郭 泰，顏 鋌

(重慶應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，重慶 401520)

礦井氣體監(jiān)測、控制系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、空氣流動(dòng)傳感系統(tǒng)是煤礦中基礎(chǔ)的應(yīng)用系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛用于其他高新企業(yè)，煤礦互聯(lián)網(wǎng)的可靠性還存在短板。通過建立綜合評價(jià)體系，并挖掘了影響煤礦物聯(lián)網(wǎng)可靠性的關(guān)鍵因素以及基于它的風(fēng)險(xiǎn)因素，將提供一項(xiàng)良好的評估工具，旨在提高煤礦物聯(lián)網(wǎng)的可靠性[1]。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)服務(wù)的IoT技術(shù)的成功應(yīng)用可有效的提升礦井安全監(jiān)測的可靠性。由于礦井內(nèi)缺乏低功耗的傳感器、采礦環(huán)境能源捕獲技術(shù)、本質(zhì)安全話網(wǎng)絡(luò)和用于地下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)保護(hù)，通過結(jié)合IoT技術(shù)平臺、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)建立了一種用于地下煤礦的動(dòng)態(tài)信息系統(tǒng)，可以進(jìn)行地下挖掘數(shù)據(jù)的全面分析，使得煤礦機(jī)電設(shè)備安全監(jiān)測和安全措施變得更加科學(xué)合理。

1 煤礦安全信息數(shù)據(jù)特征分析

1.1 數(shù)據(jù)的分散性

為確保地下煤礦安全和持續(xù)生產(chǎn)，監(jiān)測和分析需要大量數(shù)據(jù)。由于生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，與采礦操作有關(guān)的數(shù)據(jù)具有以下特征。從煤礦開采的幾十年發(fā)展來看，地下道路的長度從數(shù)千米到數(shù)萬米延伸。這意味著礦山使用壽命很長，即工作面的空間很大。為確保正常和持久的生產(chǎn)，許多類型的采礦設(shè)備是必要的。采礦設(shè)備分布在各個(gè)地方，如井道、房間和綜采工作面以全方位的覆蓋并實(shí)現(xiàn)其功能[2]。收集和記錄地下數(shù)據(jù)與此類采礦實(shí)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)安裝在整個(gè)地下空間上。因此，空間分散是地下采礦數(shù)據(jù)的一個(gè)特征。

1.2 數(shù)據(jù)的多樣性

地下煤礦的環(huán)境很復(fù)雜。采礦設(shè)備因煤層條件和采礦方法而異。地下挖掘數(shù)據(jù)主要分為環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)和挖掘應(yīng)力數(shù)據(jù)。環(huán)境數(shù)據(jù)來自監(jiān)測的工作環(huán)境，如甲烷濃度、溫度、濕度、一氧化碳濃度、氧氣環(huán)境、煙霧、風(fēng)速、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、采礦應(yīng)力、地下水活動(dòng)等。設(shè)備數(shù)據(jù)與各種生產(chǎn)系統(tǒng)具有緊密的關(guān)系。采礦過程中發(fā)生數(shù)據(jù)包括采礦誘導(dǎo)應(yīng)力、位移和裂縫。此外，為了實(shí)現(xiàn)其他服務(wù)功能，包括作業(yè)人員位置和時(shí)間，還有很多輔助數(shù)據(jù)信息。為確保礦井環(huán)境、設(shè)備和采礦壓力設(shè)備的正常操作，需要記錄和處理數(shù)據(jù)具有多樣性。

1.3 數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)性

由于煤層提取相關(guān)地下采礦數(shù)據(jù)，如氣體和水壓，工作面墻壁和頂層壓力，所有實(shí)時(shí)采集的大數(shù)據(jù)處理方法需要用到高級計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以在實(shí)時(shí)收集地下挖掘數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確地分析過去一組樣本數(shù)據(jù)。由于存在多種影響因素，因此難以看到數(shù)據(jù)的明確代表性，包括時(shí)隙區(qū)域或內(nèi)在的時(shí)間。為礦工提供安全的工作環(huán)境，有必要盡可能地獲得更多的地下挖掘數(shù)據(jù)。在目前的地下煤礦中，數(shù)據(jù)與有線或無線網(wǎng)絡(luò)連續(xù)傳輸?shù)浇K端。這意味著監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫隨著時(shí)間的推移而形成較大的數(shù)據(jù)存儲空間。因此，動(dòng)態(tài)變化是在這種新情況下采礦數(shù)據(jù)的新特征。由圖1所示為生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)層級，每層數(shù)據(jù)的傳輸都具有動(dòng)態(tài)化特征。

圖1 礦井生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)層級Fig.1 Data dynamic hierarchy of mine production monitoring system

2 可行性分析

目前用于地下煤礦中的數(shù)據(jù)采集、傳輸和操縱的許多技術(shù)都不足地貫徹實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)特征和缺點(diǎn)，例如不完整的信息感知、較差的依賴性和傳感器的低效率。IoT是一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)時(shí)地自動(dòng)識別、定位、追蹤和監(jiān)視目標(biāo)。它主要由大量傳感器，信號頻率標(biāo)簽，攝像機(jī)和信號識別器組成。IoT擴(kuò)展了許多新興技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)、信號頻率識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通過在地下煤礦中的設(shè)計(jì)位置，安裝不同類型的數(shù)據(jù)傳感器，可以在生產(chǎn)過程中動(dòng)態(tài)地進(jìn)行相關(guān)的挖掘操作數(shù)據(jù)監(jiān)測[3]。由于數(shù)據(jù)量大，目前礦井?dāng)?shù)據(jù)傳輸和提取的速度似乎不足。因此，大數(shù)據(jù)是一種快速有效地解決復(fù)雜問題的新方法，該技術(shù)可操作地記錄和分析大量數(shù)據(jù)，可以從傳感器、音頻、視頻和交易等生成大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)可用于底層煤礦，有效地確定各種收集的數(shù)據(jù)類型之間的關(guān)系，避免事故預(yù)測失敗。IoT技術(shù)提供了處理大型數(shù)據(jù)集的有效和快速方法，該技術(shù)可以高效和安全地為礦井技術(shù)人員提供有價(jià)值的信息。

因此，可以采用云計(jì)算技術(shù)來處理煤礦數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)為IoT的成功應(yīng)用提供了有效的應(yīng)用。采用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦IoT系統(tǒng)的構(gòu)建，如圖2所示。地下煤礦中有許多監(jiān)測系統(tǒng)，如配備監(jiān)控系統(tǒng)、泵房監(jiān)測系統(tǒng)和煤礦環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)產(chǎn)生了許多數(shù)據(jù)集，應(yīng)該使用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行記錄和處理。為了實(shí)現(xiàn)礦井技術(shù)人員的需求，應(yīng)利用云計(jì)算技術(shù)來分析這些數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以使用云計(jì)算的輸出來控制各種監(jiān)控系統(tǒng)[4]。IoT技術(shù)的大數(shù)據(jù)和云計(jì)算所有工作，為煤礦工人提供安全的礦井工作環(huán)境。

圖2 礦井云計(jì)算中心的IoT系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 IoT system architecture of mine cloud computing center

3 礦井安全動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

通過整合礦井IoT、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算來提取地下煤礦的動(dòng)態(tài)信息平臺技術(shù)。該平臺可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、傳輸分析和有價(jià)值的信息輸出。開發(fā)平臺的結(jié)構(gòu)被分成支撐層、感知層、傳輸層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)提取層和應(yīng)用層，可具體分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層[5]，如圖3所示。動(dòng)態(tài)信息平臺主要用于、地下煤礦收集并通過礦IoT傳輸數(shù)據(jù)。地下挖掘數(shù)據(jù)的記錄形成監(jiān)測內(nèi)容，隨后使用云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行分析。然后，提供有價(jià)值的信息并輸出?；陉P(guān)鍵信息，可以對應(yīng)于不同的挖掘問題給出預(yù)警信號。根據(jù)平臺的監(jiān)測結(jié)果，及時(shí)采取具體措施來保證地下采礦的安全。例如，在過去的采礦經(jīng)驗(yàn)期間，可以將大量數(shù)據(jù)，如瓦斯氣排放、通風(fēng)泄漏、推進(jìn)率和覆蓋深度等數(shù)據(jù)進(jìn)行對比?；趶牡V井開采歷史中獲得的大數(shù)據(jù)，可以通過云計(jì)算技術(shù)預(yù)測當(dāng)前采礦條件下的氣體排放。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure diagram of the system

3.2 硬件設(shè)計(jì)

在煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，井上控制中心的功能與我國原來煤礦生產(chǎn)方式下的單純的調(diào)度室相比得到了大大加強(qiáng)與擴(kuò)大，各種系統(tǒng)的信息均通過綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)送到調(diào)度指揮中心，是煤礦安全物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的上層集成平臺[6]。通過井上控制中心集成平臺建設(shè)，可以解決原礦山各系統(tǒng)相對獨(dú)立、信息孤島問題[7]；解決異構(gòu)系統(tǒng)接口問題，形成統(tǒng)一的礦山集成平臺標(biāo)準(zhǔn)。井上控制中心集成平臺硬件設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 礦井安全動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)硬件布置Fig.4 Hardware layout of mine safety dynamic information monitoring system

井上控制中心硬件布置以煤礦公司為中心，下面鏈接到各個(gè)礦山中心，每個(gè)礦山的硬件具體布置需滿足以下要求[8]：①設(shè)置1臺服務(wù)器用于應(yīng)用程序開發(fā)、部署、維護(hù)及管理的一種基礎(chǔ)架構(gòu)。②設(shè)置1臺I/O服務(wù)器，該服務(wù)器主要用煤礦安全及生產(chǎn)過程中的信息采集，并通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送到網(wǎng)上的工程師站，各個(gè)工程師站的控制信息也由此服務(wù)器經(jīng)以太網(wǎng)傳輸?shù)礁鱾€(gè)被控制的子系統(tǒng)。③設(shè)置1臺Web服務(wù)器，負(fù)責(zé)Web發(fā)布，把信息傳送到局域網(wǎng)。④設(shè)置1臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，該服務(wù)器主要負(fù)責(zé)存儲全礦安全、生產(chǎn)等信息，產(chǎn)生實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫，供管理網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢與分析。⑤設(shè)置1臺定位服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對礦井人員位置信息的采集及定位計(jì)算。⑥設(shè)置1臺工程師站，通過工程師對全部控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置與維護(hù)。⑦設(shè)置1臺硬件防火墻負(fù)責(zé)將監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與煤礦局域網(wǎng)隔離，以保證監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的相對獨(dú)立。⑧設(shè)置1臺核心工業(yè)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦山安全、生產(chǎn)信息的交互。硬件功能主要通過感知層實(shí)現(xiàn)。感知層主要用于實(shí)時(shí)收集地下煤礦的數(shù)據(jù)。AGH-8977型號傳感器如圖5所示，也是系統(tǒng)主要使用的傳感器類型。

用于收集挖掘數(shù)據(jù)的設(shè)備主要由傳感器、定位設(shè)備組成二維代碼，關(guān)閉距離通信設(shè)備、攝像機(jī)、RFID標(biāo)簽等。該層主要旨在收集地下采礦環(huán)境參數(shù)，設(shè)備狀態(tài)段和人事信息的數(shù)據(jù)。采礦環(huán)境氣體數(shù)據(jù)包括CH4、CO、CO2和O2的濃度，也包括地壓、煤塵、風(fēng)速、風(fēng)力、溫度、濕度等[9]。設(shè)備狀態(tài)參數(shù)主要代表與采礦業(yè)務(wù)相關(guān)的設(shè)備的運(yùn)行條件。這些動(dòng)態(tài)參數(shù)通常通過電流和電壓傳感器進(jìn)行監(jiān)控和記錄。相機(jī)用于監(jiān)視可見數(shù)據(jù)，如中央變電站、爆炸庫等。通過采用音頻傳感器和直接通信來收、集與人員相關(guān)聯(lián)的一些形成參數(shù)。位置傳感器用于監(jiān)測地下人員的當(dāng)前分布和移動(dòng)痕跡。根據(jù)上述功能，環(huán)境監(jiān)測傳感器和設(shè)備監(jiān)測傳感器應(yīng)分別用于收集環(huán)境和設(shè)備參數(shù)。礦山設(shè)備和環(huán)境信息被認(rèn)為是為此層中遠(yuǎn)程監(jiān)控提供基礎(chǔ)。這意味著涉及動(dòng)態(tài)平臺的傳感器分為3種類型：環(huán)境監(jiān)測傳感器、設(shè)備監(jiān)控傳感器和人員監(jiān)測傳感器。例如，有必要監(jiān)測地下煤礦中的氣體濃度。當(dāng)氣體濃度不超過特定閾值時(shí)，才能為機(jī)械電氣設(shè)備提供電力。否則，設(shè)備電源將自動(dòng)切斷。在電力再次輸送之前，需要增強(qiáng)通氣來降低閾值以下的氣體濃度。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層是實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)功能應(yīng)用的層級。該動(dòng)態(tài)信息平臺的應(yīng)用層被概括為4種系統(tǒng)：3D虛擬礦山系統(tǒng)、安全診斷系統(tǒng)、安全檢查系統(tǒng)和應(yīng)急救援系統(tǒng)。3D虛擬礦山系統(tǒng)包括5個(gè)部分：基本功能、路線仿真設(shè)備仿真、3D可視化和信息提供[10]?；竟δ馨▓D形放大和移動(dòng)、方向?qū)Ш健⑷繄D像顯示、本地顯示、距離和區(qū)域測量。此外，各類功能可以有效幫助相關(guān)管理員進(jìn)行緊急救援工作。設(shè)備仿真部分可以顯示地下監(jiān)控和機(jī)電設(shè)備的開關(guān)和運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)在生產(chǎn)過程中發(fā)生地下設(shè)備故障時(shí)，平臺同步警報(bào)，并將顯示異常設(shè)備的位置，以幫助相關(guān)礦工快速解決問題。3D可視化支持平臺用戶的多種視圖模式。在GIS系統(tǒng)的幫助下，信息提供模塊可以在煤礦中的任何位置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，例如特定巷道和頂部的位移信息，綜合機(jī)械化設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。安全診斷系統(tǒng)旨在滿足分析和評估煤礦安全情況的用戶需求。動(dòng)態(tài)診斷系統(tǒng)包括5個(gè)模塊：數(shù)據(jù)輸入、查詢管理、安全條件評估、安全分析、歸納和演繹分析和診斷結(jié)果輸出的智能知識庫[11]?？梢詮臄?shù)據(jù)輸入查詢管理界面到達(dá)地下數(shù)據(jù)，包括地下環(huán)境信息。安全條件評估評估目標(biāo)對象的安全程度，如圖6所示。

圖6 礦井安全動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能Fig.6 Software function diagram of the mine safety dynamic information monitoring system

在危險(xiǎn)的評估后，將建議采取具體措施來降低風(fēng)險(xiǎn)率，如果目標(biāo)處于高危情況下，則會降低風(fēng)險(xiǎn)率。安全分析的智能知識數(shù)據(jù)庫可以調(diào)用服務(wù)層中智能知識庫的內(nèi)容。通過考慮智能知識數(shù)據(jù)庫和煤礦所經(jīng)歷的類似問題，可以準(zhǔn)確地推斷出當(dāng)前問題的主要原因，然后提出安全問題控制措施。診斷結(jié)果可以以多種形式輸出。此外，也可以容易地引用類似經(jīng)歷的事故的歷史診斷結(jié)果。安全檢查系統(tǒng)可以自動(dòng)或手動(dòng)巡邏單個(gè)或多個(gè)對象。服務(wù)器終止系統(tǒng)接收客戶端發(fā)出的信息。然后，將與客戶端相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中并且被動(dòng)態(tài)放大。系統(tǒng)可以根據(jù)具有嵌入式軟件的特定數(shù)學(xué)模型分析這些收集的數(shù)據(jù)。之后，可以使用用戶定義的結(jié)構(gòu)輕松訪問與大多數(shù)對象相關(guān)聯(lián)的地下數(shù)據(jù)，通過圖7所示中的軟件界面使用系列操作。

圖7 礦井安全數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測界面Fig.7 Mine safety data real-time monitoring interface

4 應(yīng)用分析

研究對象的煤礦煤層覆蓋深度超過1 000 m，每年可以生產(chǎn)500萬t煤。平均煤層厚度為5.5 m，采用長壁挖掘方法。由于覆蓋深度大，巖石煤壁的應(yīng)力和溫度極高，這對煤礦礦工的安全性很大。為確保生產(chǎn)安全和完善的工作環(huán)境，煤礦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能無人值守采礦。通過物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制挖掘操作的方法，實(shí)現(xiàn)遙控器對長煤壁的操作控制臺的操縱(圖8)。操作控制臺安裝在終端挖掘線附近的硐室中。系統(tǒng)使用不同種類的傳感器收集這些采礦機(jī)的挖掘參數(shù)、位置參數(shù)和工作狀態(tài)參數(shù)。然后，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將收集的參數(shù)發(fā)送到主機(jī)。利用安裝的傳感器使得采煤機(jī)具有記憶采礦、感知剪切物體(煤或巖石)的功能。通過記錄的信息，操作系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)采煤機(jī)的切割高度。

圖8 操作控制臺示意Fig.8 Schematic diagram of operation console

相應(yīng)地，煤炭監(jiān)測傳感器安裝在支架的位置。在采礦過程中，動(dòng)態(tài)地監(jiān)測長煤壁面的甲烷濃度，如圖9所示。如果甲烷濃度超過閾值，則系統(tǒng)將自動(dòng)切斷由甲烷傳感器監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)的電源。此外，容易確定切片在煤層所需的機(jī)械力。如果通過安裝在采煤機(jī)上的傳感器測量力急劇增加，則巖石被切割，自動(dòng)停止采礦機(jī)?？傆?jì)有36個(gè)攝像機(jī)安裝在液壓支架上，以監(jiān)視從不同角度的工作面的狀態(tài)，并且系統(tǒng)可以及時(shí)地檢測工作面的潛在安全危險(xiǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)場煤礦開采實(shí)例如圖10所示。圖10示出了智能采礦的實(shí)際有效性，通過控制臺的遠(yuǎn)程控制，沒有礦工參與的情況下實(shí)現(xiàn)了采礦操作。如果工作環(huán)境不好，在外界因素威脅到采礦安全的情況下，就會停止挖掘操作，并且應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的控制程序以避免潛在的危險(xiǎn)，確保礦工的生命健康安全。

圖9 甲烷濃度監(jiān)測示意Fig.9 Schematic diagram of methane concentration monitoring

圖10 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)場煤礦開采實(shí)例Fig.10 Examples of on-site coal mining with IoT technology

5 結(jié)語

根據(jù)煤礦有關(guān)的數(shù)據(jù)的特征，可以看出IoT大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)適用于礦井安全動(dòng)態(tài)信息平臺。然后，建立了地下煤礦的動(dòng)態(tài)信息平臺，利用智能傳感器與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合，設(shè)計(jì)出了傳輸層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)提取層和應(yīng)用層。在開發(fā)的地下煤礦平臺主要依靠支撐層，服務(wù)層和數(shù)據(jù)提取層。每層的功能更清晰，不同和相互關(guān)聯(lián)。支持層是實(shí)現(xiàn)有線和無線網(wǎng)絡(luò)功能的基礎(chǔ)，包括硬件和軟件。分析了所有平臺層的復(fù)合功能，尤其是在聚合層中，該層的主要功能根據(jù)煤礦企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)和目標(biāo)分為3D虛擬礦山系統(tǒng)、安全診斷系統(tǒng)、安全檢查系統(tǒng)和應(yīng)急救援系統(tǒng)，并且每個(gè)子系統(tǒng)都有詳細(xì)的參數(shù)描述。通過礦井安全動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地下煤礦動(dòng)態(tài)安全數(shù)據(jù)的全面監(jiān)測。