基于物聯(lián)網(wǎng)的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

成志惺

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

從20 世紀(jì)80 年代就開始發(fā)展煤礦的安全監(jiān)控，目前使用的安全監(jiān)控存在以下問題：（1）監(jiān)控的位置以及信息較為單一，無法實(shí)現(xiàn)井下工作面的設(shè)備環(huán)境等的全面監(jiān)控；（2）目前最常使用的監(jiān)控系統(tǒng)即分散控制系統(tǒng)，其布置以及設(shè)備較為復(fù)雜，前期建設(shè)以及后期維護(hù)成本過高；（3）無法實(shí)現(xiàn)井上井下信息聯(lián)動(dòng)，無法通過遠(yuǎn)程控制來進(jìn)行故障診斷以及預(yù)防。針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在問題，本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1-4]為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開發(fā)一款全新的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)，為井下的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

物聯(lián)網(wǎng)即是萬物互聯(lián)，萬物互聯(lián)即通過有線無線傳感器將設(shè)備信息通過互聯(lián)網(wǎng)的方式連接起來，將設(shè)備或者物體的信息上傳網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的區(qū)分以及識(shí)別。區(qū)別于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，其將網(wǎng)絡(luò)的虛擬性與事物的真實(shí)性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人、物、環(huán)境等的連接。圖1 為物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的工作模式，將其分為三層，其中首先通過感知層來獲取信息，可將其比喻為系統(tǒng)的感知器官；其次為網(wǎng)絡(luò)層，將獲取信息通過互聯(lián)網(wǎng)的媒介上傳；最后為應(yīng)用層，將收到的信息進(jìn)行匯總處理。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

2.1 安全監(jiān)控系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)架構(gòu)，通過井下各關(guān)鍵位置的檢測傳感器，將井下開采、環(huán)境、安全等的信息納入監(jiān)控系統(tǒng)中，再通過有線無線連接的充分結(jié)合，實(shí)現(xiàn)井上井下的信息交互統(tǒng)一整合管理。同時(shí)，后期將常用的數(shù)據(jù)整理、井務(wù)管理等的應(yīng)用融入系統(tǒng)中，縮短操作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精細(xì)化管理，增強(qiáng)礦井的管理效率，提升礦井的信息化管理水平。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邏輯，該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為三步，首先基礎(chǔ)的信息采集層，其次的信息傳輸層，最終的信息管理層，通過三步的結(jié)合作用最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能。如圖2。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)層次圖

（1）基礎(chǔ)的信息采集層。該層上大量使用傳感器用于信息的收集，其中有代表性的是瓦斯的檢測、粉塵檢測以及設(shè)備的運(yùn)行等。通過傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集結(jié)合音視頻的信息，將井下的實(shí)際情況很形象地呈現(xiàn)出來，便于井下的信息采集和管理。

（2）信息傳輸層。此層作為系統(tǒng)的中樞層，起到承上啟下的作用。信息采集層中傳感器收集的各關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)在5G 信號(hào)的加持下通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至信息資源庫中，數(shù)據(jù)在資源庫中通過分析、對(duì)比，通過故障診斷等的功能，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，從而將分析結(jié)果上傳至下一層。

（3）信息管理層。管理層是對(duì)傳輸?shù)男畔⒆鰶Q策的位置，其相當(dāng)于安全系統(tǒng)的大腦。在管理層中最重要的就是礦井的安全模塊，其主要包括系統(tǒng)的建設(shè)、信息的收集以及傳輸?shù)葓?zhí)行統(tǒng)一的規(guī)劃管理。其中，最為關(guān)鍵的還是對(duì)安全系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。在管理層中分別有6 個(gè)組成部分，其中包括：（1）安全評(píng)價(jià)管理模塊。主要是針對(duì)工作人員進(jìn)行安全培訓(xùn)以及礦井安全管理的模塊，但是目前發(fā)展較慢，礦井往往忽略了這一塊。（2）設(shè)備安全管理模塊。主要針對(duì)井下設(shè)備的安全管理即維護(hù)保養(yǎng)。（3）地質(zhì)安全管理模塊。主要完成井下地質(zhì)環(huán)境的檢測以及治理等工作的模塊。其作為井下開采的基礎(chǔ)模塊，對(duì)于礦井的安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。（4）定位導(dǎo)航管理模塊。針對(duì)井下關(guān)鍵設(shè)備以及工作人員的定位，對(duì)其提供保障。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需要將其分為兩部分進(jìn)行展開，分別為井上控制中心的設(shè)計(jì)以及井下控制中心設(shè)計(jì)。

（1）井上控制中心設(shè)計(jì)

作為井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的井上控制中心，其是井下所有監(jiān)控信息的匯集地，將匯總的信息以及分析結(jié)果進(jìn)行集合，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)等進(jìn)行發(fā)號(hào)施令。

井下安全監(jiān)控系統(tǒng)中井上控制中心設(shè)計(jì)有別于現(xiàn)在使用的調(diào)度室，在調(diào)度室現(xiàn)有功能和作用的基礎(chǔ)上進(jìn)行了加強(qiáng)與擴(kuò)充。下行各系統(tǒng)模塊的信息通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)指揮中心，使其成為一個(gè)功能性的集成平臺(tái)，將整個(gè)礦井的信息匯總，通過統(tǒng)一的接口來進(jìn)行命令的下達(dá)。其控制中心的硬件設(shè)計(jì)圖如圖3。

圖3 井上控制中心硬件布置圖

在系統(tǒng)的規(guī)劃過程中，控制中心會(huì)建設(shè)在煤礦的中心，方便控制各個(gè)礦井。為了實(shí)現(xiàn)連接，各個(gè)礦井需要配置的硬件設(shè)施以及作用見表1。

表1 礦井需要配置的硬件設(shè)施以及作用統(tǒng)計(jì)表

（2）井下傳感網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

在井下安全監(jiān)控系統(tǒng)中，井下的傳感網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為了更好地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，使得信息更加可靠穩(wěn)定，需要對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)施進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。井下傳感網(wǎng)絡(luò)硬件布置如圖4。在網(wǎng)絡(luò)中，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，使用了大量的傳感器。由于井下環(huán)境的限制，傳感器多選用無線的形式，無線傳感器體積小、安裝方便且可靠性高，節(jié)約了傳輸?shù)木€纜成本。同時(shí)，無線傳感器的大量使用，能夠?qū)⒕碌沫h(huán)境信息、設(shè)備狀態(tài)等形成互聯(lián)，通過各個(gè)基站以及交換機(jī)的輔助，實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的全覆蓋。其中使用的交換機(jī)等設(shè)備均為本安型，安全防爆類產(chǎn)品。采集好的數(shù)據(jù)，為了保證其連續(xù)穩(wěn)定的傳輸效果，仍選用光纖結(jié)合電纜的形式進(jìn)行完成。過程中通過使用交換機(jī)達(dá)到光線延長的目的，保證數(shù)據(jù)信號(hào)順利地到達(dá)以太網(wǎng)中，最后匯集到控制中心。井下的傳感網(wǎng)絡(luò)中，交換機(jī)連接無線基站，基站選用支持WIFI 功能的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)WIFI 終端設(shè)備連接并入的功能，再經(jīng)過以太網(wǎng)最終實(shí)現(xiàn)井上井下采集管理一體化的功能。

圖4 井下傳感網(wǎng)絡(luò)硬件布置圖

3 結(jié)語

煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于礦井的安全生產(chǎn)起著最為關(guān)鍵的保障作用。傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)存在監(jiān)控不全面、設(shè)備較分散、維護(hù)成本高、井上井下信息互聯(lián)較為困難、設(shè)備的故障預(yù)防缺失等問題。為了改變這一現(xiàn)狀，本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過互聯(lián)網(wǎng)的作用，將設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過處理后統(tǒng)一上傳至井上的控制中心，系統(tǒng)充分發(fā)揮傳感器小而精的優(yōu)勢，降低了信息收集成本，同時(shí)通過井上控制中心總機(jī)端可以實(shí)現(xiàn)直接向井下傳感器以及工作人員發(fā)號(hào)施令，減少了信息傳遞的時(shí)間，可以第一時(shí)間對(duì)故障進(jìn)行處理，給安全礦井的建設(shè)提供保障。