礦井作業人員安全監控系統的設計及應用分析

寇俊芬

（晉能控股煤業集團云崗礦，山西 大同 037001）

1 概況

由于云崗礦井在設置安全監控的情況下，并未對工作人員的安全問題進行考慮。因此并不能對井下工作人員的安全進行監控。鑒于此，可以選用物聯網技術，與此同時需要充分結合井下工作人員的工作情況，從而構建了煤礦井下安全監控系統。

2 監控系統設計

系統應該具備如下幾個功能：其一，可以時刻監測井下員工的安全情況；其二，能夠適應井下工況情況，抗干擾能力要強；其三，能夠快速地分析數據并且制定出與之匹配的決策；第四，能夠實現調用數據的能力；第五，系統具有較高的穩定性等[1]。

2.1 總體架構

該系統所獲得的數據都來源于井下傳感器，對于傳統的環網而言在進行傳輸的過程中往往會產生許多無效數據，因此導致傳輸效率低下，為此筆者將在數據產生的環節進行數據處理。

為了有效地提高監控系統的有效性，該數據處理采用去中心化數據處理形式。該監測系統借助LSTM算法對數據的有效性進行分析，并且將數據進行儲存，將數據定期上傳到中心服務器。圖1 表示監控系統總體架構。其主要包括如下幾個數據層：第一，邊緣感知層；第二，霧決策層；第三，云服務層；第四，管控應用層。其對于邊緣感知層而言，工作人員在井下工作時，需要佩戴邊緣感知傳感器，其可以收集人體的身體狀況數據、運動數據以及周邊環境的數據，并且完成對有效數據的收集。對于霧決策層而言，將其設計在邊緣感知層之后，通常可以借助LoRa 技術，進而可以將邊緣傳感器采集到的數據傳輸給井下環網光纖，與此同時可以完成對數據的分析與分享，此外可以實現對異常數據的溯源。對于云服務層而言，可以實現對數據的匯集以及存儲，與此同時還可以把數據傳輸給管理應用層。對于管控應用層而言，能夠提供井下人員安全狀況的數據信息，并且可以將其傳輸給系統管理人員，這時管理人員可以借助管控應用層給工作人員發出指令，從而可以實現應對緊急事件的功能。

2.2 邊緣感知層

2.2.1 硬件設計

邊緣感知層對井下工作人員的安全、運動以及相應的周圍信息進行監測。與此同時將采集獲得的數據進行分析，由此可以看出在選擇邊緣感知層時，必須充分考慮硬件的數據處理能力。為此該系統選用的內核處理器為ARM Cortex-M，并且該硬件還具有較強擴展性。圖2表示構建的邊緣感知層硬件結構，主要包括如下幾個方面：第一，數據采集模組；第二，運算處理模組；第三，顯示以及輸入模組；第四，LoRa通信模組等。

2.2.2 軟件設計

邊緣感知層結構模組中，其擁有獨立的數據處理單元，在將數據進行處理后，可以將其輸送給運算分析模組。數據采集單元選用ARM Cortex-M，變成語言為C語言，從而可以對數據進行分析。接著借助SPI將處理后的數據傳輸給運算分析模組[2]。圖3 表示運算模組程序運行流程，其包括兩個子單元：第一，驅動程序；第二，MySQL數據庫等。

2.3 霧決策層

2.3.1 硬件設計

霧決策層功能包括兩個方面：第一，無線網關；第二，霧決策。LoRa 無線通信能夠實現無線網關功能，其可以借助無線網關將從霧決策層獲得的數據傳輸給云服務層。這樣可以實現借助以太網進行高速環網的連接。為了能夠有效地提高霧決策的高效性，通常選用4 核4 線程的Intel Pentium N420064 位微處理器，圖4 表示霧決策層的結構框架，主要包括如下幾個單元：第一，LoRa通信模組；第二，人機交互模組；第三，以太網通信模組等。

2.3.2 軟件設計

由于霧決策層具有較多的功能，因此在設計軟件的過程中，依據相應的模塊進行設計，可以對各個應用進行調用。圖5表示霧決策層的模塊組成結構，主要包括如下幾個方面：第一，無線連接單元；第二，數據收發單元；第三，數據存儲單元；第四，數據交互單元；第五，數據報表處理單元等。LoRa 無線通信模組在進行數據傳輸的過程中，往往需要借助收發解析。在進行數據解析的過程中，數據標頭可以對數據管理進行判斷。假如接收的是無線連接請求，那么可以借助無線連接管理程序進行處理。假如數據屬于正常的數據交互，那么僅僅需要調用數據包進行處理。

2.4 云服務層和管控應用層

通常情況下，云服務層與相應的管控應用層而言，其管理的重心為如下三個方面：第一，監控系統管理人員；第二，接受邊緣感知層傳遞過來的數據；第三，接受霧決策層傳遞過來的數據。與此同時，將信息傳遞給管控應用層以及將數據顯示給管理人員。

2.4.1 云服務層軟件設計

通常情況下，云服務層運行程序包括三個方面：第一，數據收發層；第二，數據儲存層；第三，管控應用層。在數據收發層中，對于數據的收發并不需要較大的計算量，只要能夠滿足最大數據傳輸量的需要即可。通常數據儲存層，不僅需要滿足數據儲存，而且將需要的數據傳輸給管控應用層。圖6 表示云服務層程序結構圖。

2.4.2 管控應用層軟件設計

管理控制層進行人機交互，通常可以實現如下幾個功能：第一，采集井下人員的安全情況；第二，周圍環境信息；第三，工作人員的運動情況，圖7表示管理控制層程序流程結構圖。

3 應用效果評價

該系統在工程實踐中發現，經過長達六個月的測試，該系統運行穩定，其具有較好的抗毀傷能力。系統也可以實現各個設定的功能，可以精準地捕獲井下工作人員的安全狀況。通過數據分析發現，該系統共計檢測到14 起人員不適的情況，其中主要以心跳加速為主，并且將存在有問題的員工及時地撤離。經過有關人員測試發現，該系統可以為公司節約150萬的人員事故開支[3]。

4 結語

安全生產是煤礦的首要任務，由于當前云崗煤礦在人員檢測方面存在一定的問題，因此以此為出發點不斷完善井下人員安全監控系統，其包括如下幾個方面：第一，邊緣感知層；第二，霧決策層；第三，云服務層；第四，管控應用層等。經過工程實踐發現，該系統具有較好的穩定性，能夠滿足工程的需要，具有一定的推廣價值。