寇俊芬

（晉能控股煤業(yè)集團云崗礦，山西 大同 037001）

1 概況

由于云崗礦井在設(shè)置安全監(jiān)控的情況下，并未對工作人員的安全問題進行考慮。因此并不能對井下工作人員的安全進行監(jiān)控。鑒于此，可以選用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與此同時需要充分結(jié)合井下工作人員的工作情況，從而構(gòu)建了煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)應(yīng)該具備如下幾個功能：其一，可以時刻監(jiān)測井下員工的安全情況；其二，能夠適應(yīng)井下工況情況，抗干擾能力要強；其三，能夠快速地分析數(shù)據(jù)并且制定出與之匹配的決策；第四，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)用數(shù)據(jù)的能力；第五，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性等[1]。

2.1 總體架構(gòu)

該系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)都來源于井下傳感器，對于傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)而言在進行傳輸?shù)倪^程中往往會產(chǎn)生許多無效數(shù)據(jù)，因此導(dǎo)致傳輸效率低下，為此筆者將在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的環(huán)節(jié)進行數(shù)據(jù)處理。

為了有效地提高監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，該數(shù)據(jù)處理采用去中心化數(shù)據(jù)處理形式。該監(jiān)測系統(tǒng)借助LSTM算法對數(shù)據(jù)的有效性進行分析，并且將數(shù)據(jù)進行儲存，將數(shù)據(jù)定期上傳到中心服務(wù)器。圖1 表示監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)。其主要包括如下幾個數(shù)據(jù)層：第一，邊緣感知層；第二，霧決策層；第三，云服務(wù)層；第四，管控應(yīng)用層。其對于邊緣感知層而言，工作人員在井下工作時，需要佩戴邊緣感知傳感器，其可以收集人體的身體狀況數(shù)據(jù)、運動數(shù)據(jù)以及周邊環(huán)境的數(shù)據(jù)，并且完成對有效數(shù)據(jù)的收集。對于霧決策層而言，將其設(shè)計在邊緣感知層之后，通?？梢越柚鶯oRa 技術(shù)，進而可以將邊緣傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸給井下環(huán)網(wǎng)光纖，與此同時可以完成對數(shù)據(jù)的分析與分享，此外可以實現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的溯源。對于云服務(wù)層而言，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的匯集以及存儲，與此同時還可以把數(shù)據(jù)傳輸給管理應(yīng)用層。對于管控應(yīng)用層而言，能夠提供井下人員安全狀況的數(shù)據(jù)信息，并且可以將其傳輸給系統(tǒng)管理人員，這時管理人員可以借助管控應(yīng)用層給工作人員發(fā)出指令，從而可以實現(xiàn)應(yīng)對緊急事件的功能。

2.2 邊緣感知層

2.2.1 硬件設(shè)計

邊緣感知層對井下工作人員的安全、運動以及相應(yīng)的周圍信息進行監(jiān)測。與此同時將采集獲得的數(shù)據(jù)進行分析，由此可以看出在選擇邊緣感知層時，必須充分考慮硬件的數(shù)據(jù)處理能力。為此該系統(tǒng)選用的內(nèi)核處理器為ARM Cortex-M，并且該硬件還具有較強擴展性。圖2表示構(gòu)建的邊緣感知層硬件結(jié)構(gòu)，主要包括如下幾個方面：第一，數(shù)據(jù)采集模組；第二，運算處理模組；第三，顯示以及輸入模組；第四，LoRa通信模組等。

2.2.2 軟件設(shè)計

邊緣感知層結(jié)構(gòu)模組中，其擁有獨立的數(shù)據(jù)處理單元，在將數(shù)據(jù)進行處理后，可以將其輸送給運算分析模組。數(shù)據(jù)采集單元選用ARM Cortex-M，變成語言為C語言，從而可以對數(shù)據(jù)進行分析。接著借助SPI將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給運算分析模組[2]。圖3 表示運算模組程序運行流程，其包括兩個子單元：第一，驅(qū)動程序；第二，MySQL數(shù)據(jù)庫等。

2.3 霧決策層

2.3.1 硬件設(shè)計

霧決策層功能包括兩個方面：第一，無線網(wǎng)關(guān)；第二，霧決策。LoRa 無線通信能夠?qū)崿F(xiàn)無線網(wǎng)關(guān)功能，其可以借助無線網(wǎng)關(guān)將從霧決策層獲得的數(shù)據(jù)傳輸給云服務(wù)層。這樣可以實現(xiàn)借助以太網(wǎng)進行高速環(huán)網(wǎng)的連接。為了能夠有效地提高霧決策的高效性，通常選用4 核4 線程的Intel Pentium N420064 位微處理器，圖4 表示霧決策層的結(jié)構(gòu)框架，主要包括如下幾個單元：第一，LoRa通信模組；第二，人機交互模組；第三，以太網(wǎng)通信模組等。

2.3.2 軟件設(shè)計

由于霧決策層具有較多的功能，因此在設(shè)計軟件的過程中，依據(jù)相應(yīng)的模塊進行設(shè)計，可以對各個應(yīng)用進行調(diào)用。圖5表示霧決策層的模塊組成結(jié)構(gòu)，主要包括如下幾個方面：第一，無線連接單元；第二，數(shù)據(jù)收發(fā)單元；第三，數(shù)據(jù)存儲單元；第四，數(shù)據(jù)交互單元；第五，數(shù)據(jù)報表處理單元等。LoRa 無線通信模組在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，往往需要借助收發(fā)解析。在進行數(shù)據(jù)解析的過程中，數(shù)據(jù)標頭可以對數(shù)據(jù)管理進行判斷。假如接收的是無線連接請求，那么可以借助無線連接管理程序進行處理。假如數(shù)據(jù)屬于正常的數(shù)據(jù)交互，那么僅僅需要調(diào)用數(shù)據(jù)包進行處理。

2.4 云服務(wù)層和管控應(yīng)用層

通常情況下，云服務(wù)層與相應(yīng)的管控應(yīng)用層而言，其管理的重心為如下三個方面：第一，監(jiān)控系統(tǒng)管理人員；第二，接受邊緣感知層傳遞過來的數(shù)據(jù)；第三，接受霧決策層傳遞過來的數(shù)據(jù)。與此同時，將信息傳遞給管控應(yīng)用層以及將數(shù)據(jù)顯示給管理人員。

2.4.1 云服務(wù)層軟件設(shè)計

通常情況下，云服務(wù)層運行程序包括三個方面：第一，數(shù)據(jù)收發(fā)層；第二，數(shù)據(jù)儲存層；第三，管控應(yīng)用層。在數(shù)據(jù)收發(fā)層中，對于數(shù)據(jù)的收發(fā)并不需要較大的計算量，只要能夠滿足最大數(shù)據(jù)傳輸量的需要即可。通常數(shù)據(jù)儲存層，不僅需要滿足數(shù)據(jù)儲存，而且將需要的數(shù)據(jù)傳輸給管控應(yīng)用層。圖6 表示云服務(wù)層程序結(jié)構(gòu)圖。

2.4.2 管控應(yīng)用層軟件設(shè)計

管理控制層進行人機交互，通?？梢詫崿F(xiàn)如下幾個功能：第一，采集井下人員的安全情況；第二，周圍環(huán)境信息；第三，工作人員的運動情況，圖7表示管理控制層程序流程結(jié)構(gòu)圖。

3 應(yīng)用效果評價

該系統(tǒng)在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過長達六個月的測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，其具有較好的抗毀傷能力。系統(tǒng)也可以實現(xiàn)各個設(shè)定的功能，可以精準地捕獲井下工作人員的安全狀況。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)共計檢測到14 起人員不適的情況，其中主要以心跳加速為主，并且將存在有問題的員工及時地撤離。經(jīng)過有關(guān)人員測試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以為公司節(jié)約150萬的人員事故開支[3]。

4 結(jié)語

安全生產(chǎn)是煤礦的首要任務(wù)，由于當前云崗煤礦在人員檢測方面存在一定的問題，因此以此為出發(fā)點不斷完善井下人員安全監(jiān)控系統(tǒng)，其包括如下幾個方面：第一，邊緣感知層；第二，霧決策層；第三，云服務(wù)層；第四，管控應(yīng)用層等。經(jīng)過工程實踐發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，能夠滿足工程的需要，具有一定的推廣價值。