李雄偉，廉志華，張 婧

(1.神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315；2.西安科技大學 計算機科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦行業(yè)是災害類型最多、危險源最多、安全隱患最嚴重的生產(chǎn)領(lǐng)域之一，煤礦安全是全國安全生產(chǎn)工作的重中之重，依靠科技進步，提高煤礦安全技術(shù)裝備水平，減少和預防煤礦重特大災害事故的發(fā)生是安全生產(chǎn)工作的長期要務(wù)。而煤礦日常安全管理和災害防治技術(shù)管理中，安全監(jiān)控系統(tǒng)是不可或缺的核心環(huán)節(jié)之一[1-3]。2016年12月29日，國家煤礦安監(jiān)局印發(fā)了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》，提出數(shù)字化傳輸、抗電磁干擾、多系統(tǒng)融合、聯(lián)動等“十三條”具體技術(shù)指標，要求到2018年底大型礦井、煤與瓦斯突出礦井在用安全監(jiān)控系統(tǒng)完成升級改造工作?！睹旱V安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》為現(xiàn)有系統(tǒng)的發(fā)展指明了方向，即要在監(jiān)控系統(tǒng)的準確性、先進性、可靠性、穩(wěn)定性和智能性等方面實現(xiàn)全面提升[4-7]。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展歷程

我國自上世紀80年代開始引進煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，再自行研發(fā)，經(jīng)歷了推廣、強制、規(guī)范使用、強化管理等過程[8]。近些年，隨著煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的普及應(yīng)用，基本實現(xiàn)了對礦井瓦斯、一氧化碳等各種災害氣體濃度的在線監(jiān)測和對井下局部通風機、移變等機電設(shè)備的瓦斯電(風電)閉鎖控制。2016年底，國家煤監(jiān)局在全國范圍內(nèi)推進煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造，基于工業(yè)太環(huán)網(wǎng)、數(shù)字總線雙重冗余結(jié)構(gòu)的新一代全數(shù)字式煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)集多主通訊、智能傳感、電磁兼容等多項關(guān)鍵技術(shù)于一體，滿足監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化的升級改造要求，也是未來監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。新系統(tǒng)的應(yīng)用可有效提高全國煤礦的防災抗災能力，為煤礦的安全生產(chǎn)提供保障。

1.2 需進一步解決的問題

系統(tǒng)實時性、可靠性差：現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)還采用主、從輪詢的通訊方式，巡檢周期長，數(shù)據(jù)傳輸速率低，井下發(fā)生短暫報警往往由于較長巡檢周期的緣故而不能有效記錄。井下設(shè)備之間無法實現(xiàn)互聯(lián)互控、區(qū)域危險快速斷電控制。

系統(tǒng)抗電磁干擾水平較低：煤礦井下空間狹小，機電設(shè)備集中，電磁環(huán)境惡劣，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)常受到強烈電磁干擾，大部分現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)還不具備成熟的井下抗電磁干擾技術(shù)，相關(guān)國家標準很難被執(zhí)行。因此經(jīng)常產(chǎn)生數(shù)據(jù)混亂、誤報警、通訊中斷等現(xiàn)象，嚴重時，可能會導致系統(tǒng)癱瘓。

數(shù)字化程度低、兼容性差：系統(tǒng)終端設(shè)備數(shù)字化程度不高，尤其是傳感器采用基于頻率信號或電流信號的模擬傳輸技術(shù)，易受電磁干擾，“上大數(shù)”“誤動作”頻發(fā)。系統(tǒng)不具備開放性，異構(gòu)系統(tǒng)無法接入，監(jiān)控數(shù)據(jù)不能與人員管理、供電監(jiān)測等系統(tǒng)數(shù)據(jù)相融合，容易形成“信息孤島”。

系統(tǒng)智能化水平低、缺少新技術(shù)、新產(chǎn)品、新功能：現(xiàn)有主流監(jiān)控系統(tǒng)只具備簡單的監(jiān)測、閉鎖功能，傳感器功能單一，不具備類型自識別、故障自診斷等智能功能。井下的監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)普遍停留在上世紀90年代的水平，比如甲烷傳感器多采用催化燃燒式，穩(wěn)定周期短、頻繁標校、監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確。

2 數(shù)字式監(jiān)控系統(tǒng)特征及未來發(fā)展方向

2.1 多環(huán)冗余、對等通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

數(shù)字式監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：在監(jiān)控系統(tǒng)主干環(huán)網(wǎng)已實現(xiàn)環(huán)路冗余的基礎(chǔ)上，增加分站及支線網(wǎng)絡(luò)的冗余功能，構(gòu)建多環(huán)冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性。圖1是一個典型的具備多環(huán)冗余功能的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)功能：系統(tǒng)總線層的雙重冗余結(jié)構(gòu)，多鏈路數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器兩端接入兩條總線，兩個端口同時監(jiān)聽總線信號，傳輸服務(wù)器可根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸情況，自動進行主備端口切換，從而實現(xiàn)總線冗余，分站之間亦可實現(xiàn)多主并發(fā)、互聯(lián)互控功能，井下異地斷電無需上位機參與，斷電時間縮短至5 s內(nèi)?？偩€上所有設(shè)備采用多主并發(fā)、對等通訊的數(shù)據(jù)傳輸機制，可使每個終端節(jié)點遇突發(fā)事件時，均可主動向地面監(jiān)控主機發(fā)送數(shù)據(jù)，保證井下每個傳感器的狀態(tài)變化可在2～3 s內(nèi)傳至地面，系統(tǒng)巡檢時間縮短至10 s，進一步提升系統(tǒng)的實時性和可靠性。

2.2 具備較強抗電磁干擾能力

抗電磁干擾的要求：《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中明確要求，升級改造后的監(jiān)控系統(tǒng)整體抗電磁干擾水平應(yīng)至少滿足，①地面設(shè)備3級靜電抗擾度試驗，評價等級為A；②2級電磁輻射抗擾度試驗，評價等級為A；③2級脈沖群抗擾度試驗，評價等級為A；④交流電源端口3級、直流電源與信號端口2級浪涌(沖擊)抗擾度試驗，評價等級為B[9-11]。

優(yōu)勢分析：新一代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)終端設(shè)備，通過改進電路板的布線、布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計，消除電路板本身設(shè)計的抗干擾缺陷。使用定制的濾波器或濾波電路、浪涌防護電路等電磁干擾保護模塊，同時系統(tǒng)采用綜合平衡設(shè)計，調(diào)和干擾防護電氣參數(shù)與設(shè)備本安性能之間的矛盾，在保障本安的同時，適度降低電源保護電路的敏感度，實現(xiàn)電磁干擾保護的元器件電參數(shù)限制在設(shè)備的本安要求范圍內(nèi)，做到安全地防護。不難發(fā)現(xiàn)，具備電磁干擾保護模塊的分站、傳感器等監(jiān)控設(shè)備，在使用過程中，受雷電、靜電、變頻器設(shè)備等因素影響所造成的設(shè)備故障率明顯降低。

圖1 數(shù)字式監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 數(shù)字化傳輸、多系統(tǒng)融合聯(lián)動

數(shù)字化傳輸：監(jiān)控設(shè)備數(shù)字化傳輸是新一代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的最基本特征，監(jiān)控數(shù)據(jù)采用數(shù)字總線進行傳輸可以從源頭上解決以往傳感器采用頻率信號傳輸易受干擾的問題，有效避免“上大數(shù)”、誤報警的問題[12]。目前，國內(nèi)各監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家所采用的主流數(shù)字總線主要有RS485、CAN、LonWorks、Profibus等。這些數(shù)字總線，在通訊速率、誤碼率、抗干擾性、拓撲結(jié)構(gòu)上均有較好的表現(xiàn)。

多系統(tǒng)融合聯(lián)動：基于監(jiān)控設(shè)備的數(shù)字化傳輸，新一代監(jiān)控系統(tǒng)可以在井下與其他的系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，融合聯(lián)動。監(jiān)控系統(tǒng)升級改造要求必須融合的系統(tǒng)有環(huán)境監(jiān)測、人員定位、應(yīng)急廣播、供電監(jiān)控系統(tǒng)(融合的方式不局限于地面或井下)。在瓦斯超限、斷電等需要立即撤人的緊急情況下，監(jiān)控系統(tǒng)可自動與應(yīng)急廣播、人員定位等系統(tǒng)進行應(yīng)急聯(lián)動，利用工作面的應(yīng)急廣播設(shè)施播報撤離指令及緊急應(yīng)對方案，同時利用人員定位識別卡等設(shè)備通知到處于危險區(qū)域的所有人員，提醒相關(guān)區(qū)域人員按照緊急應(yīng)對方案進行相應(yīng)的撤離，極大限度地保障煤礦職工的生命安全。

2.4 新技術(shù)、新產(chǎn)品、新功能

新技術(shù)、新功能：基于數(shù)字總線方式通訊的傳感器不僅可以實現(xiàn)分站與傳感器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，而且傳感器還可依據(jù)事先定義好的總線協(xié)議，向分站傳輸除監(jiān)測值之外的更多監(jiān)控信息，如傳感器類型、運行狀態(tài)、設(shè)備唯一性等信息，這就為傳感器、斷電執(zhí)行器等監(jiān)控終端的智能化奠定了基礎(chǔ)。終端設(shè)備可通過硬件故障自檢電路實現(xiàn)傳感器敏感元件故障、存儲器故障、通信故障等硬件故障的識別和定位。同時，在設(shè)備程序設(shè)計上，還可通過對監(jiān)測值的大數(shù)據(jù)分析，依據(jù)異常數(shù)據(jù)的頻次、偏離程度等信息，運用小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及各種智能算法搭建故障診斷分類方案，在線快速辨識監(jiān)控設(shè)備的故障類型，并反饋至地面監(jiān)控中心，有效地提高了系統(tǒng)的智能化程度。

全量程激光甲烷傳感器：全量程激光甲烷傳感器的檢測原理如圖2所示，傳感器從結(jié)構(gòu)上可分為激光器、氣室、探測器、數(shù)據(jù)處理電路等，基于甲烷氣體對特定波長的強吸收特性，采用可調(diào)諧光源+諧波吸收的方法對環(huán)境中的甲烷氣體的濃度進行檢測。全量程激光甲烷傳感器具有測量精度高、穩(wěn)定周期長、氣體交叉敏感性低等特點，能夠解決現(xiàn)有催化和紅外等原理的甲烷傳感器存在的氣體選擇性差、易中毒和高濕度誤報等問題。目前，國內(nèi)激光甲烷傳感器的穩(wěn)定周期普遍可以達到90 d以上，較現(xiàn)有普遍使用的催化燃燒式甲烷傳感器穩(wěn)定周期(15 d)有較大幅度的提升?！睹旱V安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中推薦使用在“突出礦井的采煤工作面進、回風巷，煤巷、半煤巖巷和有瓦斯涌出的巖巷掘進工作面回風流中，采區(qū)回風巷，總回風巷”等重要瓦斯監(jiān)測地點[13]。

圖2 全量程激光甲烷傳感器的檢測原理

2.5 未來的發(fā)展方向

無線傳輸技術(shù)：煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)雖然已經(jīng)實現(xiàn)了全數(shù)字化傳輸，但目前只是局限在有線傳輸領(lǐng)域。井下尤其是工作面仍然存在大量傳輸線纜鋪設(shè)與維護的工作量，現(xiàn)有無線傳輸技術(shù)在井下應(yīng)用尚不成熟。未來，基于可靠無線傳輸?shù)母鞣N無線傳感器將會是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實用化發(fā)展的主要方向。

預測預警技術(shù)：當前煤礦監(jiān)控系統(tǒng)僅僅具備報警、斷電功能，雖然有些安全監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)具備簡單的火災、瓦斯突出等預測、預警功能，但在實際應(yīng)用過程中準確率并不高，缺乏高效可靠的預測模型，不能滿足安全生產(chǎn)要求。因此，對火災、瓦斯突出等煤礦災害的預測、預警技術(shù)的研究將是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)未來發(fā)展的方向之一。

系統(tǒng)兼容性：新一代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備之間采用數(shù)字總線傳輸數(shù)據(jù)，各個生產(chǎn)廠家之間的傳感器互不兼容，無法實現(xiàn)各個生產(chǎn)企業(yè)傳感器之間的優(yōu)勢互補，造成了一定的資源浪費。未來，應(yīng)進一步制定行業(yè)標準，統(tǒng)一信號制式，實現(xiàn)不同系統(tǒng)設(shè)備間兼容性的問題。

3 結(jié)論

(1)從系統(tǒng)實時性、可靠性差，系統(tǒng)抗電磁干擾水平較低，數(shù)字化程度低、兼容性差，系統(tǒng)智能化水平低等4個方面對我國煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀進行了概述。

(2)對我國新一代數(shù)字式煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)特征進行了描述，主要特征有多環(huán)冗余、對等通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具備較強抗電磁干擾能力，數(shù)字化傳輸、多系統(tǒng)融合聯(lián)動，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新功能推廣應(yīng)用。

(3)我國煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)未來的發(fā)展方向主要有無線傳輸技術(shù)、更加符合實際的預測預警技術(shù)以及更強大的系統(tǒng)兼容性技術(shù)的應(yīng)用。