物聯網技術在礦井水文監測系統中的應用

趙天維

華北理工大學礦業工程學院 河北唐山 063000

礦井水文監測系統在實際應用中的主要內容,是對礦井地質含水層的水文信息(溫度、壓力、流量、液位、水質等)進行實時監測,并對信息進行整理分析,再根據結果合理安排礦工下井后的工作計劃,以達到預測和預防礦井水災的目的。在礦井水文監測系統中融入物聯網技術,不僅可以加快信息的采集速度,整合速度,并且可以提高信息的準確性,來達到實時監控,實時預警的目的,使信號快速傳輸到井下一線工人手中,并做出快速反應。

1 物聯網技術概述

1.1 基本定義

物聯網(IoT)技術是指通過信息傳感機制,如RFID技術、紅外傳感器、GPS和激光掃描儀,將設備連接到互聯網。這項技術能夠對連接的物體進行智能識別、定位、跟蹤、監控和管理。物聯網的網絡架構由三個主要層次組成:傳感層、網絡層和應用層,這些層一起工作,促進連接設備之間的無縫通信和信息交換。

感知層包括數據采集部分、傳感器網絡組網和協同信息處理部分,主要完成對底層信息的全面感知和采集功能。數據采集部分負責將物品信息收集起來,傳感器網絡組網則負責組織感知數據的傳輸。同時,協同信息處理部分通過對感知數據的處理,提高數據質量和精度,為上層提供高質量的信息支持。

網絡層在物聯網技術的功能中起著核心作用,包括各種類型的網絡,如移動通信網絡、互聯網和私人網絡。它在決定物聯網系統的整體質量和效率以及促進感知層和應用層之間的無縫連接方面起著重要作用。具體來說,移動通信網絡提供底層的通信服務,而互聯網則作為物聯網技術的主要骨干,實現各種物聯網系統之間的互聯。

最上層是應用層,該層由兩個不同的子層組成:物聯網應用和物聯網應用支持。其主要功能是提供面向用戶的服務,代表了物聯網技術的最終目標及其社會價值主張。物聯網應用支持子層主要負責提供開發環境和應用支持。同時,物聯網應用包括各種具體應用,如智能家居、智能交通和智能醫療等。這些應用可以有效提高人們的生活質量,促進人與技術的無縫融合。

1.2 應用特征

物聯網技術的突出特點是全面感知、智能處理和可靠傳輸。全面感知是通過使用信息傳感設備,如RFID、傳感器和二維碼,從任何地方和任何時間收集不同的信息,從而提高收集數據的準確性和可靠性。在智能處理方面,物聯網技術利用各種技術,如模糊識別和云計算,有效地處理海量數據并智能控制系統。與傳統的處理方法相比,物聯網技術表現出更高的數據處理速度和準確性,為后續數據分析提供了可靠的基礎。在可靠的傳輸方面,物聯網技術能夠通過不同的網絡和互聯網實時、高效、可靠地傳輸收集的信息。通過整合綜合傳感、智能處理和可靠傳輸,物聯網技術促進了物體的無縫互聯,從而推動了信息技術的進步和社會進步。

2 礦井水文監測系統的技術構成

2.1 數據采集層

數據采集層是礦井水文監測系統的基礎層次。該層的主要任務是完成數據采集,為后續數據處理和分析提供基礎數據。數據采集層主要包括一系列具有不同采集功能的傳感器,包括水位監測傳感器、流體壓力傳感器、水質監測傳感器等。這些傳感器被用來收集不同地質含水層的水位波動、水壓狀況、水流量和其他相關參數的數據。這些數據代表了礦山水文監測系統的基本信息,可用于預測潛在的水災,并及時采取緩解措施,從而加強周圍地區的安全。例如,為了提高礦井水災監測水平,某地區選擇在該區域內不同地質含水層中安裝水位監測傳感器、流速監測傳感器、水質監測傳感器、壓力傳感器等設備。這些傳感器能夠監測各種參數,包括流速、濁度和水對周圍巖石施加的單位壓力。通過收集和分析這些數據,可以準確評估該地區礦井水災的潛在風險,并及時采取適當的預防措施,避免水害事故的發生。此外,為滿足功能擴展的需求,提高采集數據的應用價值,在數據采集層的終端設備上提前預留了擴展接口。因此,當系統需要升級或增加新功能時,可以通過擴展接口輕松添加新的傳感器或其他設備,而不需要重新設計或升級整個系統。

2.2 信息傳遞層

信息傳遞層的作用是將經過數據采集和預處理的完整、準確的數據傳輸到控制系統中。具體來說,信息傳輸層的實施應遵循以下原則:

(1)應對采集的數據進行預處理,補充缺失的數據,消除錯誤或重復的數據,保證預處理數據的完整性和準確性。

(2)應將水文參數整理并轉換為調制信號,由終端節點匯總,并通過路由節點、GPRS、北斗等輔助設備傳輸到控制系統。

(3)為保證采集數據的連續性,應根據經濟、可靠、節能的原則選擇終端節點,以減少功能損失,提高系統穩定性。信息傳輸層的順利運行對于提高監測系統的準確性和減少礦區水文監測的預測誤差至關重要。

2.3 應用層

應用層是整個控制系統軟件的重要部分,其主要任務是對信息傳遞層傳輸數據進行細致化處理,以實現更高效的控制。在文件模塊中,應用層的主要功能是通過存儲和檢索數據確保數據的完整性和一致性。在圖像模塊中,應用層將信息轉化為圖像,這有利于路由節點的調度,提高系統穩定性。分析和處理模塊全面分析收集的數據,以制定更可靠的決策,提高調整和控制活動的有效性。此外,應用層通過使用地圖、時間線和參數化模型來組織實時和歷史數據,并創建圖表來可視化各種地質含水層的水文信息。這能夠及時預測水災,確保地下工作者的安全。應用層在控制系統中的作用舉足輕重,它詳細處理和分析傳輸的數據,為決策者提供更準確、可靠和實時的數據,并確保礦井水文監測系統的正常運行和維護。

3 物聯網技術在礦井水文監測系統中的具體應用

3.1 無線傳感器網絡技術

安裝在礦井中的無線傳感器可實現實時監測礦井水位、流量和水質等參數,并將數據傳輸到云端進行分析和處理。目前,無線通信技術快速應用于無線傳感器網絡,以ZigBee、藍牙、GPRS等為代表,實現覆蓋范圍內的無線環境監測與信息采集。在礦井監測系統中,Wi-Fi無線傳感器網絡具有兩方面的優勢:

(1)Wi-Fi傳輸速率高,能夠快速采集和轉發多種參數,例如礦井溫度、濕度、音頻,甚至是監測視頻等。

(2)無線路由器節點能夠基于802.11協議快速自組,協調傳感器節點之間的通信,聚合無線監測數據,并進行路由和轉發。該系統利用Wi-Fi通信的優勢,包括高聯網能力、低成本和高數據率,在地下礦井環境中實現遠程、實時和自動化的聯網測量。這樣就能全面了解礦井的溫度和濕度波動,同時也保證了煤礦生產的安全性和穩定性。

3.2 物聯網智能終端技術

通過物聯網智能終端可以實現遠程監控和控制礦井水文情況。為了實現井下照明、人員定位、環境參數檢測、照片/視頻采集等多種功能的無縫對接,并實現實時數據監控,在Android平臺上開發了一款礦用綜合智能通信終端。該終端采用多線程方式,從多個來源收集數據,并通過井下無線網絡實時傳輸。這種創新的設備具有幾個優點。首先,其高度的設備集成性減少了地下作業人員需要佩戴的設備數量,同時其高度的智能化提高了使用的便利性。其次,該終端能夠收集和無線上傳各種類型的數據,包括環境參數、人員位置以及工作狀態圖像和視頻。所有數據都可以在一個管理平臺上進行實時監控,為井下安全預警提供有價值的支持。再次,以Android系統為開發平臺,該終端可輕松擴展支持更多的功能,并通過礦井物聯網和多系統聯動進行控制。

3.3 數據挖掘和人工智能技術

通過對礦井水文數據的挖掘和分析,可以預測礦井水文的變化趨勢,及時采取措施,防止事故發生。基于人工智能的礦井水文監測系統主要有四個方面:知識庫管理、數據挖掘、案例推薦、礦井突水安全保障的云平臺建設。知識庫管理包括建立突水知識庫、隱患清單庫、水文數據庫、突水案例庫,實現礦山突水災害的風險分類定性,建立礦山突水預警所需的關鍵水文數據。數據挖掘利用自組織神經網絡、DBSCAN等機器學習算法,將時間序列模型得出的水文數據轉移概率與多維水文數據的SOM、DBSCAN聚類融合,形成礦山水文多維數據的挖掘模型,實現礦山安全保障的突水預警。案例推薦涉及利用知識庫中的礦井突發事件數據庫,將機器學習的推薦算法與案例推理理論相結合,通過余弦相似度匹配總結出礦井突發事件的案例推薦方法,實現歷史突發事件案例的有效組織和知識經驗的利用。最后,通過對Hadoop和云技術的分析,提出了礦井突水問題安全保障云平臺的服務內容、框架和運行機制,實現了正常管理期、征兆揭示期、事故響應期相互銜接的閉環系統,為礦井突水事故防控提供技術支撐。

3.4 物聯網可視化監控技術

物聯網可視化監測系統的實施可以通過實現對礦井水文的實時監測,顯著提高礦井安全。為了實現更好的監測,三維可視化和視頻監控技術已經在礦山生產中被廣泛采用。這些技術不僅可以滿足日常視頻監控的需要,還可以提供更直觀的位置信息,從而提高監控效率。例如,基于Cesium的三維可視化和視頻監控的結合可以促進智能礦山的建設,提高礦山安全管理水平。該系統具有以下三個優勢:

(1)可以利用無人機傾斜攝影測量技術和Context Capture軟件生成礦區地形和建筑物的三維模型,礦區建筑物采用3DMax建模,實現高精度。模型數據可以使用Cesium加載不同的格式,這需要格式轉換。

(2)基于Cesium技術的數據可視化方法可以解決圖像服務、地形服務和三維模型數據加載和渲染的難題,從而實現海量數據的加載和可視化。

(3)基于Cesium技術的智慧礦山三維可視化安全監管系統研究,完成了B/S架構下的服務器建設,開發了監控大屏、實時預警、人員監管、地理圍欄、視頻監控、隱患臺賬等功能模塊,便于礦山可視化,提高礦山安全監管水平,實現數據快速加載。

3.5 云計算技術

使用云計算平臺可以實現對礦山水文數據的分析和處理,提供智能決策支持。在當前的互聯網時代,基于電纜的探測網絡是不夠的,因此可以利用無線傳感網絡技術與云計算相結合,開發一個礦山水文監測系統。該系統具有三個顯著優勢:

(1)該系統通過利用無線傳感器操作系統的實時調度功能,成功地將無線傳感器網絡應用于礦山環境。它還將環境數據實時傳輸到云計算平臺,與各種礦山專家系統對接,從而避免了傳統礦山電纜布線監測和本地數據分析的限制。

(2)該系統具有成本低、自組織、功耗低、信息交互方便等特點。無線傳感器網絡的自組織特性消除了復雜的布線和人工配置,而系統的低功耗則保證了長期穩定的運行。

(3)云計算平臺實現了對礦區水文數據高效便捷地分析和處理,從而提高了監測的準確性和效率。

4 礦井水文監測系統的發展建議

4.1 不斷融入新技術

采用機器學習算法對礦井水文數據進行分析和預測,為礦山管理決策提供更加精準的數據支持。引入大數據分析技術,對礦井水文數據進行分析挖掘,以便更好地發現其中的規律和異常情況。推廣并使用智能傳感器和物聯網技術,實現對礦井水文數據的實時監測和遠程控制。

4.2 加強數據共享和信息交流

建立完善的數據共享機制,促進礦山內部各部門之間以及與外部單位之間的數據共享和交流。推廣開放式數據平臺,實現數據共享和交流的更加便捷和高效,鼓勵各方合作,共同推動礦井水文監測技術的發展。加強對礦井水文監測數據的分析和挖掘,為礦山管理決策提供更加科學的依據。

4.3 及時更新系統設備中的軟、硬件

定期更新水文監測系統中的硬件設備,如傳感器、儀器等,以確保其性能和精度處于最佳狀態。持續改進和優化系統軟件,以提高其數據處理和分析能力,同時加強系統安全性和穩定性。建立完善的設備維護和更新制度,確保設備及時維修或更換,避免設備老化或損壞對監測數據的影響。

4.4 加強人員培訓和技能提升

為水文監測系統操作人員提供專業技能培訓和實踐機會,增強其對系統設備的操作和維護能力。定期組織技術交流會議,分享行業經驗和最新技術成果,提高操作人員的專業水平和創新能力。引進具有豐富經驗和技術能力的專業人才,為系統升級和維護提供技術支持和指導。

結語

綜合考慮,不斷引入新技術可以使礦井水文監測系統進一步完善,并促進設備更新工作。這將有助于提高數據采集速度和加強人員培訓,提高技能水平,從而更好地發揮系統應用價值。采用物聯網技術將有助于加快水文信息的采集和整合速度,為后續工作的順利開展提供可靠保障。因此,在水文監測數據系統中合理應用物聯網技術是十分必要的。