基于物聯網技術的煤礦安全監控系統研究*

李 強，付玉平

(1.山西煤炭進出口集團有限公司, 山西 太原 030006；2.太原科技大學 環境與安全學院， 山西 太原 030024)

基于物聯網技術的煤礦安全監控系統研究*

李 強1，付玉平2

(1.山西煤炭進出口集團有限公司, 山西 太原 030006；2.太原科技大學 環境與安全學院， 山西 太原 030024)

針對目前煤礦行業信息與自動化標準缺乏、系統間孤立、信息資源不共享等現象，各種孤立的系統難以高效地發揮作用，采用物聯網技術，綜合煤礦井下多方面信息，構建一個關于人、環境、地理信息及調度指揮相互聯系、相互互動的安全監控系統，更好地保障煤礦企業安全生產。

煤礦；物聯網；實時GIS；綜合信息交換

0 引 言

經過多年不懈努力，國內煤礦自動化建設與信息化改造取得良好成效。當前，煤礦安全監控系統、人員定位系統等信息化系統都是煤礦生產必備的系統，各種信息化系統的應用較好的保障了煤礦企業的安全生產。但也須清醒看到，煤礦行業信息與自動化標準缺乏、系統間孤立、信息資源不共享等現象依然普遍存在，各種孤立的系統難以高效的發揮作用[1，3]。例如當井下瓦斯超標安全監控系統會發出報警，調度室需要指揮現場人員撤離，但此時井下人員的具體分布情況是顯示在人員定位系統中的，而且調度決策需要電話、擴音廣播等傳達到現場。可以看出，這樣的體系中，人、環境、安全、通訊等各方面信息是相互孤立的，沒有有效結合，發揮綜合高效的安全防范與指揮作用。

礦山物聯網技術方興未艾，它的出現與成熟運用，可有效解決上述問題。狹義物聯網是指連接物與物的網絡，實現物品的智能識別與跟蹤管理;廣義物聯網則為信息空間與物理空間的融合，將一切事物數字化、網絡化，建立物與物、人與物、人與人之間的內在聯系，實現高效的信息交互，并通過新的服務模式將各種信息技術融入社會行為[2，3]。物聯網技術強調“聯系”和“信息交互”，這一點恰恰符合煤礦安全生產的要求。因此，本文討論用物聯網技術，綜合煤礦井下多方面信息，構建一個人、環境、地理信息、調度指揮相互聯系、互動的安全監控體系。

1 體系結構

實現礦山物聯網有以下幾個要點：

(1) 終端、傳感器網絡化、智能化；

(2) 骨干和無線感知網絡建設；

(3) 礦山地理信息的數字化，即礦山地理信息GIS與3D化，并以此作為礦山安全、定位等信息的綜合現實平臺；

(4) 綜合信息交換平臺，實現異構信息綜合利用；

為此，如圖1所示，將整個系統在物理上劃為三層。首先是信息感知層，包括智能終端、傳感器等；其次是骨干和無線感知層，主要由交換機和無線接入點(Access Point ，以下簡稱AP)構成；最后是軟件層，用來匯聚、分析、綜合展現各種信息并根據需要通過網絡層下終端發出相應的命令信息。

在整個系統中，通過網絡層各種信息可以匯集傳至地面得以利用，而其中的無線網絡可以使原有的骨干網絡得以延伸到井下每一個角落，而且其無線的特質使其更不會因為工作面施工經常性地遭到破壞；智能終端是指內置處理器、通信模塊、傳感器、定位模塊的礦燈，通過它可以實現礦工精確實時定位，環境信息、礦工體征信息采集發送以及礦工與井上監控調度人員的短信互動；軟件層則相當于一個大腦，將所有井下的安全、人員、設備、環境信息匯集到一起，并作分析，最后通過GIS平臺展現出這些信息，最終實現人、環境、地理、設備信息的綜合關聯顯示。

圖1 系統結構

2 關鍵技術

2.1 無線網絡技術

系統采用基于802.11a/b/g協議的WiFi網絡，利用無線AP對煤礦井下進行無線覆蓋。系統中所使用的AP支持802.11a/b/g協議，速率可達54,48,36,24,18,12,11,5.5,2,1 Mbps。工作在2.4 G的ISO 國際公用頻段，支持無線信道1-11。系統之所以采用WiFi網絡，主要考慮其相對于藍牙或ZigBee技術具有網絡信號強、帶寬大、傳輸速率快等優點，能夠滿足人員定位的需要，還可以傳送實時的語音、圖像等信息[6-8]。

由圖2所示，無線接入點AP分為根AP(root AP)和普通AP。根AP通過有線以太網與服務器通信，并且根AP可作為普通AP的基站，負責中轉普通AP的信息；多個普通AP與一個根AP可組成無線網格(MESH)，信息的跳轉可多達十幾跳，但是考慮到跳數與帶寬衰減成正比關系，本設計方案中信息的跳轉最多經過3跳。系統借助井下已有的主干以太網實現AP與服務器的互通，此方案既節省資源又減少了煤礦井下設備、線路多的情況。普通AP通過MESH連接根AP進行無線覆蓋，也減少了網線覆蓋的繁瑣工作。

AP組網及網絡拓撲的形成是全自動的，AP會不斷檢測其工作環境和上行鏈路的帶寬狀況，自動地、實時的選擇最佳的回傳路徑。當有線級聯的接入點(AP)之間的有線網絡出現問題或者某些接入點(AP)出現故障， Mesh功能將會極大可能的使得整個無線網絡具有最佳的性能和最好的穩定性和可靠性，同時，Mesh功能使得整個無線網絡的組網方式可以選擇有線、無線和有線無線結合等，更加豐富組網技術。

圖2 無線接入點組網結構

2.2 智能終端

在現有系統中礦工屬于被動得到環境狀態，礦工無法實時或及時獲取周圍的環境信息并主動聯系；通過智能終端，礦工、調度、環境信息形成了有效的閉環，在此基礎上，可以實現的功能包括感知個人周圍安全環境(如瓦斯、環境溫度等)，人員精確定位與動態跟蹤，報警與信息顯示，緊急逃生指引等。

2.3 綜合信息交換

綜合信息交換軟件子系統用來確保煤礦所有安全生產、人員、設備、管理信息等復雜異構信息在一個統一數據平臺存儲，在異構條件下進行聯通與共享，能夠使不同功能的應用系統聯系起來，協調有序運行，實現將采集的感知信息及時的處理并轉發給其他的應用組件、程序，從而保證信息動態順暢的溝通。其主要結構包括：

(1) 統一數據接口。實現異構分別傳輸信息的統一接入，保證信息的高效、有序、可靠和安全。

(2) 信息流預處理模型。系統中的信息流預處理模塊主要利用高速分布式索引技術、關聯分析等手段進行初步處理，在確保數據的有效性和準確性的前提下，適當去除冗余信息和降低后端信息交換及實時處理的復雜性和重復性，提高后端系統的魯棒性。

(3) 構建統一時空實時信息庫。統一時空實時數據庫是各類信息存儲快速交換及融合的主要場所，主要對信息的基本屬性及動態屬性分別存儲，通過高速Hash表對動態屬性進行高速的讀/寫，具有時間、空間、環境特征。

2.4 實時GIS

目前，煤礦井下移動目標定位系統基本是區域定位的模式，不能夠實現井下任意位置的連續監控定位，更不能在礦井地質測繪圖中實時、連續、動態地顯示目標位置及歷史運動軌跡。系統基于WiFi無線網絡，能夠對井下移動目標進行連續動態定位，并且采集礦工周圍環境信息，將實時感知的人員位置信息、周圍環境信息、地理空間信息、網絡覆蓋信息與人員呼救信息的相融合，基于數字礦山、地理信息技術，在礦井實際測繪成果圖中動態實時地定位人員及機車位置，查詢目標歷史軌跡并動態回放于電子礦圖上，形成一個實時GIS系統為煤礦安監、調度部門提供實時監控井下礦工的活動狀態及周圍環境狀況的信息平臺，為分析井下移動目標運行情況、災后應急救援提供一個綜合動態的信息展示平臺和歷史資料查閱平臺。

3 結 論

平臺通過利用智能終端、無線感知網絡、綜合信息交換和實時GIS等技術，構建了一個基于物聯網的煤礦安全監控體系，將煤礦工人信息、環境信息、地理信息、各種傳感器信息和指揮調度并綜合展示和交互，形成了一體化的監控和指揮平臺，可以更好的保障煤礦企業安全生產。

目前該系統已經在山西霍爾辛赫煤業有限公司投入使用，取得了較好的效果。

[1]吳立新．數字地球、數字中國與數字礦區[J].礦山測量，2000(1):6-9．

[2]張 申，丁恩杰，徐 釗，等.物聯網與感知礦山專題講座之二--感知礦山與數字礦山、礦山綜合自動化[J].工礦自動化，2010，36(11):129-132．

[3]柏振軍.中國煤礦機械裝備發展現狀和“十二五”展望[J].中國煤炭，2011，37(4):16-19．

[4]孫其博，劉 杰，黎 羴，等.物聯網:概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33(3):1-9．

[5]雷文禮.基于WiFi技術的礦井多業務終端的研究與實現[D].西安：西安科技大學，2008.

[6]黃 瀛.基于無線傳感器網絡的煤礦安全無線與綜合監控系統的研究[D].北京：北京交通大學,2007.

[7]許 金.基于物聯網的煤礦安全監控系統體系架構研究[J].工礦自動化,2013,12:97-100.

[8]謝莉萍.基于RFID與WSN融合技術的煤礦安全監控系統的研究與設計[D].寧夏：寧夏大學,2013.

國家自然科學基金項目(51344002)、山西省青年基金項目(2013021029-1)、太原科技大學博士科研啟動基金項目(20122006)..

2014-05-28)

李 強(1971-)，男，山西交口人，大學本科，高級工程師，主要從事煤礦安全技術研究與管理方面的研究。

付玉平(1983-)，男，山東鄆城人，博士，講師，主要從事礦山壓力與巖層控制及災害防治方面的研究。