物聯網環境下煤礦安全監控系統體系架構研究

伊廣璐

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

進入21 世紀后，中國在世界工業4.0 改革發展潮流中，提出了與本國實際工業發展情況相一致的“中國制造2025”戰略計劃。煤礦行業作為支撐工業改革發展的動力能源之一，需要做到為工業提供更具實質的品質化服務，因此，煤礦行業自身也需要進行一番智能化改革。當前，我國物聯網建設已經進入初步實踐階段，為煤礦產業的深化改革提供了一個有利時機，下面以此為出發點對主題展開說明。

1 煤礦安全監控系統概述

1.1 研究現狀

從我國煤礦安全監控系統的應用方面分析，已經實現了以4G 通訊技術為基礎的煤礦安全監控系統建設。從其特征方面分析，系統以集中控制為主，具體結構是在井上設置主站控制中心，然后，在井下各個現場區域設置測控分站；當分站完成信息采集后，既可發送到主站，由主站對收集到的信息進行分析處理，然后，再以控制命令的形式進行分發，進而實現安全監控系統控制。從材料與技術方面分析，主要的材料包括專用電纜與光纜等；其中通訊技術除了RS485、CAN 之外，還有工業以太網（目前，應用呈增長趨勢）；另外，在專用通信協議方面，目前，主要采用各自規定的方式達到對相關數據（信息和命令）的傳輸等。

1.2 存在的問題

當前，煤礦安全監控系統存在的問題相對較多，具體表現在硬件與軟件兩大層面。以硬件中存在的問題為例：首先，當前煤礦安全采用有線覆蓋方式，當傳感器密度不大的條件下，系統的擴展性能與覆蓋范圍會受到一定限制，從而造成系統覆蓋受限，并出現監測盲目。以軟件為例，若要使各項技術在4G 一體化設計方案下實現功能擴展、延長使用壽命，縮短產品更新換代時間，則需要在煤礦安全監控系統的各個組成部分之間，增強對接效用。另外，在基于4G 的一體化系統之中，維護管理已經成為煤礦安全監控系統安全運營的重要保障，因而要求在信息通訊方面增強綜合信息化網絡管理能力。

2 物聯網環境下煤礦安全監控系統結構與功能

本次研究根據現行基于4G 無線網絡通訊技術在煤礦安全監控系統體系中的運用情況，對物聯網環境下的煤礦安全監控系統結構與功能做出說明。

2.1 系統結構與特點

根據要解決的問題，本文建議在現行4G 一體化總體方案中，按照物聯網環境下的萬物互聯思路，增強綜合網絡管理平臺能力。具體如下：首先，根據現有4G 綜合通信分站，將礦井無線通訊、應急廣播、人員定位等進行集中統一。具體操作中，可以將各個AP 的信息進行集中化的預先處理，再使其傳輸到主站。從其特性分析，首先，物聯網環境下煤礦安全監控系統結構，即使在控制器失效的條件下，也能實現信息的上傳、傳輸、執行、監測等任務；因此，具有較高的抗毀性能。其次，取消分站，改用AP，優化了信息傳輸環節，提高了扁平化程度，從而在信息傳輸處理的優化層面增強了其應用可靠性能。最后，在骨干通信網絡中，能夠實現云計算中心的設置，從而達到對多元類型、多樣信息的分析處理，因而能夠應對煤礦災害的各種風險，實現智能預警，解決突發性、非線性，且需要大量運算的監測任務。因此，能夠有效解決當前煤礦安全監控系統中暴露的各類問題。

2.2 主要部件與邏輯分站

目前，4G 一體化方案中的系統兼容性相對較好，因而可以從功能擴展的角度，將公共網絡系統設備與各個AP 分站進行“多網融合”，進而提升“一網一站”服務效率。另一方面，在“多網融合”條件下提升信息服務效率的同時，可以在“一網一站”模式中，設置類似U 盤的功能，能夠更好地儲存信息，實現信息的移動傳輸與自動化傳輸等；這樣，AP 分站發生問題時，還能夠利用其U 盤功能，更好地進行獨立的信息處理。從預設邏輯分站的角度分析，AP 屬于邏輯意義上的分站，其組態功能依然以主站為主，但在組合層面具備更加靈活的組成模式，因此，在覆蓋完全的情況下，可以實現對傳統分站的優化；而且，民地斷電或復電功能也能夠得到有效控制，無須主站系統控制，僅在局部內即可實現站內控制，因此，具有更高的可靠性與安全性能；由此，也形成了具有冗余控制器特征的邏輯分站。

3 物聯網環境下煤礦安全監控系統體系架構

3.1 工作過程或原理

根據以上分析，物聯網環境下對煤礦安全監控系統進行體系架構，包括：系統部件發現階段——系統組態階段——系統運行階段——系統重構階段。在發現階段，執行器、控制器、傳感器，均能夠自動進入系統，實現自主信息傳送；在系統組態階段，管理員根據進入系統的執行器、控制器、傳感器可以進行邏輯分站組合操作，從而進行交叉控制，使1 個邏輯分站的控制域內實現針對性的安全監控，并使各控制域實現獨立執行，縮短控制信息傳輸距離，提升控制效率，減輕主站負擔，分化主站損壞可能產生的風險。

3.2 分層架構

假定采用協議IPv6、無線傳感器、具有開關量輸入功能的執行器、具備冗余布置的控制器，那么，就可以對物聯網環境下煤礦安全監控系統進行體系分層架構。具體如下：（1）在萬兆網環中心層，可以將它與地面核心交換機進行關聯，而在AP 分站關聯層面，則增設一個綜合分站，這樣就可以使原有的AP 分站的獨立功能與綜合分站集中后的綜合功能明確區分，提升中心層萬兆網環的信息處理量級，提升信息分析與反饋速度，使綜合網絡信息平臺信息更全面。（2）在應用支撐層設置M2M；（3）在網絡層設置骨干通信網與AP，從而滿足綜合分站對于AP 分站各項信息的直接收集與處理及反饋；這樣，中心層與AP 分站之間實際上形成了兩個層級的信息處理方案，并通過綜合分站進行關聯，常規性信息可以在綜合分站進行解決，復雜信息可以透過中心層進行處理，即使當AP 分站發生風險后，也能夠利用設置好的U盤功能在中心層進行獨立形式的大數據分析。（4）在目前的4G 一體化總方案中，可以將4G 專網、地面覆蓋、公網對接，高度通信系統，圖像監控、精確定位系統，設備管理、生產管理各個系統，進行地面核心交換機與辦公網絡及即時通訊視頻會議方面的全面聯動，進而以中心層萬兆環網的功能，促進公共綜合網絡平臺各類信息的單元同步顯示，進而提升整體上的煤礦安全監控能力。

3.3 高效服務功能

在提升現行4G 一體化煤礦安全監控系統功能后，能夠滿足物聯網環境下的萬物互聯需求。同時，這種類似全息信息圖景的綜合網絡平臺功能優化方案，在根本上能夠使中心層的數據信息處理與各個子系統的信息反饋顯示時間縮短，并在常規服務中實施針對AP 分站的獨立專項服務；而在整體的安全監控服務中，則能夠達到實時動態化的高效預警，并采取必要的應急預案，使各個子系統同時收到與其專項服務相關的預警信息內容，并提供對應應急方案。這樣，實質上是優化了煤礦安全監控系統體系，使其能夠在發生風險時，做到科學合理、井然有序的預防措施應用。另外，當某個子系統發生風險時，則能夠根據公共綜合網絡平臺反饋的信息進行同步的影響因素分析，提升原因追溯效率，進而從整體上實現局部問題的解決，此種思路在實質上解決因系統風險隱患而引發的同類問題重復發生問題。

4 結語

物聯網環節下需要突出萬物高效互聯屬性，將虛擬世界與現場世界進行了深度融合，使二者之間找到結合契機，結合以上分析可以認識到，物聯網環境下煤礦安全監控系統體系架構，它的集中優勢體現在性能方面；但是，從實踐應用的角度分析，基于物聯網基礎的煤礦安全監控系統體系架構，其內容相對復雜，在技術方面還需要針對其標準化與程序化的規程等做進一步的統一分析，尤其是標準的統一性制定問題非常棘手，另外，封閉式的煤礦安全監控系統，在物聯網環境下必然會逐漸走向開放形式，在這種形式下，也需要從系統網絡安全方面匹配相應的安全技術。