基于物聯網技術的煤礦安全監測系統研究

姜 天

（北京航天試驗技術研究所 機電技術事業部，北京 100074）

0 引 言

煤礦作為工業生產的主要能源之一，其行業的發展對國家的經濟建設起到了至關重要的作用。煤礦生產系統復雜，生產環境惡劣，人員集中，安全隱患尤為突出，提升煤礦生產的安全性，確保施工人員人身以及企業財產安全，是煤礦行業共同關注的話題。目前，我國煤礦大多采用有線電纜的方式實現井下監測和通信，這種方式布置成本高，維護難度大，且監測系統、定位系統彼此獨立，功能單一，協調性差。所以，建立一套全方位的煤礦安全監測系統，能夠便于觀察礦區地面及地下環境、電纜電路等的運行情況。

目前，隨著物聯網技術的發展，在煤礦安全生產管理中也開始運用這種集成度高的信息系統，利用傳感器對礦區所有環境、設備、人員進行全面監測。礦區各類信息間的交互，實現了整個礦區的智能化管理，提高了其協調資源、統籌資源、合理利用資源的能力，同時也提高了安全生產能力。本研究結合客戶需求，分析物聯網技術發展現狀，對基于物聯網技術的煤礦安全監測系統平臺架構以及功能進行了設計。

1 系統需求分析

1.1 煤礦安全監測系統存在的問題

2010年，徐州市礦務局首次提出了智能化監測系統應用于煤礦安全管理的理念，引起了國家礦物總局高度重視，并成立了對應的科研機構，這也標志著物聯網技術開始正式應用于煤礦安全管理中。就目前而言，我國基于物聯網技術的煤礦監測系統還處于開發和嘗試期，存在很多亟待解決的問題。

1.1.1 系統健壯性差

首先，系統抗壓能力差。隨著信息量的逐步加大，系統訪問量也在提升，這些都會為系統增加較大的負擔，而由于受到系統處理數據能力的限制，系統運行不流暢，甚至引發系統癱瘓。其次，系統容錯能力差。在實際應用時，一旦系統中的某項功能出現故障，就會對系統運行造成影響。

1.1.2 缺少技術融合的整體解決辦法

雖然目前煤礦在安全管理方面運用了很多現代化技術，但這些技術的應用都相對獨立，并未有機融合，無法形成對安全監測的全面管理，大大降低了解決問題的效率。

1.1.3 缺乏有效的數據分析及智能決策

目前，我國煤礦安全監測系統中的日常信息收集、統計、分析等功能還不完善，智能處理事物、實時報警等功能欠缺，大多仍依靠人工實現安全管理的相關操作，導致決策者獲得信息的及時性無法得到保證，甚至存在錯誤決策的可能。

1.2 對現有系統存在問題的解決方法

1.2.1 系統健壯性解決方案

采用分布式架構模式，在不同的服務器上部署服務，建立起相對獨立的服務系統，用以解決系統容錯能力差以及抗壓能力不足的問題，從而最大限度地提高硬件資源利用率。

1.2.2 技術融合解決方案

采用全面系統的控制技術、通信計算機及現代管理技術，將生產全過程進行統一控制，從而形成一個整體進行管理。以此可提升企業內部的管理水平與資源利用率。

（1）全面建設礦區的信息網絡；

（2）建立礦井人員定位及通信系統；

（3）運用物聯網技術實現設備的綜合智能化，對礦山進行全面監測和管理。

1.2.3 數據分析及智能決策解決方案

煤礦安全監測系統要具備數據收集、統計以及分析能力，并依據數據處理的結果生成報告，提供智能決策解決方案。結合危機事件的類型以及種類，建立專家級別的指導系統，應對各種危機事件，落實危機處理的全過程管理。

1.3 系統的性能需求

調查和分析是目前我國煤礦安全系統中普遍存在的不足，結合相關改善措施，提出建立的系統要遵循先進、實用、可靠、經濟的原則。在此基礎上，完成煤礦安全監測系統的自動化，對井下情況進行全程監控，并對數據進行采集、處理和分析，確保數據的實時性、全面性和準確性。另外，對數據進行統籌管理，以提升決策效率，避免發生安全事故。系統需按照總體部署、分步進行的原則確定系統的性能需求。

1.3.1 建設安全監測數據中心

建立數據庫平臺，對數據進行集中管理，并按照不同的硬件和軟件組合方式，對礦井的所有信息數據進行全程收集，以便為日后分析判定突發事件提供有力依據。

1.3.2 建立監控系統數據共享

在礦區內建立統一的數據共享和管理體系，以便對區域進行集中監控，同時方便礦區內的從業人員隨時掌握井區內的動態信息。

1.3.3 建設安全報警預防機制

利用報警信號的燈光、聲音提醒工作人員，以便其采取對應措施。

1.3.4 增強分析數據的能力

對礦井的生產信息、現場各項設備的數據信息進行統計，并對這些數據進行分析和處理，最終發布處理結果，方便決策人員能夠及時、準確地做出判斷。

2 系統平臺架構

基于物聯網技術的煤礦安全監測系統平臺架構共有三層，如圖1所示。

圖1 煤礦安全監測系統平臺架構

感知層網絡、骨干傳輸網絡共同組成了感知與控制層，前者指無線覆蓋網絡，如WiFi，WSN等；后者由千兆工業以太網組成。感知與控制層的功能是收集煤礦作業過程中的所有傳感信息等，在該層中每個子系統匯集在一起，通過全分布的方式與物聯網鏈接。

控制中心的信息處理、發掘、融合等借助信息集成與MES（Manufacturing Execution System，MES）層實現，而該層主要利用千兆工業以太網骨干的功能，實現對各子系統的控制和監測。

煤礦企業各部門利用互聯網實現煤礦災害預警與處理、供應鏈的管理、安全生產的監督與評估、設備診斷等，而這些也是管理決策與應用層的主要功能。

3 系統功能設計

3.1 系統功能結構設計

煤炭安全監測系統的主要作用和功能是對煤礦作業過程中所產生的數據進行收集、統計、分析和處理，提供基礎決策，為監管部門提供實時、準確、全面的信息，以提高其管理能力，確保煤礦安全生產。設計煤礦安全監測系統要結合自動化技術的要求，配備設備傳感器，同時還要考慮系統的規范性和開放性。結合系統的功能要求以及基本框架結構，確定系統設計的總體方案。目前設計的系統基本結構如圖2所示。

圖2 基于物聯網技術的煤礦安全監測系統功能結構圖

系統由五個部分構成，每個部分的功能如下所述：

（1）網絡傳輸系統：該系統的作用是傳輸煤礦作業中的網絡信息。以物聯網技術為基礎，通過CAN總線實現井上井下的信息傳遞，有效解決移動通信網絡的局限性問題。

（2）用戶管理平臺：建立不同用戶的使用權限，通過身份驗證的方式實現不同權限用戶的資源與功能分配。

（3）礦井監控子系統：利用數據、趨勢圖、表格等內容實現對井下作業情況的監控，具體包括七項子功能。

（4）專家子系統：該系統主要用于處理突發事件，實現應急預案的制定、發布，并實時記錄落實情況。

（5）綜合數據管理平臺：該平臺的主要功能是實現企業的門戶網站數據管理、實時數據管理、在線設備管理等。綜合數據管理平臺是監測系統的管理層，能夠實時存儲井下監測系統采集到的數據信息。

3.2 系統工作流程分析

系統的功能設計主要分為兩部分，即監控子系統與專家子系統。前者的功能是對煤礦數據進行收集、處理和傳輸，是系統數據的起點；后者的功能是對數據進行統計分析，并以此判定煤礦生產環境的安全性，一旦發現危機事件，會及時預警并采取應急措施。各子系統的具體工作流程如圖3、圖4所示。

圖3 監控子系統工作流程圖

4 結 語

本文以煤礦生產過程中的安全監控作為切入點，利用先進的物聯網技術，建立了全面、系統、科學高效的煤礦生產安全監控系統，分別從系統架構、功能安全、性能需求的角度進行逐一探討。通過物聯網技術大大提高了煤礦安全管理的效率和水平，實現了預警數據管理、數據分析、報告生成等功能的協調統一。對煤礦井上井下的各種設備、人員、通信網絡進行集中管理，提高了資源利用率。煤礦作業帶有一定的特殊性，采用物聯網技術能夠為安全生產帶來保障，雖然目前該技術在煤礦中的應用已經取得了很好的成效，但還有諸多問題亟待解決。隨著新技術、新應用的進一步發展，我國媒體業的安全監測系統將會越來越完善、科學，不僅能夠提高煤業生產的安全性，還能確保煤礦企業的長遠發展。

圖4 專家子系統工作流程圖