基于物聯網的煤礦安全監控系統

甘慶華，何智華（中國四聯儀器儀表集團有限公司，重慶　400700）

基于物聯網的煤礦安全監控系統

甘慶華，何智華
（中國四聯儀器儀表集團有限公司，重慶400700）

摘要：針對我國煤礦安全事故時有發生的現狀及煤礦監控系統中存在的主要問題進行了研究，提出了基于物聯網的煤礦安全監控系統。先對物聯網的基礎理論進行了研究，再對煤礦安全物聯網監控系統進行了架構，最后進行了系統設計，有一定的實用價值。

關鍵字：物聯網；煤礦監控；信息系統

1　引言

作為我國國民經濟以及社會發展的基礎，煤炭在我國的一次性能源的生產和消費中所占的比例分別是76%和69%。根據預測得知我國的煤炭生產和消費到2020年仍將占到我國總體一次性能源生產和消費的60%左右的比例，到2050年的時候仍將占到50%以上的比例煤礦開采是我國重要的傳統產業，煤礦的安全運作對其起到了保證及推動的作用。根據相關統計，近五年來全國煤礦共發生了1340起一次死亡人數在3-9人的重大事故，每年平均發生270起，在全國各類重大安全事故起數中所占的比例是12%；發生218起一次死亡人數在10至29人的特大事故，每年平均發生44起，在全國各類特大事故起數中所占的比例是6%；發生43起一次死亡30人以上的特別重大事故，每年平均發生9起，在全國各類特別重大事故起數中所占的比例為的59%。可見如何構建基于物聯網的煤礦安全監控系統具有重大意義。

2　煤礦安全物聯網研究現狀

國外對物聯網的應用研究起步較早，其取得研究成果也較為豐富，比如在20世紀末，加拿大國際鎳公司的研究員針對煤礦地下采礦設備的遙控指揮問題，研究設計了一種獲取地下數據的裝置，命名為“Horta”，該成果可通過激光陀螺儀對井下環境的掃描生產三維結構圖，實現對礦井挖掘、運輸等活動的遠程控制。美國加州大學伯克利分校的Doherty等人在2000年針對煤礦物聯網系統中人員定位問題，通過研究提出了凸規劃定位算法，該算法通過將節點定位問題轉化為凸約束優化問題來計算位置坐標，其定位精確度比較高。澳大利亞工業研究所在2002利用虛擬建模語言研究了提出“礦井數據四維可視化”概念，并開發出了一個礦井的四維可視化平臺，該平臺實現了礦井地球物理、地質等數據的圖片化展示，進而形成了礦山的虛擬環境。美國 Rabaey J等人在2002年針對物聯網 RFID射頻技術中的定位問題提出 Robust position 定位算法，該算法引入了置信度來提高定位的精確性，但是該算法在系統的實際應用中需要較長的覆蓋時間。美國賓漢頓大學計算機系統研究室通過對物聯網接口協議的研究，在2005年前后分別提出了物聯網系統中的各類協議標準，進而規范了物聯網設計的相關標準。

3　煤礦安全物聯網監控系統架構

基于物聯網的煤礦安全監控系統主要是由3個層面組成。主要包括了感知層，具體說就是信息采集與施用層；傳輸層，就是數據信息的傳輸層；應用層，也就是各類信息的管理應用層。最底層的感知層主要包括各類傳感節點，主要功能是對煤礦的瓦斯含量、空氣濕度、煤礦粉塵和生產計量等數據信息進行采集；而傳感層的主要功能將各類傳感節點采集的數據信息通過傳輸網絡傳輸到應用層上；而應用層主要是提供煤礦安全管理中應用的各類管理應用軟件，主要是完成對各類數據信息的存儲和處理，分析以及應用。下面將基于上訴的網絡架構，結合我國煤礦安全物聯網應用中的問題，在上文需求分析的基礎上，對煤礦安全物聯網模型進行設計。

煤礦安全物聯網監控系統是利用物聯網技術，把與煤礦各類與環境、設備、人員等有關的傳感器，比如瓦斯、人員識別、濕度、計量設施等傳感器，裝備在煤礦的開采、利用、安全監控等層面里，然后將各類傳感器節點連接到系統中的無線網絡和互聯網，從而實現了煤礦企業安全管理工作與煤礦開采各環節的整合。接著將各類煤礦管理應用工具同時融入到這個物聯網系統，用更加精細、動態和智能的方式管理煤礦生產，提高煤礦生產的效率，進一步改善煤礦安全生產條件，促進煤礦企業的整體信息化水平的提高。通過以上分析，煤礦安全物聯網監控系統總體結構可以分為三個層次，分別是感知與控制層、信息集成層及管理決策應用層，結合企業需求分析，這里將在三層基本結構的基礎上，加入信息展示層，作為企業的門戶系統。

4　煤礦安全物聯網監控系統總體設計

煤礦安全監控系統的軟件系統需要保證各類異構信息能夠在一個統一開放的平臺的運行，其中各類異構信息主要包括了設備、環境、人員、管理等信息，這些異構信息能夠在這個系統順利的聯通及共享，進而使得各個不同功能的軟件系統有序、協調的運行。軟件系統需要實現的主要功能包括：信息資源的分類與采集、系統設置維護、數據檢索及統計、專題數據服務引擎與接口，以及三維建模分析，具體功能如下。

（1）系統設置維護。系統的設置維護需要對用戶與權限進行管理、對操作日志進行管理、還需對數據字典與編碼管理，以及數據備份等。

（2）信息資源分類采編。信息資源的分類與采編主要實現數據錄入與采集表單、圖檔的上傳下載、信息的分類編碼功能。

（3）數據檢索統計。數據的檢索統計功能主要包括了數據的綜合檢索、數據的統計分析、圖檔綜合檢索與數據與圖檔下載。

（4）三維建模分析。三維建模分析主要包括了三維建模引擎、三維圖形顯示和三維建模分析計算這幾大功能。

（5）專題數據服務引擎與接口。專題數據服務引擎與接口模塊的主要功能包括了作業監督與調控、安全監測、以及ERP與OA接口。

5　總結

本文在對通過分析國內外物聯網研究現狀及物聯網在我國煤礦安全監控系統應用現狀的基礎上，指出了我國傳統煤礦監控系統中存在的問題，以及我國煤礦安全物聯網監控系統目前的缺陷。然后在此基礎之上結合物聯網技術，設計出了相對完善的煤礦安全物聯網監控系統，并給出了其詳細的硬件設計和軟件設計。

作者簡介：甘慶華（1976--），男，重慶人，研究方向，物聯網應用方面的開發工作。