煤礦井下人員安全監控系統設計與應用研究

馬芳

（晉能控股煤業集團 技師學院，山西 大同 037003）

1 概 況

四臺煤礦井下安全監控系統沒有考慮井下工作人員的安全狀況，不具有工作人員安全狀況實時監控功能。針對這些問題，采用先進的物聯網技術，結合該礦井下工作人員的工作現狀，設計一套煤礦井下人員安全監控系統。

2 監控系統設計

設計的監控系統的具體功能：一是能夠實時采集井下工作人員安全情況信息；二是具有較強的抗干擾能力，能夠適應井下惡劣的工作環境；三是具有較強的數據分析及決策能力；四是具有數據存儲及調用功能；五是系統工作穩定可靠，具有抗毀傷能力。

2.1 總體架構

監控系統采集的數據均來源于井下傳感器，傳統的數據傳輸由環網完成，但會傳輸很多無效數據，傳輸效率較低，因此本次將數據處理工作設計在數據產生位置。

為了提高監控系統的工作穩定性，保證足夠的抗毀傷性能，摒棄以往云端集中式數據處理模式，采用去中心化數據處理模式。監控系統首先通過LSTM算法分析數據的有效性并存儲至存儲模塊，定期上傳分析結果至中心服務器，數據上傳頻率可調。

監控系統總體架構如圖1所示，主要包括邊緣感知層、霧決策層、云服務層和管控應用層。邊緣感知層通過井下工作人員佩戴的邊緣感知傳感器完成身體狀態、運動情況、周圍環境的數據收集，篩選有效數據。霧決策層設計在邊緣感知層的上面，采用LoRa無線通信技術將邊緣感知傳感器采集的數據接入井下環網光纖中，數據分析結果共享，實現異常信息數據的溯源功能。云服務層負責系統數據的匯集與存儲，并傳輸至管理應用層，不對數據進行處理和決策。管控應用層由云服務層獲取井下人員安全狀況信數據信息，直觀展示給系統管理員，管理員通過管控應用層向井下工作人員發號命令，實現人員的緊急調度和疏散等。

圖1 安全監控系統架構Fig.1 Structure of security monitoring system

2.2 邊緣感知層

2.2.1 硬件設計

邊緣感知層主要用于采集井下作業人員的安全狀況、運動情況以及周圍環境信息等數據，并對采集的數據進行處理分析，因此在選擇邊緣感知層的硬件時需要考慮計算和數據處理能力?；谝陨戏治觯x擇ARMCortex-M系列內核處理器，兼具較強的硬件擴展性能，能夠實現多人員數據信息采集。對于所采集數據的分析選擇ARM Cortex-A系列內核處理器，具有較強的數據運算處理能力，能夠滿足邊緣感知節點數據的匯總與分析的要求。搭建完成的邊緣感知層的硬件結構如圖2所示，主要包括數據采集模組、運算處理模組、顯示與輸入模組、LoRa通信模組等。

圖2 邊緣感知節點硬件結構Fig.2 Hardware structure of edge sensing node

2.2.2 軟件設計

邊緣感知層結構組成中的數據采集模組擁有獨立的處理模塊，能夠將采集處理之后的數據傳輸給運算分析模組，控制無線通信、人機交互模組。數據采集使用的ARMCortex-M系列內核處理器基于uC/OS，運用C語言進行程序編制，實現數據的分析處理，之后由SPI接口將數據結果傳輸至運算分析模組。運算分析模組的程序運行流程如圖3所示，主要包括數據采集驅動程序、MySQL數據庫等。

圖3 運算分析模組程序運行流程Fig.3 Operation flow of operation and module program

2.3 霧決策層

2.3.1 硬件設計

霧決策層的功能包括無線網關和霧決策兩個方面，其中LoRa無線通信是實現無線網關功能的硬件保障，要求能夠通過無線網關將霧決策層獲取的數據高速傳輸至云服務層，因此設計了以太網接口用于連接高速環網。為了保證霧決策的計算速度和能力，選用了4核4線程的Intel Pentium N420064位微處理器。圍繞上述微處理搭建了霧決策層的結構框架，如圖4所示，主要包括LoRa通信模組、以太網通信模組、人機交互模組等。

圖4 霧決策層的結構Fig.4 Structure of fog decision maker

2.3.2 軟件設計

因霧決策層功能較多，軟件設計過程中按照功能進行了模塊化的設計，包括多個獨立的功能模塊，應用過程中能夠直接調用各功能模塊以實現所要求的功能。將霧決策層劃分成如圖5所示的模塊組成，主要包括無線連接管理、數據收發、數據存儲、數據交互、數據報表處理等模塊。LoRa無線通信模組傳輸的數據需要收發驅動進行解析，依據數據標頭進行數據管理的判斷，如果是無線連接請求，則調用無線連接管理程序；如果是正常數據交互，則調用數據報處理程序。霧決策層接收到邊緣感知層的異常數據需先存儲于本地數據庫，之后調用數據交互模塊，上傳至云服務層并在霧決策層進行共享。

圖5 霧決策層模組構成Fig.5 Composition of fog decision layer module

2.4 云服務層和管控應用層

云服務層與管控應用層重點服務于監控系統管理人員，接受邊緣感知層和霧決策層數據，并將數據信息向管控應用層傳輸，展示給相關管理人員，云服務層和管控應用層設計工作主要涉及的是軟件。

2.4.1 云服務層軟件設計

云服務層運行程序主要包括3層，自下而上分別為數據收發層、數據儲存層和管控應用層接受數據的API接口層。數據收發層進行數據收發時無需較大的計算量，僅要求數據傳輸的最大并發數滿足要求，程序的編寫采用了非阻塞型的NodeJSl521；數據儲存層的主要功能是存儲數據并將其傳輸至管控應用層接受數據的API接口層，該過程需要大量的數據計算處理，采用了PHP開發平臺進行軟件程序的編寫。云服務層程序結構如圖6所示。

圖6 云服務層程序結構Fig.6 Cloud service layer program structure

2.4.2 管控應用層軟件設計

管理控制層主要功能是實現監控系統人機交互，獲取井下人員的安全狀況、運動情況和周圍環境信息，管理控制層軟件控制流程如圖7所示。

圖7 管理控制層軟件控制流程Fig.7 Software control process of management control layer

3 應用效果評價

為了驗證井下人員安全監控系統的設計效果，將其應用于四臺煤礦進行為期半年時間的測試試驗工作，跟蹤記錄了監控系統的實際運行情況。記錄結果顯示，監控系統運行穩定可靠，具有較強的抗毀傷能力；各系統模塊的功能均已實現，能夠獲取井下工作人員的安全狀況的實時信息數據。統計得出半年時間內檢測得到人員身體不適情況14起，以心跳速率較高為主，及時將相關人員撤離，成功避免了人員安全事故的發生。相關專業人士估計，該監控系統的使用，為企業節省近150萬的人員事故處理支出，取得了很好地應用效果。

4 結 語

煤礦井下生產安全的重中之重是人員的安全。針對四臺煤礦井下人員安全監控系統的問題，提出了具體的人員監控系統的功能要求，完成了井下人員安全監控系統總體架構的設計，包括邊緣感知層、霧決策層、云服務層、管控應用層等。并對井下人員監控系統各層硬件和軟件進行了設計。將設計完成的人員監控系統在四臺煤礦進行為期半年的測試試驗。結果表明，人員監控系統運行穩定可靠、抗毀傷能力強，能夠實現最初的設計要求，為企業節省近150萬的人員事故處理支出。