基于物聯網的礦山安全系統

周先軍，何雪江，侯興濤，盛秋林

（湖北工業大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068）

基于物聯網的礦山安全系統

周先軍，何雪江，侯興濤，盛秋林

（湖北工業大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068）

文章分析總結了當前數字礦山中物聯網的礦山安全現狀，提出一種固定感知與移動感知相結合，孤立感知與聯合感知相結合的礦山安全系統方案，簡要分析了該方案的科學性和可行性。

物聯網；礦山安全；物聯網

1 介紹

我國的能源現狀是多煤少氣缺油，而煤礦生產環境復雜惡劣，井下用人多而且人員集中，安全設備比較陳舊，安全監控系統采用的技術比較落后，再加上運行管理不夠，使得安全形勢不容樂觀。而煤礦安全關乎國計民生、關乎礦業工人家庭幸福。

利用物聯網技術構建礦山安全系統，通過煤礦井下人員RFID管理系統確保井上井下的有效管理、溝通，在很多時候，礦難的發生毫無預兆，來不及疏散人群，對于被困在礦井中的工作人員來說，系統便會通過各傳感器的數據反饋及時了解到礦難發生區域的情況，將部分危險地帶的通道自動關閉，切斷部分可能引發更為嚴重事故的電源以及管道，防止發生火災或者爆炸事故，避免被困人員受到更多的威脅。在礦井中安裝紅外入侵探測器，隨時了解到礦井內是否還有生存者，而空氣質量探測器也能隨時向控制中心發送環境質量參數，在環境惡劣的時候，發出并且通過對相關傳感器的準確定位，及時打通通道，對被困者進行救援工作。

文章探索以物聯網為基礎的礦山安全系統設計，著眼建立物聯網礦山安全系統。

2 物聯網

物聯網概念最早起源于麻省理工學院(MIT)的自動識別中心（Auto-ID）1999年提出的射頻識別（RFID）系統——把所有物品通過射頻識別等傳感設備連接到互聯網，實現智能化管理。2009年8月7日，時任總理溫家寶視察無錫時提出“感知中國”理念，由此推動了物聯網從概念、政策、配套到技術研發的快速發展，物聯網儼然已掀起信息領域繼計算機、因特網之后的第3次技術風暴。物聯網的特征是全面感知、可靠傳送、智能處理。該技術通過嵌入在物體、人體中的各種傳感設備、電子標簽，使物體、人處于網絡在線狀態，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。

感知層，主要通過RFID、靜態傳感器、動態傳感器等各類感知設備，實現對數據的實時采集。感知和標識技術是物聯網的基礎，無線覆蓋網絡必須能夠為井下所有有價值物體提供感知服務，包括設備、人員、環境、工礦的監測。各類靜態節點和以人、車輛為代表的移動感知節點構成移動感知平臺，通過感知網關接入局域網，執行環境信息的感知。

網絡層，通過各種接入設備實現互聯網、蜂窩通信網、有線無線局域網的融合。網絡層設備主要鋪設在地面，構建覆蓋整個礦區的數據網絡，以完成可靠傳輸。網絡傳輸平臺是礦山物聯網的主干網，利用工業以太網技術、煤礦移動通信技術、M2M技術以及6LowPAN技術，實現感知信息以IP為基礎的實時可靠傳送。全礦生產、安全等全部信息集成到控制中心，進行各種智能信息處理，如信息融合、信息挖掘等。

應用層，對礦區安全數據進行分析處理，通過系統平臺對礦區實施智能化控制和監測，包含了礦區3DGIS、綜合自動化、人員管理、視頻監控、短信管理、礦區應急指揮、調度系統等。當某個事件發生時，及時作出反應，應用當前數據進行指導和處理。另外，依據采集數據，對礦山安全生產形勢進行評估、煤礦安全隱患排查。

3 礦山物聯網

煤炭生產工作場所黑暗狹窄，采掘工作面又處在移動中，需要實時全面掌握礦區井上井下機電設備狀態及井下人員分布，對可能的礦體采空區變形、礦區有害氣體聚集、采礦工人身體異常變化等情況有效預測、及時干預。基于物聯網的礦山安全系統，將感知技術、傳輸技術、信息處理、信息管理等與當代采礦緊密結合，構成礦山中人與人、物與物、人與物均能緊密相連，動態控制礦山安全生產的全過程。

井下無線覆蓋主要由無線接入點 (AP)完成，多種支持WIFI的終端，如身份識別卡、無線攝像機、WIFI手機等，AP通過本安以太網延長器或光纖耦合器，將接收到的終端信息發送給交換機，交換機通過光纖耦合器接入井下光纖骨干網，從而將終端的信息傳輸給骨干網絡，進而傳輸到地面指揮中心，達到井下綜合監控和管理。井下個人安全監測系統由雙向個人信息終端、有線與無線通信網絡、應用管理平臺組成。個人信息終端功能還包括：瓦斯/溫度監控、匯聚傳感信息向上位機發送、向上位機發送呼救信號、監測被困人員的生命活動跡象、接收調度室發送的避災路線等。

傳感器網絡節點具有體積小、數量大、布置靈活、不需單獨供電、不需要專人維護等特點，傳感器網絡應用于礦山，實現礦山設備信息、環境信息、井下人員信息與定位信息及時地傳輸給地面監控中心，為井下視頻、VOIP等技術的實現搭建基礎平臺。基于物聯網的礦山安全系統，系統架構為：感知層網絡是WSN、RFID，骨干傳輸網通常由千兆工業以太網構成，完成信息的集成傳輸。

4 基于物聯網的礦山安全系統方案

物聯網的實際使用，可以一方面在礦山部署固定感知節點，此類節點不管有無礦工生產活動，這類節點自動成簇，監測礦山的礦體移動、氣體聚集、礦道應力變化，此類數據著眼礦工的工作背景檢測；另一方面，礦工隨身攜帶或隨礦工移動的設備裝配節點，這類節點隨礦工工作而變化位置，表征礦工的生產活躍情況，此類節點發送感知信息到其周圍的固定節點，此類節點由于與礦工活動息息相關，所獲得的數據著眼礦工瞬時狀態檢測。

礦工隨身攜帶了感知設備，該個人信息設備成為礦工安全生產的孤立感知節點，在個人信息設備唯一運行下，該設備需進行高密度的信息采集和處理。在大多數生產場合，多個礦工的信息設備，或者單個礦工的信息設備與其周圍預置的固定探測節點相互聯系，形成合作感知。由于陰影效應、多徑效應等要素的客觀存在，單感知節點所獲取的信息可能比較片面，其探測率一般為0.7，漏警率為0.2；如果對某一特定的災害事件，其周圍環境存在多個節點（或固定或移動），這將大大改善事件的探測率和漏警率。多個節點展開聯合探測，使對危險事件感知的探測，探測概率達到0.9，而虛警概率小于0.1；當對災害的聯合感知確認后，礦工執行相應災害預案，短時間內撤離，退避于相對安全的位置，或者災害檢測預警解除。

5 結語

論文分析了基于物聯網的礦山安全系統總體架構及關鍵技術，提出基于固定探測與移動探測相結合、孤立探測與聯合探測相結合礦山安全物聯網運行方案，并簡要論述了該方案的具體特點。由于物聯網技術的無所不在和愈來愈成熟，構建在這一平臺之上的礦山安全系統，將有效維護礦山安全。對煤礦生產環境下的人員、機器、設備實施實時全過程控制，以高效、安全、綠色開采為目標。

Mine Safety System based on Internet of Things

ZHOU Xian-jun,HE Xue-Jiang,HOU Xing-tao,SHEN Qiu-lin,et al
(Institute of Electrical and Electronic Engineering,Hubei University of Technology ，Wuhan,Hubei 430068,China).

This paper analyzed and summarized the security status of IOT in current digital mines and proposed a safety system proposal for mines which features with the combination offixed perception and mobile combination and the integration of isolated,perception and joint perception,and briefly analyzed of the scientificity and feasibility of the proposal.

internet of things(IOT);mine safety;Internet of things

TP393.09

A

2095-980X（2015）02-0061-02

2015-01-15

本研究得到了武漢市科技局基礎研究計劃的資助（項目編號：2013012401010845）。

周先軍（1970-），男，副教授，主要研究方向：無線互聯、電力網絡。