基于物聯網技術的煤礦安全監控平臺的設計與關鍵技術

朱 晶

（霍州煤電集團云廈建筑工程有限公司， 山西 霍州 031400）

引言

當前，自動化、云計算和物聯網等技術在煤炭領域得到廣泛應用[1-3]，這些先進技術的應用打破了傳統煤礦生產模式，使煤炭生產和管理水平得到顯著提升。現階段我國幾乎所有的煤礦都配備有各種形式的安全監測系統，比如電力安全監測系統、人員定位系統等。不同系統之間相互獨立，給日常維護和管理造成了很大困難，增加了管理成本[4-5]。不同系統收集得到的數據格式、保存方式等都不統一，數據很難實現共享，限制了這些安全系統功能的發揮[6]。針對當前階段煤礦安全監控系統存在的問題，本文在充分挖掘物聯網技術的基礎上，設計研究了基于物聯網技術的煤礦安全監控平臺，以實現不同安全監控系統的有效融合。

1 物聯網技術在煤礦生產中的應用概述

當前我國正在推進工業4.0，工業物聯網則是實現工業4.0 的重要手段，因此當前階段工業物聯網技術得到了快速發展。基于物聯網技術可將工業生產過程中的數據采集、數據通訊以及數據分析等融入到生產不同環節，極大提升了工業生產的質量和效率，使工業生產成本大幅度降低。物聯網技術在煤礦生產中的應用給生產過程帶來了顛覆性變革，信息交互更加及時、可靠性更高。感知礦山是物聯網技術在煤礦生產中應用的典型代表，結合數據感知技術、信息傳輸及其處理技術等，將煤礦地質數據信息、煤礦測量數據信息、生產安全數據信息等進行收集與融合，基于數據信息實現礦山管理的數字化和可視化。可對煤礦生產全流程進行有效監控，提升了煤礦開采過程的智能化水平。如圖1 所示為基于物聯網技術的感知礦山整體架構框圖。

圖1 基于物聯網技術的感知礦山整體架構框圖

傳統的各個煤礦安全監控系統是相互獨立運行的，系統之間的數據由于格式和保存方式不統一導致無法共享，沒有在最大限度上發揮安全監控系統的功能。通過工業物聯網技術的應用可將煤礦井下各安全監控系統有效融合，實現不同系統數據信息的融合集成，對不同系統實現集中統一管理和控制。對于提升煤礦井下安全監控和管理水平意義重大。

2 基于物聯網技術的煤礦安全監控平臺設計

2.1 平臺總體框架設計

煤礦安全監控平臺對不同安全監控系統數據信息進行有效收集、傳輸、存儲和分析。存儲數據需要搭建服務器，本平臺通過嵌入式技術建設專用數據庫，基于該數據庫對數據信息進行存儲。通過云計算技術建立平臺私有云，對平臺數據信息進行計算分析。平臺主要包含三部分，分別為云平臺應用軟件、不同安全監控系統服務器集群、云存儲數據中心。在高性能服務器上通過使用虛擬服務器技術，為所有已經建設完成的安全監控系統分配對應的虛擬服務器，以存儲系統在運行過程中收集得到的數據信息，實現煤礦運行信息數據的云存儲。不需要對已經建設的煤礦安全監控系統服務器進行改造升級，可節省大量建設成本。同時還提升了整個安全監控平臺的兼容性，未來如果還需要建設新的監控系統，可以直接通過虛擬服務器的分配將其納入到平臺中。

基于云存儲數據中心可以對安全監控平臺收集得到的煤礦運行數據信息進行存儲，包括歷史數據信息和實時監控數據信息。存儲數據中心可以對所有的數據信息進行自動備份，以避免數據丟失。遇到故障問題，可以將數據信息進行自動恢復。煤礦運行數據信息的收集和存儲可以為后續大數據分析提供數據支撐，充分挖掘煤礦運行數據的潛能，使之更好地為煤礦運行和安全管理提供服務。平臺還充分利用已經發展較為成熟的增強現實技術、虛擬現實技術等對煤礦生產過程進行動畫再現，在大顯示屏中顯示每次生產的關鍵環節，使平臺運行變得可視化和便捷化。如圖2 所示為基于物聯網技術的煤礦安全監控平臺架構圖。

圖2 基于物聯網技術的煤礦安全監控平臺架構

基于物聯網技術的煤礦安全監控平臺包含的主要部分有：煤礦井下各安全監控系統所分配的虛擬服務器，云監控聯網服務器和平臺，煤礦企業數據中心及數據上傳通道，地方煤管局數據中心及數據上傳通道，具有不同權限的移動終端，煤礦調度中心綜合顯示大屏等。

2.2 云監控平臺的設計

安全監控平臺通過工業以太網建立內網，且可以與辦公外網進行連接，基于內網和外網構建云監控平臺。通過虛擬服務器技術在云監控平臺中為煤礦井下安全監控系統分配對應的虛擬服務器，以構建虛擬服務器集群，在以后的發展中逐漸取代實體服務器。為確保云監控平臺的信息安全，通過防火墻等防護技術實現辦公外網和監控內網之間的有效隔離。監控平臺內部的虛擬服務器分別與對應的安全監控系統進行連接，各安全監控系統在運行過程中產生的數據信息全部上傳到虛擬服務器中進行存儲，服務器具備防火墻的功能，能夠有效防止外部病毒對服務器發起的攻擊。如圖3 所示為云監控聯網服務器總體架構示意圖。硬件系統采用的是基于Linux 嵌入式系統的總體結構，數據信息存儲效率高。除具備服務器功能外，同時還具有路由器功能、防火墻功能、數據信息分析與轉發功能等。云監控聯網服務器具備較好的可拓展性，方便以后拓展更加強大的功能。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，還專門為煤礦企業和管理部門提供了上傳數據的通道，上傳通道包括無線網絡和有線光纖網絡兩種形式。其中有線光纖網絡是主用上傳通道，如果光纖網絡出現故障問題無法上傳數據時，就可啟用無線通信網絡實現數據上傳。這種冗余的數據上傳通道保障了平臺運行可靠性。

圖3 云監控聯網服務器總體架構示意圖

3 煤礦安全監控平臺關鍵技術研究

3.1 數據的標準化采集技術

煤礦安全監控平臺需要收集各安全監控系統的數據信息才能夠發揮作用，但是當前階段不同監控系統由于建設水平不一樣，數據存儲格式、方法都存在差異。如何對這些數據信息進行標準化處理是本平臺的一個關鍵問題。需要設計一個標準化的數據采集接口，不同安全監控系統全部通過該接口進行數據采集，并將數據信息直接傳輸到對應的虛擬服務器中，實現數據格式和存儲方式的統一化和標準化，進而對數據信息進行統一分析和處理。不再需要將數據傳輸到每個安全監控系統自身的物理服務器中進行存儲分析。通過數據標準化處理，可實現不同系統之間的數據交互與共享，提升了數據的利用效率，數據的云存儲也保證了其安全性和可靠性。

3.2 數據信息的融合集成技術

煤礦安全監控平臺的最底層為多個安全監測系統，監控平臺設計有實時數據庫，該數據庫對底層監控系統開放。通過實時數據庫可以實現不同監控系統數據信息的融合集成。數據融合集成方式有兩種，分別為分布式異構數據庫融合、實時數據庫融合。

3.3 數據信息的共享

建立煤礦安全監控平臺的目的就是要將煤礦內已經建成的各種安全監控系統進行融合集成，確保不同安全監控系統的數據信息能夠共享，為煤礦安全和管理提供服務。本平臺能夠將不同系統的數據進行共享使用，且將這些數字信息同時顯示在一個應用軟件平臺中。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與其他軟件的連接。

4 結論

1）基于先進的物聯網技術設計的煤礦安全監控平臺，可實現不同監控系統數據信息的標準化采集、分析與傳輸，對所有數據信息實現云存儲，保證了信息的安全性和可靠性。

2）基于工業物聯網技術搭建的煤礦安全監控平臺，通過數據的標準化采集、分析處理，實現了不同監控系統數據信息的共享，極大地提升了煤礦安全監控和管理水平。