，搜救器本身屬于一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，因此在上電初始化后，應(yīng)當(dāng)建立信標(biāo)無法使用的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)人員識別卡加入網(wǎng)絡(luò)后可開展數(shù)據(jù)傳輸，并可同步顯示人員識別卡的位置和相關(guān)報警信息。

3 礦山井下安全監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 有線/無線混合結(jié)構(gòu)移動通信系統(tǒng)模型

針對礦井的復(fù)雜環(huán)境，為保障安全生產(chǎn)目標(biāo)的順利實現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)積極運用創(chuàng)新技術(shù)，更好地適應(yīng)現(xiàn)代礦山井下通信需求，為安全生產(chǎn)管理提供良好的技術(shù)支持。因此結(jié)合當(dāng)前背景，應(yīng)科學(xué)構(gòu)建礦山井下安全監(jiān)控系統(tǒng)，為提高礦井自動化和信息化水平，需運用通信技術(shù)、信息技術(shù)等建立有線/無線混合的無縫全覆蓋移動通信模型。主要是按照礦井物理環(huán)境以及智能監(jiān)控特點，采用終端及感知層、泛在接入及網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等三層體系結(jié)構(gòu)。其中移動終端和感知層可利用傳感器、移動通信終端、總線設(shè)備等，有序完成數(shù)據(jù)檢測、短距離有線通信和遠(yuǎn)距離無線通信等[4]。有助于針對礦山物理環(huán)境中的各項數(shù)據(jù)、語音、人員定位和視頻等信號的獲??；移動接入與網(wǎng)絡(luò)層可利用自主研發(fā)的礦井移動通信智能設(shè)備，高效傳輸感知層獲取的礦井復(fù)雜物理環(huán)境信息和工況信息，實現(xiàn)無縫接入和長距離傳輸；應(yīng)用層的功能是完成信息識別和處理，并在特殊的礦井環(huán)境下進(jìn)行人機(jī)交互。

另外，為保障安全監(jiān)控系統(tǒng)順利運行，應(yīng)當(dāng)創(chuàng)建礦井復(fù)雜環(huán)境下的全方位協(xié)同管理和數(shù)字礦山綜合智能監(jiān)控模式，通過融合冗余環(huán)形光纖工業(yè)以太網(wǎng)、寬帶無線技術(shù)、傳感器技術(shù)等，從而實現(xiàn)對煤礦數(shù)據(jù)的監(jiān)控，獲取語音、視頻、人員定位等信息，實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)互聯(lián)，保證通信系統(tǒng)反應(yīng)迅速、可靠及具有兼容性和開放性。

3.2 自動組網(wǎng)和終端快速漫游切換技術(shù)

為有效解決礦山井下設(shè)備數(shù)量多、監(jiān)控和管理難度大等特征，應(yīng)當(dāng)對路由采用分布式設(shè)置策略，以此保證礦井異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)的無線接入點自主組網(wǎng)及終端快速漫游切換。比如可在自組織網(wǎng)絡(luò)中按照需求距離的矢量協(xié)議，實現(xiàn)無線通信基站之間進(jìn)行快速自動組網(wǎng)和對接通信。同時分布式策略能夠提供異構(gòu)系統(tǒng)復(fù)合數(shù)據(jù)寬帶接入、無線通信帶寬資源再分配等功能。另外建立具有統(tǒng)一收發(fā)節(jié)點構(gòu)建三種鏈路混合組網(wǎng)的數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)，從而保障移動終端在礦井巷道內(nèi)的有限空間內(nèi)，促使混合組網(wǎng)和移動終端進(jìn)行無縫快速接入，以此解決礦山井下移動開采和工作點分散而產(chǎn)生的巷道通信接入技術(shù)問題，更好地開展井下通信，為安全管理提供基礎(chǔ)保障[5]。

除此，采用有線/無線礦井智能綜合接入網(wǎng)關(guān)技術(shù)，能夠在礦井異構(gòu)系統(tǒng)復(fù)合數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用無線通信帶寬再分配技術(shù)、綜合接入技術(shù)和協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)。有助于研制出帶有標(biāo)識轉(zhuǎn)換功能的智能綜合接入網(wǎng)關(guān)，有助于解決煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)與不同傳輸速率現(xiàn)場總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換難題。

3.3 井下泛在移動通信系統(tǒng)智能裝備

為有效適應(yīng)智能開采的開放性井下無縫移動通信需求，主要是利用相應(yīng)的智能化裝備。首先，采用礦用本安型通訊終端，通過車載、固定終端的有線或無線接入、無線漫游等方式，基于井下多點虛擬通訊技術(shù)，有效保障多速率數(shù)據(jù)可協(xié)同、實時傳輸，進(jìn)而提升以太網(wǎng)冗余保護(hù)恢復(fù)時間。同時還需針對井下復(fù)雜環(huán)境，采用抗干擾、寬電壓波動供電故障診斷裝置等，避免井下各種大功率設(shè)備因頻繁開停，導(dǎo)致電壓波動大的現(xiàn)狀，盡可能防范設(shè)備出現(xiàn)運行故障。其次，采用礦用高防護(hù)移動寬帶基站，有助于克服礦山井下通信干擾大、彎道較多的特殊情況。通過利用無線通訊基站則能夠接入無線信道的非視距中繼傳輸和移動終端信號接入[6]。并且基站能夠提供至少兩個無線電臺，在無線系統(tǒng)中繼的作用下可組成寬帶無線環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，能夠為用戶終端提供寬帶無線接入、無線漫游以及人員定位等智能化功能。最后，針對綜采工作面采用無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即是應(yīng)用傳感器自組織、重構(gòu)技術(shù)等，實現(xiàn)礦井高噪聲環(huán)境下，對局部通信系統(tǒng)進(jìn)行快速重建。此外應(yīng)研發(fā)安全保障控制系統(tǒng)，包括無線自組網(wǎng)匯聚裝置。并依托應(yīng)急救援無線音視頻中繼器和傳輸裝置、不間斷電源關(guān)鍵裝備等，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，建立完善的救災(zāi)應(yīng)急系統(tǒng)平臺。

4 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計成效

通過結(jié)合本次工程實際案例，研發(fā)設(shè)計礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，其具有較強(qiáng)的技術(shù)先進(jìn)性，即是注重運用泛在的移動通信關(guān)鍵技術(shù)，有效支持設(shè)備研制開發(fā)。如礦井智能綜合接入網(wǎng)關(guān)、多元異構(gòu)數(shù)據(jù)接入和移動互聯(lián)等，同時研發(fā)高防護(hù)移動寬帶基站、便攜式手持通信終端、移動機(jī)電裝備車載通訊終端等，有效完善了礦井泛在移動通信的實施模式，有效提升井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能。另外在經(jīng)濟(jì)性方面，通過設(shè)計該系統(tǒng)能夠大幅節(jié)約服務(wù)費，其費用水平在3萬元/d左右，而國外同類監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)費達(dá)4萬元/d，每年可節(jié)省服務(wù)費上百萬元。并且利用安全監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)省大量的井下故障處理費用，借助系統(tǒng)的實時報警、自動化處理、修復(fù)狀態(tài)跟蹤等功能，每年可節(jié)省費用近百萬元。因此合理研發(fā)設(shè)計礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，創(chuàng)新應(yīng)用泛在移動通信關(guān)鍵技術(shù)可實現(xiàn)綜合效益，既能夠提升系統(tǒng)工作效率，又能夠降低投入成本。

5 結(jié)束語

綜上所述，礦山井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)需要結(jié)合目前實際背景和要求，應(yīng)當(dāng)做好系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計，通過詳細(xì)設(shè)計測控網(wǎng)絡(luò)方案、規(guī)劃系統(tǒng)總體設(shè)計，并針對人員識別卡、中繼器以及無線搜救器等重要部分進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計。同時注重運用有線/無線混合結(jié)構(gòu)移動通信系統(tǒng)模型、自動組網(wǎng)和終端快速漫游切換技術(shù)、井下泛在移動通信系統(tǒng)智能裝備等關(guān)鍵技術(shù)，以此凸顯該系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，充分發(fā)揮安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能，高效開展通信，實現(xiàn)人員及設(shè)備的精確定位、環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確收集、應(yīng)急救援搜救等，有助于提高礦井安全生產(chǎn)管理水平。