鮑士水

（安徽理工大學(xué)　地球與環(huán)境學(xué)院，安徽　淮南　232001）

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基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究

鮑士水

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001）

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展及礦山資源的日益枯竭，結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際需要，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)礦區(qū)范圍的礦井通風(fēng)、井下排水系統(tǒng)及選礦實(shí)施監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)管控一體化、綜合調(diào)度，以保證礦山開采的需求.為此，本文對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，在綜合監(jiān)控系統(tǒng)下，既可以有效解決自動(dòng)化設(shè)備的故障診斷，也可以加強(qiáng)井下設(shè)備、人員及各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的協(xié)同管理.

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧礦山；綜合監(jiān)控系統(tǒng)；應(yīng)用研究

煤礦開采是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，面對(duì)現(xiàn)有煤礦井下開采人員、設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及與應(yīng)用，建立基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)，具有十分重要的意義.同時(shí)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建全覆蓋物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，這樣在新的管控平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)了智能控制、確保了工作人員的安全，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了井下無人化作業(yè)，有利于提高工作效率.

1　物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)也被稱為物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，以互聯(lián)網(wǎng)為支撐，在協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過融合全球定位技術(shù)、無線射頻技術(shù)、紅外線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理.將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智慧礦山體系建設(shè)中，打破了原有礦山開采中信息孤島的問題，與原有的礦山監(jiān)控系統(tǒng)相比，建立基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山監(jiān)控系統(tǒng)，具有較大的優(yōu)勢(shì)，既可以及時(shí)做出災(zāi)害預(yù)警，也實(shí)現(xiàn)了智能化、自動(dòng)化控制，對(duì)提高煤率和作業(yè)效率具有重要作用.通過設(shè)置各種傳感器設(shè)備及自動(dòng)識(shí)別設(shè)備，及時(shí)感知井下電子機(jī)械設(shè)備、電纜及瓦斯的變化，通過物聯(lián)網(wǎng)將各種信息及時(shí)傳遞給監(jiān)控人員，監(jiān)控人員對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行及時(shí)處理，為安全生產(chǎn)提供了系統(tǒng)性保障.

2　基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，表示基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)，主要融合傳感器技術(shù)、自動(dòng)化信息技術(shù)及通信技術(shù)，通過在現(xiàn)有自動(dòng)化、數(shù)字化建設(shè)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的融合轉(zhuǎn)換和過渡銜接，以互聯(lián)網(wǎng)為支撐，以協(xié)議為保障，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了與工業(yè)以太網(wǎng)的相互銜接，并構(gòu)建了適應(yīng)礦井安全生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng).在這種監(jiān)控模式下，實(shí)現(xiàn)了人員的安全管理，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)及設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控及故障診斷等.

3　基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1預(yù)警軟件平臺(tái)

圖1　基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的理論知識(shí)和構(gòu)建思想，利用智能化系信息處理技術(shù)構(gòu)建智慧礦山預(yù)警軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的構(gòu)件，集成礦井環(huán)境產(chǎn)生的歷史，并建立數(shù)據(jù)庫.這樣在完整的數(shù)據(jù)庫中，可以對(duì)礦井所發(fā)生事故的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行研究.以專家經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以國(guó)家頒布的法律法規(guī)為依據(jù)，通過建立煤礦安全專家知識(shí)庫來實(shí)現(xiàn)礦井安全智能化故障診斷，利用智能化信息處理實(shí)現(xiàn)礦井動(dòng)態(tài)預(yù)警，從而構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山預(yù)警軟件平臺(tái)[3].

3.2智慧礦山安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)高速傳輸平臺(tái)

基于煤礦工業(yè)以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)的智慧礦山安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)高速傳輸系統(tǒng)的建立，主要融合了寬帶無線技術(shù)和傳感器技術(shù)，構(gòu)建了適應(yīng)礦井安全生產(chǎn)的新一代有線或無線的混合結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng).與此同時(shí)，采用以太網(wǎng)+CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的形式，開發(fā)并建立了基于防爆工業(yè)以太網(wǎng)、帶寬為10/100/1000Mbps的礦井綜合信息傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)的介接入和信息共享.在物聯(lián)網(wǎng)理論基礎(chǔ)上，建立智慧礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)子系統(tǒng)的和各個(gè)功能模塊建立，主要包括井上部

分、井下部分及管理應(yīng)用平臺(tái)等，如井下主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)、井下主排水監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)、防滅火系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、井下人員管理系統(tǒng)等.借助于物聯(lián)網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究拓展到地下，在不同的礦井部分構(gòu)建煤礦無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建高效率、低成本的分布式煤礦監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急處理、人員跟蹤等功能，為煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)支持平臺(tái).然而，對(duì)于基于IP的煤礦通信系統(tǒng)和搶險(xiǎn)救災(zāi)無線音視頻傳輸系統(tǒng)的建立，利用新一代的無線網(wǎng)絡(luò)激素和，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下無線傳輸系統(tǒng)音視頻建立，有效解決了應(yīng)急處理過程中地面與地下無法進(jìn)行音視頻通信的難題.

3.3基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化及監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)于礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)，采用基于PLC控制技術(shù)和全分布式控制來實(shí)現(xiàn)的，并通過多功能綜合接入網(wǎng)的功能，實(shí)現(xiàn)了多種有線或無線礦井安全生產(chǎn)系統(tǒng)、多種類型的分站接入功能和生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)功能，達(dá)到了自動(dòng)化系統(tǒng)綜合監(jiān)控的目的.然而，對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的建立，主要利用采掘設(shè)備遙感遙控技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)礦井的相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、可視化技術(shù)及信號(hào)控制的整合，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程可視化控制和監(jiān)測(cè).另外，對(duì)于基于無線傳感器技術(shù)的煤礦井下風(fēng)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦井瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，優(yōu)化了變頻自動(dòng)調(diào)控，提高了礦井智能監(jiān)測(cè)水平，有效控制了瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生.

3.4人員跟蹤定位系統(tǒng)

對(duì)于人員定位及危險(xiǎn)區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)的建立，主要采用射頻識(shí)別技術(shù)，并采用雙頻點(diǎn)短波率，實(shí)現(xiàn)了嵌入式微處理器的設(shè)計(jì)及全雙工通信.通過人員跟蹤定位系統(tǒng)的建立，具有作用距離遠(yuǎn)、適應(yīng)能力強(qiáng)、便于網(wǎng)絡(luò)連接的優(yōu)點(diǎn).為了有效對(duì)礦井危險(xiǎn)區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與跟蹤，利用計(jì)算機(jī)視覺、人工智能等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能視覺監(jiān)控在礦井中的應(yīng)用，突破礦井視頻監(jiān)控從事后的控制，改為事前預(yù)、實(shí)時(shí)事件驅(qū)動(dòng)的監(jiān)控方式，實(shí)現(xiàn)了基于視頻報(bào)警聯(lián)動(dòng)的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng).

圖2　井下人員跟蹤定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4　物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

建立基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井生產(chǎn)相關(guān)環(huán)節(jié)的通信與控制，也實(shí)現(xiàn)了煤礦井下?lián)岆U(xiǎn)救災(zāi)的無線音視頻通信系統(tǒng)[7].在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了智慧礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，可以應(yīng)用于監(jiān)控檢測(cè)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度和綜合管理等多個(gè)領(lǐng)域，也可以實(shí)現(xiàn)井下人員定位、緊急避險(xiǎn)及環(huán)境監(jiān)控等多個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)了無人化作業(yè)和自動(dòng)化監(jiān)控的功能.其中，在智能生產(chǎn)方面，在生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)過程中，通過物聯(lián)網(wǎng)，可以對(duì)采煤機(jī)、輸送帶等進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和控制，并且可以將相關(guān)機(jī)械設(shè)備的相關(guān)參數(shù)及時(shí)上傳至物聯(lián)網(wǎng)控制中心，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)調(diào)度和管理；在智能監(jiān)控方面，通過各類傳感器設(shè)備及監(jiān)控設(shè)備的綜合使用，可以將礦井環(huán)境數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞至地面管理人員，如瓦斯、人員數(shù)量及風(fēng)壓等，自動(dòng)判斷工作環(huán)境和自發(fā)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的預(yù)警防范，消除了安全隱患.

5　總結(jié)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的概念和思想，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧礦山綜合健康系統(tǒng)，并建立安全生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)安全、高可靠性、實(shí)時(shí)的綜合監(jiān)控和協(xié)同管理.將各類無線傳感器、生產(chǎn)過程、信息智能處理等安全生產(chǎn)的全過程與礦井生產(chǎn)的所有環(huán)節(jié)融合為統(tǒng)一的整體，對(duì)煤礦井下進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)和自動(dòng)化監(jiān)控的功能，確保智慧礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦井下生產(chǎn)中的作用.

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：TD76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673- 260X（2015）03- 0131- 02