基于物联网技术的煤矿安全监测系统研究

引 言

煤矿作为工业生产的主要能源之一，其行业的发展对国家的经济建设起到了至关重要的作用。煤矿生产系统复杂， 生产环境恶劣，人员集中，安全隐患尤为突出，提升煤矿生产的安全性，确保施工人员人身以及企业财产安全，是煤矿行业共同关注的话题。目前，我国煤矿大多采用有线电缆的方式实现井下监测和通信，这种方式布置成本高，维护难度大， 且监测系统、定位系统彼此独立，功能单一，协调性差。所以， 建立一套全方位的煤矿安全监测系统，能够便于观察矿区地面及地下环境、电缆电路等的运行情况。

目前，随着物联网技术的发展，在煤矿安全生产管理中也开始运用这种集成度高的信息系统，利用传感器对矿区所有环境、设备、人员进行全面监测。矿区各类信息间的交互， 实现了整个矿区的智能化管理，提高了其协调资源、统筹资源、合理利用资源的能力，同时也提高了安全生产能力。本研究结合客户需求，分析物联网技术发展现状，对基于物联网技术的煤矿安全监测系统平台架构以及功能进行了设计。

1 系统需求分析

1.1 煤矿安全监测系统存在的问题

2010 年，徐州市矿务局首次提出了智能化监测系统应用于煤矿安全管理的理念，引起了国家矿物总局高度重视，并成立了对应的科研机构，这也标志着物联网技术开始正式应用于煤矿安全管理中。就目前而言，我国基于物联网技术的煤矿监测系统还处于开发和尝试期，存在很多亟待解决的问题。

1.1.1 系统健壮性差

首先，系统抗压能力差。随着信息量的逐步加大，系统访问量也在提升，这些都会为系统增加较大的负担，而由于受到系统处理数据能力的限制，系统运行不流畅，甚至引发系统瘫痪。其次，系统容错能力差。在实际应用时，一旦系统中的某项功能出现故障，就会对系统运行造成影响。

1.1.2 缺少技术融合的整体解决办法

虽然目前煤矿在安全管理方面运用了很多现代化技术， 但这些技术的应用都相对独立，并未有机融合，无法形成对安全监测的全面管理，大大降低了解决问题的效率。

1.1.3 缺乏有效的数据分析及智能决策

目前，我国煤矿安全监测系统中的日常信息收集、统计、分析等功能还不完善，智能处理事物、实时报警等功能欠缺， 大多仍依靠人工实现安全管理的相关操作，导致决策者获得信息的及时性无法得到保证，甚至存在错误决策的可能。

1.2 对现有系统存在问题的解决方法

1.2.1 系统健壮性解决方案

采用分布式架构模式，在不同的服务器上部署服务，建立起相对独立的服务系统，用以解决系统容错能力差以及抗压能力不足的问题，从而最大限度地提高硬件资源利用率。

1.2.2 技术融合解决方案

采用全面系统的控制技术、通信计算机及现代管理技术， 将生产全过程进行统一控制，从而形成一个整体进行管理。以此可提升企业内部的管理水平与资源利用率。

全面建设矿区的信息网络 ；

建立矿井人员定位及通信系统 ；

运用物联网技术实现设备的综合智能化，对矿山进行全面监测和管理。

1.2.3 数据分析及智能决策解决方案

煤矿安全监测系统要具备数据收集、统计以及分析能力，并依据数据处理的结果生成报告，提供智能决策解决方案。结合危机事件的类型以及种类，建立专家级别的指导系统， 应对各种危机事件，落实危机处理的全过程管理。

1.3 系统的性能需求

调查和分析是目前我国煤矿安全系统中普遍存在的不足， 结合相关改善措施，提出建立的系统要遵循先进、实用、可靠、经济的原则。在此基础上，完成煤矿安全监测系统的自动化， 对井下情况进行全程监控，并对数据进行采集、处理和分析， 确保数据的实时性、全面性和准确性。另外，对数据进行统筹管理，以提升决策效率，避免发生安全事故。系统需按照总体部署、分步进行的原则确定系统的性能需求。

1.3.1 建设安全监测数据中心

建立数据库平台，对数据进行集中管理，并按照不同的硬件和软件组合方式，对矿井的所有信息数据进行全程收集， 以便为日后分析判定突发事件提供有力依据。

1.3.2 建立监控系统数据共享

在矿区内建立统一的数据共享和管理体系，以便对区域进行集中监控，同时方便矿区内的从业人员随时掌握井区内的动态信息。

1.3.3 建设安全报警预防机制

利用报警信号的灯光、声音提醒工作人员，以便其采取对应措施。

1.3.4 增强分析数据的能力

对矿井的生产信息、现场各项设备的数据信息进行统计， 并对这些数据进行分析和处理，最终发布处理结果，方便决策人员能够及时、准确地做出判断。

2 系统平台架构

基于物联网技术的煤矿安全监测系统平台架构共有三层， 如图 1 所示。

感知层网络、骨干传输网络共同组成了感知与控制层， 前者指无线覆盖网络，如WiFi，WSN 等 ；后者由千兆工业以太网组成。感知与控制层的功能是收集煤矿作业过程中的所有传感信息等，在该层中每个子系统汇集在一起，通过全分布的方式与物联网链接。

控制中心的信息处理、发掘、融合等借助信息集成与MES（Manufacturing Execution System，MES）层实现， 而该层主要利用千兆工业以太网骨干的功能，实现对各子系统的控制和监测。

煤矿企业各部门利用互联网实现煤矿灾害预警与处理、供应链的管理、安全生产的监督与评估、设备诊断等，而这些也是管理决策与应用层的主要功能。

3 系统功能设计

3.1 系统功能结构设计

煤炭安全监测系统的主要作用和功能是对煤矿作业过程中所产生的数据进行收集、统计、分析和处理，提供基础决策， 为监管部门提供实时、准确、全面的信息，以提高其管理能力， 确保煤矿安全生产。设计煤矿安全监测系统要结合自动化技术的要求，配备设备传感器，同时还要考虑系统的规范性和开放性。结合系统的功能要求以及基本框架结构，确定系统设计的总体方案。目前设计的系统基本结构如图 2所示。

系统由五个部分构成，每个部分的功能如下所述 ：

(1) 网络传输系统 ：该系统的作用是传输煤矿作业中的网络信息。以物联网技术为基础，通过 CAN总线实现井上井下的信息传递，有效解决移动通信网络的局限性问题。

(2) 用户管理平台：建立不同用户的使用权限，通过身份验证的方式实现不同权限用户的资源与功能分配。

(3) 矿井监控子系统 ：利用数据、趋势图、表格等内容实现对井下作业情况的监控，具体包括七项子1功能。

(4) 专家子系统 ：该系统主要用于处理突发事件，实现应急预案的制定、发布，并实时记录落实情况。

(5) 综合数据管理平台 ：该平台的主要功能是实现企业的门户网站数据管理、实时数据管理、在线设备管理等。综合数据管理平台是监测系统的管理层，能够实时存储井下监测系统采集到的数据信息。

3.2 系统工作流程分析

系统的功能设计主要分为两部分，即监控子系统与专家子系统。前者的功能是对煤矿数据进行收集、处理和传输，是系统数据的起点 ；后者的功能是对数据进行统计分析，并以此判定煤矿生产环境的安全性，一旦发现危机事件，会及时预警并采取应急措施。各子系统的具体工作流程如图 3、图 4所示

4 结 语

本文以煤矿生产过程中的安全监控作为切入点，利用先进的物联网技术，建立了全面、系统、科学高效的煤矿生产安全监控系统，分别从系统架构、功能安全、性能需求的角度进行逐一探讨。通过物联网技术大大提高了煤矿安全管理的效率和水平，实现了预警数据管理、数据分析、报告生成等功能的协调统一。对煤矿井上井下的各种设备、人员、通信网络进行集中管理，提高了资源利用率。煤矿作业带有一定的特殊性，采用物联网技术能够为安全生产带来保障，虽然目前该技术在煤矿中的应用已经取得了很好的成效，但还有诸多问题亟待解决。随着新技术、新应用的进一步发展，我国媒体业的安全监测系统将会越来越完善、科学，不仅能够提高煤业生产的安全性，还能确保煤矿企业的长远发展。

                                                                                                                                                           图 4 专家子系统工作流程图