基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)

周先軍，何雪江，侯興濤，盛秋林

（湖北工業(yè)大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068）

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)

周先軍，何雪江，侯興濤，盛秋林

（湖北工業(yè)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(shù)字礦山中物聯(lián)網(wǎng)的礦山安全現(xiàn)狀，提出一種固定感知與移動感知相結合，孤立感知與聯(lián)合感知相結合的礦山安全系統(tǒng)方案，簡要分析了該方案的科學性和可行性。

物聯(lián)網(wǎng)；礦山安全；物聯(lián)網(wǎng)

1 介紹

我國的能源現(xiàn)狀是多煤少氣缺油，而煤礦生產(chǎn)環(huán)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(jiān)控系統(tǒng)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(yè)工人家庭幸福。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術構建礦山安全系統(tǒng)，通過煤礦井下人員RFID管理系統(tǒng)確保井上井下的有效管理、溝通，在很多時候，礦難的發(fā)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(tǒng)便會通過各傳感器的數(shù)據(jù)反饋及時了解到礦難發(fā)生區(qū)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(fā)更為嚴重事故的電源以及管道，防止發(fā)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(nèi)是否還有生存者，而空氣質(zhì)量探測器也能隨時向控制中心發(fā)送環(huán)境質(zhì)量參數(shù)，在環(huán)境惡劣的時候，發(fā)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(lián)網(wǎng)為基礎的礦山安全系統(tǒng)設計，著眼建立物聯(lián)網(wǎng)礦山安全系統(tǒng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)——把所有物品通過射頻識別等傳感設備連接到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)從概念、政策、配套到技術研發(fā)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)儼然已掀起信息領域繼計算機、因特網(wǎng)之后的第3次技術風暴。物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡在線狀態(tài)，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

感知層，主要通過RFID、靜態(tài)傳感器、動態(tài)傳感器等各類感知設備，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集。感知和標識技術是物聯(lián)網(wǎng)的基礎，無線覆蓋網(wǎng)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(huán)境、工礦的監(jiān)測。各類靜態(tài)節(jié)點和以人、車輛為代表的移動感知節(jié)點構成移動感知平臺，通過感知網(wǎng)關接入局域網(wǎng)，執(zhí)行環(huán)境信息的感知。

網(wǎng)絡層，通過各種接入設備實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、蜂窩通信網(wǎng)、有線無線局域網(wǎng)的融合。網(wǎng)絡層設備主要鋪設在地面，構建覆蓋整個礦區(qū)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，以完成可靠傳輸。網(wǎng)絡傳輸平臺是礦山物聯(lián)網(wǎng)的主干網(wǎng)，利用工業(yè)以太網(wǎng)技術、煤礦移動通信技術、M2M技術以及6LowPAN技術，實現(xiàn)感知信息以IP為基礎的實時可靠傳送。全礦生產(chǎn)、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(qū)安全數(shù)據(jù)進行分析處理，通過系統(tǒng)平臺對礦區(qū)實施智能化控制和監(jiān)測，包含了礦區(qū)3DGIS、綜合自動化、人員管理、視頻監(jiān)控、短信管理、礦區(qū)應急指揮、調(diào)度系統(tǒng)等。當某個事件發(fā)生時，及時作出反應，應用當前數(shù)據(jù)進行指導和處理。另外，依據(jù)采集數(shù)據(jù)，對礦山安全生產(chǎn)形勢進行評估、煤礦安全隱患排查。

3 礦山物聯(lián)網(wǎng)

煤炭生產(chǎn)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(qū)井上井下機電設備狀態(tài)及井下人員分布，對可能的礦體采空區(qū)變形、礦區(qū)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(lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)，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(tài)控制礦山安全生產(chǎn)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(wǎng)延長器或光纖耦合器，將接收到的終端信息發(fā)送給交換機，交換機通過光纖耦合器接入井下光纖骨干網(wǎng)，從而將終端的信息傳輸給骨干網(wǎng)絡，進而傳輸?shù)降孛嬷笓]中心，達到井下綜合監(jiān)控和管理。井下個人安全監(jiān)測系統(tǒng)由雙向個人信息終端、有線與無線通信網(wǎng)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(jiān)控、匯聚傳感信息向上位機發(fā)送、向上位機發(fā)送呼救信號、監(jiān)測被困人員的生命活動跡象、接收調(diào)度室發(fā)送的避災路線等。

傳感器網(wǎng)絡節(jié)點具有體積小、數(shù)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(wǎng)絡應用于礦山，實現(xiàn)礦山設備信息、環(huán)境信息、井下人員信息與定位信息及時地傳輸給地面監(jiān)控中心，為井下視頻、VOIP等技術的實現(xiàn)搭建基礎平臺。基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)，系統(tǒng)架構為：感知層網(wǎng)絡是WSN、RFID，骨干傳輸網(wǎng)通常由千兆工業(yè)以太網(wǎng)構成，完成信息的集成傳輸。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)方案

物聯(lián)網(wǎng)的實際使用，可以一方面在礦山部署固定感知節(jié)點，此類節(jié)點不管有無礦工生產(chǎn)活動，這類節(jié)點自動成簇，監(jiān)測礦山的礦體移動、氣體聚集、礦道應力變化，此類數(shù)據(jù)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(jié)點，這類節(jié)點隨礦工工作而變化位置，表征礦工的生產(chǎn)活躍情況，此類節(jié)點發(fā)送感知信息到其周圍的固定節(jié)點，此類節(jié)點由于與礦工活動息息相關，所獲得的數(shù)據(jù)著眼礦工瞬時狀態(tài)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(chǎn)的孤立感知節(jié)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(shù)生產(chǎn)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(jié)點相互聯(lián)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(jié)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(huán)境存在多個節(jié)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(jié)點展開聯(lián)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(lián)合感知確認后，礦工執(zhí)行相應災害預案，短時間內(nèi)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(lián)網(wǎng)的礦山安全系統(tǒng)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(lián)合探測相結合礦山安全物聯(lián)網(wǎng)運行方案，并簡要論述了該方案的具體特點。由于物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)，將有效維護礦山安全。對煤礦生產(chǎn)環(huán)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(lián)、電力網(wǎng)絡。