基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺的設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)

朱 晶

（霍州煤電集團(tuán)云廈建筑工程有限公司， 山西 霍州 031400）

引言

當(dāng)前，自動化、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在煤炭領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]，這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)煤礦生產(chǎn)模式，使煤炭生產(chǎn)和管理水平得到顯著提升。現(xiàn)階段我國幾乎所有的煤礦都配備有各種形式的安全監(jiān)測系統(tǒng)，比如電力安全監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等。不同系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，給日常維護(hù)和管理造成了很大困難，增加了管理成本[4-5]。不同系統(tǒng)收集得到的數(shù)據(jù)格式、保存方式等都不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)很難實現(xiàn)共享，限制了這些安全系統(tǒng)功能的發(fā)揮[6]。針對當(dāng)前階段煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，本文在充分挖掘物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺，以實現(xiàn)不同安全監(jiān)控系統(tǒng)的有效融合。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用概述

當(dāng)前我國正在推進(jìn)工業(yè)4.0，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)則是實現(xiàn)工業(yè)4.0 的重要手段，因此當(dāng)前階段工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可將工業(yè)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊以及數(shù)據(jù)分析等融入到生產(chǎn)不同環(huán)節(jié)，極大提升了工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，使工業(yè)生產(chǎn)成本大幅度降低。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用給生產(chǎn)過程帶來了顛覆性變革，信息交互更加及時、可靠性更高。感知礦山是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用的典型代表，結(jié)合數(shù)據(jù)感知技術(shù)、信息傳輸及其處理技術(shù)等，將煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)信息、煤礦測量數(shù)據(jù)信息、生產(chǎn)安全數(shù)據(jù)信息等進(jìn)行收集與融合，基于數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)礦山管理的數(shù)字化和可視化。可對煤礦生產(chǎn)全流程進(jìn)行有效監(jiān)控，提升了煤礦開采過程的智能化水平。如圖1 所示為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知礦山整體架構(gòu)框圖。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知礦山整體架構(gòu)框圖

傳統(tǒng)的各個煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是相互獨(dú)立運(yùn)行的，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)由于格式和保存方式不統(tǒng)一導(dǎo)致無法共享，沒有在最大限度上發(fā)揮安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可將煤礦井下各安全監(jiān)控系統(tǒng)有效融合，實現(xiàn)不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的融合集成，對不同系統(tǒng)實現(xiàn)集中統(tǒng)一管理和控制。對于提升煤礦井下安全監(jiān)控和管理水平意義重大。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺設(shè)計

2.1 平臺總體框架設(shè)計

煤礦安全監(jiān)控平臺對不同安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效收集、傳輸、存儲和分析。存儲數(shù)據(jù)需要搭建服務(wù)器，本平臺通過嵌入式技術(shù)建設(shè)專用數(shù)據(jù)庫，基于該數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲。通過云計算技術(shù)建立平臺私有云，對平臺數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計算分析。平臺主要包含三部分，分別為云平臺應(yīng)用軟件、不同安全監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器集群、云存儲數(shù)據(jù)中心。在高性能服務(wù)器上通過使用虛擬服務(wù)器技術(shù)，為所有已經(jīng)建設(shè)完成的安全監(jiān)控系統(tǒng)分配對應(yīng)的虛擬服務(wù)器，以存儲系統(tǒng)在運(yùn)行過程中收集得到的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)煤礦運(yùn)行信息數(shù)據(jù)的云存儲。不需要對已經(jīng)建設(shè)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行改造升級，可節(jié)省大量建設(shè)成本。同時還提升了整個安全監(jiān)控平臺的兼容性，未來如果還需要建設(shè)新的監(jiān)控系統(tǒng)，可以直接通過虛擬服務(wù)器的分配將其納入到平臺中。

基于云存儲數(shù)據(jù)中心可以對安全監(jiān)控平臺收集得到的煤礦運(yùn)行數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲，包括歷史數(shù)據(jù)信息和實時監(jiān)控數(shù)據(jù)信息。存儲數(shù)據(jù)中心可以對所有的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動備份，以避免數(shù)據(jù)丟失。遇到故障問題，可以將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動恢復(fù)。煤礦運(yùn)行數(shù)據(jù)信息的收集和存儲可以為后續(xù)大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐，充分挖掘煤礦運(yùn)行數(shù)據(jù)的潛能，使之更好地為煤礦運(yùn)行和安全管理提供服務(wù)。平臺還充分利用已經(jīng)發(fā)展較為成熟的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等對煤礦生產(chǎn)過程進(jìn)行動畫再現(xiàn)，在大顯示屏中顯示每次生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，使平臺運(yùn)行變得可視化和便捷化。如圖2 所示為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺架構(gòu)圖。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控平臺包含的主要部分有：煤礦井下各安全監(jiān)控系統(tǒng)所分配的虛擬服務(wù)器，云監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器和平臺，煤礦企業(yè)數(shù)據(jù)中心及數(shù)據(jù)上傳通道，地方煤管局?jǐn)?shù)據(jù)中心及數(shù)據(jù)上傳通道，具有不同權(quán)限的移動終端，煤礦調(diào)度中心綜合顯示大屏等。

2.2 云監(jiān)控平臺的設(shè)計

安全監(jiān)控平臺通過工業(yè)以太網(wǎng)建立內(nèi)網(wǎng)，且可以與辦公外網(wǎng)進(jìn)行連接，基于內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)構(gòu)建云監(jiān)控平臺。通過虛擬服務(wù)器技術(shù)在云監(jiān)控平臺中為煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)分配對應(yīng)的虛擬服務(wù)器，以構(gòu)建虛擬服務(wù)器集群，在以后的發(fā)展中逐漸取代實體服務(wù)器。為確保云監(jiān)控平臺的信息安全，通過防火墻等防護(hù)技術(shù)實現(xiàn)辦公外網(wǎng)和監(jiān)控內(nèi)網(wǎng)之間的有效隔離。監(jiān)控平臺內(nèi)部的虛擬服務(wù)器分別與對應(yīng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行連接，各安全監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息全部上傳到虛擬服務(wù)器中進(jìn)行存儲，服務(wù)器具備防火墻的功能，能夠有效防止外部病毒對服務(wù)器發(fā)起的攻擊。如圖3 所示為云監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器總體架構(gòu)示意圖。硬件系統(tǒng)采用的是基于Linux 嵌入式系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)信息存儲效率高。除具備服務(wù)器功能外，同時還具有路由器功能、防火墻功能、數(shù)據(jù)信息分析與轉(zhuǎn)發(fā)功能等。云監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器具備較好的可拓展性，方便以后拓展更加強(qiáng)大的功能。因此，總體上平臺具有較高的安全性、可靠性以及兼容性。此外，還專門為煤礦企業(yè)和管理部門提供了上傳數(shù)據(jù)的通道，上傳通道包括無線網(wǎng)絡(luò)和有線光纖網(wǎng)絡(luò)兩種形式。其中有線光纖網(wǎng)絡(luò)是主用上傳通道，如果光纖網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障問題無法上傳數(shù)據(jù)時，就可啟用無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。這種冗余的數(shù)據(jù)上傳通道保障了平臺運(yùn)行可靠性。

圖3 云監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器總體架構(gòu)示意圖

3 煤礦安全監(jiān)控平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化采集技術(shù)

煤礦安全監(jiān)控平臺需要收集各安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息才能夠發(fā)揮作用，但是當(dāng)前階段不同監(jiān)控系統(tǒng)由于建設(shè)水平不一樣，數(shù)據(jù)存儲格式、方法都存在差異。如何對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理是本平臺的一個關(guān)鍵問題。需要設(shè)計一個標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集接口，不同安全監(jiān)控系統(tǒng)全部通過該接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)信息直接傳輸?shù)綄?yīng)的虛擬服務(wù)器中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式和存儲方式的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一分析和處理。不再需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)矫總€安全監(jiān)控系統(tǒng)自身的物理服務(wù)器中進(jìn)行存儲分析。通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，可實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互與共享，提升了數(shù)據(jù)的利用效率，數(shù)據(jù)的云存儲也保證了其安全性和可靠性。

3.2 數(shù)據(jù)信息的融合集成技術(shù)

煤礦安全監(jiān)控平臺的最底層為多個安全監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)控平臺設(shè)計有實時數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫對底層監(jiān)控系統(tǒng)開放。通過實時數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)不同監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的融合集成。數(shù)據(jù)融合集成方式有兩種，分別為分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫融合、實時數(shù)據(jù)庫融合。

3.3 數(shù)據(jù)信息的共享

建立煤礦安全監(jiān)控平臺的目的就是要將煤礦內(nèi)已經(jīng)建成的各種安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行融合集成，確保不同安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息能夠共享，為煤礦安全和管理提供服務(wù)。本平臺能夠?qū)⒉煌到y(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享使用，且將這些數(shù)字信息同時顯示在一個應(yīng)用軟件平臺中。另外，軟件具有良好的拓展性，可以通過不同形式的接口實現(xiàn)與其他軟件的連接。

4 結(jié)論

1）基于先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的煤礦安全監(jiān)控平臺，可實現(xiàn)不同監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的標(biāo)準(zhǔn)化采集、分析與傳輸，對所有數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)云存儲，保證了信息的安全性和可靠性。

2）基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建的煤礦安全監(jiān)控平臺，通過數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化采集、分析處理，實現(xiàn)了不同監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的共享，極大地提升了煤礦安全監(jiān)控和管理水平。