＊白 莉

（山西省能源職業(yè)學(xué)校 山西 030006）

在國內(nèi)安全技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，國家對(duì)智慧礦山的高度重視，煤礦企業(yè)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的個(gè)性化和智能化要求越來越高，已有的監(jiān)控體系面臨的問題也越來越突出，例如，目前的監(jiān)控體系架構(gòu)相對(duì)繁瑣，功能不夠完備，由于各裝置之間無法進(jìn)行有效的整合，無法對(duì)所收集到的資料進(jìn)行綜合分析，造成數(shù)據(jù)的使用率較低。盡管最近幾年，我國許多學(xué)者都對(duì)礦井安全監(jiān)測(cè)體系做了許多研究，但是大部分的研究都是圍繞著礦井安全監(jiān)測(cè)體系的運(yùn)營(yíng)和維修方面展開的，許多學(xué)者都在研究如何提高礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化。通過對(duì)實(shí)際工程的調(diào)研與分析，從數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備的智能化水平等多個(gè)角度對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了處理。在此基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)的處理、應(yīng)用等方面對(duì)礦井的智能化水平進(jìn)行了研究。

1.煤礦智能化概念

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代煤礦產(chǎn)業(yè)的智能化水平也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)形成了集感知、分析、決策為一體的智能控制系統(tǒng)，可以確保煤礦施工各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化運(yùn)行。

2.安全監(jiān)控系統(tǒng)與智能化建設(shè)要求差距

（1）系統(tǒng)傳輸架構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜。在使用有線通信的情況下，傳感器與地面控制中心之間信息傳輸要經(jīng)歷3 個(gè)中繼站。在無線通信系統(tǒng)中，傳感器與地面控制中心之間信息傳輸要經(jīng)歷4 個(gè)中繼站。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，檢修困難，且外部環(huán)境容易對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成干擾。

（2）該系統(tǒng)功能不完善，采集數(shù)據(jù)少，自主分析數(shù)據(jù)的功能差，現(xiàn)有的傳感器只能收集到環(huán)境中的有毒、有害氣體及裝置的工作狀況，沒有收集到其他相關(guān)的數(shù)據(jù)。并且對(duì)所收集的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)并沒有充分的分析，例如，檢測(cè)到開采面的氣體含量逐步上升，無法判定前面是否有地質(zhì)構(gòu)造，是否要加大通風(fēng)量來稀釋氣體等。

（3）井下監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備按照功能可以分為供電設(shè)備、通信設(shè)備、信號(hào)采集設(shè)備等。由于監(jiān)控系統(tǒng)需要采集大量的數(shù)據(jù)，同時(shí)傳感器類型單一，為了更加全面地采集信息，需要布設(shè)大量的傳感器。為了減少傳感器布設(shè)的數(shù)量，可以采用多參數(shù)傳感器。

（4）不同系統(tǒng)間的設(shè)備難以有效聯(lián)動(dòng)。目前礦井中設(shè)備的融合主要依托的是地面的控制中心，但是該方法無法難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的高效融合，同時(shí)存在較大的延遲，功能較為單一。

（5）該系統(tǒng)不能進(jìn)行高效地自我診斷。在該系統(tǒng)中，如果傳感器安裝在不正常的情況下，不能準(zhǔn)確地識(shí)別出故障，并且不能判斷停電閾值的設(shè)定是否合理。同時(shí)，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，無法進(jìn)行自我修復(fù)，并且傳感器的故障會(huì)對(duì)系統(tǒng)上的其他零部件產(chǎn)生影響，造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

3.提高安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化水平的思路

(1)減少傳輸層級(jí)和實(shí)現(xiàn)硬件融合

常規(guī)的安防監(jiān)控體系是3 層或4 層結(jié)構(gòu)，采用以太網(wǎng)+總線方式進(jìn)行監(jiān)控，該監(jiān)控體系存在的問題在于需要布設(shè)大量的設(shè)備，線路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，花費(fèi)的費(fèi)用較高，并且影響數(shù)據(jù)的傳輸效率，系統(tǒng)巡視周期較長(zhǎng)。所以，把數(shù)據(jù)的采集、處理、運(yùn)算和交互等各個(gè)環(huán)節(jié)都整合到一個(gè)多用途的監(jiān)測(cè)分站上，并通過一個(gè)多用途的監(jiān)測(cè)分站來搭建一個(gè)自組織的傳送平臺(tái)，從而建立從有線的傳感終端到地面的中央站的二級(jí)傳送結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)。二級(jí)傳送體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)周期短，建設(shè)費(fèi)用低廉，穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

多功能監(jiān)控分站可以同時(shí)不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，還可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且能夠?qū)崿F(xiàn)不同通信系統(tǒng)之間的通信轉(zhuǎn)換和連接，從而提升系統(tǒng)工作的可靠性，加強(qiáng)系統(tǒng)間設(shè)備的融合性。

(2)裝備智能化

裝備智能化需要大量的數(shù)據(jù)支撐，只有采用多樣化的設(shè)備，同時(shí)提升裝備的計(jì)算能力，才能夠確保智能化水平的實(shí)現(xiàn)。所以，為了提升裝備的智能化水平，可以從提升裝備水平和運(yùn)算水平兩個(gè)方面實(shí)施。

①多功能監(jiān)控分站智能化

多功能監(jiān)控分站的作用作為監(jiān)控系統(tǒng)最重要的模塊，其作用包括數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和傳輸，同時(shí)將系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行有效融合，所以，要重視提升監(jiān)控分站的智能化水平。

A.多功能監(jiān)測(cè)分站采用多信號(hào)傳輸?shù)慕涌冢鶕?jù)信號(hào)傳輸?shù)姆绞竭€有連接設(shè)備的差異進(jìn)行通信方式的選擇，如無線傳輸主要采用的通信方式為Wi-Fi，監(jiān)控分站與中心站和傳感器等之間的通信方式為以太網(wǎng)。

B.強(qiáng)化異地交叉控制水平。為了確保在脫離主干網(wǎng)絡(luò)的情況下，一樣能保證多功能分站能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，定位人員位置，播放應(yīng)急廣播信息。

C.在遠(yuǎn)程升級(jí)上，完成了對(duì)礦井多用途監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)遙控升級(jí)。在多功能監(jiān)測(cè)分站添加或改進(jìn)某些功能后，不需要維修人員去礦井下逐個(gè)修改裝置，只要在中央計(jì)算機(jī)上按一下對(duì)應(yīng)的裝置，就可以對(duì)礦井下裝置的程序進(jìn)行升級(jí)，從而大大減少了對(duì)工作人員的需求。

D.智能化的多用途分站應(yīng)該具備能夠?qū)γ恳粭l線路上所接傳感器的種類、量程和訪問時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)辨識(shí)的能力。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由地面中心臺(tái)確定的傳感器類型及范圍，并不能滿足工程現(xiàn)場(chǎng)的要求，造成了大量的錯(cuò)誤報(bào)警。通過對(duì)多功能監(jiān)控分站的改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各通道上各傳感器的種類、量程、存取時(shí)間的自動(dòng)識(shí)別，并將其實(shí)時(shí)傳送至地面的控制中心，由工作人員按照上傳的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行設(shè)定，防止由于設(shè)定失誤而引起警報(bào)，實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)式到積極式的轉(zhuǎn)變。

②電源箱智能化

在煤礦中，常用的電壓等級(jí)通常為127 V、380 V、660 V 三種，在傳統(tǒng)的變壓器中，一般采用變壓方式為抽頭，采用這種變壓方式會(huì)造成電壓出現(xiàn)較大范圍的波動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)的幅度在15%以內(nèi)時(shí)，電源箱能夠穩(wěn)定工作，一旦超出這個(gè)幅度，則電源箱就會(huì)出現(xiàn)故障，通信和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能受到影響。因此需要對(duì)電源進(jìn)行智能化改造。

A.開關(guān)電源采用較寬的電壓范圍，在90～1200 V的范圍內(nèi)，開關(guān)電源能夠進(jìn)行快速的識(shí)別和切換，確保了在外部電源波動(dòng)較大的情況下，本安電源和電源箱都能保證工作的穩(wěn)定性。

B.本安輸出功率為模塊式，各模塊各自獨(dú)立工作，互不影響。

C.電源箱內(nèi)參數(shù)檢測(cè)。強(qiáng)化對(duì)電源箱運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，保護(hù)電壓、電流和溫度等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)還包括電池的充放電狀態(tài)等，在采集到監(jiān)測(cè)參數(shù)以后，及時(shí)上傳到中心軟件。電源箱上需要具有電源指示燈狀態(tài)指示燈，并且能夠在故障消除后恢復(fù)初始狀態(tài)。

D.確保供電穩(wěn)定。提供備用電源，在供電系統(tǒng)故障的情況下，備用電源應(yīng)能立即接入，保障系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作4 h 以上，備用電源應(yīng)具備電池管理功能，以免出現(xiàn)過充或者過放。

E.確保通信穩(wěn)定。電源箱的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息應(yīng)該能夠傳輸?shù)降孛嬷行恼荆僮魅藛T也可以通過通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)電源進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。

③傳感器智能化

為了確保安全監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要采集大量的數(shù)據(jù)，傳感器是確保數(shù)據(jù)完整性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。以現(xiàn)代單片機(jī)技術(shù)為核心，研制新型的傳感器，提高其工作效率與工作穩(wěn)定性，豐富傳感器檢測(cè)參數(shù)的內(nèi)容，完成了對(duì)傳感器進(jìn)行自檢測(cè)、自診斷功能。

A.傳感器數(shù)字化。所有傳感器、斷電器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化傳輸，使傳輸信息更多，內(nèi)容更豐富。豐富傳感器監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，傳感器需要對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還需要對(duì)傳感器本身的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最終上傳到地面控制中心。

B.傳感器分級(jí)報(bào)警。操作人員在軟件端設(shè)置不同的報(bào)警閾值，并發(fā)送至傳感器，傳感器在獲取到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，和已設(shè)置的閾值進(jìn)行對(duì)比，確定故障等級(jí)并發(fā)出相對(duì)應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

C.傳感器精確定位。對(duì)傳感器的安裝位置進(jìn)行精確地采集，并與預(yù)設(shè)的安裝位置進(jìn)行對(duì)比，保證傳感器安裝在預(yù)定的位置上。

D.模擬量傳感器在線調(diào)校。在不需要在中心站軟件上設(shè)定的情況下，每個(gè)星期都會(huì)定時(shí)對(duì)該傳感器進(jìn)行調(diào)校，并可以在當(dāng)?shù)睾蜕蟼髌脚_(tái)上自動(dòng)展示調(diào)試狀態(tài)，減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也避免了由于工作人員未及時(shí)進(jìn)行調(diào)校出現(xiàn)的報(bào)警次數(shù)。

E.異常數(shù)據(jù)的自動(dòng)標(biāo)記與存儲(chǔ)功能。在傳感器正常工作的情況下，傳感器可以自動(dòng)地識(shí)別校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，并且具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，用戶可以通過遠(yuǎn)程控制來查詢數(shù)據(jù)，但是不能進(jìn)行手動(dòng)地更改和刪除[1]。

F.采用效率更高的開關(guān)電源，同時(shí)采用貼片型的元器件，能夠大幅度提升傳感器功率，使得傳感器信息傳輸?shù)木嚯x增加。

G.為了最大限度減少外部環(huán)境對(duì)傳感器的干擾，應(yīng)對(duì)傳感器采取防護(hù)措施，包括抗靜電設(shè)計(jì)和防輻射措施等。

H.傳感器采用不銹鋼帶包裹，外部覆蓋注塑殼，使得傳感器具有IP68 的防護(hù)水平。

4.提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析能力

井下傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸至中心站軟件并存儲(chǔ)，用戶可以在軟件界面進(jìn)行數(shù)據(jù)查看和調(diào)取歷史數(shù)據(jù)并打?。挥脩艨梢栽谲浖僮鹘缑嫔蠈?duì)井下的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)的定義。隨著各種技術(shù)的發(fā)展，為了提升系統(tǒng)的智能化水平，軟件還需要進(jìn)行以下功能的擴(kuò)展。

（1）增加即插即用功能。中央控制軟件可以對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)所連接的傳感器種類、測(cè)量范圍和訪問時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)辨識(shí)，如果發(fā)現(xiàn)中央控制軟件所設(shè)置的傳感器種類和實(shí)際所安裝的傳感器類型不符，則不存儲(chǔ)所收集到的傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行類型失配報(bào)警。

（2）傳感器在線調(diào)校。當(dāng)傳感器工作正常時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，這時(shí)，軟件就能檢測(cè)出調(diào)試狀態(tài)，并為調(diào)試數(shù)據(jù)打上專用的記號(hào)，這樣就可以把它與普通的數(shù)據(jù)區(qū)別開來。

（3）加強(qiáng)區(qū)域管理。對(duì)不同區(qū)域的傳感器進(jìn)行獨(dú)立管理，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)區(qū)域內(nèi)部傳感器數(shù)量或者工作狀態(tài)異常，則可以迅速定位故障區(qū)域。

（4）提升系統(tǒng)自診斷功能。該方法以一定的時(shí)間間隔來收集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，按設(shè)定的門限值判斷其是否存在問題，并提出相應(yīng)的處理方法。

（5）增加傳感器、控制器設(shè)置及定義診斷評(píng)估功能。可以按照基本的結(jié)構(gòu)信息，對(duì)傳感器裝置和傳感器報(bào)警、斷電、復(fù)位門限的設(shè)定進(jìn)行自動(dòng)診斷，如果不滿足規(guī)定，則無法正確地定義傳感器，并給出聲音提示報(bào)警。

（6）實(shí)現(xiàn)對(duì)工作站運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。對(duì)工作站的供電模塊、通信模塊還有各設(shè)備之間的連接狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)工作站狀態(tài)異常時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)[2]。

（7）劃分不同的警報(bào)等級(jí)。根據(jù)故障可能造成的后果嚴(yán)重程度進(jìn)行故障等級(jí)的區(qū)分，并確定不同的故障閾值。傳感器采集到數(shù)據(jù)后，跟設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，從而確定對(duì)應(yīng)的故障等級(jí)，并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，一般情況下，故障等級(jí)分類不得少于4 級(jí)。

（8）添加中心站對(duì)井下模擬量傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)的功能。如果傳感器添加或者改進(jìn)了某些性能，那么不需要維修人員深入井下或者替換到地面上去進(jìn)行逐個(gè)的更新，只要通過中央控制中心的軟件，就可以對(duì)該裝置進(jìn)行修改和升級(jí)，減少了工作人員下井的次數(shù)，降低了工作量和安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。

（9）能夠?qū)崿F(xiàn)信息的快速查詢和篩選。

（10）具備數(shù)據(jù)記錄功能，自設(shè)備投入使用以后，系統(tǒng)可以對(duì)設(shè)備的操作數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

5.結(jié)語

通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并且采用功能更加豐富的監(jiān)控分站等措施，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時(shí)提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析水平；增加中心站軟件，操作人員在操控中心即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下多種設(shè)備的程序更新，對(duì)不同設(shè)備功能的調(diào)節(jié)，減少工人下井的次數(shù)，使得監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平大幅提升。