戚艷軍+冀汶莉+李強

摘 要： 感知煤礦井下的工作環(huán)境是現(xiàn)代化煤礦智能管理的一部分。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的井下監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)有骨干網(wǎng)，提出了井下監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能，分析監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器硬件設(shè)計及定位原理，在此基礎(chǔ)上闡述井下監(jiān)控系統(tǒng)的特點。該井下監(jiān)控系統(tǒng)可以為管理人員提供智能化管理和決策，避免和減少煤礦事故率，為緊急救援和生產(chǎn)決策提供依據(jù)。

關(guān)鍵字： 物聯(lián)網(wǎng)； 煤礦； 實時監(jiān)控； 感知礦山

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0064?03

煤礦安全管理一直是煤礦企業(yè)一個重要的工作組成部分，相對于其他行業(yè)而言，由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境惡略，安全問題較為突出。為了有效避免煤礦安全事故的頻發(fā)，需要建立有效的井下監(jiān)控系統(tǒng)，對復(fù)雜的地質(zhì)條件，包括通風、排水、壓力等基礎(chǔ)因素，井下人員定位等進行有效監(jiān)控，保證煤礦生產(chǎn)安全進行。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻標簽RDID與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN等技術(shù)，構(gòu)建一個覆蓋世界上所有人與物的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合入到煤礦井下作業(yè)，可實現(xiàn)對井下環(huán)境、生產(chǎn)人員的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，最終為煤礦安全生產(chǎn)管理決策的科學化、現(xiàn)代化和智能化服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，為煤礦安全開采和重大災(zāi)害防治提供了新的思路和方法[1]。

1 系統(tǒng)分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的井下實時監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)井下實際條件，采用有線和無線相結(jié)合的接入方式，利用井下現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞲删W(wǎng)上。井下監(jiān)測子系統(tǒng)包括感知礦山災(zāi)害風險，如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等，實現(xiàn)對各種災(zāi)害因素的預(yù)警預(yù)報。感知礦工周圍安全環(huán)境，對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，如風速、溫度、壓力等，實現(xiàn)主動式安全保障。感知礦山設(shè)備的工作健康狀況，如設(shè)施開和關(guān)、設(shè)施的運行狀態(tài)等，實現(xiàn)預(yù)知維修。同時對井下礦工位置定位，確保對礦工日常工作的監(jiān)測和災(zāi)難撤離。

1.1 體系結(jié)構(gòu)

井下監(jiān)測系統(tǒng)是感知礦山的一部分，通過將井下的工作環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備人員數(shù)據(jù)、安全指標數(shù)據(jù)采用物聯(lián)網(wǎng)的3層體系架構(gòu)，分別是管理層（應(yīng)用層）、網(wǎng)絡(luò)層和感知層，如圖1所示。在圖1中，應(yīng)用平臺屬于上層應(yīng)用，包括井下環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、災(zāi)難預(yù)警子系統(tǒng)、井下人員定位子系統(tǒng)、設(shè)備工作狀況子系統(tǒng)、井下車輛定位子系統(tǒng)。管理人員可以通過監(jiān)測對象指標預(yù)警圖、監(jiān)測對象數(shù)據(jù)變化趨勢圖、統(tǒng)計報表圖表、視頻聯(lián)動、音頻聯(lián)動、報警聯(lián)動等可視化應(yīng)用界面，實時監(jiān)測井下工作環(huán)境及工作狀態(tài)。通過采集數(shù)據(jù)的綜合分析，結(jié)合多種方式、多種途徑的預(yù)警結(jié)果展示及通知，使得管理人員能夠預(yù)知災(zāi)難，及時做出科學決策，防止重大災(zāi)難的發(fā)生，即使事故發(fā)生，管理人員也可以采取有效措施開展施救工作。網(wǎng)絡(luò)層以地面骨干環(huán)網(wǎng)和井下主干環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)。井下無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋硐室、變電所、泵房等重要工作場所。各個監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝在相應(yīng)功能的傳感器形成監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)接入到主干網(wǎng)中，由主干網(wǎng)絡(luò)完成信息的傳輸和數(shù)據(jù)的融合，并通過工業(yè)主干網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)或決策信息傳輸?shù)綉?yīng)用層。

圖1 井下監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

感知層是組成井下監(jiān)控系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，由于井下地形復(fù)雜，需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)較多，同時網(wǎng)絡(luò)覆蓋面較大，且不便放置較大的電源模塊；因此，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的星型拓撲結(jié)構(gòu)可以較好的滿足井下監(jiān)測的物理條件和生產(chǎn)條件。在各個監(jiān)測點安監(jiān)裝傳感器、無線網(wǎng)關(guān)、終端采集設(shè)備等，終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)送到井下主干網(wǎng)上。

1.2 網(wǎng)絡(luò)接口

井下監(jiān)測系統(tǒng)中，管理層（應(yīng)用層）、網(wǎng)絡(luò)層和感知層之間通過網(wǎng)關(guān)接口完成數(shù)據(jù)傳輸，有井下感知層與井下網(wǎng)關(guān)的接口、井下網(wǎng)關(guān)與主干網(wǎng)的接口，主干網(wǎng)與應(yīng)用層的接口。感知層與無線網(wǎng)關(guān)之間的接口可以根據(jù)井下無線傳感網(wǎng)的特點，支持相關(guān)數(shù)據(jù)傳送。對于WSN等無線網(wǎng)絡(luò)，接口需要支持WSN等無線感知方式及協(xié)議；對于WiFi無線傳感網(wǎng)，接口需要支持WiFi無線感知方式及協(xié)議；而其他的有線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，接口就需要支持煤礦有線子系統(tǒng)的接入。井下網(wǎng)關(guān)與主干網(wǎng)采用RJ45端口，主干網(wǎng)與應(yīng)用層之間的接口采用工業(yè)以太主干網(wǎng)接口協(xié)議。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

井下監(jiān)控系統(tǒng)包括井下環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、災(zāi)難預(yù)警子系統(tǒng)、井下定位子系統(tǒng)、設(shè)備工作狀況子系統(tǒng)等。各個子系統(tǒng)通過三級網(wǎng)絡(luò)傳輸，將監(jiān)測數(shù)據(jù)融入到井下監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中，子系統(tǒng)按照要求和規(guī)則，為用戶提供相關(guān)信息。環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)用于采集和分析井下環(huán)境參數(shù)，如風速、溫度、壓力等，可以根據(jù)實際情況，根據(jù)節(jié)點的工作范圍，將傳感節(jié)點安裝在環(huán)境監(jiān)測點。災(zāi)難預(yù)警子系統(tǒng)采集井下安全工作數(shù)據(jù)，如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等，對煤礦災(zāi)難數(shù)據(jù)的變化進行監(jiān)控。井下定位子系統(tǒng)可以通過安裝在定位節(jié)點（人員、車輛）上的定位模塊，該模塊記錄需要定位的基本信息以及ID編號，通過他們周圍的無線網(wǎng)絡(luò)，計算自身定位數(shù)據(jù)并最終傳輸?shù)缴蠈臃?wù)器。以GIS為信息載體框架，通過可視化界面直觀展示監(jiān)控物體的位置，也能夠為工礦管理提供人員考勤信息。設(shè)備工作狀況子系統(tǒng)對工作設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)控和管理，使得管理人員能夠及時了解井下工作設(shè)備的狀況。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 智能礦山體系結(jié)構(gòu)圖

圖2中，各個無線監(jiān)控子網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控數(shù)據(jù)通過井下骨干網(wǎng)、井上骨干網(wǎng)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄艿V上數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)子庫中。該平臺對數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的異常處理、對監(jiān)測數(shù)據(jù)的任務(wù)進行控制和提供數(shù)據(jù)安全傳輸機制。同時，采用抽取?轉(zhuǎn)換?加載（Extraction?Transformation?Loading，ETL）工具，以智能數(shù)據(jù)平臺為數(shù)據(jù)源，按照監(jiān)控主題，形成決策信息的數(shù)據(jù)集市，為井下監(jiān)控決策數(shù)據(jù)倉庫的建立提供數(shù)據(jù)支持，通過對數(shù)據(jù)倉庫建立OLAP或采用OLTP對數(shù)據(jù)源進行分析，為煤礦管理人員提供科學的決策分析和災(zāi)難預(yù)警信息。

2.2 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

上述井下監(jiān)測子系統(tǒng)中的中心控制節(jié)點是一個性能比較強的傳感器節(jié)點，它由狀態(tài)檢測傳感器、電源模塊、晶振模塊、液晶顯示模塊、輸入/輸出模塊和發(fā)射天線來構(gòu)成。采用ZigBee星型拓撲結(jié)構(gòu)，已便適用煤礦井下環(huán)境干擾比較大、數(shù)據(jù)傳輸量較大的場合，處理器可以采用CC2430無線模塊，通過多個模塊以接力傳遞的方式最終把監(jiān)測數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)終端設(shè)備。對于不同的監(jiān)測指標，可以采用不同的傳感器，如二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等；對于需要確定井下位置的相關(guān)系統(tǒng)，在需定位物上安裝CC2431無線定位模塊，與周圍的CC2430組成無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，逐級、逐層將信息返回到應(yīng)用層[2]。CC2430/CC2431可以滿足以Zigbee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段對低成本、低功耗的要求。其電源經(jīng)過穩(wěn)壓、電容濾波后可以形成一個比較穩(wěn)定的3.3 V電壓。發(fā)射天線采用一個非平衡天線連接非平衡變壓器，可以獲得較好的天線性能。傳感器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 CC2430網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及硬件組成

2.3 定位原理

CC2430和CC2431模塊的主要區(qū)別在于CC2431內(nèi)部集成了一個定位跟蹤引擎，采用接收信號強度指示RSSI值測量定位點的位置。由于已知固定節(jié)點的位置，根據(jù)盲點的發(fā)射信號強度和固定接收節(jié)點接收到的信號強度，固定節(jié)點可以通過計算信號的傳輸損耗確定盲點位置[3?4]。在實際應(yīng)用中，無線信號傳輸采用簡化的漸變模型（Shadowing Model）：

[[p（d）]dBm=[p（d0）]dBm-10nlg（dd0）] （1）

式中：p（d）表示距離發(fā)射節(jié)點為d時接收節(jié)點接收到的信號強度，即RSSI值；p（d0）表示距離發(fā)射節(jié)點為d0時接收節(jié)點接收到的信號功率；n是路徑損耗（Pass Loss）指數(shù)，在實際測量中得到，障礙物越多，n值越大。

無線定位網(wǎng)絡(luò)可以通過有效距離內(nèi)的3～8個傳感節(jié)點組成，這些節(jié)點計算出某一個IP的RSSI值后，周期性地向發(fā)射節(jié)點發(fā)送包含自身IP、RSSI值、位置坐標的數(shù)據(jù)包并送入定位跟蹤引擎，當接收到同一個IP發(fā)射的數(shù)據(jù)包到達某一規(guī)定值后，校正RSSI值，得到某一節(jié)點接收到該發(fā)射點最終的RSSI值。計算式（1）中的d值，得到發(fā)射節(jié)點的距離，最后根據(jù)數(shù)據(jù)包的靜態(tài)節(jié)點位置坐標，計算發(fā)射點坐標值，得到該定位點的位置。

3 系統(tǒng)特點

基于物聯(lián)網(wǎng)的井下監(jiān)測系統(tǒng)利用現(xiàn)有的主干網(wǎng)絡(luò)，將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與之融合，能夠有效的提高井下生產(chǎn)過程，提高煤礦企業(yè)自動化生產(chǎn)水平，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知礦山狀態(tài)和井下人員，進一步提高煤礦管理的現(xiàn)代化和智能化。該監(jiān)測系統(tǒng)有以下特點：

（1） 采用ZigBee星型拓撲結(jié)構(gòu)適用于環(huán)境干擾比較大、數(shù)據(jù)傳輸量較大的井下開采。無線網(wǎng)路完全覆蓋到井下，井下沒有網(wǎng)絡(luò)盲點，無線節(jié)點的間距大約在100 m，同時保證相鄰的節(jié)點在視線范圍內(nèi)。在排水管、通風管等金屬管道處、拐角處、分岔路口等要增加節(jié)點，保證整個井下無線網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。

（2） 提高了災(zāi)難預(yù)警水平。對井下環(huán)境、災(zāi)難數(shù)據(jù)進行實施監(jiān)控，在應(yīng)用層形成環(huán)境分析圖表，當井下環(huán)境達到災(zāi)難臨界值時，發(fā)出預(yù)警信息，提高決策者對災(zāi)難發(fā)生時的應(yīng)急處理及分析決策能力，大大提高了煤礦安全生產(chǎn)水平，減少災(zāi)難事故的發(fā)生和人員傷亡。

（3） 定位系統(tǒng)不但能夠?qū)氯藛T實施定位，同時也可以對井下人員進行考勤，提高工作效率；還可以監(jiān)控井下車輛運轉(zhuǎn)情況；對于突發(fā)災(zāi)難，可以及時了解人員位置，實施有效救援；整體提高和優(yōu)化煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)水平和現(xiàn)代化管理水平。

（4） 系統(tǒng)應(yīng)用層軟件及管理軟件采用人機交互界面，支持煤礦生產(chǎn)設(shè)施的遠程監(jiān)護和遠程維護，從而確保井下生產(chǎn)安全可靠運行。

（5） 將采集的數(shù)據(jù)集成到各個子系統(tǒng)業(yè)務(wù)庫中，可以為智能礦山數(shù)據(jù)倉庫提供數(shù)據(jù)源，進一步的煤礦智能決策支持系統(tǒng)的決策數(shù)據(jù)倉庫的決策數(shù)據(jù)層。

4 結(jié) 語

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的井下監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，涵蓋了井下生產(chǎn)、安全和管理的各個方面。采用現(xiàn)有主干網(wǎng)絡(luò)結(jié)合通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代管理方法，為井下作業(yè)的人員安全、生產(chǎn)過程、運行管理提供了現(xiàn)代化的智能管理方法。為煤礦企業(yè)的安全平穩(wěn)運行、生產(chǎn)效率提高、管理水平的改進提供了現(xiàn)實基礎(chǔ)，增加煤礦企業(yè)的核心競爭力。該系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)采集方案已經(jīng)成功運用到煤礦智能決策支持系統(tǒng)的前期建設(shè)中，實踐證明，該方案切實可行，可避免系統(tǒng)后期的重復(fù)建設(shè)。

參考文獻

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