基于物聯網煤礦粉塵濃度監測預警系統的設計研究

孔 亮 康亞偉

（棗莊礦業（集團）有限責任公司蔣莊煤礦，山東 棗莊 277519）

隨著煤礦井下作業向高產高效發展，煤礦井下及掘進迎頭環境的粉塵濃度也越來越高，不僅給綜采工作人員的身心健康帶來嚴重危害，而且使設備的工作環境遭到破壞，加速了采煤機械設備的磨損度，增加了各類事故的發生概率。盡管棗莊礦業集團蔣莊煤礦已安裝有粉塵濃度監測系統，但無法做到對粉塵濃度的實時連續監測和提前預警。針對這一情況，基于物聯網技術，對物聯網、大數據、人工智能等技術進行融合，設計了一套新型煤礦粉塵監測預警系統[1-6]，并進行實踐應用。

1 煤礦粉塵監測預警云服務平臺架構設計

物聯網技術的應用給“兩化融合”的實施提供了一個突破口，在環保監測及能源管理方面，物聯網與環保設備的融合可以實現對工業生產過程中各種污染源及污染治理各個環節關鍵指標的實時監控。在這一大背景下，以蔣莊煤礦為研究對象，融合物聯網、大數據、人工智能技術，設計基于物聯網技術的煤礦粉塵監測預警云服務平臺。

1.1 設計目標和思路

融合物聯網、大數據、人工智能技術，基于云服務平臺獨特的運營模式，實現粉塵濃度的實時監測以及對數據的分析處理服務，對煤礦粉塵職業病的預警提供數據支持。基于物聯網技術的煤礦粉塵監測預警云服務平臺的構建不僅提供了粉塵濃度的實時監測設備，提高了監測數據的服務處理能力，更有效地提高了粉塵職業病防治的水平。

1.2 煤礦粉塵監測預警云服務模式

以往蔣莊煤礦井下粉塵濃度的監測主要是采取人工抽檢方式，粉塵濃度數據的時效性差，真實性存疑，同時數據也存在覆蓋面窄的問題，無法全面地反映井下粉塵濃度的超限問題，無法對工人職業病危害進行預警。針對以上分析，以呼吸性粉塵濃度的實時監測為主，基于上級監管部門的監管要求和工人職業病危害預警要求，構建一套“粉塵監測+服務平臺+服務對象”的煤礦粉塵監測預警云服務平臺，為企業和工人提供服務，其服務如圖1。

圖1 煤礦粉塵監測預警云服務模式示意圖

各煤礦企業采用多種粉塵監測方法（個體攜帶采樣法、固定式傳感器采樣等）對呼吸性粉塵濃度進行連續監測；各煤礦企業將監測數據上傳至粉塵監測預警云服務平臺；運營公司在平臺對上傳的監測數據進行分析處理，將處理后的結果提供給用戶服務；同時將處理結果提供給國家各級監管部門，可實現監管部門的監管職能；云服務平臺由專業的運營公司進行運營和日常管理。

1.3 云服務平臺整體架構分析

設計粉塵監測預警云服務平臺由“感知層+網絡層+應用層”3 層結構體系組成，拓撲結構如圖2。在感知層布置數據采集設備進行數據采集工作，在網絡層布置“無線網絡+有線網絡”設備完成數據傳輸工作，在業務系統平臺進行功能的應用。

圖2 粉塵監測預警云服務平臺拓撲結構示意圖

在井下監控點位置采用粉塵濃度傳感器、智能PDA 手持終端、本安型視頻終端等設備完成對監控點粉塵濃度的采集，通過無線基站、礦用交換機、工業以太環網、地面工業以太網交換機、以太網等設備將采集的信息傳遞到職業危害基礎數據信息庫和職業危害動態數據信息庫，然后進一步傳遞至職業病危害大數據中心和粉塵監測預警云服務平臺。當監控點粉塵濃度超限后，粉塵監測預警云服務平臺會采用中斷預警的工作方式，同時將信息報告給政府各級監管部門。

2 煤礦粉塵監測預警云服務平臺功能設計

蔣莊煤礦粉塵監測預警云服務平臺業務功能情況如圖3。該系統主要包括煤礦粉塵數據采集系統板塊，實現數據（個體和環境的呼吸性粉塵濃度+塵肺病基礎信息）的采集功能；粉塵大數據中心板塊，實現數據的傳輸、處理、歸納和整合功能；粉塵在線監測應用系統，主要是實現數據共享、政府監管、職業病檔案管理功能。

圖3 煤礦粉塵監測預警云服務平臺業務功能示意圖

2.1 煤礦粉塵數據采集系統

煤礦粉塵數據采集系統結構主要由呼吸性粉塵濃度傳感器、總粉塵濃度傳感器、高清攝像頭、人員定位傳感器等部件組成。根據井下工作面大小和巷道長度，在設定的監測區域內設置多個采集點，對呼吸性粉塵和總粉塵濃度、作業人員定位、移動設備定位等信息進行采集，同時將采集信息傳輸至系統大數據中心。

2.2 煤礦粉塵大數據中心

數據傳輸系統結構如圖4，由呼吸性粉塵濃度傳感器、總粉塵濃度傳感器、攝像頭、數據庫、視頻電視墻、地面監控主站、交換機、通訊設備、服務器等部件組成。“無線傳輸網絡+有線傳輸網絡”的多方式網絡傳輸共同完成數據傳輸功能，構建監測預警云服務平臺的網絡傳輸系統，可有效提高傳輸效率。

圖4 數據傳輸系統結構示意圖

對多源異構職業危害數據進行整合，構建職業危害粉塵監測基礎數據庫，完成職業危害預警分類數據庫的建設。職業危害粉塵監測中主要的動態指標包括PM10、PM2.5、總塵濃度、游離SiO2、噪聲、風速、風向、溫度、濕度等。數據中心架構如圖5。

圖5 數據中心架構示意圖

基礎支撐由硬件環境、數據標準、基礎軟件組成；數據采集及處理由數據采集、數據抗干擾處理、數據壓縮、數據融合組成；數據存儲包括業務數據、基礎數據、系統數據；數據管理主要包括安全訪問控制、數據維護、備份恢復；數據服務包括數據檢索、數據查詢、數據展示、數據統計、數據發布。

2.3 煤礦粉塵在線監測應用系統

監測應用系統以采集的粉塵實時數據為基礎，對各接口信令數據進行聚集處理，形成數據集市，進而完成數據的共享，提供粉塵監測的監管服務和職業病危害預警服務。

建立了面對多級部門扁平化的監管系統，針對各級地方政府的監管部門，平臺均提供相應的功能部署，同時進行扁平化管理。對煤礦井下粉塵濃度的監測和工人職業病的預警構建為多方共同監管的模式，能有效提高各級監管部門對煤礦的安全監管能力，有助于工人和企業掌握職業病的危害情況和預警措施。

在線監測預警子系統對采集到的煤礦粉塵數據（監測點運行數據、粉塵濃度數據、濃度超限數據等）進行實時處理，可視化技術展現，為監管部門的決策提供依據，及時地對煤礦井下粉塵濃度安全問題進行預警處理。

構建了職業病危害檔案，通過云服務平臺對煤礦企業和工人開放，可分析工人累計接塵狀況，可查看歷史監控檔案，提前預警作業工人的健康狀況。

3 在線監測預警系統的實現和實踐應用

3.1 在線監測預警系統的實現

對在線監測預警系統采用基于Hadoop 煤礦數據中心構架，并應用B/S 技術架構開發系統。Web前端采用HTML、CSS、JavaScript、jQuery、ajax、bootstrop 等技術，服務器后端采用Dubbo 分布式服務框架、SpringMVC、Zookeeper 等技術，選擇HBase 數據庫的數據管理方法和系統來對粉塵數據進行存儲和管理，在Eclipse 開發環境下進行開發，通過瀏覽器進行訪問。

3.2 實踐應用

基于物聯網的煤礦粉塵濃度監測預警系統完成設計后，在棗莊礦業（集團）有限責任公司蔣莊煤礦進行了應用，經安裝調整后投入到了實踐應用過程中。煤礦粉塵監測預警系統投入應用后，蔣莊煤礦可實現對井下煤礦環境粉塵數據及工人接塵狀況數據進行實時采集，并將監測數據上傳到煤礦粉塵大數據中心進行存儲與管理以及應用服務，為多級監管部門的監管和工人職業病的防治和預警提供數據基礎。系統的應用有效解決了蔣莊煤礦井下粉塵濃度存在監測時效性差、無法連續監測、無上級部門監管等問題。通過煤礦粉塵監測預警系統長期累計的職業病數據，可以及時跟蹤作業工人累計接塵情況，為職業病的預警提供了有效數據基礎。