基于物联网的省级煤矿监控系统设计

引言

煤矿企业安全高效的运作为我国经济的可持续发展提供了重要的能源和物资保障，是我国经济发展的不能缺少的物质基础。但是，我国煤矿企业一直以来的高强度开采，导致煤矿事故的不断发生以及资源的枯竭，同时相关地方以及省份监管部门的管理滞后，造成了目前矿区环境系统的严重破坏，使得我国煤矿企业和监管部门都面临着很大的压力和挑战。

自2009年温家宝总理将物联网技术定位于我国战略性发展的新兴产业以来，物联网技术在我国已逐步发展成为各产业新技术应用的热点。物联网作为互联网应用拓展的重点，在省级矿山自动化运作管理建设中的应用是非常重要的。

虽然目前物联网技术在我国煤矿安全生产中有一定的应用，但是与国外比较，还存在着很大的差距，尤其目前重特大的煤矿事故还在不断的发生，而且省级地方联动的处理缓慢。因此，如何利用物联网技术构建省级煤矿监控系统，以实现煤矿的安全运作，预防事故发生，遇到意外事故能快速而准确地联合处理，显现得尤为重要。

1省煤矿监控系统建设中存在的问题

针对我国煤矿监控系统的现状，发现了其中存在很多不容忽视的问题，主要问题如下：

缺乏统一的标准和接口。现有的煤矿监控系统各成体系，并没有统一的接口及标准，从而使得系统之间没法正常通信，数据漏报。

缺少共享平台。不能够为第三方提供统一的接入平台。

学科交叉研究不够。地质、水文、灾害机理、系统集成等多学科的研究融合深度不够。

应用层面的信息融合缺失。各个应用系统之间的信息融合及联动、决策融合缺失。

缺乏泛在的感知网络。缺乏统一的地下无线覆盖感知网络，地下存在着很大部分的感知盲区。

设备落后及老化。感知元件单一，设备落后，不能适应复杂的井下环境。

联动效率低下。在煤矿事故发生以后，省及地方联合应急效率低下，抢险救灾、安全救护及捜救效果差。

2省级煤矿物联网监控系统方案设计

省级煤矿监控系统设计的层级结构如图1所示，系统中主要包含省级矿山物联网、市级矿山物联网、矿业集团物联网和感知矿山物联网，这些网络通常都是基于云服务平台的。

图1省级物联网监控系统层级图

图1中的云服务平台包含矿山通风管网解算云平台、矿山安全及煤安产品管理云平台、灾害仿真与反演云平台、设备健康状况诊断云平台和矿山灾害监测与预警云平台，通过各种平台实现信息的传输与共享。

针对之前提出的一些煤矿安全监控系统中存在问题，结合省级煤矿监控系统层级结构，本文提出了一种基于物联网的生产系统模型，按照统一接口和标准、统一规划和部署的要求来设计，其一共包含了三个层面，分别是应用层、网络层和感知层，具体的系统结构图如图2所示。

图2省级煤矿物联网监控系统结构图

3省级煤矿物联网监控系统网络设计

通过前面省级煤矿物联网监控系统核心结构的设计，其

中一共包括了感知层、网络层和应用层。

感知层的数据采集和感知是通过采集环境中的各种物理事件和数据，主要包括各种物理量、音频、视频、标识等数据。其主要由传感器组成，在采集数据后将得到的数据传递到控制计算机，进而实现对矿区各类数据的检测与采集。感知层一共包括传感器等数据采集设备和传感器网络（数据传送到网关前的部分）两部分。

网络层主要通过传感器网络、移动通信网络、互联网网络的融合来实现信息安全、高效、无障碍的传送。其结合前面的系统结构，设计可采用三级架构，分别是省级监控中心、市级分控中心和煤矿企业。

应用层在这里主要包括应用支撑平台和工作平台，其基于模式识别、云计算等智能技术，对数据和信息进行分析处理和对物体实施智能监控。应用层主要包括门户网站建设、安全系统建设、主机和存储系统建设、信息标准化建设等。

基于以上三个层面的设计，省级煤矿物联网监控系统网络的构建如图3所示。

图3省级煤矿物联网监控系统网络图

4省级煤矿物联网监控系统结构建设

通过前文对省级煤矿物联网监控系统网络图的设计，结合现在物联网技术，确定了省级煤矿物联网监控系统结构的具体建设方案，其结构如图4所示。

感知层建设：感知层的建设主要包括各类传感器、计算机、主控接口和分站的建设。其中，主控接口与各个分站进行通信，获取个测试点的数据，并控制其检测过程，然后将各类数据传送给计算机，计算机将各类数据进行分析、处理、存储和应用，其结构示意图如图5所示。

本系统设计时，感知层的建设主要包括井下工作人员的登记、考勤和定位；通风机的状态监控；风速/量、负压和轴温的检测；水泵系统的监控；传感设备数据的接入和传输等。

图5感知层的内部结构图

网络层建设中的数据传输，可采用有线传输，也可采用无线传输，比如无线VPN方案，最终将监控的数据传输给上一级的监控中心。

应用层建设则以云计划为规划框架，进而建设统一的数据存储与共享中心、视频平台和统一的门户展现等。通过数据的上传，省级监控中心获悉且指定并传输出安全生产指示和应急方案等信息，以实现各级煤矿单位、监控中心的信息共享。

5省级物联网监控系统建设的关键技术

通过以上系列的研究分析，确定了在省级物联网监控系统建设中主要使用的关键技术如下：

感知层中利用传感器、射频、PLC等技术来建立监控平台,利用语音、视频和地理信息等技术建立统一的可视化平台。

网络层中利于现场总线、统一应用协议、环形以太网和计算机技术建立煤矿自动化网络的基础平台。

应用层中利用统一通信网关、企业服务总线和数据库同步等技术建立运营、生产、安全数据平台。

6结语

通过介绍省级物联网监控系统的建设方案、建设网络及建设构架，给出了监控系统的设计方法，并指出了系统建设中的技术解决方法及难点所在。本文的方案设计可为煤矿的安全生产监控提供准确的信息，丰富了省级监控系统的监管手段，提高了整体的工作效率、监管能力、协作水平和处理安全事故的能力等。

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